DIY开普勒缩束器的示例

发布时间:2023-02-10 11:02:13

激光器的波长适用于隔离器的工作范围,但光束直径超出隔离器的最大直径规格。因此需设计构建一个缩束器,用于放置在低功率连续波(CW)激光器和自由空间光隔离器之间。缩束器的设计基于开普勒望远镜,由两个正透镜构成。

光束直径要求
激光源为PL201时,可输出波长为520 nm的CW准直光,输出光功率的典型值为0.9 mW。距离激光器5 cm处,直径为3 mm的圆内功率超过光束功率的99%。

但是,自由空间光隔离器(IO-3-532-LP)的规格要求光束直径不能大于2.7 mm,且包含100%输入光束功率。我们决定将光束直径缩小到大约2.0 mm,这样可满足隔离器规格要求并利于光束对准以通过隔离器(图1)。

图1:开普勒式缩束器的设计与构造是为了缩小激光束的直径,使激光束通过光隔离器的输入和输出孔径时不会被削波。 

缩小率和透镜选择
缩束器的设计一般基于双透镜开普勒或伽利略望远镜。在此应用中,这两种方法都可以提供相似性能,但开普勒式设计更容易利用几何光学追踪光线,以图形方式概略画出透镜放置位置并显示输出光束直径(图2中的下图)。

图2:图中的缩束器由两个正透镜构成,透镜间距为两个焦距之和。缩小率等于输出透镜焦距除以输入透镜焦距。由箭头标记的组件(上图)可组装成缩束器,通过调整SM1V10透镜套筒长度并进行测量,可调整输出光束直径。

可选择镀增透膜的直径1英寸平凸透镜。与光束直径相比,选择具有大通光孔径的透镜可最大限度减少像差,正如调整透镜方向,使准直光束入射在透镜曲面,且透镜平面面向光束焦点(图2中的下图)那样。此外,直径为1英寸的光学元件可直接兼容直径为1英寸的透镜套筒和相关配件。

将所需的输出光束直径除以输入光束直径(m = 2.0 mm / 3.0 mm = 0.67)可计算目标缩小率(m )。此缩小率还等于输出透镜焦距与输入透镜焦距的比。选择焦距为35 mm和50 mm的透镜可得到0.7的缩小率(35 mm / 50 mm)。此值可估算出输出光束功率的99%包含在直径为2.1 mm的圆内(0.7 * 3 mm = 2.1 mm)。

缩束对发散角的影响
缩束器可缩小束腰直径,但会增加发散角。尽管光束直径在缩束器输出面附近为2.1 mm,但因衍射效应会使光束直径随着传播而增加。在此应用中,光束在自由空间传播18 cm后,直径必须小于2.7 mm,这样进入隔离器时才不会被削波。

为了研究缩小后的光束是否符合隔离器的输入直径规格,并且可通过隔离器而不会被削波,首先需使用激光束腰直径(2Wo = 2.1 mm )来计算输出光束的发散角(θ )

其中,是激光的波长。接着使用此发散角计算隔离器输入端的光束直径(D )

然后增大公式中所使用的距离(z = 26.5 cm)以计算隔离器输出端的光束直径(D = 2.18 mm)。这些计算值都小于2.7 mm,因此可以确定增加后的光束直径可以通过隔离器的输入和输出孔径且不会被削波。

构建缩束器
理想的缩束器设计如图2中的下图所示,假定输入束腰距离左边透镜的曲面输入侧为一倍焦距(50 mm)。此时,光线会聚焦到透镜平面输出侧一倍焦距处。当这个输入条件无法满足时,就像本次示例这样,第一个透镜输出光束的焦点不会正好在距透镜50 mm处,且缩束器输出的光束直径可能不是理想的计算值。为了使缩束器能在所需距离内提供指定的光束直径,需要根据理想的设计值调整两个透镜的间距。此示例中,外壳的构造可用于调整此间距。

使用透镜套筒构建而成的外壳(图2)可将两个透镜固定并放置在相距约85 mm(3.4英寸)处。从图中可以看出,透镜曲面朝向准直光的入射方向。长为3英寸的套筒是由两个固定长度的透镜套筒(1英寸的(SM1L10)和2英寸的(SM1M20)透镜套筒)连接在一起而构成的。焦距为35 mm的透镜固定在长1英寸的透镜套筒内。安装有焦距为50 mm透镜的可调透镜套筒(SM1V10)提供所需的额外长度,可用于优化两个透镜的间距。对准隔离器时,这些组件构建的缩束器固定在透镜套筒安装座(SM1RC)中。

来源:thorlabs仅供学习使用

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