Alléger le matériau : Tronquer les lentilles pour rétrécir les systèmes

Lorsque la plupart des gens pensent à une lentille, leur esprit se tourne immédiatement vers les lentilles rondes à symétrie circulaire traditionnelles. Il y a une bonne raison pour cette idée préconçue ; pendant la plus grande partie de l'histoire, la fabrication des lentilles a dépendu de cette symétrie pour façonner et polir avec précision les lentilles sphériques et asphériques. Cette symétrie radiale peut servir d'outil précieux dans la conception optomécanique, permettant un centrage et un alignement faciles des systèmes optiques complexes. Des exemples de ce processus d'alignement passif sont mieux illustrés en examinant la disposition des lentilles à l'intérieur du tube d'un objectif de microscope ou d'un objectif de caméra haut de gamme. Dans ces deux exemples, les lentilles et les anneaux espaceurs se centrent automatiquement à l'intérieur du tube, ce qui réduit considérablement le temps et le coût de fabrication tout en assurant une excellente stabilité mécanique (Figure 1).

Figure 1 : Les lentilles rondes à symétrie circulaire traditionnelles sont auto-centrées par des espaceurs circulaires et des anneaux de retenue dans les assemblages optiques conventionnels, ce qui simplifie l'assemblage et l'alignement.

Malheureusement, comme les tendances technologiques continuent de pousser vers des appareils plus petits et plus compacts, il n'y a pas toujours de place à l'intérieur du boîtier pour les matériaux en excès comme les supports mécaniques ou le verre inutilisé. Pour cette raison, de nombreux boîtiers électro-optiques modernes sont désormais conçus pour utiliser des composants optiques tronqués ou carrés qui peuvent être montés à plat sur une plate-forme sans avoir besoin de montures circulaires ou en V (Figure 2). Une grande variété de technologies photoniques utilisent ces composants, en particulier dans la technologie des télécommunications comme les multiplexeurs et les amplificateurs. Par souci de brièveté, cependant, nous nous concentrerons sur deux exemples : les spectromètres miniatures et les lasers à diode à couplage de fibre.

Figure 2: Les composants optiques carrés ou tronqués deviennent de plus en plus indispensables pour une variété d'applications électro-optiques limitées dans l'espace.

Miroirs tronqués dans les spectromètres miniatures

La conception optique la plus commune utilisée dans les spectromètres miniatures d'aujourd'hui est connue sous le nom de configuration Czerny-Turner. Dans cette configuration, la lumière provenant de la fente d'entrée est collimatée par un petit miroir concave, puis dirigée sur le réseau de diffraction (Figure 3). Lorsque la lumière est incidente sur le réseau de diffraction, les différentes longueurs d'onde seront alors dispersées le long de l'axe parallèle à la plate-forme, mais elles resteront collimatées. Pour cette raison, un miroir de focalisation de diamètre relativement grand est nécessaire pour focaliser les diverses images de fente sur le réseau de détecteurs linéaires du spectromètre, mais ce n'est le cas que dans un seul axe. Par conséquent, il est courant de tronquer un miroir circulaire plus grand en coupant le haut et le bas de façon à ce qu'il puisse être monté au niveau de la plate-forme, ce qui réduit considérablement la hauteur de l'ensemble du système.

Figure 3: Schéma d'un spectromètre Czerny-Turner utilisant deux miroirs de focalisation tronqués.

Dans certains modèles plus récents de spectromètres miniatures et de microspectromètres, cette tendance va encore plus loin en incorporant ces miroirs tronqués avec des modulateurs spatiaux de lumière basés sur un système microélectromécanique (MEMS) au lieu d'un réseau de diffraction. La technologie MEMS permet de réduire encore la taille de l'optique et de remplacer le réseau de détecteurs par une photodiode à un seul élément, réduisant dans certains cas l'encombrement global du spectromètre jusqu'à la taille d’une gomme. Pour que les spectromètres atteignent ce niveau de compacité, le miroir de collimation et le miroir de focalisation doivent être tronqués pour fournir un bord plat permettant le montage en surface des deux optiques. Dans ce cas, des systèmes de micropositionnement de type « pick and place » sont utilisés pour aligner les deux miroirs avant d'être époxyés en place. Nous discuterons plus en détail du micropositionnement dans le paragraphe suivant.

