用于系統微縮化的非圓形光學(xué)元件

用于系統微縮化的非圓形光學(xué)元件

減少余量：截短透鏡以縮小系統

Ø方形和截短光學(xué)元件減少了常規光學(xué)設計的總體積，例如切爾尼-特納光譜儀

Ø將方形透鏡直接安裝到通用平臺上，可提高熱機械穩定性

Ø高數值孔徑的微柱面透鏡可在封裝過(guò)程中用于準直和圓化激光二極管

Ø可以將大多數標準透鏡和反射鏡切割成定制尺寸，以便于在緊湊型光學(xué)系統中進(jìn)行表面安裝

當大多數人想到透鏡時(shí)，腦海里立即想到的是傳統的圓形對稱(chēng)的圓形透鏡。這種印象有充分的理由；在整個(gè)歷史過(guò)程中，大部分透鏡制造都依靠這種對稱(chēng)性來(lái)準確成形和拋光球面及非球面透鏡。這種徑向對稱(chēng)性可以作為光機械設計中的寶貴工具，使復雜的光學(xué)系統易于定心和對準。通過(guò)觀(guān)察顯微鏡物鏡或較好的相機鏡頭的鏡筒內部的透鏡排列，可以很好地展示這種被動(dòng)對準過(guò)程。在這兩個(gè)示例中，透鏡和墊片環(huán)都在管內自動(dòng)定心，從而顯著(zhù)減少制造時(shí)間和成本，同時(shí)提供出色的機械穩定性（圖 1）。

圖 1:
傳統的圓形對稱(chēng)的圓形透鏡在常規光學(xué)組件中由圓形墊片和固定環(huán)自動(dòng)定心，從而簡(jiǎn)化了組裝和對準

遺憾的是，隨著(zhù)技術(shù)趨勢繼續朝著(zhù)更小、更緊湊的設備發(fā)展，封裝內部并不總是有空間容納多余的材料，例如機械安裝座或未使用的玻璃。因此，如今許多現代的電光封裝都設計為使用截短的或方形的光學(xué)組件，這些組件可以平整地安裝在平臺上，而無(wú)需圓形或 V 型槽安裝（圖 2）。各種各樣的光子技術(shù)使用這些組件，尤其是在電信技術(shù)中，例如多路復用器和放大器。為了簡(jiǎn)潔起見(jiàn)，我們將重點(diǎn)討論兩個(gè)例子：微型光譜儀和光纖耦合二極管激光器。

圖 2:
方形或截短的光學(xué)元件對于各種空間受限的電光應用越來(lái)越重要

微型光譜儀中的截短鏡

當今微型光譜儀中常用的光學(xué)設計稱(chēng)為切爾尼-特納配置。在這種配置中，來(lái)自入口狹縫的光被一個(gè)小的凹面鏡準直，然后引導到衍射光柵上（圖 3）。當光入射到衍射光柵上時(shí)，各種波長(cháng)將沿著(zhù)平行于平臺的軸線(xiàn)分散，但它們將保持準直狀態(tài)。因此，必須使用直徑較大的聚焦鏡才能將多個(gè)狹縫圖像聚焦到光譜儀的線(xiàn)性檢測器陣列上，但這僅是在一個(gè)軸上的情況。因此，通常是通過(guò)切掉頂部和底部來(lái)截短較大的圓形鏡，以便可以將其安裝在與平臺齊平的位置，從而顯著(zhù)降低整個(gè)系統的高度。

圖 3:
采用兩個(gè)截短聚焦鏡的切爾尼-特納光譜儀的原理圖

在一些較新的微型和微型光譜儀設計中，這一趨勢被進(jìn)一步采用，將這些截短的反射鏡與基于微機電系統 (MEMS) 的空間光調制器（而不是衍射光柵）結合。MEMS 技術(shù)可以進(jìn)一步減小光學(xué)元件的尺寸，并且檢測器陣列可以由單個(gè)元件的光電二極管代替，從而在某些情況下將光譜儀的總占地面積減小到和橡皮擦一樣小。為了使光譜儀設計達到這種緊湊程度，必須將準直鏡和聚焦鏡都截短以提供平坦的邊緣，從而實(shí)現兩種光學(xué)元件的表面安裝。在這種情況下，采用“拾取和放置”式微定位系統在將兩個(gè)反射鏡用環(huán)氧樹(shù)脂固定在適當位置之前將它們對準。我們將在下一節中進(jìn)一步討論微定位。

