Nopean akselin kollimointi ja kuidun liittäminen: säteen siirtäminen sirusta kohteeseen

Ongelma on raita, ei piste

Otetaan paljas 905 nm reunasäteilylähetin: 180 W huippu, säteilevä aukko 110 µm × 30 µm, hajauma 9° liitoksen suuntaisesti ja 25° siihen kohtisuoraan. Tämä kohtisuora akseli kutsutaan nopeaksi akseliksi, ja se on se, joka aiheuttaa ongelmia.

1 km matkalla 25° täyden kulman tuuletin on noin nauha

pystysuora. Hidas akseli, 9°, on noin 160 m leveä samalla etäisyydellä. Joten valaistu jalanjälki on 440 m x 160 m - raita lähes kolme kertaa korkeampi kuin leveä, josta suurin osa on taivasta, maata tai seinää, joka ei ole siellä, minne vastaanottimesi katsoo.

Energiaa ei menetetä, se vain leviää paikkaan, jossa et voi käyttää sitä. Vastaanotin, jonka näkökenttä on 1 mrad, kerää palautukset noin 1 m levyisestä alueesta 1 km etäisyydellä. Jos lähettimen jälki on 440 m korkea, niin suunnilleen yksi osa 440 pystysuunnassa leviävästä viuhkasta osuu kyseisen alueen sisälle.

Mitä nopean akselin kollimaattori muuttaa

Nopean akselin kollimaattori (FAC) on sylinterilinsa, joka sijoitetaan muutaman kymmenen mikrometrin päähän pinnasta. Se puristaa nopean akselin ja jättää hitaan akselin koskemattomaksi. Omissa osissamme vaikutus on dokumentoitu datasheeteissä:

1 km matkalla jalanjälki pienenee 440 m x 160 m:stä 105 m x 160 m:iin - suunnilleen neliömäiseksi ja 4,2 kertaa pinta-alaa pienemmäksi. Koska palautuva signaali laajalle kohteelle on verrannollinen siihen osaan lähetetystä tehosta, joka osuu vastaanottimen näkökenttään, säteen keskittyminen 4,2-kertaiseksi pinta-alassa palauttaa jopa 4,2-kertaisen tehon, mikä vastaa noin kaksinkertaista kantamaa samalla diodilla.

Se on suuri vahvistus yhdelle linssille, ja siksi jokainen vakavasti otettava pitkän kantaman 905 nm suunnittelu on kollimoitu suunnittelu.

Voitolla on yläraja. Kun valaistu jalanjälki on pienempi kuin vastaanottimen näkökentän jalanjälki, lisäkeskittyminen ei auta: vastaanotin näkee jo kaiken takaisin tulevan valon. Käytännöllinen kysymys ei ole "kuinka tiukaksi voin tehdä säteen", vaan "onko lähettimen jalanjälki pienempi kuin vastaanottimen jalanjälki".

Kun leveämpi säde on oikea ratkaisu

• Tähtäysvirhe. Käsikäyttöinen etäisyysmittari 6° leviämällä kattaa 105 m 1 km matkalla, mikä on anteeksiantavaa. Siirtyminen 1°:iin sijoittaisi kohteen 17 m päähän - ja vaatisi käyttäjältä tähtäämistä murto-osan asteen tarkkuudella.
• Yhteistyökyvyttömät kohteet. Kapea säde voi kulkea oksien välistä ja ohittaa kohteen kokonaan; leveämpi säde lisää todennäköisyyttä, että jokin näkökentässä palauttaa signaalin.
• Pilkkuisuus ja vilkkuminen. Koherentti valo karhealla pinnalla tuottaa pilkkuja; leveämpi säde keskiarvoistaa useamman itsenäisen kohteen alueen yli, mikä vakauttaa paluuta. Tämän ongelman peilikuva, jossa pilkkuisuus on tukahdutettava eikä keskiarvoitava, käsitellään näkyvässä ja RGB-laservalaistuksessa.
• Silmäturvallisuus, väärään suuntaan. Kollimointi saa lähteen näyttämään pienemmältä etäisyydeltä. Näennäinen lähteen koko on yksi parametreista, joka määrittää sallitun altistuksen, ja pieni, kollimoitu lähde on näistä kahdesta alemmassa rajassa. Tämä on käsitelty etäisyyden mittauksen lasersuojaluokissa: lähettimen kollimointi tekee valmiin tuotteen sertifioinnista vaikeampaa, ei helpompaa.

