锥透镜，紫外熔融石英

锥透镜，紫外熔融石英

概述

锥透镜通常也被称为旋转对称棱镜，是由一个圆锥面和一个平面组成的透镜。锥透镜常用来生成贝塞尔强度分布的光束或锥形非发散光束。将准直光束变为环形光束时，锥透镜的平面应面向准直光源。

锥透镜折射光时遵循斯涅尔定律，可以用来测量偏转角：

其中，n是玻璃的折射率，α是锥透镜的物理底角，ß是折射光与光轴产生的偏转角。此处假设空气的折射率为1。

这些经过精密抛光的锥透镜的底角范围从0.5°到40°。它们由高质量的紫外熔融石英制成，非常适合高功率激光应用。我们的锥透镜可选未镀膜版本，或镀有以下四种增透镀膜的版本：-UV(245 - 400 nm)、-A(350-700 nm)、-B(650-1050 nm)或-C(1050 -1700 nm)。增透膜可以降低透镜的表面反射率，以获得最大透过率(R(avg )< 0.5%)。如需定制镀膜，请联系技术支持。

特性

•       直径1/2英寸或1英寸

•       提供六种底角：0.5°、1.0°、2.0°、5.0°、10.0°、20.0°和40.0°

•       提供未镀膜或镀增透膜的版本

应用

•       激光打孔/光学穿孔

•       光学捕获

•       光学相干层析(OCT)

•       角膜手术

•       望远镜

规格参数

光束形状

锥透镜生成的光束

•       贝塞尔光束：无衍射

•       环状光束：非常适合激光打孔

图2.1: 0(th)阶贝塞尔函数的绝对值。真正的贝塞尔光束要求每个环具有与中心峰值相同的能量，因此需要无x量的能量。

图2.2: 锥透镜光线图。

贝塞尔光束是无衍射的同心环状光束，且每个同心环具有与中心环相同的功率。从技术上讲是无法生成贝塞尔光束的，因为它需要无x量的能量。但是让高斯光束通过锥透镜，并使光束的投影靠近锥透镜的圆锥面，就可以生成与贝塞尔分布非常相似的光束。图2.1显示的是这种0(th)阶贝塞尔函数的绝对值。

当光束投影远离透镜时，形成单个环形光束。实际上，光束是圆锥形的(即直径随距离而增加)，但光线没有发散，因此环的厚度保持不变(见图2.2)。环的厚度是入射激光束直径的一半。这种类型的光束通常用于激光钻孔应用中。

圆角

产生的贝塞尔光束和环状高斯光束的强度分布会受到顶端缺陷的影响。如果顶端是圆形的，则零阶贝塞尔光束的中心波瓣会显示强度振荡，而不是体现出空间一致性(1)，而空心高斯光束具有不对称的环，尾部朝向中心或次级环(2)。为了较好地缩小圆角，Thorlabs内部制造锥透镜，以便w全控制生产过程，使圆角的最小直径仅为0.70 mm。

图2.3: 生成空心环状高斯光束的实验装置。

图2.4：如观察屏上所示，Thorlabs的锥透镜(a)和两个一般锥透镜[(b)和(c)]生成的环形光束。Thorlabs锥透镜产生的环在短范围内从高强度过渡到低强度，而一般锥透镜则在更多像素上过渡。白色的水平线表示图2.5提取的强度分布的位置。

由于锥透镜顶端的任何缺陷都会影响出射光束的属性，因此我们通过比较Thorlabs锥透镜与两个一般锥透镜产生的空心高斯光束来展现Thorlabs锥透镜质量。环形光束通过图2.3所示的实验装置生成，其中包含633 nm激光器、GBE05-A 5X消色差伽利略扩束器、SM2D25D SM2环驱动可变光阑、锥透镜(AX2520和两个锥角20°的一般锥透镜)以及EDU-VS1聚苯乙烯观察屏。为了获得较好性能，入射到锥透镜的激光必须是经过准直的小直径光束。这可以通过先给准直光束扩束，然后使光束通过关至2.0 mm的光阑实现。然后将得到的光束形状投影到观察屏上。观察屏位于远场位置。为了便于移动，观察屏安装在带卡入式导轨滑块的燕尾导轨上。

图2.4展现的是三种测试锥透镜在观察屏上显示产生的环状高斯光束。从光束质量上讲，Thorlabs锥透镜(图2.4(a))生成干净的环状光束，环的边缘和深色中心之间具有高对比度。而其他产家的锥透镜生成的环状光束质量不一。 如图2.4(c)所示，其中一种一般锥透镜生成的环在高强度区域和低强度区域之间的对比度很差。主环显得较弱，并且环内可见非零强度分布。底部图片中第二种一般锥透镜生成干净的环，但环的边缘与深色中心之间的对比度明显弱一些。

