怎样为激光二极管选择准直和椭圆校正光学元件？

怎样为激光二极管选择准直和椭圆校正光学元件？

由于激光二极管输出高发散光束，准直光学元件一般是必须使用的。当准直光束直径在 1 到 5 毫米之间时，不会引入球差的非球面透镜是常用的准直元件。在下面两个示例中， 我们首先讨论选择准直透镜时需要考虑的关键规格，然后利用变形棱镜对将椭圆光斑变 成圆形。

非球面透镜：准直发散光束 

? 使用的激光二极管：L780P010 

? 要求的准直光束直径：?3 mm(长轴)

在选择准直透镜时，首先要知道光源的发散角和要求的准直光束直径。对于L780P010激光二极管，平行和垂直发散角的典型值分别是8°和30°；两者都是全发散角，且为半高宽(FWHM)值。由于两个方向有不同的发散，激光二极管输出椭圆光束。为了在准直过程中收集尽可能多的光，计算时应使用最大的发散角。

如果透镜的厚度相比曲率半径小很多，我们可通过薄透镜近似确定非球面透镜的焦距。在此例中，最大发散角为30°，而要求的准直光束直径为3 mm，因此准直透镜的焦距可参考以下图示和公式进行计算：

其中Θ为全发散角，?为准直光束直径，f为透镜焦距，而r为准直光束半径。

接下来根据上述信息选择合适的准直透镜。Thorlabs提供大量非球面透镜。对于这个780 nm激光二极管，焦距接近5.6 mm且镀-B增透膜的模压非球面透镜。C171TMD-B已安装或354171-B未安装非球面透镜都具有6.2 mm焦距。根据前面的公式可知，实际的准直光束直径(长轴)为3.3 mm。

而且，透镜NA应大于激光二极管NA：

前面的计算都基于光束的FWHM直径，但更好的做法是使用1/e?光束直径。对于高斯光束，1/e?直径约为FWHM直径的1.7倍。因此，1/e?直径范围内包含了更多的光，而且远场衍射更小。

根据选择准直透镜的一个经验法则，透镜NA应等于激光二极管NA的两倍。比如，此处可使用0.53 NA的A390-B或A390TM-B非球面透镜。它们的焦距都是4.6 mm，所以准直光束的长轴直径为2.5 mm。一般而言，准直透镜焦距越小，准直光束直径越小，但发散角越大。

注意：在使用未安装非球面透镜准直点光源或激光二极管时，应将曲率半径更大的一面(即更平坦的一面)朝向点光源。在使用已安装非球面透镜进行准直时，应将有螺纹的一侧朝向光源。

非球面透镜安装示例  已安装非球面透镜可通过S05TMxx或S1TMxx转接件安装在透镜套筒中，其中xx表示透镜外壳的公制螺纹。比如，A390TM-B透镜可通过S05TM09或S1TM09转接件分别安装在SM05或SM1螺纹组件中。下面展示了一个安装示例，通过S1TM09将透镜安装在激光二极管安装座前面的LDMXY转接板中；LDMXY可提供XY平移，并增大到透镜的工作距离。

未安装非球面透镜可先粘在LMRAxx转接件上，而LMRAxx可安装在SM1A6T转接件中，然后整个组装件可通过SM1外螺纹安装在激光二极管安装座的前面板中。下面展示了一个安装示例，通过LMRA8将非球面透镜安装在SM05内螺纹组件中。

变形棱镜对：校正椭圆光束

非球面透镜只能将上述激光二极管的输出变成准直的椭圆光束。接下来我们要使用变形棱镜对将椭圆光束变成圆形光束，为此还要计算短轴方向的直径。对于较小的8°全发散角，根据选用的A390-B非球面透镜焦距(4.6 mm)，椭圆光束在短轴方向的光束直径为0.64 mm。

为了将短轴直径放大至长轴直径(2.5 mm)，我们需要一个能提供3.9倍放大率的变形棱镜对。Thorlabs提供已安装和未安装棱镜对。已安装棱镜对通过稳定的外壳保持棱镜对准，而未安装棱镜对可通过角度调节提供精确的放大率。

如果选用PS883-B已安装棱镜对，由于它在950 nm处的放大率为4倍，而放大率随波长减小而增大，因此在780 nm激光的放大率还要大于4倍，导致校正后的光束仍有一定的椭圆度。

如果使用PS871-B未安装棱镜对，我们可通过角度调节实现精确的3.9倍放大率，以此得到圆形光束。根据它的放大率曲线，对于670 nm光束，当两个棱镜以下面的角度放置时，它能提供4.0倍放大：α? = +34.608°   |   α? = -1.2455°

上图中有两个角度的定义，顺时针方向为正。在前面两个角度下，780 nm激光会得到略小于4的放大率，但我们仍需反复尝试才能实现所需的精确放大率。

使用上图所示的装置，我们可为棱镜提供俯仰/偏转以及旋转调节。一般而言：

l 如需增加放大率，顺时针旋转第一个棱镜(增大α?)并逆时针旋转第二个棱镜(减少α?)。

l 如需减小放大率，逆时针旋转第一个棱镜(减小α?)并顺时针旋转第二个棱镜(增大α?)。

注意：棱镜对会使输入和输出光束之间出现偏移，而且这个偏移随放大率的增加而增加。