Thorlabs技术文章之空间滤波器的原理

▍空间滤波器的原理

诸如全息术等许多应用都要求使用强度均匀的光束。我们的KT311(/M)空间滤波器非常适用于产生干净的高斯光束。

输入的高斯光束有空间变化的强度"噪声"。当通过非球面透镜聚焦光束时，入射光束转变为一个中心高斯光斑(在光轴方向上)和边缘条纹结构，这说明有我们不希望看到的"噪声"存在(见下图2)。条纹的径向位置和"噪声"的空间频率成比例。

通过在高斯光斑中心加一个针孔，"噪声"条纹会被挡掉，而只有光束的"干净"部分能透过(见下图3)。

图 3

99%的轮廓处的衍射极限光斑尺寸由下式给出：

其中，λ 表示波长，f表示焦距，r表示入射光束1/e(2) 处的半径。

▍为您的空间滤波器系统选择合适的光学元件和针孔

对于您的应用，合适的光学器元件和针孔选择取决于入射波长、光源直径和预期得到的输出光斑直径。

例如，假设您使用一个650 nm的二极管激光器光源，其直径为1.2 mm(1/e(2))，通过空间滤波系统以后，您希望得到直径约为4.4 mm的光斑。基于这些参数，C560TME-B安装好的非球面透镜是空间滤波系统入射部分的合适选择，因为它专为650 nm波长设计，通光孔径为5.1 mm，足够容纳该激光光源的整个直径范围。

99%的轮廓处的衍射极限光斑尺寸计算公式已经在上面给出，针对这个例子，对于C560TM-B， λ = (650 x 10(-9 )m)，f = 13.86 mm ，r = 0.6 mm，代入上式，我们得到

应该选择比D约大30%的针孔。如果针孔太小，光束就会被挡掉一部分；如果针孔太大，除了TEM(00) 模以外的其他部分就会透过针孔。因此，对于这种情况，针孔的尺寸最理想的是19.5微米。因此，我们推荐使用安装好的针孔P20K，它的针孔尺寸为20 μm。 改变参数，如输入光斑的直径和聚焦透镜的焦距，可以改变光束束腰直径，从而改变需要的针孔尺寸。减小入射光束直径会增加束腰直径。使用更长焦距的聚焦透镜也会增加光束束腰直径。

最后，我们需要选择空间滤波器输出端的光学元件，以确保输出光束的直径是我们希望得到的4.4 mm。为了确定合适的透镜焦距，考虑到图 4的图表，没有按照比例绘制。从左边的三角形我们可以推断出，角度大约为2.48(o)。在右边的三角形中使用该角度，可以计算出平凸透镜的焦距，大约为50 mm。

对于这个焦距，我们推荐LA1131-B平凸透镜[其设计波长[(λ = 633 nm)处的焦距f = 50 mm ，这是f在光源波长处的近似值(λ = 650 nm)]。

注意: 扩束比等于输出部分的焦距除以入射部分的焦距。

为了优化性能，如果输出端焦距是20 mm，那么大直径非球面透镜可用于平凸透镜的位置(参照AL2520-A，AL2520-B， AL2520-C)。这些透镜直径25 mm，可用附带的SM1RR卡环固定。