CN100337141C - 全内反射－折射激光光束变换器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种对激光器出射的激光束进行某种整形、耦合的变换器，特别是对激光束直径进行扩大或者压缩使其得以更广泛的应用的所谓扩束器(或者缩束器)，属于激光光束的整形、耦合技术领域。它是一个对入射光透明的圆锥体，L为变换器的长度，圆锥体锥尖夹角为2α，2H为圆锥体圆平面的直径，中心旋转轴为x，其特征在于：锥尖夹角2α的大小和入射光的入射方向决定了其具体的作用，圆平面的大小由出射光束的直径或入射光束的直径2H决定，据此变换器的长度L才能确定，n_ε为变换器的折射率。变换器具有结构简单，价格便宜和倍率高等优点，可以被广泛用于改变激光光束直径的相关应用中。

Description

全内反射—折射激光光束变换器

技术领域

本发明涉及一种对激光器出射的激光束进行某种整形、耦合的变换器，特别是对激光束直径进行扩大或者压缩使其得以更广泛的应用的所谓扩束器(或者缩束器)，属于激光光束的整形、耦合技术领域。

背景技术

众所周知，从激光器出射的激光束往往是具有一定大小的发散角和口径，如果不对其采取某种整形、耦合措施很难满足当前的许多应用，而扩束器(或者缩束器)则通过对激光束直径进行扩大或者压缩使其得以更广泛的应用，所以此类变换器的设计和使用显得尤为重要。如在一些激光发射系统中，需要利用扩束器扩大激光束直径，从而压缩光束的发散角提高发射精度，如激光雷达探测，激光武器，环境检测等。在另外一些应用中相反地需要利用缩束器来压缩激光束的直径使其能够耦合进直径很小的光纤或者得到高能量强度的激光束，如光纤激光器，激光等离子激发，激光外科手术等。

目前人们所使用的激光扩束器大致分为折射型和反射型两类。折射型的扩束器一般是由两个或两个以上的透镜组合而成，典型的折射型系统有伽利略型和开普勒型，折射型扩束器的优点是仪器的设计、加工和调节都比较简单，但是这类系统缺点是扩束倍率小、体积大，另外由于透镜入射表面的抗反射膜的瑕疵使得部分出射激光束再返回到激光器从而造成激光器的损坏，降低了激光器的使用寿命。反射型扩束器是由次镜和主镜两个反射镜组和而成，相比折射型而言反射型扩束器不仅具有较高的扩束倍率和大的出射孔径，而且体积小、重量轻。但是为了较好的校正球差、慧差和像散等像差使其得到更广泛的应用，此类扩束器一般都做成非球面的系统，如反射型非球面卡塞格林系统和格里高利系统。但是这类系统容易引起中心遮光，所以便出现了离轴卡塞格林系统和格里高利系统，离轴系统虽然使能量损失降到最低，却限制了扩束倍率和出射孔径，另外由于次镜的尺寸非常小所以加工起来相当困难，价格昂贵，所以此类扩束器并没有被广泛使用。

发明内容

本发明的目的是公开了一种新的全内反射—折射激光光束变换器，克服现有技术存在的扩束倍率低小、传输效率低，加工起来困难，价格昂贵…等缺陷。

本发明的技术方案：

全内反射—折射激光光束变换器，它是一个对入射光透明的圆锥体，L为变换器的长度，圆锥体锥尖夹角为2α，2H为圆锥体圆平面的直径，中心旋转轴为x，其特点征在于：锥尖夹角2α的大小决定了其具体的作用，n_ε为变换器的折射率；它们之间的关系取决于下面的公式

$n_{\mathrm{\ϵ}}\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}-(2n-1)\mathrm{\α}]=\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})(n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·)---\left(1\right)$

