本發(fā)明涉及空間光場(chǎng)調(diào)控領(lǐng)域，具體涉及一種利用三角反射器耦合輸入和輸出激光束的空間光調(diào)制器耦合裝置。

背景技術(shù)：

1960年激光器的發(fā)明極大地促進(jìn)了自然科學(xué)研究的發(fā)展，涌現(xiàn)了大量以激光為基礎(chǔ)的科學(xué)研究，如激光生命科學(xué)、光信息處理、光學(xué)微納加工等。但是，大多數(shù)激光器只能輸出基模高斯光束，這種單一模式難以滿(mǎn)足現(xiàn)代科學(xué)的研究和應(yīng)用，因此需要對(duì)基模高斯光束的振幅、相位和偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)控?？臻g光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)可以將基模高斯光束轉(zhuǎn)換為任意新穎的空間結(jié)構(gòu)光場(chǎng)，目前已被廣泛應(yīng)用于光信息存儲(chǔ)、光學(xué)微納加工、光通信、光學(xué)顯微和光學(xué)微操縱等領(lǐng)域。

空間光場(chǎng)調(diào)控的核心器件是空間光調(diào)制器。通過(guò)計(jì)算機(jī)編程可以控制空間光調(diào)制器對(duì)入射光的振幅和相位進(jìn)行調(diào)制，從而產(chǎn)生任意模式的光場(chǎng)輸出，具有極高的靈活性。其工作原理是根據(jù)特定的物理效應(yīng)(例如聲光效應(yīng)、磁光效應(yīng)、電光效應(yīng)等)，通過(guò)光學(xué)或電學(xué)尋址控制空間光調(diào)制器上每個(gè)調(diào)制單元的物理特性，使入射光場(chǎng)的相位和振幅經(jīng)調(diào)制單元后發(fā)生改變，最終得到預(yù)期的光場(chǎng)分布。常見(jiàn)的空間光調(diào)制器主要有數(shù)字微鏡器件(digitalmicromirrordevice,dmd)、變形鏡(deformablemirror,dm)和液晶空間光調(diào)制器(spatiallightmodulator,slm)。dmd是強(qiáng)度型調(diào)制器件，具有刷新速度快、光能量利用率高和損傷閾值高的優(yōu)點(diǎn)，但不能對(duì)入射光場(chǎng)的相位進(jìn)行調(diào)制。dm是相位調(diào)制器件，但是其像元數(shù)目比較少(幾十到幾百個(gè))，而且單個(gè)像元尺寸較大，空間分辨率比較低。液晶空間光調(diào)制器則采用lcos芯片來(lái)調(diào)制激光波前，可以進(jìn)行相位和振幅的調(diào)制，此外液晶面板具有比dmd和dm更高的空間分辨率和更大的相位調(diào)制深度，是目前空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)中使用最廣泛的調(diào)制器，其中又以具有高光能利用率的反射型液晶空間光場(chǎng)調(diào)制最為常用。