光纖耦合二極管激光器中的方形透鏡

雖然激光二極管通常使用幾十種不同的激光封裝，但 14 針蝶形管在很大程度上已成為高性能光纖耦合激光二極管的行業(yè)標準。該封裝允許使用安裝在集成熱電冷卻器 (TEC) 上的通用平臺，提供優(yōu)異的熱機械穩定性。這些平臺的尺寸通常小于 8 毫米 x 15 毫米，由銅鎢等材料制成，與玻璃的熱膨脹系數 (CTE) 相匹配。CTE 匹配允許激光二極管在較寬的溫度范圍內工作，而不會(huì )損壞或錯位封裝內部的光學(xué)元件。但是，使用傳統的圓形微光學(xué)元件，硅 V 形槽或金屬安裝環(huán)會(huì )由于 CTE 不匹配而導致不穩定，減小封裝內部已經(jīng)有限的空間，并且對準能力相對較差。激光二極管封裝的當前趨勢是利用方形或矩形的微透鏡，它們可以直接粘合到平臺上，也可以通過(guò)零間隙安裝方法由第二塊玻璃支撐在空間中。這些透鏡具有出色的可靠性，僅需小的封裝體積，并允許亞微米級的準確對準。

圖 4:非圓形光學(xué)元件 14 針蝶形激光二極管

通過(guò)利用這些方形光學(xué)元件（通常大小在 1-3 毫米左右），訓練有素的操作員可以使用微定位臺主動(dòng)對準平臺上的光學(xué)元件。這些平臺包括一個(gè)真空拾取工具，當與方形光學(xué)元件的頂部或側面齊平時(shí)，該光學(xué)裝置可使光學(xué)元件在自由空間中通常以五個(gè)自由度對齊。同時(shí)，對激光器的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)監控。如果操作員試圖用圓形光學(xué)元件而不是方形光學(xué)元件執行相同的任務(wù)，這將需要將透鏡安裝在方形或矩形的透鏡支架中，從而顯著(zhù)增加總體積并減少可安裝到封裝中的光學(xué)元件的大數量。

在典型的光纖耦合 14 針蝶形封裝中，多需要三個(gè)獨立的透鏡才能提供有效且穩定的耦合。大多較好的激光二極管使用兩個(gè)交叉的柱面方形微透鏡來(lái)補償激光二極管快軸和慢軸的發(fā)散角之間的差異。一透鏡，稱(chēng)為快軸準直 (FAC) 透鏡，必須具有較大的數值孔徑，由于發(fā)散角的緣故，典型焦距約為 500μm，由于發(fā)散孔徑的尺寸小，發(fā)散角通常約為 25 度。取決于單?；蚨嗄６O管的使用，慢軸的發(fā)散角比其快軸低 3 至 5 倍。因此，要使光束圓化，慢軸準直 (SAC) 透鏡必須具有比 FAC 透鏡更長(cháng)的焦距。根據二極管子底座的尺寸，這些元件可以輕松占據平臺可用空間的三分之一，這進(jìn)一步說(shuō)明了使用方形微光學(xué)元件而非圓形光學(xué)元件的重要性。光束經(jīng)過(guò)準直后，需要使用第三塊方形透鏡（通常是非球面透鏡）將光耦合到光纖中。就像在準直步驟中監控光束輪廓和發(fā)散角一樣，光纖耦合過(guò)程也會(huì )受到主動(dòng)監控，以確保大輸出功率。對于某些單模光纖耦合激光器，也可以觀(guān)察到偏振消光比。對于使用低功率激光器的價(jià)格敏感的激光二極管系統，通常使用單個(gè)球面或非球面透鏡，而不是一對柱面 FAC 和 SAC 透鏡。

圖 5:
兩個(gè)柱面透鏡常被用來(lái)使激光二極管的輸出圓形化?？梢詫V光片和其他光學(xué)組件插入到 SAC 透鏡和耦合透鏡之間的準直光束路徑中。

非圓形光學(xué)元件的定制

這些只是在現代電光設備中如何使用非圓形光學(xué)元件的兩個(gè)示例。隨著(zhù)越來(lái)越小的設備封裝趨勢繼續，方形和截短的透鏡和反射鏡只會(huì )越來(lái)越受歡迎。必須理解的是，盡管這些光學(xué)元件有一些現成的版本，但絕大多數時(shí)候都需要進(jìn)行一些定制。盡管愛(ài)特蒙特光學(xué)(EO) 不能制造小至 1-3 毫米的非圓形光學(xué)元件，但我們提供一系列標準的現成方形輪廓
柱面透鏡，并提供截短光學(xué)元件
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