Внеосевые параболические зеркала Thorlabs

Отражение коллимированных пучков

Параболические зеркала (рис. 1) фокусируют все лучи падающего коллимированного пучка в дифракционно ограниченное пятно. Напротив, вогнутые сферические зеркала (рис. 2) обладают свойством концентрировать падающий свет в объем (т. н. фокальный объем). Фокальный объем сферического зеркала можно уменьшить, уменьшив диаметр входящего коллимированного пучка.
 

Рисунок 1. Параболические зеркала имеют единую точку фокусировки всех лучей в коллимированном пучке

Рисунок 2. Сферические зеркала не отражают все лучи коллимированного пучка через одну точку. Пересечения отраженных лучей обозначены точками

Коллимация пучка

Распространенная в практических задачах модель - точечный источник - излучает свет во всех направлениях, а значит, обладает высокой расходимостью. Если источник света поместить в фокус параболического или сферического зеркала, выходной пучок становится коллимированным (параллельным), приближаясь к идеальному. Коллимация с использованием сферических зеркал имеет некоторые недостатки, которые в некоторых экспериментах могут оказать негативное влияние на точность результатов. Качество коллимации с помощью сферических зеркал можно улучшить за счет уменьшения площади отражающей поверхности.

Параболическое или сферическое зеркало?

На выбор влияют диаметр пучка, с которым предстоит работать, требования к производительности приложения, и, конечно, бюджет. Стоит отметить, что характеристики параболического и сферического зеркал становятся почти эквивалентными при малых диаметрах падающего пучка излучения. Параболические зеркала дороже, так как их отражающие профили труднее изготовить, они имеют большие габариты по сравнению со сферическими зеркалами.

Внеосевые параболические зеркала

Рисунок 3. Фокус осевого параболического зеркала расположен близко к отражающей поверхности, что часто становится причиной затруднений

Рисунок 4. Внеосевое параболическое зеркало можно представить как увеличенный сегмент параболического зеркала. Оба зеркала будут иметь равные фокальные расстояния

Как симметричные параболические, так и внеосевые параболические зеркала имеют одну точку фокусировки. Преимущество внеосевого параболического зеркала перед осевым состоит главным образом в том, что поверхности зеркала не перекрывают точку фокуса. Тогда свет, излучаемый под небольшими углами по отношению к оптической оси зеркала, будет также попадать в фокус.

Рисунок 5. Ширину параболы измеряют относительно линии, проходящей через фокус перпендикулярно оси симметрии

Рисунок 6. Одна часть параболы обеспечивает отклонение пучка от оси симметрии на 90°

Рисунок 7. Участок зеркала ближе к оси параболы обеспечит меньший угол отклонения от оси

Рисунок 8. Уменьшение ширины параболы увеличивает угол внеосевой параболы

Внеосевой угол зеркала измеряется между оптической осью зеркала и осью фокуса. Угол зависит от сегмента параболы, а также от ширины (рис. 6) базовой параболы. Внеосевое параболическое зеркало на рисунке 5 имеет угол 90°.

Увеличение ширины родительской параболы уменьшает внеосевой угол. Обратная зависимость проиллюстрирована на рисунках 7 и 8. Ширина параболы на рисунке 7 больше, это зеркало с меньшим внеосевым углом.

Ширина параболы также влияет на фокусное расстояние. Чем шире парабола, тем больше фокусное расстояние внеосевого параболического зеркала, и наоборот.

Фокусировка излучения внеосевым параболическим зеркалом

Рисунок 9. Фокусная и оптическая оси зеркала не совпадают и не параллельны

Рисунок 10. Когда коллимированный пучок проходит параллельно оптической оси параболического зеркала или внеосевого зеркала, свет фокусируется в дифракционно ограниченное пятно

Рисунок 11. Когда коллимированный пучок не сонаправлен оптической оси зеркала, не удастся собрать излучение в пятно

Выходной коллимированный пучок будет иметь высокое качество, если пройдет параллельно оптической оси внеосевого зеркала. Это условие связано с параболической формой отражающих поверхностей этих зеркал, не симметричных относительно их фокальных точек.

