專利名稱：利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，屬于光纖耦合領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光參數(shù)積是衡量激光光束的一個(gè)重要指標(biāo)。光參數(shù)積，即激光的光束直徑與其遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積。當(dāng)激光束在同一介質(zhì)或者一般的光學(xué)系統(tǒng)中傳輸時(shí)，光束的光參數(shù)積是不變的。它是在諸如激光束光纖耦合中所應(yīng)考慮的一個(gè)重要因素。
在激光束光纖耦合中，若只對光束進(jìn)行準(zhǔn)直、聚焦，理想情況下整個(gè)過程中激光束的光參數(shù)積是不變的。當(dāng)然光束經(jīng)聚焦透鏡聚焦后光束的光參數(shù)積可以用另一個(gè)常量來表示，聚焦透鏡數(shù)值孔徑NAlens和聚焦光斑直徑的乘積(聚焦透鏡數(shù)值孔徑NAlens對應(yīng)于光參數(shù)積中光束的發(fā)散角，聚焦光斑直徑對應(yīng)于光參數(shù)積中光束直徑)。而在光纖耦合中要得到高的耦合效率，耦合輸出光纖的數(shù)值孔徑應(yīng)該大于聚焦物鏡的數(shù)值孔徑，同時(shí)光纖芯徑應(yīng)該大于聚焦光斑尺寸。因此理論上，耦合輸出光纖芯徑和數(shù)值孔徑是受限的，但是在激光束耦合輸出功率一定的情形下，希望耦合的光纖芯徑和數(shù)值孔徑盡可能的小，才能得到高亮度的激光輸出，這就與高的耦合效率對光纖芯徑和數(shù)值孔徑的要求相矛盾。為了解決高耦合效率與高亮度激光輸出的矛盾，需要對激光束進(jìn)行整形。所謂整形，就是把耦合光束(如線形光束)截成多截，重新排列成一定的形狀如矩形，方形等。以此來改善它的光參數(shù)積，使其與更小芯徑，更小數(shù)值孔徑光纖匹配，達(dá)到最佳的耦合效率，得到高亮度的激光。
現(xiàn)有的光束整形的方法主要有折射整形法和折反射結(jié)合整形法。
折射整形法是根據(jù)折射原理，光束以一定的角度入射到透明介質(zhì)(如玻璃等)中，方向?qū)l(fā)生改變。如果此介質(zhì)是平行介質(zhì)，光束穿過后傳播方向不變，但在入射面內(nèi)位置將發(fā)生移動(dòng)。不同的移動(dòng)量可以通過不同的入射角和介質(zhì)的厚度來控制。采用多層透明介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)光束的重排，從而達(dá)到光束整形的目的。武漢凌云光電有限公司就是使用的此辦法。還有的直接利用布儒斯特角棱鏡擴(kuò)束或縮束。
折反結(jié)合整形法一般是利用一個(gè)等腰直角棱鏡的斜邊做為折射面，兩個(gè)直角邊做為反射面，通過兩個(gè)階梯狀的棱鏡堆按一定的位置放置來完成光束的重排，從而達(dá)到整形的目的。
上述兩種方法由于由于經(jīng)過的折射和反射的次數(shù)較多，在光束準(zhǔn)直度較差的情況下，光束經(jīng)過多次反射和折射后會(huì)彌散開來，整形后的光束的尺寸會(huì)遠(yuǎn)大于高準(zhǔn)直情形下的光束重排的尺寸，造成光纖的耦合效率低，激光輸出的亮度減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供一種簡單、實(shí)用的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，該方法通過兩個(gè)反射鏡堆反射面的反射達(dá)到光束的整形，減小了光束在欠準(zhǔn)直情形下整形后光束的彌散，提高了小芯徑小數(shù)值孔徑光纖的耦合效率，得到了高亮度的激光輸出。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于采用兩個(gè)按一定規(guī)則排列的反射鏡堆作為反射載體，通過兩次反射，將光束的光參數(shù)積加以改變，并將光束重新排列，具體包括下列步驟(1)針對光束的特性和不同的光束整形要求選擇各反射鏡堆的反射面厚度；(2)根據(jù)各反射鏡堆的反射面厚度確定各反射鏡堆反射面的排列規(guī)則，或者是將反射面直接加工在一個(gè)元件上作為一個(gè)反射鏡堆。
(3)將兩個(gè)反射鏡堆按規(guī)則放置于整形光路中，對光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
