Цилиндрические линзы для лазера
Цилиндрические линзы фокусируют или расширяют световой пучок только поодной оси. Их можно использовать для фокусировки луча в тонкуюлинию в оптической метрологии, лазерном сканировании, спектроскопии, лазерном диоде, акустооптике и оптических процессорах.Они также могут быть использованы для расширения выходногопучка от лазерного диода в симметричный пучок.
Астигматизм
Оптическая система с астигматизмом-это система, в которой лучи,распространяющиеся в двух перпендикулярных плоскостях,имеют разные фокусы. Если оптическая система с астигматизмомиспользуется для формирования крестообразной проекции,то вертикальные и горизонтальные линии будут находиться в резкомфокусе на двух различных расстояниях.
Существуют две различные формы астигматизма. Первая-это аберрациятретьего порядка, которая возникает для объектов (или частей объектов),находящихся вне оптической оси. Эта форма аберрации возникает даже тогда, когда оптическая система идеально симметрична. Астигматизм является монохроматической аберрацией, поскольку она возникает даже для излучения с одной длиной волны.
Вторая форма астигматизма возникает, когда оптическая система несимметрична относительно оптической оси. Это может быть вызваноконструкцией (как в случае цилиндрической линзы) или производственнойошибкой при обработке поверхностей оптических компонентов либо ихнесоосностью. В этом случае астигматизм наблюдается даже для лучей,исходящих из осевых точек объекта. Эта форма астигматизма чрезвычайноважна для науки о зрении, поскольку человеческий глаз часто проявляет эту аберрацию из-за несовершенства формы роговицы или хрусталика.
Применение
Рис. A. Генерация линии света от коллимированного лазера
Общее применение цилиндрических линз показано на рисунке А. коллимированный лазерный луч радиуса rо падает на цилиндрическую плосковогнутую линзу фокусного расстояния f. На этом рисунке радиус лазерного луча преувеличен для наглядности. Лазерный луч будет расширяться с половиной угла θ от rо / f. Лазерный луч будет казаться расширяющимся от виртуального источника, расположенного на расстоянииf позади линзы. На расстоянии z после линзы появится линия шириной 2 rо (игнорируя расширение Гауссова пучка) и длиной L =" 2 (rо/f)(z+f). Если "z больше чем f, то мы имеем коэффициент расширения, очень близкий к соотношению Z/f, что не препятствует визуализации; мы проецируем лазерный луч в линию на определённом расстоянии. Длина линии прямо пропорциональна Z. Если требуется максимально тонкая линия, то перед плосковогнутой линзой, либо сразу за ней в систему встраивается цилиндрическая плосковыпуклая линза с фокусным расстоянием ~ Z. Ориентируясь по ортогональной оси, такая система фокусирует лазер на экране, на который проецируется линия.
Рис. Б. Коллимация луча от лазерного диода.
Выходя из лазерного диода, луч расходится под разными углами в горизонтальном и вертикальном направлении, что делает коллимацию луча сложной задачей. Цилиндрические линзы могут быть использованы для коллимации луча. Рассмотрим лазерный диод с расходимостью пучка θ1 & θ2 =" 10 & "40. Любая попытка коллимировать этот луч с помощью сферической оптики приведет к коллимации только в одном направлении, с расходящимся или сходящимся лучом в другом направлении. С помощью цилиндрической оптики эту задачу можно разделить на две стадии. Самым простым решением было бы коллимировать луч в одном измерении с помощью одной цилиндрической линзы, а затем коллимировать его в ортогональной плоскости с помощью второй цилиндрической линзы (см. рис.Б). При выборе линзы нужно учитывать следующие замечания:
- Для достижения симметричной формы луча отношение фокусногорасстояния двух линз должно быть приблизительно эквивалентноотношению расхождений лучей: θ1/θ2 =" 10˚/40˚ = "f1/f2.
- При коллимации лазерного диода линзы должны располагатьсяна расстоянии, равном их фокусным расстояниям от источника, чтобысоздать коллимированный выход.
- Главные плоскости двух цилиндрических линз должны бытьрасположены на расстоянии, равном разности их фокусныхрасстояний f1-f2. Фактическое расстояние между плоскими поверхностямилинз составляет BFL 2 - BFL 1. Как и в случае со сферическими линзами,выпуклые поверхности должны быть обращены к коллимированным лучам,чтобы минимизировать аберрации.
- Из-за большого угла расхождения луча лазерного диода необходимопозаботиться о том, чтобы ширина луча на каждой линзе не превышаласветовую апертуру линзы. Поскольку каждая линза расположена наодном фокусном расстоянии от лазерного диода, максимальная шириналуча на каждой линзе (d1 и d2) может быть определена из следующихуравнений: d1 =" 2f1 (tan (θ2 / "2)) и d2 =" 2f2 (tan (θ1 / "2)).