这里n为传播光线和侧壁的交点次数，不同的交点次数倍率也不同，n越大倍率越高，相应的α越小；

调节α的大小和改变入射光的入射方向，是决定变换器具体起到何种作用的关键，当入射光从圆平面沿中心旋转轴入射从锥尖的侧面出射，且锥尖的夹角α满足上述公式则变换器对平行光起到的作用是缩束；当入射光从锥尖的侧面沿中心旋转轴入射从圆平面出射，且锥尖的夹角α同样满足上式，则变换器对平行光起到的作用是扩束；当入射光从圆平面沿中心旋转轴入射从锥尖的侧面出射，锥尖的夹角α不再满足上式时，则变换器起到的作用是汇聚平行光或使平行光转换成空心的激光束，激光束汇聚或发散的程度由α的大小决定；

圆平面的大小由出射光束的直径或入射光束的直径决定，据此变换器的长度L才能确定。

圆锥体圆平面的直径2H在满足公式tgα＝H/L，并大于入射光束的直径，变换器起到缩束作用：当2H在满足公式tgα＝H/L时，并大于入射光束的直径和扩束倍率的乘积，变换器起到扩束作用。

变换器的长度L是在α和H确定之后再由公式tgα＝H/L求出L的大小，α确定后并变换器的折射率n_ε，由所选用的材料决定，材料必须对入射光透明，即材料对入射光的吸收可忽略不计；对于同一入射光，不同的变换器材料则对应于不同的变换器尺寸，同样满足公式(1)的前提下，折射率的大小对于入射光的：变换器是由对入射光透明的玻璃或塑料构成。

本发明的有益效果：

1.由于该变换器是非成像光学元器件，所以对于沿x轴入射的平行光束而言不会引起光线的任何偏差。

2.由于变换器的传输原理主要是全内反射，所以能量损失小，传输效率高。

3.α的大小决定了扩束倍率M的大小，所以可通过使变换器的α较小得到较高的扩束倍率M。

4.由于变换器仅由一个光学元器件构成，所以结构简单，价格便宜，可以被广泛采用。

5.变换器的关键是α的大小，所以可以适当调节α使其用于不同的用途，如图3-图6所示。

总之，全内反射—折射激光光束变换器是同类扩束器中性能较为完善的。

附图说明

图1：变换器外形结构示意图；

图2：变换器的参数及光线追迹示意图；

图3：入射的平行光束的缩束计算模拟图；

图4：入射的平行光束的聚焦计算模拟图；

图5：入射的平行光束转换成空心光束的计算模拟图；

图6：入射的平行光束的扩束计算模拟图；

图7：n和相对应的α和扩束倍率M关系图；

图8：入射的非平行光束的缩束计算模拟图；

图9：入射的非平行光束的扩束计算模拟图。

图中：

1.变换器 2.入射光 3.出射光 L.为变换器的长度 α.变换器的侧壁和中心轴之间的夹角 x.中心旋转轴 2H.圆锥体圆平面的直径 n_ε.变换器的折射率

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明：

全内反射—折射激光光束变换器的加工比较简单，可以用熔拉法和倒模法两种，材料用对入射光透明的玻璃或塑料，我们选用的材料的折射率n_ε＝1.5。

变换器的外形结构示意图如图1所示，当尖端为入射端而圆面为出射端时它起到的是扩束作用，反之是缩束作用。无论是扩束还是缩束变换器依据的传播原理均是全内反射—折射原理。由于光线的可逆性，在此以变换器的对光束的压缩规律为例。假设有一束平行激光束沿中心旋转轴方向入射到变换器的圆平面，先通过全内反射原理将入射光传输到变换器的尾部，每经过一次全反射传播光线和侧壁的夹角_n就减小2α，当_n小于临界角_i＝arcsin(1/n_ε)时传播光线便从侧壁折射出来，通过选择合适的α大小可以使出射光仍平行于中心旋转轴，α为变换器的侧壁和中心轴之间的夹角，n_ε为变换器的折射率。

