Comment concevoir votre propre Expanseur de Faisceaux en utilisant des Optiques de Stock

Les expanseurs de faisceaux, utilisés couramment dans l’interférométrie,la télédétection, le traitement par laser de matériaux et les applications de balayage par laser, reçoivent de la lumière collimatée dans le système et l’étendent en un faisceau collimaté plus large comme sortie. Bien que de nombreux expanseurs de faisceaux prêts à l’emploi soient disponibles, occasionnellement ces expanseurs de faisceaux standard ne répondent pas aux besoins de vos applications. Concevoir vos propres expanseurs de faisceaux vous offre la flexibilité de concevoir selon les spécifications exactes de vos applications et l’utilisation d’optiques de stock réduit la durée de temps de la conception au prototype à quelques jours. En plus, l’utilisation d’optiques de stock permet une mise à l’échelle au volume presque instantanée lorsque vous êtes prêt pour la production.

Exigences de Conception :

Quelques exigences qui devraient être considérées avant de commencer à construire votre expanseur de faisceaux sont le coût du système, les contraintes mécaniques et la performance du système. Il est recommandé d’assigner un niveau de priorité à chaque exigence avant de commencer. Durant l’énumération de vos exigences, vous pourriez découvrir que votre application spécifique pourrait avoir plus ou moins à prendre en compte que celles énumérées ci-dessous.

Lors de la considération du coût du système, il est important de comprendre le compromis entre coût et performance. Le coût d’optiques non-traitées, de traitements optiques potentiels et des montures pour les optiques sera influencé par la quantité, les matériaux sélectionnés et la précision. Le N-BK7 est souvent un matériau idéal dû à sa large gamme de longueurs d’onde et son faible coût, tandis que la Silice Fondue est souvent utilisée pour des applications plus exigeantes dû à sont faible coefficient de dilatation thermique et son seuil de dommage laser élevé. Pour un expanseur de faisceaux unique qui fonctionne pour une variété de longueurs d’onde, les effets chromatiques devraient aussi être pris en compte. Par exemple, le N-SF11 et le N-BK7 peuvent créer une solution achromatique pour une petite gamme de longueurs d’onde. Assurez-vous de vérifier le matériau avant de décider si une lentille est un bon candidat pour utiliser dans votre expanseur de faisceaux.

Un expanseur de faisceaux doit souvent entrer dans un espace restreint, limitant aussi bien le diamètre total que la longueur du système. Il est important de se rappeler que des faisceaux plus larges exigent des expanseurs de faisceaux plus larges, qui exigent des optiques plus larges (et plus chères) et plus de métal pour le boîtier.

En outre, certaines conceptions peuvent exiger un mécanisme de focalisation pour ajuster la divergence du faisceau. Des mécanismes de focalisation rotatifs, tels qu’un tube de focalisation fileté, sont un choix populaire dû à leur faible coût. Cependant, ces mécanismes tournent les optiques lors de la translation, générant le potentiel de déviation dans le faisceau de sortie. Des mécanismes coulissants, tels qu’un barillet hélicoïdal, déplacent les optiques perpendiculairement à l’axe optique sans les tourner, minimisant la déviation du faisceau, mais haussant le coût du système.

Avant de concevoir votre expanseur de faisceaux, prenez connaissance des exigences de performance du système. La conception d’un expanseur de faisceaux exige, au minimum, une longueur d’onde ou une gamme de longueurs d’onde spécifique, un diamètre de faisceau d’entrée spécifique et une transmission minimale acceptable. Des gammes de longueurs d’onde plus étendues sont plus difficiles à concevoir, ajoutant complexité et coût, tandis que des ouvertures d’entrée plus petites sont plus faciles pour maintenir les exigences de performance. La transmission totale est fortement influencée par la sélection des traitements anti-reflet appropriés, des optiques non-traitées réduisent le coût, mais réduisent aussi la transmission totale (et créent potentiellement des reflets nuisibles dans l’expanseur de faisceaux), tandis qu’un traitement aussi simple qu’une seule couche de MgF₂ peut assurer une transmission de 90% ou mieux. La qualité du faisceau est souvent spécifiée comme distorsion du front d’onde, et une valeur inférieure à λ/4 de pic-à vallée (PV) est typiquement considérée comme une diffraction limitée.

Il est difficile d’ajuster un paramètre sans affecter d’autres paramètres. Par exemple, la sélection d’un ensemble de lentilles différent pour améliorer la qualité du front d’onde augmente le coût du système ou affecte la taille globale du système. Il doit aussi être noté que l’augmentation du diamètre du faisceau d’entrée a un effet exponentiel sur la qualité du front d’onde transmit, et que, pour cette raison, des faisceaux d’entrée plus larges augmentent considérablement la difficulté de la conception. Soyez attentif à la tolérance des composants utilisés – plus les tolérances sont strictes, plus la réalisation du système sera coûteuse.

