旭廷自聚焦透镜产品说明书

自聚焦透镜产品说明书北京旭廷科技开发有限公司2004年8月说明书目录1. 产品概述及参数列表12. 订货信息33. 使用注意事项5附：自聚焦透镜原理简介.61.产品概述及参数列表自聚焦透镜又称梯度渐变折射率（GRIN）透镜，其折射率从中心轴到周边沿径向梯度减小，呈轴对称抛物线分布。它具备准直、聚焦、耦合等功能，具有体积小、耦合效率高、插入损耗低的优点，并且可以在端面成像。自聚焦透镜广泛用于各种有源、无源光器件，如光纤连接器、光纤耦合器、波分复用器、光衰减器、光隔离器、光滤波器、光开关、光纤准直器、掺铒光纤放大器、光纤光栅等；同时它也广泛应用于医用光学领域，如数码电子宫腔镜等医用内窥镜。本公司生产的自聚焦透镜主要用于光通信领域，其表面质量指标如下：针孔、麻点：直径范围内不允许存在直径大于30um的缺陷；不允许直径大于10um的杂质缺陷存在；直径在10um30um之间的缺陷少于4处。划痕：不允许宽度超过5um的划伤；允许宽度小于2um的划伤存在；不允许宽5um长200um划伤。崩边：在中心区域的90范围内不得有崩边。主要应用参数如下表：波长(nm)型号数值孔径NA中心折射率N0直径(mm)折射率分布常数平方根A1/2Z（P/4）630X1型0.37(43o)1.56401.00.5003.142.00.2486.34X2型0.46(55o)1.60771.00.6102.581.80.3404.622.00.3055.15X3型0.60(74o)1.65801.80.4313.65830X1型0.37(43o)1.55701.00.4913.202.00.2436.46X2型0.46(55o)1.59901.00.6032.601.80.3334.722.00.2995.26X3型0.60(74o)1.64611.80.4243.711060X1型0.37(43o)1.55331.00.4863.232.00.2406.55X2型0.46(55o)1.59441.00.6012.611.80.3304.762.00.2975.29X30.60(74o)1.63981.80.4203.741310X1型0.37(43o)1.55141.00.4823.262.00.2386.61X2型0.46(55o)1.59201.00.5992.621.80.3284.792.00.2965.31X3型0.60(74o)1.63651.80.4193.751550X1型0.37(43o)1.55021.00.4803.272.00.2376.64X2型0.46(55o)1.59051.00.5982.631.80.3274.802.00.2955.33X3型0.60(74o)1.63451.80.4183.76其他技术指标如下：项目参数备注透过率89波长范围4002000 nm折射率分布常数公差0.75同一交换炉2.5不同炉，不同批次最大截距0.5 PP=2/A1/2透镜有效直径6070名义直径透镜长度公差2.5按A1/2值的变化而调整0/-0.04 mm指机械加工和抛光公差透镜直径公差+0.005 /-0.010 mm最小透镜长度1.0 mm(对非镀膜透镜)2.3 mm(对镀膜透镜)圆柱度5m面垂直度6 mrad材料耐温350 oC热胀系数1010-6/ oC2.产品订货信息本公司产品采用如下命名方法：A-孔径角243o55o74o序号X1X2X3B-直径(mm)1.01.82.0序号101820C-截距P0.230.250.29序号023025029D-波长(nm)630830106013101550序号630830106013101550E-镀膜单面镀膜双面镀膜不镀膜序号AR1AR2NF-角度1o2o3o4o2o4o6o8o序号1D2D3D4D2468示例:SL-X2-10-025-1310-AR2-3D，表示需要定购的自聚焦透镜孔径角为55o、直径1.0mm、截距0.25P、应用波长1310nm、双端面倾角为3o并且双面镀膜。