液晶分子是一種單軸晶體，具有雙折射特性。這種光學(xué)各向異性的特點(diǎn)使得液晶對(duì)光場(chǎng)的相位調(diào)制深度不僅與液晶分子的光軸取向相關(guān)，還與入射光的偏振態(tài)有關(guān)。因此，液晶空間光調(diào)制器是一種偏振選擇器件，需要入射光是線偏振的平面波。反射式液晶空間光調(diào)制器在光學(xué)系統(tǒng)中的使用方式有正入射和小角度入射兩種，分別如圖1和圖2所示。對(duì)于正入射方式，若使用偏振分光棱鏡對(duì)入射光和出射光進(jìn)行分離，則只能實(shí)現(xiàn)振幅調(diào)制而無(wú)法實(shí)現(xiàn)相位調(diào)制，所以在正入射方式中若要實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)的相位調(diào)制，需要采用非偏振分光棱鏡(如圖1中的npbs)。然而，由于激光束兩次經(jīng)過(guò)非偏振分光棱鏡，系統(tǒng)的光能量利用率要低于25％。在很多應(yīng)用中，這樣低的光能量利用率是研究人員所不希望的。因此，基于反射型液晶空間光調(diào)制器的空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)通常采用小角度入射的方式，而且為了保證光場(chǎng)調(diào)控的準(zhǔn)確度，入射光角度需要比較小。不同的商用空間光調(diào)制器要求不一樣，例如德國(guó)holoeye公司要求是不大于6°，而日本hamamatsu公司要求是不大于10°。在這樣小的一個(gè)角度內(nèi)要使得入射光和出射光完全分開(kāi)，同時(shí)考慮到用于準(zhǔn)直和分離兩束光束的光學(xué)元件的尺寸，激光束需要傳播較長(zhǎng)的一段距離，如圖2中的dmin。這樣就很容易導(dǎo)致系統(tǒng)光路松散、雜亂，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的體積和重量大大增加。離散的光路系統(tǒng)一方面不利于系統(tǒng)的儀器化，另一方面，由于物體的共振頻率與其質(zhì)量負(fù)相關(guān)，質(zhì)量越大共振頻率越低，而一般的商用光學(xué)隔振平臺(tái)只能抑制幾十赫茲以上的共振頻率。空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)是非常精密的光學(xué)系統(tǒng)，過(guò)大的質(zhì)量會(huì)使得整個(gè)系統(tǒng)的共振頻率只有幾赫茲，從而難以被光學(xué)隔振平臺(tái)抑制，造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決目前在反射式空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)中普遍存在的元器件離散、系統(tǒng)不穩(wěn)定的問(wèn)題，本發(fā)明提出了一種基于三角反射器實(shí)現(xiàn)激光束小角度入射的空間光調(diào)制器耦合裝置，實(shí)現(xiàn)了空間光場(chǎng)調(diào)控裝置模塊化和緊湊化，可使整個(gè)空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)裝置非常緊湊，而且易于與其它系統(tǒng)結(jié)合。

本發(fā)明的技術(shù)方案是：

一種基于三角反射器的空間光調(diào)制器耦合裝置，包括密封盒、設(shè)置在密封盒內(nèi)的等腰三角反射器和空間光調(diào)制器；密封盒兩側(cè)設(shè)置有入射光和出射光通過(guò)的通光孔，所述通光孔同心設(shè)置；等腰三角反射器的兩腰面設(shè)置在空間光調(diào)制器的入射光路和出射光路上，用于耦合入射光和出射光，所述等腰三角反射器的兩個(gè)等腰面表面鍍有高反射膜；等腰三角反射器與空間光調(diào)制器的位置關(guān)系滿(mǎn)足：d2≥d1，

其中：d1是入射光和出射光的交匯點(diǎn)到空間光調(diào)制器的垂直距離；

d2是等腰三角反射器的頂點(diǎn)到空間光調(diào)制器的垂直距離；

激光束入射到空間光調(diào)制器上的角度β與等腰三角反射器的頂角α滿(mǎn)足關(guān)系式β＝α-90°。

進(jìn)一步地，等腰三角反射器放置于入射光和出射光的交匯點(diǎn)，即d2＝d1。將等腰三角反射器放置于入射光和出射光剛好分開(kāi)的地方，極大限度地減小激光束的傳播距離，壓縮裝置所占的空間。

進(jìn)一步地，等腰三角反射器的兩個(gè)等腰面為鍍銀反射面。

進(jìn)一步地，密封盒上還設(shè)置有螺紋孔，所述螺紋孔以通光孔的光軸為中心沿圓周方向均布，螺紋孔的設(shè)置可以方便地與其他光學(xué)元器件對(duì)接。

進(jìn)一步地，等腰三角反射器的頂角α為96°～100°。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為：

1.本發(fā)明利用等腰三角反射器可以引導(dǎo)并在最小的距離內(nèi)分離入射光和出射光，在高效率耦合輸入和輸出激光束的前提下，大大壓縮了空間光場(chǎng)調(diào)控光路的占用空間，使得整個(gè)空間光場(chǎng)調(diào)控裝置小型化和緊湊化，大大降低整機(jī)的體積重量，非常有利于系統(tǒng)的模塊化和儀器化。

