两个光束转向反射镜之间需要多大的间距?

发布时间:2023-02-10 03:02:13.000Z

两个转向反射镜之间所需的间距(图1)取决于从第一个反射镜反射的光束斜率和两个反射镜之间的高度差异。知道所需的间距对合理分配装置在面包板或光学平台上的空间至关重要。

图1:第一个反射镜将入射光反射引导到第二个反射镜。两个反射镜之间所需的间距取决于第一个反射镜的俯仰和偏转。KM100调整架的调节器可以调节俯仰和偏转,范围在±4°。

只使用第一个反射镜相对于入射光束的俯仰快速计算似乎就可以了,但是这样会忽略偏转,从而显著低估反射镜所需的间距。下面的示例中,基于以下假设来计算间距:整个调整架都围绕接杆轴旋转,以提供偏转,而调整架的调节器提供俯仰(图2)。这种方法通常用于初始定位反射镜。

图2:初始定位时,没有使用偏转调节器,而是绕接杆轴旋转整个调整架来提供偏转(左图),即相对整体x-、y-、z-轴和入射光束旋转调整架。调整架的俯仰调节器调节调整架的俯仰(右图),改变反射镜相对于调整架x'-、y'-和z'-轴的方向。上图展示的是KS2调整架和RMC定位卡环。

应用偏转和俯仰
定位光束转向反射镜通常需要两步。首先将反射镜放置在适当的位置并大致定位,然后精调位置。

示例第一步假设使用不同的方法来调节俯仰和偏转。由于所需的偏转角通常太大而调整架的调节器无法提供,因此偏转通常是通过绕接杆轴旋转整个调整架实现的(图2,左)。这样会改变入射光束相对于调整架的角度。虽然未使用调整架的偏转调节器,但使用了俯仰调节器。它改变了反射镜相对于入射光束和调整架其余部分的方向(图2,右)。

一般使用调整架的俯仰和偏转调节器精调反射镜的方向,无需绕接杆轴旋转调整架。与在本示例中描述的方法相比,使用这两个调节器对反射镜的方向有不同的影响。

反射光束上的点
选择第一个反射镜的中心作为固定的笛卡尔坐标系原点(图2)。z-轴指向光源并平行于入射光束。y-轴是竖直的且垂直于平台.

已知绕接杆和x'轴的旋转角(分别为θ),则沿反射光束的点坐标(x2, y2, z)可以借助于矩阵代数(slides中的示例2)算出,

.

变量A是换算系数:这个值越大,点与反射镜之间的距离越大。示例中,已知高度变化(y),用来计算x2z

示例:设定转向反射镜
使用一对转向反射镜改变光束的高度和方向时,这些等式就有了用武之地。第一个反射镜的中心设定在入射光束的高度,第二个反射镜的中心设定在新光路的高度。当第二个反射镜的高度等于新光路的高度时,第二个反射镜会拦截反射光束。

在这个例子中,两个光路都平行于光学平台,但是新光路比入射光路低0.5英寸。两个反射镜都固定在KM100调整架中,两个调整架都安装在接杆顶端,接杆固定在接杆支架中(图1)。调整架的俯仰和偏转调节器的调节范围都为±4°,适合设定初始俯仰,但不适合设定反射镜的偏转。入射光束与反射镜之间的偏转通过绕接杆轴旋转整个调整架来调节,有效消除了偏转调节范围的限制。

图3中绘制了在第一个反射镜的不同偏转角下,第二个反射镜可能的x2z2坐标。这些值都使用新光路所需的高度(y= -0.5英寸)和设定的最大俯仰角(θ  = 4°)计算得出。虽然调整架提供了最大范围,但还是建议使用较小的俯仰角。角度较小提供了后续精调的范围,以及更好的稳定性。保持y = -0.5英寸,但是将俯仰角减小为1°,绘制出图4。

图3:在这个示例中,目的是将第二个反射镜定位在平台上,所以当反射光束比入射光束低0.5英寸 (y2 = -0.5英寸)时,反射镜拦截反射光束。假定的是第一个反射镜的俯仰角为4°,这是可能的最大值。整个调整架围绕接杆轴旋转,以改变第一个反射镜的偏转。没有使用调整架的偏转调节器,因为目标是>4°的偏转角,而这一步并不包含精调反射镜的方向。

图4:这些值是使用图8中描述的设置计算所得,但假定的是第一个反射镜的俯仰角为1°。这些结果表明,减小俯仰角会显著增大两个反射镜之间所需的间距。但是,这一点也许可以接受,因为调节器未达到行程范围的极限时,可以提高稳定性。

图5绘制了在光学平台上不同位置处定位第二个反射镜时的x2z2坐标。这个视角基于平台正上方上的点,第一个反射镜的位置标为星星,灰色圆环(导视线)是围绕它的同心圆。箭头表示选择的反射光线方向,每根对应一个不同的偏转角。图例中标出的曲线是根据不同俯仰角和恒定的-0.5英寸光束高度差计算得出的。将这些曲线与灰色圆环比较可以看出,随着偏转角变大,两个反射镜之间的必要间距也会明显变大。所以,减小俯仰角时,也需要更大的间距。

图5:这个曲线图是从平台表面上方看到的结果,第一个反射镜(星星)位于原点。图例中标出的曲线表示在平台上定位第二个反射镜的几种选项,以拦截高度(y2)比第一个反射镜低0.5英寸的光束。当第一个反射镜的偏转角变大,即使俯仰角保持恒定,所需的间距也会显著增大。

来源:thorlabs仅供学习使用

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