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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）。光束會以半角θ發(fā)散（θ = r₀/f）。此時，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），但其長度變?yōu)?/span>

L = 2(r₀/f)(z+f)

當(dāng)z遠(yuǎn)大于f時，擴(kuò)束倍率接近z/f，線光斑長度也與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】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稱形式發(fā)散，其準(zhǔn)直工作具有較大的挑戰(zhàn)性。例如，對于發(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，另一方向則會發(fā)生發(fā)散或匯聚。使用柱面鏡可以將該問題分解到兩個一維方向，通過將相互正交的兩塊柱面鏡組合使用即可實(shí)現(xiàn)兩個方向同時準(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，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）因為激光二極管輸出光束發(fā)散較快，我們需要注意確認(rèn)每個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

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

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