2.基于等腰三角反射器耦合光束的反射式空間光場(chǎng)調(diào)控模塊具有高光能利用率和寬波段適用性，適用對(duì)于可見(jiàn)光波段到中紅外波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光源，極大地?cái)U(kuò)展了空間光場(chǎng)調(diào)控模塊的適用范圍。

3.本發(fā)明入射光和出射光平行，非常有利于系統(tǒng)光路的調(diào)節(jié)和繼續(xù)拓展功能。

4.本發(fā)明可以廣泛應(yīng)用于所有使用反射式空間光調(diào)制器的空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)中，例如光鑷系統(tǒng)、結(jié)構(gòu)照明顯微系統(tǒng)、光信息處理與存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

5.本發(fā)明中密封盒可以遮擋激光束被slm調(diào)制后產(chǎn)生的各個(gè)級(jí)次的衍射光。另外，密封的密封盒有助于隔絕灰塵，避免slm因吸附過(guò)多的灰塵而導(dǎo)致?lián)p傷閾值的降低，從而有效地保護(hù)slm。

6.本發(fā)明可以設(shè)置不同的等腰三角反射器的頂角α，滿(mǎn)足了激光束小角度入射要求，保證了光場(chǎng)調(diào)控的準(zhǔn)確度。

附圖說(shuō)明

圖1為空間光調(diào)制器slm在光學(xué)系統(tǒng)中正入射方式的示意圖；

圖2為空間光調(diào)制器slm在光學(xué)系統(tǒng)中小角度入射方式的示意圖；

圖3為本發(fā)明原理示意圖：

圖4是將多個(gè)空間光調(diào)制器串聯(lián)使用的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

附圖標(biāo)記：1-空間光調(diào)制器，2-等腰三角反射器，3-密封盒，21-鍍銀反射面，22-鍍銀反射面，31-入光孔，32-出光孔。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步的詳細(xì)描述：

如圖3所示，基于三角反射器的空間光調(diào)制器耦合裝置包括密封盒3、設(shè)置在密封盒3內(nèi)的等腰三角反射器2和空間光調(diào)制器1；等腰三角反射器2的兩個(gè)等腰面表面鍍有高反射膜，密封盒3靠近等腰三角反射器2等腰面的兩側(cè)分別設(shè)置有通光孔作為整個(gè)空間光場(chǎng)的輸入端和輸出端，即密封盒3的入光孔31和出光孔32，入光孔31和出光孔32同心設(shè)置；等腰三角反射器2和空間光調(diào)制器1調(diào)整好位置和距離固定在密封盒3內(nèi)，具體的位置設(shè)置為等腰三角反射器2的兩腰面設(shè)置在空間光調(diào)制器1的入射光路和出射光路上，用于耦合入射光和出射光；等腰三角反射器2與空間光調(diào)制器1的位置關(guān)系滿(mǎn)足：d2≥d1，

其中：d1是入射光和出射光的交匯點(diǎn)到空間光調(diào)制器1的垂直距離(即d1是入射光和出射光剛好分開(kāi)時(shí)兩光束分離點(diǎn)到slm的垂直距離)，

d2是等腰三角反射器2的頂點(diǎn)到空間光調(diào)制器1的垂直距離；

激光束入射到空間光調(diào)制器1上的角度β與等腰三角反射器2的頂角α滿(mǎn)足關(guān)系式β＝α-90°。密封盒3上設(shè)置有螺紋孔，螺紋孔以通光孔的光軸為中心沿圓周方向均布，螺紋孔的設(shè)置可以方便地與其他光學(xué)元器件對(duì)接。

