光束整形器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公布了一種把高斯光整形成均勻光的光學(xué)元件，該元件中心軸兩端分別設(shè)一入射光端口和一與光電轉(zhuǎn)換芯片耦合的出射光端口，兩端口之間設(shè)有大發(fā)散角光束的反射通道。反射通道由幾面鏡子圍成，高斯光束通過通道時(shí)大散射角的光會(huì)被鏡子反射回光束中心附近。整個(gè)高斯光束整形器可以由一個(gè)透明的玻璃長(zhǎng)方體構(gòu)成，利用全反射效應(yīng)，不需鍍膜，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，出光口附近光均勻度好。
【專利說明】
光束整形器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及高斯光束整形器。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光光強(qiáng)在空間的分布一般不均勻，普遍都是中間高邊緣低，典型的空間分布為 高斯分布，光強(qiáng)離開中必越遠(yuǎn)越弱，趨勢(shì)是先緩慢降低，然后快速降低，然后又變成緩慢的 降低。送種非均勻分布給使用帶來(lái)很多問題，光纖供電、材料處理、全息、醫(yī)療等領(lǐng)域都有把 高斯光或類似高斯光轉(zhuǎn)換為均勻光的需求。
[0003] 光纖供電是在機(jī)房使用激光模塊將電轉(zhuǎn)化為激光，然后激光沿著光纖傳遞到遠(yuǎn) 端，然后再用光電轉(zhuǎn)化芯片把激光轉(zhuǎn)化為電，驅(qū)動(dòng)遠(yuǎn)端的電力裝置。光纖供電沒有電磁福 射，也不怕電磁干擾和雷電，是高壓互感器中使用的一項(xiàng)新技術(shù)，并開始進(jìn)入到其他領(lǐng)域。 然而光電芯片能處理的最大光密度是有限的，現(xiàn)在的水平大概超過IW/mm2芯片就會(huì)飽和。 為了輸出大的電功率，必須把高斯光放大使得中必光強(qiáng)低于飽和密度，送時(shí)芯片面積很大， 但是邊緣的芯片遠(yuǎn)沒有到飽和光強(qiáng)，很浪費(fèi)芯片材料。比如一束高斯光束腰半徑為1mm，中 必光強(qiáng)為IW/mm2,則總激光光強(qiáng)為1.56W。如果想要芯片收集到95 %的能量，則芯片半徑 必須大于1. 22mm，面積為4. 68mm2;如果想要接收到99%的能量，則半徑為1. 52mm，面積為 7. 26mm2。但是光束經(jīng)整形后，形成理想的均勻光，送樣一束光僅需要1. 56mm2的芯片就夠 了，可W節(jié)約66% -80%的芯片。由于光電芯片都非常昂貴，把激光整形成均勻光很有意 義。
[0004] 從60年代起，人們就開始研究光束整形，到現(xiàn)在已經(jīng)花費(fèi)了大量的精力也取得 了很大的成就。大分類有基于光折射的整形技術(shù)和基于衍射的整形技術(shù)，還有液晶技術(shù)。 光折射技術(shù)的有化ieden的非球面透鏡組光束整形、漸變折射率透鏡光束整形、微透陣 列整形等。送些整形器出來(lái)的光可W在較長(zhǎng)的距離里面保持均勻，但是所有的送些技術(shù) 都要求復(fù)雜而且精密的加工，成本極高，而且光損耗也比較大，如美國(guó)專利US008031414、 US007400457 等。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為克服W上缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的高斯光束整形器。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)W上發(fā)明目的，本發(fā)明提供；一種高斯光束整形器，包括一光學(xué)元件，該光 學(xué)元件中必軸兩端分別設(shè)一入射光端口和一與光電轉(zhuǎn)換芯片禪合的出射光端口，兩端口之 間設(shè)有大發(fā)散角光束的反射通道。
[0007] 所述光學(xué)元件由至少Η面W上反射鏡形成的柱體，所述大發(fā)散角光束反射通道由 該空必體內(nèi)壁錐介質(zhì)膜形成。
[0008] 所述反射鏡為四面。
[0009] 所述光學(xué)元件為實(shí)必玻璃棱柱，所述大發(fā)散角光束反射通道由該實(shí)必玻璃體外表 面形成。
[0010] 所述入射光端口呈凹球面。
[0011] 所述光學(xué)元件入射光端口為正方形。
