用于系统微缩化的非圆形光学元件

减少余量：截短透镜以缩小系统

Ø方形和截短光学元件减少了常规光学设计的总体积，例如切尔尼-特纳光谱仪

Ø将方形透镜直接安装到通用平台上，可提高热机械稳定性

Ø高数值孔径的微柱面透镜可在封装过程中用于准直和圆化激光二极管

Ø可以将大多数标准透镜和反射镜切割成定制尺寸，以便于在紧凑型光学系统中进行表面安装

当大多数人想到透镜时，脑海里立即想到的是传统的圆形对称的圆形透镜。这种印象有充分的理由；在整个历史过程中，大部分透镜制造都依靠这种对称性来准确成形和抛光球面及非球面透镜。这种径向对称性可以作为光机械设计中的宝贵工具，使复杂的光学系统易于定心和对准。通过观察显微镜物镜或较好的相机镜头的镜筒内部的透镜排列，可以很好地展示这种被动对准过程。在这两个示例中，透镜和垫片环都在管内自动定心，从而显著减少制造时间和成本，同时提供出色的机械稳定性（图 1）。

图 1:
传统的圆形对称的圆形透镜在常规光学组件中由圆形垫片和固定环自动定心，从而简化了组装和对准

遗憾的是，随着技术趋势继续朝着更小、更紧凑的设备发展，封装内部并不总是有空间容纳多余的材料，例如机械安装座或未使用的玻璃。因此，如今许多现代的电光封装都设计为使用截短的或方形的光学组件，这些组件可以平整地安装在平台上，而无需圆形或 V 型槽安装（图 2）。各种各样的光子技术使用这些组件，尤其是在电信技术中，例如多路复用器和放大器。为了简洁起见，我们将重点讨论两个例子：微型光谱仪和光纤耦合二极管激光器。

图 2:
方形或截短的光学元件对于各种空间受限的电光应用越来越重要

微型光谱仪中的截短镜

当今微型光谱仪中常用的光学设计称为切尔尼-特纳配置。在这种配置中，来自入口狭缝的光被一个小的凹面镜准直，然后引导到衍射光栅上（图 3）。当光入射到衍射光栅上时，各种波长将沿着平行于平台的轴线分散，但它们将保持准直状态。因此，必须使用直径较大的聚焦镜才能将多个狭缝图像聚焦到光谱仪的线性检测器阵列上，但这仅是在一个轴上的情况。因此，通常是通过切掉顶部和底部来截短较大的圆形镜，以便可以将其安装在与平台齐平的位置，从而显著降低整个系统的高度。

图 3:
采用两个截短聚焦镜的切尔尼-特纳光谱仪的原理图

在一些较新的微型和微型光谱仪设计中，这一趋势被进一步采用，将这些截短的反射镜与基于微机电系统 (MEMS) 的空间光调制器（而不是衍射光栅）结合。MEMS 技术可以进一步减小光学元件的尺寸，并且检测器阵列可以由单个元件的光电二极管代替，从而在某些情况下将光谱仪的总占地面积减小到和橡皮擦一样小。为了使光谱仪设计达到这种紧凑程度，必须将准直镜和聚焦镜都截短以提供平坦的边缘，从而实现两种光学元件的表面安装。在这种情况下，采用“拾取和放置”式微定位系统在将两个反射镜用环氧树脂固定在适当位置之前将它们对准。我们将在下一节中进一步讨论微定位。

光纤耦合二极管激光器中的方形透镜

虽然激光二极管通常使用几十种不同的激光封装，但 14 针蝶形管在很大程度上已成为高性能光纤耦合激光二极管的行业标准。该封装允许使用安装在集成热电冷却器 (TEC) 上的通用平台，提供优异的热机械稳定性。这些平台的尺寸通常小于 8 毫米 x 15 毫米，由铜钨等材料制成，与玻璃的热膨胀系数 (CTE) 相匹配。CTE 匹配允许激光二极管在较宽的温度范围内工作，而不会损坏或错位封装内部的光学元件。但是，使用传统的圆形微光学元件，硅 V 形槽或金属安装环会由于 CTE 不匹配而导致不稳定，减小封装内部已经有限的空间，并且对准能力相对较差。激光二极管封装的当前趋势是利用方形或矩形的微透镜，它们可以直接粘合到平台上，也可以通过零间隙安装方法由第二块玻璃支撑在空间中。这些透镜具有出色的可靠性，仅需小的封装体积，并允许亚微米级的准确对准。

图 4:非圆形光学元件 14 针蝶形激光二极管

通过利用这些方形光学元件（通常大小在 1-3 毫米左右），训练有素的操作员可以使用微定位台主动对准平台上的光学元件。这些平台包括一个真空拾取工具，当与方形光学元件的顶部或侧面齐平时，该光学装置可使光学元件在自由空间中通常以五个自由度对齐。同时，对激光器的输出进行实时监控。如果操作员试图用圆形光学元件而不是方形光学元件执行相同的任务，这将需要将透镜安装在方形或矩形的透镜支架中，从而显著增加总体积并减少可安装到封装中的光学元件的大数量。

在典型的光纤耦合 14 针蝶形封装中，多需要三个独立的透镜才能提供有效且稳定的耦合。大多较好的激光二极管使用两个交叉的柱面方形微透镜来补偿激光二极管快轴和慢轴的发散角之间的差异。一透镜，称为快轴准直 (FAC) 透镜，必须具有较大的数值孔径，由于发散角的缘故，典型焦距约为 500μm，由于发散孔径的尺寸小，发散角通常约为 25 度。取决于单模或多模二极管的使用，慢轴的发散角比其快轴低 3 至 5 倍。因此，要使光束圆化，慢轴准直 (SAC) 透镜必须具有比 FAC 透镜更长的焦距。根据二极管子底座的尺寸，这些元件可以轻松占据平台可用空间的三分之一，这进一步说明了使用方形微光学元件而非圆形光学元件的重要性。光束经过准直后，需要使用第三块方形透镜（通常是非球面透镜）将光耦合到光纤中。就像在准直步骤中监控光束轮廓和发散角一样，光纤耦合过程也会受到主动监控，以确保大输出功率。对于某些单模光纤耦合激光器，也可以观察到偏振消光比。对于使用低功率激光器的价格敏感的激光二极管系统，通常使用单个球面或非球面透镜，而不是一对柱面 FAC 和 SAC 透镜。

图 5:
两个柱面透镜常被用来使激光二极管的输出圆形化。可以将滤光片和其他光学组件插入到 SAC 透镜和耦合透镜之间的准直光束路径中。

非圆形光学元件的定制

这些只是在现代电光设备中如何使用非圆形光学元件的两个示例。随着越来越小的设备封装趋势继续，方形和截短的透镜和反射镜只会越来越受欢迎。必须理解的是，尽管这些光学元件有一些现成的版本，但绝大多数时候都需要进行一些定制。尽管爱特蒙特光学(EO) 不能制造小至 1-3 毫米的非圆形光学元件，但我们提供一系列标准的现成方形轮廓
柱面透镜，并提供截短光学元件
定制服务。这些服务非常适合对尺寸或重量敏感的应用。
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