等腰三角反射器2的兩個(gè)等腰面均為鍍銀反射面，入射光經(jīng)鍍銀反射面21反射后照射到空間光調(diào)制器1(slm)上被調(diào)制，然后照射到鍍銀反射面22并被反射出來(lái)，由幾何關(guān)系知，如果入射光垂直于等腰三角反射器2和空間光調(diào)制器1的中心線nn’入射，經(jīng)鍍銀反射面22反射后激光束會(huì)以一定的小角度入射到空間光調(diào)制器1的液晶面板上，被調(diào)制后的激光束以同樣的小角度出射，最終被鍍銀反射面22反射出來(lái)，最終得到的出射光與入射光平行。激光束入射到空間光調(diào)制器1上的角度β取決于等腰三角反射器2的頂角α，兩者滿(mǎn)足關(guān)系式β＝α-90°。要滿(mǎn)足激光束6°～10°的小角度入射，α的取值范圍為96°～100°。將等腰三角反射器2的頂點(diǎn)盡量放置于入射光和出射光剛好分開(kāi)的地方(如圖3中的o點(diǎn)，即d2＝d1)，可以極大限度地減小激光束的傳播距離，壓縮系統(tǒng)所占空間。

可以將等腰三角反射器2的頂角設(shè)計(jì)為α＝96°，那么入射光照射到空間光調(diào)制器slm的入射角是6°。如果入射光光斑直徑d為18mm，那么入射光和出射光完全分離的最小距離是d1＝d/sin(2β)·cos(β)＝18/sin(12°)·cos(6°)≈86.1mm?？紤]到等腰三角反射器2頂角的加工精度問(wèn)題，可將等腰三角反射器2到slm液晶面板的實(shí)際距離d2定為96mm。入射光和出射光平行，非常有利于系統(tǒng)光路的調(diào)節(jié)和繼續(xù)拓展功能。

本發(fā)明將等腰三角反射器2和空間光調(diào)制器slm安裝在密封盒3里，可以組成一個(gè)模塊化的空間光場(chǎng)調(diào)控緊湊裝置，有效減小空間光場(chǎng)調(diào)控裝置的質(zhì)量，系統(tǒng)質(zhì)量的減小有助于消除或者抑制系統(tǒng)的共振頻率，而模塊化裝置則有利于系統(tǒng)的儀器化和商品化，通過(guò)這樣的設(shè)計(jì)可以使得整個(gè)空間光場(chǎng)調(diào)控模塊具有非常好的兼容性和擴(kuò)展性，可以輕易地與其他光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合，減小空間光場(chǎng)調(diào)控系統(tǒng)質(zhì)量將有助于將其共振頻率控制在光學(xué)平臺(tái)的隔振頻率內(nèi)；緊湊化的設(shè)計(jì)也利于空間光場(chǎng)調(diào)控技術(shù)在特殊領(lǐng)域的發(fā)展，例如對(duì)系統(tǒng)質(zhì)量和穩(wěn)定性都有極高要求的太空實(shí)驗(yàn)等。

如圖4所示，當(dāng)光場(chǎng)的振幅、相位和偏振態(tài)同時(shí)調(diào)制需要串聯(lián)多個(gè)空間光調(diào)制器1時(shí)，利用本發(fā)明可以簡(jiǎn)單快速地將多個(gè)空間光調(diào)制器1串聯(lián)在一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)，避免了多個(gè)空間光調(diào)制器1串聯(lián)所導(dǎo)致的系統(tǒng)冗余與散亂。

如圖5所示，將德國(guó)holoeye公司的pluto系列的空間光調(diào)制器1和96°等腰三角反射器2(底面：55.5mm×25mm，高：25mm)安裝在一個(gè)很小的密封盒3內(nèi)(143mm×76mm×48mm)，兩個(gè)通光孔規(guī)格為1.035英寸-40的sm1螺紋，以通光孔為中心設(shè)置有四個(gè)8×4-40unc螺紋孔，螺紋孔可以方便地與其他光學(xué)元器件對(duì)接，如與30mm籠式系統(tǒng)配合使用。密封盒3可以將整個(gè)裝置密封起來(lái)以隔絕灰塵和衍射光斑等。