根据客户要求,可对透镜进行的特殊工艺处理说明如下:（1）端面角度化处理:此种处理可以有效减少回光反射。有两种形式的角度化处理可供选择，一种是单端面角度化处理：一端倾斜、而另一端垂直于光轴（见图1图2）；另一种是双端面角度化处理：两端面相互平行并都倾斜于光轴（见图3）。 (2)镀防反射膜:在透镜端面增镀防反射膜，能有效减少光能量损失;同时有助于保护透镜表面,避免潮湿、化学反应和物理损伤。镀层采用多层金属氧化物，客户可选择镀膜1-3层。各项指标如下:项目非镀膜镀膜双面反射率(标准入射)9110.5最大反射光谱宽度/15nm最大耐热温度350oC200oC1000小时最大湿度和可靠性尽量避免高温潮湿在85oC、相对湿度85下保证1000小时(3)柱面金属化处理:柱面金属化处理既可以给透镜增加额外的保护，也可以在焊接时提供更为牢固的结合强度。订货时在订货信息后加-M表示需要进行这种处理。例如:SL-X2-10-025-1310-AR2-3D-M，表示定购的自聚焦透镜孔径角为55o、直径1.0mm、截距0.25P、应用波长1310nm、双端面倾角为3o并且需要双面镀膜、柱面金属化处理。柱面金属化处理技术指标:项目规格焊接条件层数3焊料：含铅锌的低温共熔锡合金助剂：松香最大焊接温度/时间：230oC/10sec冷却：缓冷以避免热冲击外层物质金名义厚度7m金属化区域的有效面积95最大焊接温度230oC不超过10秒保证区域两端0.5 mm以内最大允许表面缺陷直径为0.5 mm3.使用注意事项(1)取放时应注意:打开透镜包装的盒盖时应特别小心,防止在打开盒盖时丢失透镜(因为在运输途中微小的自聚焦透镜可能会脱离包装槽而附着在盒盖上)。取放透镜时应用镊子夹住透镜的侧面,切勿夹持端面或者用手触摸端面(端面若留下划痕或指印,会极大的影响使用)。(2)清洗时应注意:若透镜表面不慎染上污迹，那么必须清洗透镜表面,否则可能会影响正常使用。为了确保透镜表面不留残渣,一般情况下清洗剂应使用浓度95%的甲醇或丙酮溶液。(3)储存时应注意:原包装打开后,若需长期储存,则应在包装内使用干燥皿或干燥剂（如硅胶）以防止透镜受潮,尤其对于非镀膜透镜。附:自聚焦透镜原理简介1什么是自聚焦透镜：传统的透镜是通过控制透镜表面的曲率，凭借光在介质分界面的折射使光线汇聚于一点。自聚焦透镜又称梯度渐变折射率(GRIN)透镜，其内部特殊的折射率分布使从透镜端面入射的光线在透镜内部沿正弦曲线传播。其折射率变化N(r)由下式描述： N(r)=N0(1-Ar2/2)(式中：N0表示自聚焦透镜的中心折射率，r表示自聚焦透镜的半径，A表示自聚焦透镜的折射率分布常数)自聚焦透镜的主要应用参数包括：透镜直径；中心轴折射率N0 ；折射率分布常数 A ；数值孔径 NA（NA=nSinm ，式中 n表示入射光所在介质的折射率，m表示入射光线的最大孔径角）；截距P（光束沿正弦轨迹传播，完成一个正弦波周期的长度即称为一个截距P）；透镜长度Z（透镜两端面之间的距离即为透镜长度）。图1 自聚焦透镜折射率分布曲线在不同长度的棒透镜中，光的传播轨迹不同。如下所示：图2 不同长度的GRIN棒中光的传播轨迹图中，Z为透镜长度，P为截距。如图所示，沿棒透镜长度方向的不同位置可以得到不同的成像状态。由此可见，选择不同的棒透镜长度，可起到凸透镜或凹透镜的作用，形成倒立实像和虚像、正立实像和虚像。2.自聚焦透镜的制备：为了获得折射率成梯度分布的棒透镜，制备自聚焦透镜最为常用的方法是离子交换法，它具有成本低和容易控制等优点，被广泛地用于光通信用自聚焦透镜的制作。主要工序及流程包括：玻璃熔炼，玻璃棒加工，拉制纤维，离子交换，棒透镜抽样测试。其基本原理图如下：图7 离子交换法的基本原理由于一价金属离子在玻璃中具有最大的扩散系数，为获得GRIN棒，在高温下，将基础玻璃放入熔融盐浴中，引发离子交换反应，用熔盐中的对折射率贡献较小的离子部分替换基础玻璃中对折射率贡献较大的离子，使这两种离子在玻璃中的浓度形成一定的梯度，而在玻璃中产生折射率梯度。