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柱面鏡的妙用

柱面鏡（Cylindrical Lens）可以在單一軸向匯聚或發(fā)散光束,，其在光學(xué)計(jì)量,、激光掃描、光譜學(xué),、激光二極管輸出光束整形,、光片照明顯微成像等多個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。

將準(zhǔn)直光源整形成線光源

這是柱面鏡guang泛的應(yīng)用,。如下圖所示,，半徑為r₀的準(zhǔn)直光源射入一面焦距為-f的平凹柱面透鏡（圖片為了更清晰地闡述原理而將光束半徑放大顯示）。光束會(huì)以半角θ發(fā)散（θ = r₀/f）,。此時(shí),，也可近似看作是位于焦點(diǎn)-f處的點(diǎn)光源的發(fā)散。在透鏡后方距離為z的位置,，雖然線光束寬度仍為2r₀（忽略高斯光斑的發(fā)散）,，但其長(zhǎng)度變?yōu)?/span>

L = 2(r₀/f)(z+f)

當(dāng)z遠(yuǎn)大于f時(shí)，擴(kuò)束倍率接近z/f,，線光斑長(zhǎng)度也與z成正比,。

如果需要在z處產(chǎn)生寬度極窄的線光源，可以在上述平凹柱面透鏡的前端或后端引入一個(gè)焦距為z的平凸柱面透鏡,，并將其與平凹柱面鏡正交放置,，從而壓縮光束寬度。

相關(guān)原理可參閱

【快速入門(mén)】光的聚焦和準(zhǔn)直

二極管輸出光束的準(zhǔn)直

激光二極管輸出光束以不對(duì)稱(chēng)形式發(fā)散,，其準(zhǔn)直工作具有較大的挑戰(zhàn)性,。例如，對(duì)于發(fā)散角θ₁ x θ₂ = 10° x 40°的二極管光源，如果僅用標(biāo)準(zhǔn)的球面透鏡,，只能在單一方向上進(jìn)行準(zhǔn)直,，另一方向則會(huì)發(fā)生發(fā)散或匯聚。使用柱面鏡可以將該問(wèn)題分解到兩個(gè)一維方向,，通過(guò)將相互正交的兩塊柱面鏡組合使用即可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)方向同時(shí)準(zhǔn)直,。

柱面鏡的選擇和光路搭建須遵循以下規(guī)則:

1）為使整形后的光斑均勻?qū)ΨQ(chēng)，兩塊柱面鏡的焦距比應(yīng)約等于發(fā)散角之比,。

θ₁/θ₂ = 10°/40° = f₁/f₂

2）激光二極管可近似看做點(diǎn)光源,，為了獲得準(zhǔn)直輸出，兩柱面鏡和光源的間距因分別等于二者的焦距,。

3）兩柱面鏡所在主平面的間距,，應(yīng)該等于二者焦距之差f₂– f₁，而兩透鏡表面的實(shí)際間距等于BFL₂– BFL₁,。與球面透鏡一樣,，柱面鏡的凸面應(yīng)朝向準(zhǔn)直光束，以盡可能減小像差,。

4）因?yàn)榧す舛O管輸出光束發(fā)散較快,，我們需要注意確認(rèn)每個(gè)柱面鏡上的光斑尺寸都不超出透鏡的有效通光孔徑。由于柱面鏡距離二極管的距離等于其焦距,，因此每個(gè)柱面鏡位置大光斑寬度需遵循

d₁ = 2f₁(tan(θ₂/2))

d₂ = 2f₂(tan(θ₁/2))

舉例說(shuō)明,，Newport的CKX012（f₁= 12.7 mm, BFL₁ = 7.49 mm）和CKX050（f₂ = 50.2 mm, BFL₂= 46.03 mm）柱面鏡的組合，兩透鏡平面之間的間距為BFL₂– BFL₁ = 38.54 mm,。第yi面柱面鏡處的光斑直徑是

d₁ =2(12.7 mm)tan(20°) = 9.2 mm

第二面柱面鏡處的光斑直徑是

d₂ =2(50.2 mm)tan(5°) = 8.8 mm

盡管仍有少許不對(duì)稱(chēng),，但這兩塊柱面鏡的簡(jiǎn)單組合已極da地提升了光束質(zhì)量。

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