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红外光谱范围内的激光光学元件
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关键词:激光光学元件
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1 范围
本部分规定了近红外到中红外波段,波长从2.1m至15m光谱范围内的激光光学元件的要求。
本部分适用于激光器和激光相关设备使用的标准光学元件,包括平面、平面球面和球面基片不包括镀膜后的光学元件,透镜和按规定设计由供应商提供的其它标准光学元件。
本部分包括元件的类型,使用的材料,物理尺寸和制造公差。
注:用于紫外、可见和近红外光谱波段(170nm~2100nm)的光学元件参考GB/T XXXX-1。光学镀膜的规定和测试参考GB/T 26332(所有部分)。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件,仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件,其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 1185-2006  光学零件表面疵病 (ISO 10110-7:1996,NEQ)
GB/T 2831-2009  光学零件的面形偏差 (ISO 10110-5:2007,NEQ)
GB/T 7242-2010  透镜中心偏差
GB/T 7661-2009  光学零件气泡度 (ISO 10110-3:1996,NEQ)
GB/T 13323-2009  光学制图 (ISO 10110-1:2006,NEQ)
GB/T 26332.1-2010  光学和光学仪器 光学薄膜 第1部分:定义 (ISO 9211-1:1994,IDT)
GB/T 26332.2-2015  光学和光子学 光学薄膜 第2部分:光学特性 (ISO 9211-2:2010,IDT)
ISO 10110-2 光学和光学仪器 光学元件及系统图纸绘制 第2部分:材料缺陷-应力双折射
ISO 10110-4 光学和光学仪器 光学元件及系统图纸绘制 第4部分:材料缺陷-非均匀性与条纹
3 光学元件代号
表1给出了本部分适用的光学元件代号。
表1 光学元件代号
光学元件类型 代号
光学平晶Optical flats IOF
圆形平面窗口 Circular windows — flat IWC
椭圆形平面窗口 Elliptical windows — flat IWE
矩形平面窗口 Rectangular windows — flat IWR
平面输出耦合镜 Output couplers — flat IOC
平面反射镜 Mirrors — flat IMF
凸面反射镜 Mirrors — convex IMX
凹面反射镜 Mirrors — concave IMV
平凸透镜Plano-convex lenses IPX
平凹透镜Plano-concave lenses IPV
对称双凸透镜Symmetric biconvex lenses IBX
对称双凹透镜Symmetric biconcave lenses IBV
4 光学材料
红外波长范围从2.1m至15m内的元件其材料有很多如:
-硒化锌,ZnSe
-氯化钾,KCL
-锗,Ge
-氟化钙,CaF2
-硅,Si
-铜,Cu和
-宝石,Al2O3。
制造商和设计者应指明使用的或需要的材料。按GB/T 13323-2009中的第4.3.8条的要求给出材料的规格。如使用双折射材料,应规定元件光轴相对与几何轴的方向。
5 质量要求
根据GB/T 13323、GB/T 7661、GB/T 2831、GB/T 7242、GB/T 1185、ISO 10110-2和ISO 10110-4材料和表面质量的定义,表2至表3中列出了材料和表面质量优先的规格和等级。除了全反射基底的材料公差不适用外,其他元件都采用相同的质量标准。
用于红外激光器的光学元件的质量要求通常比较高,所以本部分标准只规定一个质量等级。
应注意,对于激光损伤的表面麻点和凹坑的主要尺寸是/10~10, 为激光器的波长。
表2 透镜、窗口和分光镜的材料和表面制造公差
直径
mm 应力双折射0/… 气泡和杂质
1/… 非均匀性和条纹2/… 表面面形
3/… 中心偏差
4/… 表面缺陷5/…
5-15 15 30.063 0;2 -(0.4/0.4) 3 20.025
>15-30 15 40.063 0;2 -(0.6/0.6) 3 30.040
>30-51 15 40.100 0;2 -(1.0/1.0) 3 40.063
>51-102 15 50.100 0;2 -(1.0/1.0) 3 50.100
表3 全反射基片的材料和表面制造公差
直径
mm 应力双折射0/… 气泡和杂质
1/… 非均匀性和条纹2/… 表面面形
3/… 中心偏差
4/… 表面缺陷5/…
5-15 NA NA NA -(0.4/0.4) 5 20.025
>15-30 NA NA NA -(0.6/0.6) 5 30.040
>30-51 NA NA NA -(1.0/1.0) 5 40.063
>51-102 NA NA NA -(1.0/1.0) 5 50.100
注:   NA:不适用
6 尺寸公差
6.1 优先的尺寸
元件的尺寸宜采用公制单位。对英制单位,附录A中给出了英制单位的优先尺寸。
若设计时采用非优先尺寸,可参考表4。所有的元件应在边缘设置保护性倒角。
6.2 圆形光学元件的直径