利用光线追迹的方法先研究平行光通过变换器的传输规律。建立如图2所示的坐标系，圆平面的中心为坐标原点，L为变换器的长度，2H为圆平面的直径，α为侧壁和x轴的夹角，(x₀，y₀)为入射光线的起始坐标，(x_n，y_n)(n＝1，2，3…)为传输光线和扩束器的交点坐标；_n(n＝1，2，3…)为传输光线相对于侧壁的入射角，₃′为₃折射角；θ_n(n＝1，2…)为传输光线与x轴之间的夹角，当光线对x轴沿逆时针方向旋转时取正，反之取负。

传输光线在变换器内部仅遵循两个传输规律：

1.当y_n＞0时有

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n+1}=\frac{H-{(-1)}^n(y_n-x_n\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n)}{\mathrm{tg\α}+{(-1)}^n\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n}& \\ y_{n+1}=y_n+(x_{n+1}-x_n)\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n& (n=\mathrm{0,1,2},\·\·\·)\\ {\mathrm{\θ}}_n={(-1)}^{n}2\mathrm{n\α}& \end{array}\right.---\left(1\right)$

2.y_n＜0时有

$\left\{\begin{array}{cc}{x}_{n+1}=\frac{H+{(-1)}^n(y_n-x_n\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n)}{\mathrm{tg\α}-{(-1)}^n\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n}& \\ y_{n+1}=y_n+(x_{n+1}-x_n)\mathrm{tg}{\mathrm{\θ}}_n& (n=\mathrm{0,1,2}\·\·\·)\\ {\mathrm{\θ}}_n={(-1)}^{n+1}2\mathrm{n\α}& \end{array}\right.---\left(2\right)$

其中tgα＝H/L

由此可见，只要给定入射光线的起始坐标和变换器的尺寸，即可通过上述的传输规律递推出传输光线的传输情况。当传输光线相对于侧壁的入射角_n小于临界角时传输光线便会从侧壁折射处来，此时传输光线和侧壁交点的坐标为(x_n，y_n)，如图2中的₃，有

n_εsin_n＝sin_n′                                   (3)

注意：y_n的正负由传播光线的交点次数决定，当n为奇数时y_n＞0，反之y_n＜0。

由图2可知：

_n＝π/2-(2n-1)α    (n＝1，2，3…)                      (4)

要使入射光线的偏差最小则必须使出射光线仍平行于x轴出射，有

_n′+α＝π/2                                        (5)

联立公式(3)(4)(5)得关系式：

$n_{\mathrm{\ϵ}}\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}-(2n-1)\mathrm{\α}]=\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α})(n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·)---\left(6\right)$

可以得知公式(6)的解有无数组，α越小，n越大，只要变换器的侧壁和中轴的夹角α满足公式(6)，则该变换器就可以将沿中轴入射的平行仍以平行光传输出去，同时缩小了其光束直径，这里n为传播光线和侧壁的交点次数。可见出射光线的出射方向主要由变换器的tgα＝H/L参数决定，α确定后，可事先根据入射光束的直径确定变换器的入射面直径2H，则其长度L也可确定。

图3为当n＝4，入射光束的直径＝1mm时，计算机模拟变换器的对入射光束的压缩情况图。由图3可以看出：1.变换器不改变平行光束的强度分布；2.变换器可以将所有入射进来的平行光仍以平行光传播出去。此时变换器的入射面直径2H＝2mm，长度L＝8.22mm，折射率n_ε＝1.5。

由公式(1)可见，当适当调节α的大小，可以使出射激光束汇聚到x轴某一点处得到高强度的光能量，或者得到空心的激光束，分别如图4和图5所示。

利用光线可逆的原理，当尖端为入射端而圆面为出射端时它起到的是扩束作用，如图6所示。

图7是当n＝2，3…10时所对应的α大小和扩束倍率M(M＝入射光束的半径/出射光束的半径)的关系图，其中α的单位为弧度。由此可见随着n的递增，α减小变缓，而扩束倍数始却终成线性递增，当n＝9时，扩束倍率M已大于16，所以锥形扩束器的扩束倍率较高。