为了突出显示所得光束的强度变化，做出这些图片的伪彩色标度版本并提取了线轮廓。图2.4并排展现了原始图像(左边)和伪彩色图像(右边)；图中的一条白线表明了强度分布图的位置出处，图2.5显示了对应的像素信息。对三种测试锥透镜的线强度比较表明，Thorlabs的锥透镜具有最鲜明的强度峰值，即较好对比度，因为它在最小像素数量上强度从明变暗。而一般锥透镜在较大的像素范围内从亮边缘过渡到零强度中心，这一点可以在不对称强度峰值缓慢衰减的尾部看出来。这种情况会导致亮环和空心之间的对比度降低。请注意，环中心处的非零峰值是预期效果，因为只有理想的、较好的锥透镜才具有高强度边缘并在其他地方是零强度。通过改善圆角直径并减少锥透镜的表面缺陷，可以提高高强度区域和非零中心之间的对比度。

图2.5: 从图2.4环形光束图像种提取的线轮廓。Thorlabs的锥透镜具有最鲜明的强度峰值，从亮边到零强度中心的过渡最陡峭。强度以任意单位表示，并非绝对测量值。位置也以任意单位提供，但与像素数量有关。

损伤阈值

紫外熔融石英锥透镜损伤阈值

表3.1规格是Thorlabs紫外熔融石英透镜的测量数据。损伤阈值规格对于所有紫外熔融石英透镜都是固定的，无论透镜的大小是多少。

表3.1 损伤阈值规格

注释

a. 光束的功率密度应以W/cm为单位计算。关于为何线性功率密度是长脉冲和连续光的较好量度，请查看下方「连续波和长脉冲激光」部分。

b. 规定的损伤阈值是一种认证测量，而非真实的损伤阈值（即光学元件在无损伤状态下可承受的最大输出）。

激光诱导损伤阈值教程

以下简要介绍如何测量激光诱导损伤阈值，以及如何根据损伤阈值规格确定光学元件是否适用于特定应用。在选择光学元件时，理解光学元件的激光诱导损伤阈值(LIDT)是很重要的。光学元件的LIDT很大程度上取决于您所使用的激光类型。连续波(CW)激光一般通过热效应(膜层或基底的吸收)引起损伤。脉冲激光通常在引起热损伤之前就会夺去光学元件晶格结构中的电子。请注意，这里提供的指南是以室温工作和全新光学元件为前提(即，符合划痕-麻点规格、表面无污染等)。由于光学元件表面上的灰尘或其它微粒会降低损伤阈值，因此我们建议保持光学元件表面清洁，且没有杂质污染。关于清洁光学元件的更多信息，请查看我们的光学元件清洁教程。

测试方法

Thorlabs根据ISO/DIS 11254和ISO 21254标准测试LIDT。

首先，我们将一束低功率/能量光束入射待测光学元件。光学元件的10个位置在此激光光束下曝光30秒(连续激光)或曝光若干个脉冲(指定脉冲重频)。曝光后，用显微镜(放大率~100X)检测是否存在可见的损伤。记录损伤位置的个数以及对应的功率/能量。接下来，增大或者降低入射光的功率/能量，在光学元件的10个新位置进行曝光。重复以上过程，直到观察到损伤为止。这样，损伤阈值就是光学元件在没有损伤时能够承受的最高功率/能量。图37B为一个BB1-E02反射镜的测试结果。

根据测试结果，反射镜的损伤阈值为2.00 J/cm2 (532 nm、脉宽10 ns、10 Hz、Ø0.803 mm)。请注意，这些测试是在干净光学元件上进行的，因为杂质和污染物可能会明显减小元件损伤阈值。本测试结果仅代表某一种膜层，Thorlabs的损伤阈值规格会根据膜层不同而有所变化。

连续波和长脉冲激光

当光学元件被连续波(CW)激光损伤时，通常是由于吸收激光能量造成表面融化或者光学膜层(增透膜)损伤[1]。分析LIDT时，脉宽大于1 µs的脉冲可以看作连续激光。