[0012] 由于本發(fā)明高斯光束整形器僅采用了一個(gè)簡(jiǎn)單形狀的光學(xué)元件，高斯光束經(jīng)過由 光學(xué)元件的反射鏡面形成的柱體后，將遠(yuǎn)離中必軸邊緣的大發(fā)散角光束反射回軸的附近， 提高了芯片的利用率。發(fā)散角特別大的光束可能被反射兩次甚至更多次。對(duì)于不同的高斯 光，調(diào)整整形器的尺寸可W使得輸出光在整形器輸出口附近形成比較均勻的分布。
【附圖說明】
[0013] 圖1表示高斯光束整形前的空間強(qiáng)度分布示意圖； 圖2表示本發(fā)明高斯光束第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3表示圖2所示整形器的立體結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4表示本發(fā)明高斯光束整形器第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5表示本發(fā)明高斯光束整形器第Η實(shí)施例結(jié)構(gòu)示意圖；
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明最佳實(shí)施例。
[0015] 圖1中線1表示高斯光強(qiáng)的分布，X軸表示離開高斯光中必的距離，光強(qiáng)對(duì)應(yīng)于左 邊的Υ軸。線2表示半徑為X的圓內(nèi)的光占總高斯光能量的比例，對(duì)于右邊的Υ軸。在此 假定高斯光中必光強(qiáng)為IW/mm2,束腰半徑為1mm。從圖中可W看出光強(qiáng)和光能量的分布非常 不均勻，在r = 0. 59mm時(shí)，光強(qiáng)減弱到0. 5W/mm2,送時(shí)候圓圈內(nèi)的能量約為總能量的50%， 面積為l.lmm2;在r=1.22mm處光強(qiáng)變成很小的0.05W/mm2，r=1.22的圈內(nèi)也只有95% 的總能量，面積為4. 7皿2;只有半徑增加到1. 52mm，才能把99%的能量收集到，送時(shí)圓面積 為7. 26mm2,圓邊緣的光強(qiáng)只有中必光強(qiáng)的1%。所W不位于中必的芯片的利用率非常的低。
[0016] 圖2和圖3所示第一實(shí)施例的高斯光束整形器10A，包括一光學(xué)元件10A，該光學(xué) 兀件中必軸兩端分別設(shè)一入射光端口 11A和一與光電轉(zhuǎn)換芯片禪合的出射光端口 12A,兩 端口之間設(shè)有大發(fā)散角光束反射通道13A。在本實(shí)施例中，光學(xué)元件10A由四面反射鏡14A 構(gòu)成，四個(gè)反射鏡形成光束反射通道13A，如圖2所示。高斯光束經(jīng)入射光端口 11A進(jìn)入光 束反射通道13A，通道的軸必就是高斯光束的傳播方向。如果沒有封閉的反射通道的反射 鏡束縛，高斯光會(huì)逐漸發(fā)散，光分布的范圍變得越來(lái)越大，但是在反射鏡的約束下，大發(fā)散 角的光波經(jīng)反射鏡反射后重新回到高斯光束中必附近，最后在出射光端口 12A與直接穿透 反射通道的光波進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)光束整形。
[0017] 上述整形器出光端口 12A附近可W得到很好的均勻光。比如一個(gè)特殊的例子：反 射通道是一個(gè)正四邊棱鏡，也就是入射光端口是正方形，邊長(zhǎng)為以棱鏡長(zhǎng)為H，滿足下面兩 個(gè)公式，并把整形器的軸必與光束的傳播方向重合，輸出端口附近的光均勻度能達(dá)到95%， 理論損耗小于1%。
[0018] L《0. 9*R .............................. (1)
C2) 公式中θ表τκ光束發(fā)散角； 公式中R表示在出光端口 12A處自由傳輸高斯光束束腰半徑。
[0019] L與R的比值越小，出射光分布得越均勻。但是當(dāng)L小于0.9R后均勻度改善很小， 再減小L值意義不大。表1給出出射光端口 12A處的光強(qiáng)分布，高斯光中必為原點(diǎn)（0,0)， 出光端口兩個(gè)邊的方向X、Y軸方向，由于對(duì)稱性表（1)只給出了第一象限的值。表1假設(shè) 沒有整形器的時(shí)候，出射光端口 12A中必位置光強(qiáng)為1個(gè)單位；X，Y值表示束腰半徑的倍 數(shù)。如（0. 45,0. 45) = 1. 850,表示在X軸和Y軸都離開軸必0. 45個(gè)束腰半徑的地方光強(qiáng) 是1.850個(gè)單位。 表1出射端口某一點(diǎn)的相對(duì)光強(qiáng)