Kuidun liittäminen: sama ongelma, päinvastoin

Laserin kytkeminen kuituun on harjoitus kahden luvun yhteen sovittamisesta: kuinka paljon säde voi mahtua kuituun (sen ytimen halkaisija kertaa sen numeerinen aukko) ja kuinka paljon diodi tuottaa.

905 nm reunasäteilylähettimen hidas akseli, otettuna 110 µm raidan leveydeltä 9° kokonaiskulmassa, omaa jo säteen parametrien tulon noin 4 mm·mrad. Se on kaksikymmentä kertaa enemmän kuin mitä yksimuotoinen kuitu voi vastaanottaa, joten 180 W lähettimen kytkeminen yksimuotoiseen kuituun ei ole parempien optiikoiden kysymys – se on mahdotonta ilman noin 95 % tehosta hylättynä. Juuri siksi yksimuotoiset 905 nm moduulimme on luokiteltu 80 mW:ksi, ei 180 W:ksi, ja siksi korkean tehon yksimuotoiset lähteet ovat DFBs- tai kapearaidallisia laitteita sen sijaan, että ne olisivat laaja-alaisia lähettimiä.

Monimoodikuitu on erilaista. 105 µm, 0,22 NA -kuidulla on säteen parametrituote noin 11 mm·mrad, mukavasti enemmän kuin emitin 4 mm·mrad - yhdellä ehdolla. Numeraalinen apertuuri muunnetaan kokonaiskulmaksi seuraavasti

Paljas nopea akseli hajaantuu 25° FWHM, mikä ylittää kuidun hyväksymiskulman kummassakin konventiossa. FAC ei ole optimointi kuidun kytkentää varten - se on edellytys. Painamalla nopea akseli 6–8° sisälle, se pääsee kuidun hyväksymiskulman sisään, jolloin 905 nm palkki voidaan kytkeä 105 µm tai 400 µm monimuotoiseen kuituun ja toimittaa kauko-päähän.

Valinta kolmen arkkitehtuurin välillä

Vapaa tila, kollimoitu. FAC plus vastaanottolinssi. Paras pitkän matkan, käsikäyttöisiin laitteisiin ja kaikkeen, missä koko- ja kustannusrajoitukset ovat tiukat. Koko 905 nm perhe on saatavilla kollimoituna versiona.

Kuidun välittämä, monimuotoinen. FAC ensin, sitten 105-400 µm kuitu. Käytä sitä, kun optoelektroniikka ei voi olla optiikan vieressä: pyörivä pää, suljettu kotelo, usean kanavan laite, jota syötetään yhdestä laatikosta. Maksat liitäntähäviöstä ja saat mekaanista vapautta.

Kuituliitetty, yksimuotoinen. Vain matalatehoisille - kymmeniä milliwatteja noin 150 mW asti katalogissamme - mutta saat diffraktiolta rajoitetun säteen, joka on tarpeen interferometrissä, kuituanturissa ja yksimuotoisessa säteiden yhdistämisessä.

Käytännön huomioita poikkeaman mittaamisesta

Poikkeamispesifikaatiot on merkitty FWHM (kokonaisleveys puolikorkeudella) 905 nm:n tietolehdissä, ja 1/e² VCSEL-tietolehdissä. Numeraalinen apertuuri ja säteen parametrituote ovat yleensä 1/e²-määriä. Lukuja ei voi vaihtaa keskenään, ja nopea akseli, joka on määritelty 25° FWHM, on huomattavasti leveämpi kuin 25° 1/e²-määrityksessä. Kun tarkistat, mahtuuko säde kuidun hyväksymiskulmaan, mittaa se tai käytä samaa konventiota molemmilla vertailun puolilla.