表37C 测试数据示例

对于脉宽在1 ns和1 µs之间时，可能由于吸收或介电击穿产生激光诱导损伤，因此用户必须同时分析连续波和脉冲LIDT。吸收可能是由光学元件的固有属性或表面不规则引起的；只有满足或超过制造商提供的表面质量规格的光学元件，LIDT值才有效。尽管很多光学元件能够承受高功率连续波激光，但胶合(如消色差双合透镜)或高吸收(如中性密度滤光片)等光学元件的连续波损伤阈值则较低，这是因为胶合层或金属膜的吸收或散射会降低损伤阈值。

高脉冲重复频率(PRF)的脉冲激光和连续光束相似。但是，这很大程度上取决于吸收和热扩散等因素，因此没有可靠的方法确定高PRF激光是否会由于热效应损伤光学元件。对于高PRF的光束，其平均功率和峰值功率都必须与同等CW功率比较。此外，对于高度透明的材料，在PRF增加时，LIDT几乎没有或w全没有下降。

为了使用光学元件规定的连续波损伤阈值，有必要了解以下信息：

1.       您的激光波长

2.       光束直径(1/e(2))

3.       光束的近似强度轮廓(比如高斯分布)

4.       光束的线性功率密度(总功率除以1/e(2)光束直径)

Thorlabs使用W/cm表达CW激光的LIDT值。这样，以线性功率密度给出的LIDT可用于任何光束直径；无需因为光斑大小改变而重新计算，如图37D所示。使用下面的公式计算平均线性功率密度。

以上计算公式假设是均匀的光束强度轮廓。现在，您必须考虑光束中的热点或其它非均匀强度轮廓，并粗略计算最大的功率密度。例如，高斯光的最大功率密度通常是均匀光束的两倍(如图37E)。

现在，将最大功率密度与光学元件规定的LIDT比较。如果光学元件的测试波长不等于您的工作波长，损伤阈值必须要适当缩放。根据经验，损伤阈值和波长具有线性关系。所以，当波长减小时，损伤阈值也会减小(比如，LIDT在1310 nm时的损伤阈值为10 W/cm，在655 nm时则减小为5 W/cm)：

这个经验法则只提供大体的趋势，它不是LIDT和波长的定量分析。比如，对于连续光应用，损伤阈值与膜层和基底的吸收成良好的比例关系，而上述吸收不一定与波长成比例。尽管上述过程对于LIDT计算是较好的经验法则，如果工作波长不同于LIDT波长，请联系技术支持。如果实际功率密度小于调整后的损伤阈值，那么光学元件应该能适用于您的应用。

请注意，我们在网上标定的损伤阈值与我们的测验结果之间存在一定的预留误差，这样就能适应不同批次产品间的差异。如有需要，我们可以提供单独的测试信息和测试证书。我们将使用类似的光学元件进行损伤分析(不会损坏客户的光学元件)。测试可能需要额外费用或交货时间。请联系技术支持获取更多信息。

脉冲激光

如上所述，脉冲激光一般会对光学元件引入与连续波激光不同类型的损伤。脉冲激光通常不会通过热效应使光学元件产生损伤；而是通过产生能在材料中诱导介电击穿的强电场对其造成损坏。遗憾的是，要将光学元件的LIDT规格与您使用的激光作比较是十分困难的。脉冲激光损坏光学元件有多种机制，并且损坏程度取决于激光脉宽。表37F中的高亮部分概括了我们规定的LIDT值对应的脉宽。

小于10(-9 )s的脉冲与我们规定的LIDT值对比时缺乏可靠性。在这种超短脉冲范围，有各种机制会占主导的损伤机制[2]，比如多光子雪崩电离。相反，10(-7) s到10(-4) s之间的脉冲对光学元件的损伤是由介电击穿或热效应引起的。这意味着连续和脉冲激光的损伤阈值都必须与激光光束进行比较，从而确定光学元件是否适用于您的应用。

表37F 激光诱导损伤区间

将特定脉冲激光下给定的LIDT与您使用的激光作对比时，需要了解以下信息：

1.       您的激光波长

2.       您的光束能量密度(总能量除以1/e(2)面积)

3.       您的激光脉宽

4.       您的激光脉冲重复频率(prf)

5.       您的激光的光束直径(1/e(2))

6.       光束的大致强度分布(如高斯分布)

您的光束能量密度需要以J/cm(2)计算。图37G表明了为何能量密度是短脉冲光源表达LIDT的较好量度。在这些条件下，以能量密度给出的LIDT与光斑尺寸无关；因此不需要因为光斑大小变化而重新调整LIDT值。计算过程假定光强分布是均匀的。您必须调整能量密度来应对光束中的热点或其他非均匀强度分布，并且粗略计算最大能量密度。例如，高斯光的最大能量密度通常是1/e(2)光束的两倍。