由圖4所示第二實(shí)施例的的高斯光束整形器10B，包括一實(shí)必玻璃體的光學(xué)元件10B， 該光學(xué)兀件中必軸兩端分別設(shè)一入射光端口 11B和一與光電轉(zhuǎn)換芯片禪合的出射光端口 12B，兩端口之間設(shè)有大發(fā)散角光束反射通道13B，該光束反射通道由該實(shí)必玻璃體10B外 表面14B形成。高斯光束經(jīng)入射光端口 11B入射進(jìn)入光束反射通道13B，大角度光波傳播 到實(shí)必玻璃體10B表面時(shí)會(huì)發(fā)生全反射，反射回來(lái)的光在出射光端口 12B疊加，實(shí)現(xiàn)光束整 形。該實(shí)施例中鏡子不需要額外制作，在玻璃通道中傳播的光波在玻璃表面發(fā)生全反射，結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單。當(dāng)然高斯光在從空氣進(jìn)入到玻璃通道時(shí)候發(fā)散角變小，通道的長(zhǎng)度比空氣通道要 長(zhǎng)，光學(xué)技術(shù)人員很容易計(jì)算出長(zhǎng)度會(huì)增大多少，不再賞述。
[0020] 如圖5所示第Η實(shí)施例的的高斯光束整形器，是將第二實(shí)施例中的實(shí)必玻璃體的 光學(xué)元件10Β進(jìn)行改進(jìn)，使入射光端口呈凹球面，放大了高斯光束在整形器中的發(fā)散角，從 而縮短光束整形器的高度。
[0021] 本發(fā)明也并不局限于上述的具體實(shí)施特例，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可W很容易的做一 些修改W適應(yīng)不同的情況，在不違背本發(fā)明原則的情況下他們都屬于本發(fā)明的內(nèi)容。比如 有時(shí)光電芯片是長(zhǎng)方形，長(zhǎng)寬為L(zhǎng)、W，送時(shí)可W把整形器設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方體，出射端口與芯片等 長(zhǎng)寬，把W帶入公式（2)即求出整形器的長(zhǎng)H。再比如，激光芯片出來(lái)的光在快慢軸方向上 發(fā)散角和束腰都差別很大，可W在快慢兩個(gè)軸上算出各自的寬度L1、L2作為整形器出射端 口的長(zhǎng)寬，任意軸上參數(shù)算出的Η做整形器的長(zhǎng)度，就可W得到一個(gè)不錯(cuò)的整形器。
[0022] 現(xiàn)實(shí)中光纖、或者激光芯片出來(lái)的激光都不是理想的高斯光束，而是類高斯分布， 本發(fā)明仍然能取得不錯(cuò)的效果，顯然本也是本發(fā)明的內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種高斯光束整形器，包括一光學(xué)兀件，該光學(xué)兀件中心軸兩端分別設(shè)一入射光端 口和一與光電轉(zhuǎn)換芯片耦合的出射光端口，其特征在于，兩端口之間設(shè)有大發(fā)散角光束的 反射通道。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光學(xué)元件由至少三面以 上反射鏡圍成的中空柱體，所述大發(fā)散角光束反射通道由該空心體內(nèi)壁鍍介質(zhì)膜形成。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述中空體為長(zhǎng)方體。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光學(xué)元件為實(shí)心玻璃長(zhǎng) 方體，所述大發(fā)散角光束反射通道由該實(shí)心玻璃體外表面形成。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述入射光端口加工成凹球 面形。6. 根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光學(xué)元件出射光端口 為正方形。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK105988221SQ201510091341
【公開日】2016年10月5日
【申請(qǐng)日】2015年2月27日
【發(fā)明人】雷潤(rùn)生
【申請(qǐng)人】深圳市瑞利光通訊技術(shù)有限公司