Фемтосекундная лазерная обработка, метод накачка–зондирование, нелинейная оптика, широкополосная микроскопия — у всех этих сверхбыстрых применений есть одно общее требование: стабильная низкодисперсионная передача светового пучка с сохранением его качества . А коллиматор это как раз то звено в цепи, звено, которое чаще всего упускают из виду, но именно здесь ошибки недопустимы. В сверхбыстрых оптических схемах именно коллиматор зачастую определяет, насколько удобно будет настраиваться дальнейший тракт, насколько он будет стабилен и удастся ли сохранить качество пучка.
Рис. 1 Экспериментальная установка для генерации пучка среднего ИК-диапазона методом разностной частоты
Источник: Li B., Fu Y., Zhang J., Ma W. Mid-infrared difference-frequency generation pumped by GHz repetition-rate active synchronization ultrashort pulse lasers[J]. Optics and Laser Technology, 2026, 203: 115573.
В сверхбыстрых схемах основное назначение коллиматора — эффективно и с низкими потерями преобразовать лазерное излучение, передаваемое по оптоволокну, в коллимированный пучок в свободном пространстве. Это обеспечивает высококачественный входной оптический сигнал для последующих операций: управления поляризацией, временной синхронизации, пространственного согласования мод и нелинейного преобразования частоты. В качестве примера рассмотрим генерацию среднего ИК-излучения методом разностной частоты (DFG), показанную на Рис. 1. Лазер накачки после коллимации коллиматором Col2 проходит через полуволновую пластину HWP1 для регулировки поляризации и через зеркальную линию задержки для синхронизации во времени с сигнальным пучком. Сигнальный пучок выводится коллиматором Col1, проходит через HWP2 и телескопическую систему линз L1/L2 для сужения пучка. Затем оба пучка сводятся на дихроичном зеркале DM1 и соосно направляются в кристалл PPLN для генерации разностной частоты. Отсюда видно, что качество пучков на выходе обоих коллиматоров напрямую определяет эффективность согласования мод и нелинейного преобразования, делая коллиматоры ключевым интерфейсным элементом всей системы.
Для фемтосекундных импульсов и широкополосных источников коллиматоры должны справляться с более жесткими требованиями: смещение фокуса в широком спектральном диапазоне, дополнительная дисперсия групповой задержки, волновые аберрации при передаче на большие расстояния, а также ограничения по монтажному пространству и диапазону регулировки фокуса в компактных системах. Для удовлетворения различных потребностей в коллимации в сверхбыстрых схемах LBTEK предлагает несколько решений, охватывающих такие технологические направления, как полностью зеркальные ахроматические коллиматоры, хроматические коллиматоры с регулируемым фокусом, коллиматоры с большой апертурой и малой ошибкой волнового фронта, а также компактные коллиматоры с регулируемым фокусом. Рассмотрим особенности применения этих четырёх типов коллиматоров в сверхбыстрых системах.
Отражательный коллиматор: оптимальное решение для сверхширокополосных сверхбыстрых систем
Рис. 2 Отражательный коллиматор
Для фемтосекундных лазеров, суперконтинуумов и коллинеарных многоволновых схем управление дисперсией является ключевой проблемой на этапе коллимации. Отражательный коллиматор использует зеркальную оптическую схему: процесс коллимации основан исключительно на отражении, а не на преломлении, что вносит лишь незначительную дисперсию групповой задержки, обусловленную покрытием (как правило, значительно меньше, чем у одиночной просветной линзы). Влиянием такой дисперсии на временное уширение фемтосекундных импульсов можно пренебречь.
Рис. 3 Схема устройства отражательного коллиматора
- Отражательная конструкция обеспечивает коллимацию широкополосных пучков;
- Ахроматические свойства уменьшают смещение фокуса между разными длинами волн;
- Низкая дисперсия групповой задержки, способствует сохранению временных характеристик сверхкоротких импульсов.
Рис. 4 Экспериментальная установка волоконного лазера на иттербии с дисперсионно-управляемыми солитонами в конфигурации «девятка» на 978 нм.
Источник: Шанхайский институт оптики и точной механики, Generation of 978 nm dispersion-managed solitons from a polarization-maintaining Yb-doped figure-of-9 fiber laser.
В волоконных лазерах, при выводе и сопряжении излучения полупроводниковых лазеров, в компактных измерительных устройствах и модульных оптических системах коллиматор должен не только обеспечивать удобную фокусировку, но и сохранять структурную стабильность при длительной эксплуатации.
Регулируемый волоконный коллиматор позволяет оптимизировать выходную коллимацию путём изменения относительного положения линзы и торца оптического волокна. После завершения настройки его можно зафиксировать через регулировочное отверстие с помощью клея, что удобно для что облегчает интеграцию лазеров в корпусные конструкции и повышения долговременной стабильности.