Conceptions Képlériennes contre Conceptions Galiléennes des Expanseurs de Faisceaux

La conception d’un expanseur de faisceaux à partir de lentilles du commerce peut réduire considérablement les délais et accélérer le cycle de conception. Des lentilles de stock peuvent être facilement sélectionnées en utilisant le catalogue de lentilles de Zemax, et l’espacement peut être ajusté pour les critères de votre conception. Avec la sélection de lentilles de commerce d’Edmund Optics, la meilleure sur le marché, des conceptions képlériennes comme galiléennes sont possibles. Les conceptions képlériennes auront une longueur de système plus grande avec une focalisation interne, tandis que les conceptions galiléennes seront plus courtes et n’auront pas un point de focalisation interne.

La conception des expanseurs de faisceaux képlériens contient un plan focal intermédiaire. Cela offre des avantages comme des inconvénients par rapport aux conceptions galiléennes. À des puissances élevées, le plan focal est un inconvénient considérable, étant donné que l’air peut s’ioniser, réduisant l’énergie transmise et créant des niveaux d’énergie potentiellement nuisibles. À des puissances plus faibles, la plan focal peut être utilisé comme une position idéale pour un filtre spatial, permettant un nettoyage facile et effectif de faisceau. Enfin, les conceptions galiléennes sont généralement plus courtes que les képlériennes pour le même grossissement.

Considerations de Conception Générales d’Expanseurs de Faisceaux Galiléens

Le grossissement d’un expanseur de faisceaux galiléen est déterminé par les suivantes équations.

Où $ \small{f_1} $ est la distance focale de la lentille positive et $ \small{f_2} $ la distance focale de la lentille négative. La conception utilisant des optiques de stock est aussi simple que la sélection d’une lentille positive et d’une négative qui satisfont vos exigences de grossissement (équation 1) sans dépasser vos exigences de longueur de système (équation 2). Tel qu’illustré plus bas, ces équations sont des équations de premier ordre, et l’épaisseur des lentilles et l’optimisation de focalisation peuvent causer de légères déviations de ces valeurs idéales.

L’ouverture utile des lentilles doit aussi être prise en compte durant la sélection, vu que la lentille négative doit être suffisamment large pour recevoir le faisceau d’entrée, tandis que la lentille positive doit être suffisamment large pour permettre la sortie du faisceau augmenté sans vignettage.

Par exemple, dans un système 5X avec un faisceau d’entrée de 3 mm, un diamètre de la lentille positive de 10 mm causera du vignettage, étant donné que le faisceau de sortie sera de 15 mm de diamètre. Un large catalogue de lentilles en stock devrait fournir une sélection suffisante de diamètres et de distances focales pour satisfaire la plupart des exigences en matière de grossissement.

La Conception d’un Expanseur de Faisceaux Galiléen 5X

Considérez une application dans laquelle vous devez concevoir un expanseur de faisceaux 5x avec une longueur de système ne dépassant pas les 75 mm. Une conception galiléenne de deux singulets permettrait les suivantes combinaisons possibles de lentilles de stock : -6 mm et 30 mm, -9 mm et 45 mm, -12 mm et 60 mm, et -15 mm et 75 mm. Notez que les combinaisons -25 mm/125 mm et -20 mm/100 mm ne satisferont pas l’exigence de la longueur de système de moins que 75 mm. Tandis qu’une combinaison -18 mm/90 mm pourrait fonctionner dans les limites de l’exigence, il est extrêmement probable que le métal du système ainsi que les épaisseurs des lentilles actuelles augmenteraient la longueur au delà des exigences citées.

Dans une conception d’expanseur de faisceaux galiléen à deux singulets, une bonne règle empirique est que la qualité du front d’onde augmentera avec le chemin optique. Autrement dit, une combinaison de lentilles de -20 mm et 100 mm aura un front d’onde bien meilleur qu’une combinaison de -6 mm et 30 mm. En plus, l’utilisation de lentilles avec des surfaces plan (telles que plan-convexe ou plan-concaves) plutôt que des lentilles avec une courbure sur chaque surface améliorera la qualité du front d’onde. En cas d’utilisation de lentilles plan et d’une disposition galiléenne, l’orientation de la surface plane vers le faisceau d’entrée a tendance améliorer la qualité du front d’onde en compensant l’aberration sphérique. Cependant, en cas d’utilisation de lasers haute puissance, des reflets de la première surface plan, même si elle est traitée anti-reflet, pourraient endommager votre laser.