现在将最大能量密度与光学元件给定的LIDT作比较。如果光学元件测试波长不等于您的工作波长，损伤阈值必须适当缩放[3]。根据经验，损伤阈值和波长比的平方根成比例。所以，当波长减小时，损伤阈值也会减小(比如，在1064 nm时的损伤阈值为1 J/m(2)，在532 nm时则减小为0.7 J/cm(2))：

光束直径在比较损伤阈值时也是很重要的。虽然LIDT在以J/cm²表达时与光斑大小无关；但是大光束可能照射更多的缺陷，这可能会导致更大的激光损伤阈值的变化[4]。对于这里的数据，使用小于1 mm的光束测量LIDT。当光束尺寸大于5 mm时，LIDT(J/cm2)也将和光束直径有关，因为尺寸较大光束容易暴露更多的缺陷。

现在，必须对脉宽进行补偿。脉宽越长，光学元件能承受越多的能量。对于1 ns至100 ns的脉宽，其关系可以近似为：

使用此公式可以根据您的脉宽计算调整LIDT。如果所使用激光的最大能量密度小于调整后的LIDT最大能量密度，光学元件就适用于您的应用。请注意，此计算仅适用于10(-9) s和10(-7) s之间的脉冲激光。对于10(-7) s和10(-4) s之间的脉冲激光，您同时还需要考察是否满足连续波LIDT。

请注意，我们在网上标定的损伤阈值与我们的测验结果之间存在一定的预留误差，这样就能适应不同批次产品间的差异。如有需要，我们可以提供单独的测试信息和测试证书。请联系技术支持获取更多信息。

激光诱导损伤阈值（LIDT）计算

为了介绍如何确定某一给定激光系统是否损伤光学元件，下面给出了激光诱导损伤阈值(LIDT)的许多计算实例。为了方便类似的计算，我们提供一个电子表格计算器，可点击右边的按钮下载。使用计算器时，首先在绿色框中输入光学元件指定的LIDT值以及您激光系统的相关参数。电子表格将计算CW和脉冲系统的线性功率密度以及脉冲系统的能量密度值。使用这些数值根据认知的缩放方法为光学元件计算已经调整、按比例缩放的LIDT值。计算器假定高斯光束轮廓，因此必须对其它光束形状引入校正系数(均匀度等等)。LIDT缩放根据经验确定；精度无法保证。注意，在某些光谱区域，光学元件或膜层对激光的吸收能力可能大大降低LIDT。这些LIDT值对于脉宽小于1 ns的超短脉冲无效。

图71A：高斯光束分布的最大光强大约是均匀光束分布的两倍。

CW激光实例

假设一个CW激光系统在1319 nm时输出1/e(2)直径为10 mm的0.5 W高斯光束。直接用总功率除以光束直径得到光束的平均线性功率密度为0.5 W/cm：

然而，高斯光束的最大功率密度约为均匀光束的最大功率密度的两倍，如图71A所示。因此，系统更准确的最大线性功率密度是1 W/cm。

AC127-030-C消色差双合透镜规定的CW LIDT为350 W/cm，在1550 nm测得。CW损伤阈值通常与激光源的波长直接成比例，因此得出调整的LIDT值：

调整的350 W/cm x (1319 nm / 1550 nm) = 298 W/cm的LIDT值显著高于激光系统的最大线性功率密度，因此系统使用这个双合透镜是安全的。

脉冲纳秒激光实例：不同脉宽的缩放

假设某脉冲Nd:YAG激光系统的三倍频输出355 nm、10 Hz、脉宽为2 ns，单脉冲能量为1 J，并且光束直径为1.9 cm(1/e(2))的高斯光束。脉冲能量除以光束面积得到每个脉冲的平均能量密度：

如上所述，高斯光束的最大能量密度约为平均能量密度的两倍。因此，光束的最大能量密度为~0.7 J/cm(2)。

将这个光束能量密度分别对比BB1-E01宽带介质膜反射镜规定的LIDT值1 J/cm(2)和NB1-K08 Nd:YAG激光线反射镜的LIDT值3.5 J/cm(2)。这两个LIDT值都在355 nm下测量，使用脉宽10 ns、重频10 Hz的脉冲激光确定。因此，需要对系统的更短脉宽进行调整。如上一个标签中的描述，纳秒脉冲的LIDT值与激光脉宽的平方根成比例：

