怎樣為激光二極管選擇準直和橢圓校正光學元件？
由于激光二極管輸出高發(fā)散光束，準直光學元件一般是必須使用的。當準直光束直徑在 1 到 5 毫米之間時，不會引入球差的非球面透鏡是常用的準直元件。在下面兩個示例中， 我們首先討論選擇準直透鏡時需要考慮的關(guān)鍵規(guī)格，然后利用變形棱鏡對將橢圓光斑變 成圓形。
非球面透鏡：準直發(fā)散光束
? 使用的激光二極管：L780P010
? 要求的準直光束直徑：?3 mm(長軸)
在選擇準直透鏡時，首先要知道光源的發(fā)散角和要求的準直光束直徑。對于L780P010激光二極管，平行和垂直發(fā)散角的典型值分別是8°和30°；兩者都是全發(fā)散角，且為半高寬(FWHM)值。由于兩個方向有不同的發(fā)散，激光二極管輸出橢圓光束。為了在準直過程中收集盡可能多的光，計算時應使用最大的發(fā)散角。
如果透鏡的厚度相比曲率半徑小很多，我們可通過薄透鏡近似確定非球面透鏡的焦距。在此例中，最大發(fā)散角為30°，而要求的準直光束直徑為3 mm，因此準直透鏡的焦距可參考以下圖示和公式進行計算：
其中Θ為全發(fā)散角，?為準直光束直徑，f為透鏡焦距，而r為準直光束半徑。
接下來根據(jù)上述信息選擇合適的準直透鏡。Thorlabs提供大量非球面透鏡。對于這個780 nm激光二極管，焦距接近5.6 mm且鍍-B增透膜的模壓非球面透鏡。C171TMD-B已安裝或354171-B未安裝非球面透鏡都具有6.2 mm焦距。根據(jù)前面的公式可知，實際的準直光束直徑(長軸)為3.3 mm。
而且，透鏡NA應大于激光二極管NA：
前面的計算都基于光束的FWHM直徑，但更好的做法是使用1/e2光束直徑。對于高斯光束，1/e2直徑約為FWHM直徑的1.7倍。因此，1/e2直徑范圍內(nèi)包含了更多的光，而且遠場衍射更小。
根據(jù)選擇準直透鏡的一個經(jīng)驗法則，透鏡NA應等于激光二極管NA的兩倍。比如，此處可使用0.53 NA的A390-B或A390TM-B非球面透鏡。它們的焦距都是4.6 mm，所以準直光束的長軸直徑為2.5 mm。一般而言，準直透鏡焦距越小，準直光束直徑越小，但發(fā)散角越大。
注意：在使用未安裝非球面透鏡準直點光源或激光二極管時，應將曲率半徑更大的一面(即更平坦的一面)朝向點光源。在使用已安裝非球面透鏡進行準直時，應將有螺紋的一側(cè)朝向光源。
非球面透鏡安裝示例 已安裝非球面透鏡可通過S05TMxx或S1TMxx轉(zhuǎn)接件安裝在透鏡套筒中，其中xx表示透鏡外殼的公制螺紋。比如，A390TM-B透鏡可通過S05TM09或S1TM09轉(zhuǎn)接件分別安裝在SM05或SM1螺紋組件中。下面展示了一個安裝示例，通過S1TM09將透鏡安裝在激光二極管安裝座前面的LDMXY轉(zhuǎn)接板中；LDMXY可提供XY平移，并增大到透鏡的工作距離。
未安裝非球面透鏡可先粘在LMRAxx轉(zhuǎn)接件上，而LMRAxx可安裝在SM1A6T轉(zhuǎn)接件中，然后整個組裝件可通過SM1外螺紋安裝在激光二極管安裝座的前面板中。下面展示了一個安裝示例，通過LMRA8將非球面透鏡安裝在SM05內(nèi)螺紋組件中。
變形棱鏡對：校正橢圓光束
非球面透鏡只能將上述激光二極管的輸出變成準直的橢圓光束。接下來我們要使用變形棱鏡對將橢圓光束變成圓形光束，為此還要計算短軸方向的直徑。對于較小的8°全發(fā)散角，根據(jù)選用的A390-B非球面透鏡焦距(4.6 mm)，橢圓光束在短軸方向的光束直徑為0.64 mm。
為了將短軸直徑放大至長軸直徑(2.5 mm)，我們需要一個能提供3.9倍放大率的變形棱鏡對。Thorlabs提供已安裝和未安裝棱鏡對。已安裝棱鏡對通過穩(wěn)定的外殼保持棱鏡對準，而未安裝棱鏡對可通過角度調(diào)節(jié)提供精確的放大率。
如果選用PS883-B已安裝棱鏡對，由于它在950 nm處的放大率為4倍，而放大率隨波長減小而增大，因此在780 nm激光的放大率還要大于4倍，導致校正后的光束仍有一定的橢圓度。
如果使用PS871-B未安裝棱鏡對，我們可通過角度調(diào)節(jié)實現(xiàn)精確的3.9倍放大率，以此得到圓形光束。根據(jù)它的放大率曲線，對于670 nm光束，當兩個棱鏡以下面的角度放置時，它能提供4.0倍放大：α? = +34.608° | α? = -1.2455°
上圖中有兩個角度的定義，順時針方向為正。在前面兩個角度下，780 nm激光會得到略小于4的放大率，但我們?nèi)孕璺磸蛧L試才能實現(xiàn)所需的精確放大率。
使用上圖所示的裝置，我們可為棱鏡提供俯仰/偏轉(zhuǎn)以及旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)。一般而言：
l 如需增加放大率，順時針旋轉(zhuǎn)第一個棱鏡(增大α?)并逆時針旋轉(zhuǎn)第二個棱鏡(減少α?)。
l 如需減小放大率，逆時針旋轉(zhuǎn)第一個棱鏡(減小α?)并順時針旋轉(zhuǎn)第二個棱鏡(增大α?)。
注意：棱鏡對會使輸入和輸出光束之間出現(xiàn)偏移，而且這個偏移隨放大率的增加而增加。
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