以上研究的是平行光束通过变换器的传播情况。有一定发散角大小的激光束入射时，其传播特性同传统成像扩束器对光束的传输特性类似，即当光束的直径缩小时则其发散角增大，当入射光束的直径增大时则其发散角减小，分别如图8和图9所示，其中入射激光束的发散角为1°，直径为1mm。所不同的是拉格朗日不变量(即光束的直径和其发散角的乘积)不在是常量，当压缩光束的直径时拉格朗日不变量略有减小，n越大减小的幅度越大，当扩大光束的直径时拉格朗日不变量略有增大，n越大增大的幅度也越大，如表一所示，仅以n＝4，8为例。其中L₀为入射光束的拉格朗日不变量，L_d为光束被压缩一定倍数后的拉格朗日不变量，L_m为光束被扩大一定倍数后的拉格朗日不变量。

该变换器还可以替代多根光纤耦合激光二极管出射的激光束，并同时缩小了它们的光束直径，使之能够耦合进直径较小的光纤中。

              表一：传输光束的拉格朗日不变量

n	L0	Ld	Lm
				48	1mm×1°＝11mm×1°＝1	0.19555mm×4.676°＝0.914390.10786mm×6.60854°＝0.712797	7.6354mm×0.14954°＝1.141820.336mm×0.063°＝1.28168

Claims (4)

1.一种全内反射—折射激光光束变换器，它是一个对入射光透明的圆锥体，L为变换器的长度，圆锥体锥尖夹角为2α，2H为圆锥体圆平面的直径，中心旋转轴为x，其特征在于：锥尖夹角2α的大小决定了其具体的作用，n_ε为变换器的折射率；它们之间的关系取决于下面的公式

$n_{\mathrm{\ϵ}}\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}-(2n-1)\mathrm{\α}]=\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-\mathrm{\α}),(n=\mathrm{2,3,4}\·\·\·)$

这里n为传播光线和侧壁的交点次数，不同的交点次数倍率也不同，n越大倍率越高，相应的α越小；

调节α的大小和改变入射光的入射方向，是决定变换器具体起到何种作用的关键，当入射光从圆平面沿中心旋转轴入射从锥尖的侧面出射，且锥尖的夹角α满足上述公式则变换器对平行光起到的作用是缩束；当入射光从锥尖的侧面沿中心旋转轴入射从圆平面出射，且锥尖的夹角α同样满足上式，则变换器对平行光起到的作用是扩束；当入射光从圆平面沿中心旋转轴入射从锥尖的侧面出射，锥尖的夹角α不再满足上式时，则变换器起到的作用是汇聚平行光或使平行光转换成空心的激光束，激光束汇聚或发散的程度由α的大小决定；

圆平面的大小由出射光束的直径或入射光束的直径决定，据此扩束器的长度L才能确定。

2.根据权利要求1所说的全内反射—折射激光光束变换器，其特征在于：圆锥体圆平面的直径2H在满足公式tgα＝H/L，并大于入射光束的直径，变换器起到缩束作用；当2H在满足公式tgα＝H/L时，并大于入射光束的直径和扩束倍率的乘积，变换器起到扩束作用。

3.根据权利要求1所说的全内反射—折射激光光束变换器，其特征在于：变换器的折射率n_ε由所选用的材料决定，材料必须对入射光透明，即材料对入射光的吸收可忽略不计；对于同一入射光，不同的变换器材料则对应于不同的变换器尺寸，同样满足权利要求1中的公式；在满足权利要求1中的公式的前提下，折射率的大小对于入射光的变换特性没有影响。

4.根锯权利要求1所说的全内反射—折射激光光束变换器，其特征在于：变换器是由对入射光透明的玻璃或塑料构成。

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