使用这个调节因子，BB1-E01宽带反射镜的LIDT值变为0.45 J/cm(2)，Nd:YAG激光线反射镜的LIDT值变为1.6 J/cm(2)，将它们直接和光束的0.7 J/cm(2)最大能量密度比较 。宽带反射镜很可能受到激光损伤，但是特殊的激光线反射镜能够用于激光系统。

脉冲纳秒激光实例：不同波长的缩放

假设某脉冲激光系统以2.5 Hz发射10 ns脉冲，每个脉冲在1064 nm的能量为100 mJ，1/e(2)光束直径为16 mm，我们现在需要用中性密度滤光片进行衰减。对于高斯输出，使用这些规格计算最大能量密度为0.1 J/cm(2)。

对于355 nm的10 ns脉冲，NDUV10A Ø25 mm、OD 1.0的反射型中性密度滤光片的损伤阈值是0.05 J/cm(2)，而对于532 nm的10 ns脉冲，类似的NE10A吸收型滤光片的损伤阈值是10 J/cm(2)。根据上一个标签中的描述，对于纳秒脉冲，光学元件的LIDT值与波长的平方根成比例：

根据这个比例，反射型滤光片调整后的LIDT值为0.08 J/cm(2)，吸收型滤光片为14 J/cm(2)。在这种情况下，为了防止光学损伤，吸收型滤光片是较好选择。

脉冲微秒激光实例

考虑产生1 µs脉冲的激光系统，单脉冲能量为150 µJ，重频为50 kHz，这将导致5%相对高的占空比。系统处于CW与脉冲激光诱导损伤之间，可能通过任何一种机制引起光学元件损伤。因此，CW和脉冲LIDT值必须同时和激光系统的性质进行对比，以确保安全工作。

如果这个较长脉冲激光器发射980 nm、1/e(2)直径为12.7 mm的的高斯光束，那么激光输出的线性功率密度为5.9 W/cm，单脉冲能量密度为1.2 x 10(-4) J/cm(2)。将这个值与WPQ10E-980聚合物零级四分之一波片的LIDT值对比，对于810 nm连续波为5 W/cm，对于810 nm的10 ns脉冲为5 J/cm(2)。与前面一样，光学元件的CW LIDT与激光波长呈线性比例，所以在980 nm时经过调整的CW值为6 W/cm。另一方面，脉冲LIDT与激光波长平方根和脉宽平方根成比例，所以对于1 µs脉冲在980 nm下经过调整的值为55 J/cm(2) 。光学元件的脉冲LIDT显著大于激光脉冲的能量密度，因此单脉冲不会损伤波片。然而，激光系统的平均线性功率密度较高，和高功率CW光束相似，可能会对光学元件造成热损伤。

产品订购信息

锥透镜，未镀膜

这些锥透镜未镀膜，用于185 nm - 2.1 µm的波长范围。它们的基底是紫外熔融石英，非常适合从紫外到近红外的应用。与N-BK7相比，紫外熔融石英具有更好的均匀性和更低的热膨胀系数。

a. 偏转角由532 nm的光计算得到。

b. 10 mm厚窗口片的典型透过率曲线。

通用(14件商品)

锥透镜，增透膜：245 - 400 nm

这种锥透镜的增透膜范围从245到400 nm，在UV范围透过率高，非常适用于紫外应用。而且所用的基底(UV熔融石英)提供出色的UV透过率。

a. 偏转角由330 nm的光计算得到。

b. 每个表面

通用(1件商品)

锥透镜，增透膜：350 - 700 nm

这些锥透镜的增透膜范围从350到700 nm，非常适合部分近紫外(NUV)和所有的可见光波段。这种波长范围非常适合氦氖激光器和其它可见光激光器。

a. 偏转角由532 nm的光计算得到。

b. 每个表面

通用(14件商品)

锥透镜，增透膜：650 - 1050 nm

这些锥透镜的增透膜波长范围从650到1050 nm，是许多近红外(NIR)应用的理想选择，如光学捕获和角膜手术。

a. 偏转角由850 nm的光计算得到。

b. 每个表面

通用(14件商品)

锥透镜，增透膜：1050 - 1700 nm

这些锥透镜的增透膜范围从1050到1700 nm，是近红外(NIR)应用的理想选择。这个波长范围覆盖了以下应用的波长：光学相干断层扫描(OCT)、光学捕获和激光钻孔。在这些应用中使用锥透镜可以提高样品臂的聚焦深度。

a. 偏转角由1310 nm的光计算得到。

b. 每个表面

通用(14件商品)