Optimisation par Utilisation de Zemax

Nous avons choisi une lentille plan-concave d’un diamètre de 6 mm avec une distance focale de -12 mm (#45-008) et une lentille plan-convexe d’un diamètre de 25 mm avec une distance focale de 60 mm (#45-127) comme exemple pour un système 5X. Étant donné que nous utilisons des lentilles de stock, la seule variable que nous assignons est la distance entre les deux lentilles, l’épaisseur de la surface 3. Cela est illustré dans la figure 1, qui est l’éditeur de données de lentilles Zemax. La figure 2 présente la disposition de l’expanseur de faisceaux en mode afocal.

Figure 1 : Éditeur de données de lentilles

Figure 2 : Disposition de l'expanseur de faisceaux

La valeur d’ouverture dans Zemax doit être réglée au diamètre du faisceau d’entrée pour lequel vous voulez optimiser votre conception. Dans cet exemple, nous optimisons pour un faisceau d’entrée de 3 mm et le faisceau de sortie sera de 15 mm. Bien que cela soit le diamètre de faisceau d’entrée de conception, le diamètre d’entrée maximal est limité par l’ouverture utile de la lentille frontale. Nous assumons aussi que le faisceau d’entrée est gaussien, et que nous montons l’expanseur de faisceau directement sur le laser, simplifiant l’angle d’incidence à 0 degrés. Enfin, nous avons assumé que le laser était un laser hélium-néon (HeNe) et nous avons optimisé pour une longueur d’onde de conception de 632,8 nm.

Étant donné que les expanseurs de faisceaux sont des systèmes afocaux, assurez-vous que « espace d’image afocal » est coché dans l’éditeur de données de lentilles Zemax. Cela changera les unités des métriques à des angles plutôt que des distances. Les systèmes afocaux n’ont pas de distance focale effective et n’offrent donc pas de convergence ou divergence nette du faisceau lumineux incident. Les expanseurs de faisceaux et les objectifs zoom de caméra sont des exemples communs de systèmes afocaux.

La figure 3 présente l’éditeur de fonction de mérite Zemax. Cette fonction de mérite est une fonction relativement simple, qui peut être utilisée comme base pour tous les systèmes afocaux. Les opérandes utilisés sont expliqués en détail ci-dessous.

Figure 3 : Éditeur de fonction de mérite

• L’opérande RAED optimise l’angle de rayon réel, normal à la surface et nous avons ajouté une surface fictive après la dernière surface de la lentille positive, qui dans notre cas est la surface 7. Nous voulons que le faisceau de sortie soit collimé, ce qui signifie que l’angle normal à la surface fictive verticale doit être aussi petit que possible, car s’il est 0, le système est réellement afocal.
• L’opérande REAY vérifie la hauteur de rayon réelle à une certaine surface. Nous avons un opérande REAY de coefficient zéro dans la fonction de mérite : il mesure les hauteurs de rayon réelles à la première et la dernière surface du système, qui sont les tailles de faisceau d’entrée et de sortie. Notez que l’opérande mesure des rayons plutôt que des diamètres.
• Nous utilisons la fonction de mérite par défaut pour optimiser pour une erreur RMS du front d’onde.

Après l’optimisation, le système devrait être limité par la diffraction, ou proche de cela, comme illustré dans les figures 4 et 5 qui montrent la taille de spot et le front d’onde. Si le système ne correspond pas au prévu, plusieurs facteurs doivent être pris en compte. La longueur d’onde de la lumière était-elle compatible avec le matériau de verre sélectionné (par exemple, le N-BK7 ne transmet pas de lumière de 266 nm) ? L’espacement entre les deux lentilles est-il réglé pour être approximativement la somme de leur deux distances focales ? Le diamètre du faisceau est-il trop large pour la lentille frontale sélectionnée ? Essayez de faire ces modifications et de ré-optimiser, pour obtenir un résultat similaire à ce qui est illustré.

Figure 4 : Taille de spot

Figure 5 : Carte 3D de fronts d’ondes

Nous avons montré qu’il est possible de concevoir rapidement un expanseur de faisceaux 5X pour un faisceau laser de 632,8 nm, de 3 mm de diamètre.. Les optiques sélectionnées sont disponibles en stock et pourraient être commandées pour prototyper le système immédiatement. Lors de l’utilisation d’optiques de stock pour une conception rapide, un fournisseur de composants optiques ayant une grande variété d’optiques disponibles est indispensable pour un développement rapide. La sélection d’optiques de stock d’Edmund Optics, la meilleure sur le marché, est généralement disponible pour une livraison au jour suivant, fournissant les composants nécessaires pour soutenir un environnement de prototypage rapide. Une fois le prototypage terminé, des optiques de stock peuvent être utilisées pour une mise à l’échelle au volume avec un délai minimal et des exigences en matière de stock réduites.