所述的步驟(1)中反射鏡的反射面厚度是通過光束尺寸來選擇的，一般的整形要求都是為了將非對稱光束整形為旋轉(zhuǎn)對稱光束，故在選擇厚度時(shí)遵循以下原則每個(gè)反射鏡堆中各反射鏡的反射面厚度相等，其中第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面厚度為光束的較窄方向處的厚度，第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面厚度為較窄方向處整形后所想達(dá)到的厚度(與整形后的較寬方向處厚度越接近越好)。
所述的步驟(2)中根據(jù)各反射鏡堆的反射面厚度確定各反射鏡堆反射面的排列規(guī)則是指，加工出所要求的兩種反射鏡后，兩個(gè)反射鏡堆是將各個(gè)反射鏡反射面的兩側(cè)邊相互粘在一起，形成階梯狀的反射鏡堆；兩個(gè)反射鏡堆的各反射鏡反射面間的間隔互為對方各反射鏡反射面的厚度，也就是說對于第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面間的間隔為第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面的厚度；第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面間的間隔為第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面的厚度。
上述步驟(2)中也可以將各反射鏡堆直接加工為一個(gè)整體，而不用將各反射鏡堆用粘貼的方式將幾個(gè)反射鏡組合起來。這樣可以省去粘貼的麻煩。但將反射鏡堆作為一個(gè)整體不好加工，所以采用了先加工反射鏡再粘貼在一起形成反射鏡堆的方法。
上述所指的反射鏡為棱鏡或者具有此反射面特征的反射鏡。
通過這兩個(gè)反射鏡堆反射面的反射從而達(dá)到光束的重排，也就實(shí)現(xiàn)了光束整形的目的。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)有整形方法由于經(jīng)過的折射和反射的次數(shù)較多，在光束準(zhǔn)直度較差的情況下，光束經(jīng)過多次反射和折射后會(huì)彌散開來，整形后的光束的尺寸會(huì)遠(yuǎn)大于高準(zhǔn)直情形下的光束重排的尺寸；而本發(fā)明只是將光束經(jīng)過兩次反射就達(dá)到了整形的效果，從而會(huì)大大減小光束在欠準(zhǔn)直情形下整形后光束的彌散，這樣大大提高了小芯徑小數(shù)值孔徑光纖的耦合效率，從而得到了高亮度的激光輸出。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例中第一個(gè)反射鏡堆所用的反射鏡示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例中第二個(gè)反射鏡堆所用的反射鏡示意圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中第一個(gè)反射鏡堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例中第二個(gè)反射鏡堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本發(fā)明實(shí)施例中二個(gè)反射鏡堆的位置和光路示意圖；圖6(a)和圖6(b)是本發(fā)明實(shí)施例中反射整形法演示圖，其中圖6(a)經(jīng)過第一次反向后的光束，圖6(b)為經(jīng)過第二次反射后的光束。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的實(shí)例是對寬為1mm，長為12mm的光束進(jìn)行整形的實(shí)例，其具體步驟如下第一步，按照圖1所示，根據(jù)整形光束的目的，預(yù)將光束由1mm×12mm整形為3mm×4mm，使光束接近旋轉(zhuǎn)對稱。首先將光束截成4截，則第一個(gè)反射鏡(本實(shí)施例采用棱鏡)的厚度為光束較長方向處的長度12mm除以截?cái)?shù)4后的商，即3mm。由于要使光束在斜邊上反射后垂直射向正上方，要將斜邊與直角邊的角度設(shè)置為45°。為了減小能量損失，一般在反射面上鍍上針對整形光束波長的45°方向的增反膜；第二步，按照圖2所示，根據(jù)整形光束的尺寸，將第二個(gè)反射鏡堆(棱鏡)的反射面寬度與光束寬度設(shè)置為一致，即1mm。由于要使從正下方入射的光束在斜邊上反射后再按水平方向射出，故將反射面所在邊和底邊夾角設(shè)置為135°。為了減小能量損失，一般在反射面上鍍上針對整形光束波長的45°方向的增反膜；第三步，按照圖3所示，將圖1中反射鏡(棱鏡)的間距設(shè)置為1mm加以粘貼，作為第一個(gè)反射鏡堆；第四步，按照圖4所示，將圖2中的反射鏡(棱鏡)按間距設(shè)置為3mm加以粘貼，作為第二個(gè)反射鏡堆；