基础玻璃中必须具有足够的高极化率离子( Tl+，Cs+ ，Ag+ 等)，而用于离子交换的熔盐应含有电子极化率小的离子(K+ 或Na+)。为满足光通信用自聚焦透镜的要求，基础玻璃配方必须符合如下条件：1，符合设计要求的光学性能（折射率，光吸收等）；2，合理的熔制温度，以及高温下合适的粘度；3，满足成型所要求的料性；4，较高的离子交换系数；5，高温及常温下的足够的化学稳定性。此外，在透镜端面增加防反射膜，可以有效地减少光能量的损失，有助于保护透镜表面，避免潮湿、化学反应和物理损伤；对透镜进行端面角度化处理，可以有效减少表面的回光反射；对透镜进行柱面金属化处理，增加金属化保护，可以使用户将其焊接到相应位置上，这样既可以保证与外界隔绝的密封，同时提供比环氧粘接更为牢固的结合强度。3自聚焦透镜的应用：由于从自聚焦透镜端面入射的光线在透镜内部沿正弦曲线传播，以及其圆柱状的外形特点，将适当长度的GRIN棒用于光学系统，便可实现聚焦、准直、成像等特定的功能，从而可以应用在多种不同的微型光学系统中。聚焦：根据自聚焦透镜的传光原理，对于Z=P/4的自聚焦透镜，当从一端面输入一束平行光时，经过自聚焦透镜后光线会汇聚在另一端面上。这种端面聚焦的功能是传统曲面透镜所无法实现的。图3 自聚焦透镜聚焦原理示意图准直：准直是聚焦功能的可逆，反向应用。对于Z=1/4P的自聚焦透镜，当汇聚光从自聚焦透镜一端面输入时，经过自聚焦透镜后会转变成平行光线。图4 自聚焦透镜准直原理示意图自聚焦透镜可应用于要求有聚焦和准直功能的各种场合，如：耦合器，准直器，光隔离器，光开关，波分复用器等等。图5中两个自聚焦透镜分别用做准直和聚焦。这样我们可在两个自聚焦透镜之间加入多种光学器件，例如：滤波片、偏振片、法拉第旋光器等等，来构成多种光学无源器件。图5 自聚焦透镜准直和聚焦功能光轨迹示意图此外，由于自聚焦透镜可以通过水平端面完成聚焦功能，加之其简单圆柱外型，使得他具有耦合聚焦的功能，在进行光能量连接及转换中有着很广泛的用途。自聚焦透镜的这种功能使其能够应用于多种光耦合场合，例如：光纤和光源、光纤和光电探测器以及光纤和光纤之间的耦合等等。图6 自聚焦透镜耦合聚焦功能光轨迹示意图图6中 L1表示光源或光纤到自聚焦透镜的端面的距离，Z为自聚焦透镜的长度，L2为自聚焦透镜的端面到光纤的距离。调节 L1使入射光在自聚焦透镜的最大有效半径之内。调节 L2使出射光的焦点在光纤的有效半径之内。为了使光源或光纤发出的光经过自聚焦透镜聚焦后能够有效地耦合进光纤，就要调节 L1和 L2的大小，从而有效地提高耦合效率。此外，自聚焦透镜也可用于成像。由于特定长度的自聚焦透镜具有端面成像的特性，采用P/2 的整数倍长透镜可以实现显微摄像系统中端面到端面的像中继传输。因此低色差的自聚焦透镜在各种医用内窥镜及工业内窥镜中作为物镜和中继透镜得到了越来越广泛的应用。单棒透镜的直径和视场角都很小（约为0.253.0mm，12o左右），而且成像距离也很短，所以单根棒透镜覆盖的物面极小。因此，在使用中常常需要将棒透镜排列成列阵。自聚焦透镜阵列（SLA）是80年代初发展起来的一种小型、轻量、高性能的新型透镜。SLA由许多根GRIN棒透镜按一定规律排列而成，使之成复合像。到80年代中期，以1：1共轭成像列阵为代表的列阵形成了系列产品，在办公自动化设备，如复印机。传真机以及图像扫描光学部件方面得到广泛应用，成为此类设备更新换代的关键部件。由于GRIN棒内部折射率变化可以调节，当它用于复杂的光学系统时，可以减少系统中光学元件的数量，在某些场合可以代替非球面光学元件。此外这种光学元件的几何形状简单，容易进行光学加工，且使用这种光学元件的系统具有结构紧凑、性能稳定、成本低廉等优点。因此GRIN棒透镜已经被越来越多地应用于光学系统，尤其是在光纤通信领域中。它在光纤之间的连接、隔离、定向耦合、波分复用/解复用器件以及光开关等方面显示出独特的优势。 10