包括圆形窗口、反射镜和透镜。表4中给出了优先的直径。
6.3 反射镜和输出耦合镜的曲率
大部分的激光反射镜和输出耦合镜都是平面,但有一些是平凸和平凹的。这些元件应规定使用的曲率半径。曲率半径的取值没有基本的限制,只是不能小于基片直径的一半。曲率半径的标准公差是2%。
6.4 矩形和椭圆形窗口
表4中给出了图1中术语规定的优先的尺寸和公差。次边长和圆形元件的直径尺寸在一起规定,主边长作为第二个尺寸来规定。对于椭圆形窗口,第二个尺寸是元件的使用角度。所有长度的尺寸公差是0.00/-0.20mm。
6.5 焦距
制造商应作为一个标识的要素规定有效焦距。有效焦距应用波长为10.6m来规定,单位为mm。标准公差为2%。
表5中列出了透镜有效焦距的优先值,表6中列出了全反射基片的曲率半径的优先值。只有平凸和平凹透镜的边缘厚度是标准的。对于其它透镜,可以规定不同的边缘厚度。
此外,制造商还应规定后焦距(从第二顶点到后焦点的距离)。
注1:焦距没有基本的限制,除非曲率半径不能小于透镜直径的一半。对于简单的平凹和平凸透镜,与焦距f相关的参量有折射率n和曲率半径r,空气中薄透镜的公式:
r=(n-1)f
式中:
r—曲率半径;
n—折射率;
f—焦距。
对于对称的双凹和双凸透镜,公式为:
r=2(n-1)f
式中:
r—曲率半径;
n—折射率;
f—焦距。
对于厚透镜,查询有关的书籍。
注2:为了90%的有效口径均匀的照射,应计算光束传播方向的有效焦距。
表5 透镜优先的有效焦距
优先的有效焦距a
mm
25 50 75 100 125 150 200 250 500
a  示例的焦距值
表6 全反射基片的优先曲率半径
曲率半径a
mm
250 500 750 1000 2000 2500 5000 10000 15000 20000 30000
a  示例的曲率半径值
6.6 厚度
由于基底材料的热机械属性的范围不同,本标准并未规定用于红外波段的透镜和反射镜的厚度。然而,作为一个标识要素应当规定边缘厚度(见条款8)。边缘厚度用mm测量。透镜和反射镜边缘厚度的标准公差是0.3mm。
7 测量区域
表2规定的表面质量的测量区域是光学元件的中心区域,直径(或边长,对于矩形和椭圆形元件来讲)的90%范围。
8 订单标识
标识法组成如下:
GB/T XXXX -2/(元件代号)(直径)/(第二尺寸)/(边缘厚度)
示例1:激光腔内直径25mm厚度10mm的平面圆形窗口的标识
GB/T XXXX -2/IWC25/10
这个标识的组成:
标识            含义
IWC**//**       红外透过平面圆形窗口元件代号
***25//**       规定直径为25mm,公差为0.00/-0.20mm
*****//10       规定厚度为10mm,公差为0.3mm
示例2:直径50mm,焦距500mm,边缘厚度4mm对称双凸透镜的标识
GB/T XXXX -2/IBX50/500/4
这个标识的组成:
标识            含义
IBX**/***/*     红外对称双凸透镜元件代号
***50/***/*     规定直径为50mm,公差为0.00/-0.20mm
*****/500/*     规定焦距为500mm,公差为2%
*****/***/4     规定边缘厚度为4mm,公差为0.3mm
示例3:主边长24mm,次边长15mm,厚度2mm平面椭圆形窗口的标识
GB/T XXXX -2/IWE15/57/2
这个标识的组成:
标识            含义
IWE**/**/*      红外透过椭圆形平面窗口元件代号
***15/**/*      规定次边长为15mm,公差为0.00/-0.20mm
*****/57/*     规定使用57入射角
*****/**/2      规定厚度为2mm,公差为0.3mm
示例4:尺寸是10mmx16mmx2mm平面矩形窗口的标识
GB/T XXXX -2/IWR10/16/2
这个标识的组成:
标识            含义
IWR**/**/*      红外透过平面矩形窗口元件代号
***10/**/*      规定次边长为10mm,公差为0.00/-0.20mm
*****/16/*      规定主边长为16mm,公差为0.00/-0.20mm
*****/**/2      规定厚度为2mm,公差为0.3mm
示例5:直径25mm,边缘厚度10mm,曲率半径50mm凹激光腔反射镜的标识
GB/T XXXX -2/IMV25/50/10
这个标识的组成:
标识            含义
IMV**/**/**     激光腔凹反射镜元件代号
***25/**/**     规定直径为25mm,公差为0.00/-0.20mm
**8**/50/**     规定曲率半径为50mm,公差为2%
*****/**/10     规定边缘厚度为10mm,公差0.3mm
9 镀膜
第8章标识中未提及关于透镜,窗口或反射镜的镀膜规定。除非要求非镀膜基片,否则应详细规定镀膜要求。根据GB/T 26332.1和GB/T 26332.2,最少应规定镀膜的类型(增透、部分反射、全反射)、波长、反射率、入射角度和吸收特性。
10 包装
一些红外材料有危险性,有毒和/或易潮湿,所有光学元件应小心包装并贴有如下信息的标签:
a)  元件标识;
b)  材料;
c)  镀膜详细资料(如适用);
d)  操作和存储说明;
e)  潜在的危险(如毒性/致癌性)。
如果膜层或元件有毒,有危险性或易吸潮,应在标签上清晰地标出。
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