Параболические и внеосевые параболические зеркала

Отражающая поверхность внеосевого зеркала эквивалентна части базовой параболы, которая не центрирована на оптической оси (рис. 9). Обычное параболическое зеркало показано на рисунке 10.

Ось фокусировки внеосевого зеркала проходит через задний фокальный отрезок и геометрический центр зеркала. Фокальная и оптическая оси зеркала не параллельны. Напротив, эти оси совпадают у параболических зеркал, отражающие поверхности которых центрированы на оптической оси базовой параболы.

Коллимированный свет, направленный не параллельно оптической оси, не будет фокусироваться в точке (рис. 11). Чтобы получить сильно коллимированный пучок от точечного источника, источник должен быть расположен в точке фокуса.

Рисунок 12. Внеосевые зеркала имеют плоское круглое основание и боковые стороны. Плоское основание перпендикулярно оптической оси зеркала. Для примера показано зеркало MPD2151-P01

Рисунок 13. Ориентацию оптической оси можно определить, заметив, что она перпендикулярна основанию зеркала. Местоположение фокальной точки можно приближенно определить, рассматривая коллимированные пучки, направленные параллельно оптической оси. Эти лучи отражаются симметрично вокруг локальных нормалей поверхности и проходят через точку фокусировки зеркала

При работе с внеосевыми параболическими зеркалами может возникнуть сложность с определением оптической и фокальной осей (рис. 12). Физические характеристики и размеры подложки зеркала могут служить ориентиром при установке и юстировке зеркала:  подложка зеркала имеет плоское круглое основание. Оптическая ось ориентирована перпендикулярно плоскому основанию. Следовательно, коллимированный пучок должен быть направлен нормально к поверхности основания. Подложка имеет длинную и короткую стороны, а отражающая поверхность расположена под углом. Нормаль к поверхности в различных точках отражателя можно приблизительно оценить, рассматривая поверхность зеркала на достаточно близком расстоянии (рис. 13).

Особенности монтажа и центровки зеркал Thorlabs

Внеосевые зеркала Thorlabs имеют установочное отверстие и три резьбовых монтажных отверстия, вырезанных на нижней поверхности их оснований. Схема расположения резьбовых отверстий соответствует вершинам равностороннего треугольника, а положение установочного отверстия указывает на короткую сторону внеосевого зеркала. Резьбовые отверстия предназначены для крепления зеркала к монтажным адаптерам или платформам.

Рисунок 14. Пара внеосевых зеркал может использоваться в приложениях обработки изображений или для передачи излучения на расстояние

Рисунок 15. Пара внеосевых зеркал может использоваться для передачи света в оптоволокне

Рисунок 16. Форма отражающего профиля внеосевого зеркала соответствует части родительской параболы, которая не центрирована в фокусной точке. Из-за этого отражающая поверхность не является осесимметричной. При установке зеркала следует следить за тем, чтобы зеркало не вращалось вокруг своей оптической оси

Рисунок 17. Интерферометр с фазовой пластиной, помещенный в выходной пучок, может облегчить процесс юстировки внеосевого зеркала

Когда зеркало вращается, положение его фокальной точки также меняется из-за асимметрии. Поскольку это может отрицательно сказаться на точности оптической системы, зеркало следует закрепить так, чтобы отражающая поверхность не могла вращаться вокруг оптической оси.

Оптические характеристики зеркала чувствительны к смещениям. Один из способов защиты от отклонения при центровке - использование фиксированного, а не кинематического крепления.

Отражающие коллиматоры на основе внеосевых зеркал

Два порта на отражающих волоконных коллиматорах Thorlabs не взаимозаменяемы. Один порт предназначен для оптоволоконного соединителя, принимающего сильно расходящийся свет. Другой порт предназначен исключительно передачи коллимированного пучка в свободном пространстве (Рисунок 18).

Рисунок 18. Thorlabs предлагает отражающие коллиматоры, которые включают порт для оптоволоконного соединителя и порт для свободного пространства, коллимированный свет, распространяющийся параллельно оптической оси

Рисунок 19. Отражающий элемент коллиматора - внеосевое параболическое зеркало. Подложка зеркала выделена красным цветом. Форма отражающей поверхности представляет собой отрезок параболической кривой, смещенный от вершины

© Торлабс

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