Quarzglas-Kugellinse mit 1 mm Durchmesser

SPEZIFIKATIONEN UNSERER QUARZGLAS-KUGELLINSE

WAS IST EINE KUGELLINSE/KUGELLINSEN?

Kugellinsen sind großartige optische Komponenten zur Verbesserung der Signalkopplung zwischen Fasern, Emittern und Detektoren. Sie werden auch in der Endoskopie, beim Scannen von Strichcodes, bei Kugelvorformen für asphärische Linsen und bei Sensoranwendungen eingesetzt. Kugellinsen werden aus einem einzigen Glassubstrat hergestellt und können je nach der Geometrie der Eingangsquelle Licht fokussieren oder kollimieren. Halbkugellinsen sind ebenfalls gebräuchlich und können gegen Vollkugellinsen ausgetauscht werden, wenn die physikalischen Beschränkungen einer Anwendung eine kompaktere Bauweise erfordern.

WARUM KUGELLINSEN/KUGELLINSEN？

Eine Kugel oder ein Ball eignet sich erstaunlich gut als Linse. Bei näherer Betrachtung stellt man fest, dass ein solches Element in zwei plankonvexe Linsen zerlegt werden kann, die durch eine planparallele Platte getrennt sind. Die positiven Linsen haben eine unterkorrigierte sphärische Aberration und die planparallele Platte ist überkorrigiert. Es entsteht also eine ausgleichende Wirkung. Eine Kugellinse findet ihre Hauptanwendung als Kopplungselement für optische Fasern. Sie verdient eine Analyse, zumal es bestimmte Einschränkungen gibt, die man verstehen muss.

Die Abbildung unten zeigt, dass die Brennweite vom Mittelpunkt der Kugel aus gemessen wird, wo sich die Verlängerungen der eintretenden und austretenden Strahlen treffen. Das bedeutet, dass das Auflagemaß bfl lediglich die Differenz zwischen der Brennweite und dem Radius R der Kugel ist. Man sieht sofort, dass der Brennpunkt auf die Rückfläche der Kugel fällt, wenn f = R ist.

BRENNWEITE DER KUGELLINSE/KUGELLINSEN

Es gibt zwei verschiedene Definitionen der Brennweite einer Kugellinse. Die effektive Brennweite, d. h. der Abstand zwischen einer Ebene durch den Mittelpunkt der Linse und der Taille (dem Brennpunkt) eines ursprünglich kollimierten Eingangsstrahls, ist durch die Gleichung gegeben , wobei D der Durchmesser der Linsenkugel und n ihr Brechungsindex ist.

Die hintere Brennweite ist definiert als der Abstand des Brennpunkts von der Linsenoberfläche und ist um den halben Durchmesser der Kugel kleiner als die effektive Brennweite.

ANWENDUNGEN VON KUGELLINSEN/ SPHÄRENLINSEN.

Kugellinsen werden in der Regel zur Kollimation und Fokussierung von Lasern, zur Kopplung von Laser und Faser sowie zurKopplung von Faser und Detektor verwendet. Halbkugeln sind ideal für Anwendungen wie Faserkommunikation, Endoskopie, Mikroskopie, optische Aufnahmegeräte und Lasermesssysteme.

Für Beispiele:

BEISPIEL 1: LASER-FASER-KOPPLUNG

Bei der Einkopplung von Laserlicht in eine Faseroptik hängt die Wahl der Kugellinse von der NA der Faser und dem Durchmesser des Laserstrahls bzw. der Eingangsquelle ab. Der Durchmesser des Laserstrahls wird zur Bestimmung der NA der Kugellinse verwendet. Die NA der Kugellinse muss kleiner oder gleich der NA der Faseroptik sein, damit das gesamte Licht eingekoppelt werden kann. Die Kugellinse wird wie folgt im hinteren Brennweitenbereich der Faser platziert.

LASER-FASER-KOPPLUNG

Ausgangsparameter

Durchmesser des Eingangslaserstrahls = 2 mm
Brechungsindex der Kugellinse = 1,5168
Numerische Apertur des Lichtleiters = 0,22

Die NA einer N-BK7-Kugellinse beträgt etwa 0,22 für d/D ≈ 0,3 bis 0,35. Aus Gleichung 3 ergibt sich d/D ≈ 0,33 für NA = 0,22. Man bräuchte eine N-BK7-Kugellinse mit einem Durchmesser von mehr als 6 mm (≈ 2 mm/0,33), um eine 2 mm-Laserquelle in eine 0,22 NA-Faseroptik einzukoppeln. Man kann leicht verschiedene Brechungsindizes ausprobieren, um die beste Kugellinse für eine Laser-Faser-Kopplungsanwendung zu finden.

BEISPIEL 2: FASER-ZU-FASER-KOPPLUNG

Um Licht von einer Faseroptik auf eine andere Faseroptik mit ähnlicher NA zu koppeln, können zwei identische Kugellinsen verwendet werden. Bringen Sie die beiden Kugellinsen wie in Abbildung 4 gezeigt im Brennweitenabstand zu den Fasern an. Wenn die optischen Fasern die gleiche NA haben, kann die gleiche Logik wie in Beispiel 1 angewendet werden.