第五步，按照圖5所示，將圖3和圖4中的棱鏡堆正交放置，將圖3的棱鏡堆正對光束放置，圖4的棱鏡堆放在圖3棱鏡堆的正上方；第六步，按照圖6所示，光束通過第一個(gè)反射鏡堆后被分成了4截，經(jīng)過第二個(gè)反射鏡堆后每截被旋轉(zhuǎn)了90°并且緊密排列，光束由原來的1×12變?yōu)?×4，這樣將光束的光參數(shù)積旋轉(zhuǎn)對稱化了，從而可以將光束耦合到更小芯徑和數(shù)值孔徑的光纖中。
權(quán)利要求
1.利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于采用兩個(gè)按一定規(guī)則排列的反射鏡堆作為反射載體，通過兩次反射，將光束的光參數(shù)積加以改變，并將光束重新排列，具體包括下列步驟(1)針對光束的特性和不同的光束整形要求選擇各反射鏡堆的反射面厚度；(2)根據(jù)各反射鏡堆的反射面厚度確定各反射鏡堆反射面的排列規(guī)則，或者是將反射面直接加工在一個(gè)元件上作為一個(gè)反射鏡堆。(3)將兩個(gè)反射鏡堆按規(guī)則放置于整形光路中，對光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于所述的步驟(1)中反射鏡的反射面厚度是通過光束尺寸來選擇的，每個(gè)反射鏡堆中各反射鏡的反射面厚度相等，其中第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面厚度為光束的較窄方向處的厚度，第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面厚度為較窄方向處整形后所想達(dá)到的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于所述的步驟(2)中根據(jù)各反射鏡堆的反射面厚度確定各反射鏡堆反射面的排列規(guī)則是指，加工出所要求的兩種反射鏡后，兩個(gè)反射鏡堆是將各個(gè)反射鏡反射面的兩側(cè)邊相互粘在一起，形成階梯狀的反射鏡堆；兩個(gè)反射鏡堆的各反射鏡反射面間的間隔互為對方各反射鏡反射面的厚度，也就是說對于第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面間的間隔為第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面的厚度；第二個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面間的間隔為第一個(gè)反射鏡堆各反射鏡反射面的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于步驟(2)中將各反射鏡堆直接加工為一個(gè)整體是指采用先加工反射鏡再粘貼在一起形成反射鏡堆。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于所述的步驟(1)中將兩個(gè)反射鏡堆按規(guī)則放置于整形光路中，是指按垂直正交規(guī)則放置于整形光路中，對光束進(jìn)行整形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于所述的反射鏡為棱鏡或者具有此反射面特征的反射鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，其特征在于所述的反射面還鍍上針對整形光束波長的45°方向的增反膜。
全文摘要
利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法，采用兩個(gè)按一定規(guī)則排列的反射鏡堆作為反射載體，通過兩次反射，將光束的光參數(shù)積加以改變，并將光束重新排列，達(dá)到光束的旋轉(zhuǎn)對稱化。本發(fā)明具有反射次數(shù)少，光束整形彌散小的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單，方便實(shí)用。
文檔編號G02B6/42GK1553240SQ03123568
公開日2004年12月8日 申請日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者劉銀輝, 周崇喜, 杜春雷 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所