Lentilles carrées dans les lasers à diode à couplage de fibre

Bien qu'il existe des dizaines de boîtiers laser différents couramment utilisés pour les diodes laser, le papillon à 14 broches est devenu, pour la plupart, la norme de l'industrie pour les diodes laser haute performance couplées à fibre. Ce boîtier permet d’utiliser une plate-forme commune montée sur un refroidisseur thermoélectrique intégré (TEC), offrant une excellente stabilité thermomécanique. Ces plate-formes, dont les dimensions sont généralement inférieures à 8 mm x 15 mm, sont fabriquées à partir d’un matériau tel que le tungstène-cuivre, qui correspond au coefficient de dilatation thermique (CTE) du verre. Cette correspondance en termes de CTE permet de faire fonctionner la diode laser sur une large plage de température sans endommager ou désaligner les éléments optiques à l'intérieur du boîtier. Cependant, l'utilisation de micro-optiques rondes traditionnelles, de rainures en V en silicone ou d'anneaux de montage métalliques entraîne des instabilités dues à la discordance CTE, réduit l'espace déjà limité à l'intérieur du boîtier et offre des capacités d'alignement relativement faibles. La tendance actuelle dans le boîtier des diodes laser est d'utiliser des micro-lentilles carrées ou rectangulaires qui peuvent être collées directement sur la plate-forme ou supportées dans l'espace par une pièce de verre secondaire par une procédure de montage sans entrefer. Ces lentilles offrent une fiabilité de loin supérieure, consomment un volume de boîtier minimal et permettent un alignement de précision submicronique.

Figure 4: Diode laser papillon à 14 broches à optique non circulaire

En utilisant ces composants optiques carrés, qui sont généralement de l'ordre de 1 à 3 mm, un opérateur formé peut utiliser une platine de micropositionnement pour aligner activement l'optique sur la plate-forme. Ces platines comprennent un préhenseur à vide qui, lorsqu'il est affleurant contre le dessus ou le côté de l'optique carrée, permet à l'optique d'être alignée dans un espace libre avec généralement cinq degrés de liberté. Entre-temps, la sortie du laser est surveillée en temps réel. Si un opérateur essayait d'effectuer la même tâche avec une optique ronde au lieu d'une optique carrée, cela nécessiterait que la lentille soit montée dans un porte-lentille carré ou rectangulaire, ce qui augmenterait considérablement son volume total et réduirait le nombre maximal d'éléments optiques pouvant être montés dans le boîtier.

Dans un boîtier papillon à 14 broches couplé à fibre typique, jusqu'à trois lentilles individuelles peuvent être nécessaires pour assurer un couplage efficace et stable. La plupart des diodes laser haut de gamme utilisent deux micro-lentilles carrées acylindriques croisées pour compenser les différences entre les angles de divergence des axes rapide et lent de la diode laser. La première lentille, dite lentille de collimation d’axe rapide (fast axis collimating - FAC), doit avoir une ouverture numérique importante avec une longueur focale typique d'environ 500 µm en raison de l'angle de divergence, qui est généralement de 25 degrés environ en raison de la petite taille de l'ouverture émettrice. Selon l'utilisation d'une diode monomode ou multimode, l'axe lent aura un angle de divergence de 3 à 5 fois inférieur à son axe rapide. Par conséquent, pour circulariser le faisceau, la lentille de collimation d’axe lent (SAC) doit avoir une distance focale beaucoup plus longue que la lentille FAC. En fonction de la taille du sous-support de la diode, ces éléments peuvent facilement occuper jusqu'à un tiers de l'espace disponible sur la plate-forme, ce qui illustre l'importance d'utiliser des micro-optiques carrées plutôt que des optiques rondes. Une fois le faisceau collimaté, une troisième lentille carrée - généralement une asphère - est nécessaire pour coupler la lumière dans la fibre optique. Tout comme le profil du faisceau et l'angle de divergence sont surveillés pendant l'étape de collimation, le processus de couplage des fibres est activement surveillé pour assurer une puissance de sortie maximale. Pour certains lasers monomodes couplés par fibre optique, le rapport d'extinction de polarisation peut également être observé.

Figure 5: On utilise souvent deux lentilles cylindriques pour circulariser la sortie des diodes laser. Les filtres et autres composants optiques peuvent être insérés dans le trajet du faisceau collimaté entre la lentille SAC et la lentille de couplage.

Adaptation individuelle de l'optique non circulaire

Ce ne sont là que deux exemples de la façon dont l'optique non circulaire est utilisée dans les appareils électro-optiques modernes. À mesure que la tendance aux boîtiers d'appareils de plus en plus petits se poursuivra, les lentilles et miroirs carrés et tronqués ne feront que gagner en popularité. Il est essentiel de comprendre que même s'il existe des versions standard de ces éléments optiques, une certaine personnalisation sera nécessaire la grande majorité des fois. Bien qu’Edmund Optics® (EO) ne fabrique pas d'optiques non circulaires aussi petites que 1-3 mm, EO propose une large gamme de lentilles cylindriques standard avec un profil carré et tronque les composants optiques comme un service de modification. Ces services sont idéaux pour les applications sensibles à la taille ou au poids. Contactez-nous pour discuter de nos capacités, y compris la troncature et l'optique cylindrique, et des dimensions sur mesure en série.