- Механические детали коллиматора изготовлены из никель-медного сплава с никелевым покрытием, обеспечивающим устойчивость к коррозии, термостойкость и отличную электропроводность;
- Вместо точечной склейки линза закреплена механически, что обеспечивает высокую устойчивость к воздействию температуры и влажности, а также высокую надёжность;
Рис. 5 Схема устройства регулируемого волоконного коллиматора
- Регулируемая фокусировка упрощает оптимизацию выходной угол расходимости или эффективности сопряжения, идеально подходит для настройки выходного узла лазеров и миниатюрных модулей;
- Компактная конструкция, подходит для интеграции в оптические схемы с ограниченным пространством, уменьшая занимаемый системой объём.
Широкоапертурный ахроматический коллиматор: оптимальное решение для широкополосной передачи в свободном пространстве с низкими аберрациями
Рис. 6 Широкоапертурный ахроматический волоконный коллиматор
Когда пучку требуется передача на большие расстояния или ввод в последующие модули — расширители пучка, пространственные фильтры, сканирующие гальванометры, системы микроскопической подсветки и т. д.. Особое значение приобретают рабочий диаметр апертуры коллиматора, качество волнового фронта и стабильность направления излучения. Широкоапертурный ахроматический коллиматор обеспечивает пространство для пучка большего диаметра и меньшей расходимости, а также снижает влияние фокусировочного сдвига на разных длинах волн.
- Большой диаметр рабочей апертуры, подходит для пучков большего диаметра и передачи в свободном пространстве на большие расстояния;
- Ахроматическая конструкция, уменьшает сдвиг фокусного расстояния в широкополосных применениях;
- Волновая ошибка не превышает λ/6, способствует повышению качества последующих этапов фокусировки, сканирования и формирования изображения.
Рис. 7 Волоконный коллиматор с регулируемым фокусом
В процессе сборки сверхбыстрых экспериментальных установок источники света, оптоволокно, модули расширения пучка, сканирующие модули и детектирующие модули часто требуют многократного согласования. Коллиматоры с фиксированным фокусным расстоянием отличаются простотой конструкции, но когда системе требуется изменить выходное пятно, оптимизировать рабочее расстояние или адаптироваться к различным нижестоящим модулям, вариофокальная конструкция.
- Ахроматическая конструкция, подходит для широкополосной коллимации и ввода излучения;
- Регулируемое фокусное расстояние, позволяет оптимизировать диаметр пучка и угол расходимости в соответствии с задачами эксперимента;
- Дрейф направления менее 1 мрад: при изменении размера пучка не нарушается юстировка уже подключённых компонентов, что обеспечивает превосходную стабильность направления;
- Идеально подходит в качестве гибкого интерфейса на этапе разработки, сокращая затраты на пересборку при частой смене коллиматоров. Предоставляет гораздо больший запас для настройки.
Краткий обзор выбора моделей
|
Тип коллиматора |
Ключевые преимущества |
Фокусное расстояние |
Рабочий диапазон длин волн |
Тип разъёма |
|
Отражательный коллиматор |
Низкая дисперсия групповой задержки, широкополосность, отсутствие хроматизма |
15 мм, 33 мм, 50,8 мм |
С алюминиевым зеркальным покрытием (UV): 250– 450 нм С защитным серебряным покрытием: 450 нм – 20,0 мкм |
FC/APC, FC/PC, SMA905 |
|
Регулируемый волоконный коллиматор |
Компактный, малый объём |
7,5 мм, 11 мм |
350–700 нм 600–1050 нм 1050–1700 нм |
FC/APC |
|
Широкоапертурный ахроматический волоконный коллиматор |
Длинный фокус, большая апертура, низкая волновая аберрация |
40 мм, 80 мм |
400–650 нм 650–1050 нм 1050–1650 нм |
FC/PC, SMA905, FC/APC |
|
Вариофокальный волоконны коллиматор |
Ахроматическая конструкция, регулируемое фокусное расстояние, высокая стабильность направления |
Диапазон фокусировки: 6–18 мм 15–40 мм 37–80 мм |
400–650 нм 650–1050 нм 1050–1650 нм |
FC/PC, FC/APC, SMA905 |
Советы по выбору:
- Очень широкий спектр, очень короткие импульсы, в первую очередь обратите внимание на отражательные коллиматоры;
- Ограниченное пространство в системе, много интерфейсов, требуется быстрое оптическое сопряжение — в первую очередь обратите внимание на регулируемые волоконные коллиматоры;
- Пучку нужно проходить большие расстояния, нижестоящие модули чувствительны к качеству волнового фронта — в первую очередь обратите внимание на широкоапертурные ахроматические волоконные коллиматоры;
- Параметры оптической схемы ещё настраиваются, требуется запас по регулировке фокуса и размера пятна — в первую очередь обратите внимание на волоконный коллиматор с регулируемым фокусом.
Каждая коллимация в сверхбыстрой оптической схеме это ключевое преобразование между передачей по оптоволокну и управлением пучком в свободном пространстве. Правильно подобранный коллиматор снижает нагрузку на последующие регулировки, повышает стабильность схемы и помогает системе лучше сохранять импульсные и пространственные характеристики пучка.
От широкополосных и низкодисперсионных решений до ахроматических коллиматоров с переменным фокусным расстоянием , от коллиматоров с большим диаметром и низким волновым фронтом до компактных регулируемых моделей - коллиматоры LBTEK предлагают множество вариантов для сверхбыстрых оптических схем.
