CN101216606A - 一种分光比可调的白光分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分光比可调的白光分束器。包括入射端口、反射端口、透射端口和一透过率渐变镀膜片，该透过率渐变镀膜片的反射面与入射端口中准直透镜的轴线夹角为45度，透过率渐变镀膜片能在与入射光线成45度夹角方向上水平移动，通过水平移动该镀膜片，实现对入射白光的分束，且分束强度比沿其长度单调变化。该白光分束器三端口中的每端口内置一光纤调节器、一光纤束和一准直透镜，通过调节每个端口中的光纤调节器和光纤束，实现对输入白光的分束，减小了系统的插入损耗。本发明分光强度比可调的白光分束器能对具有白光特性的太阳光进行分束，并且该分束比连续动态可调。

Description

一种分光比可调的白光分束器

技术领域

本发明涉及一种用于太阳能综合利用系统的白光耦合器，是一种分光强度比可调的白光分束器。

背景技术

经济的发展对能源需求越来越强烈，充分利用可再生能源是当前各个国家经济、科技发展的趋势，其中太阳能的利用表现出其独特的优点和广泛的前景。利用太阳能进行隧道、大型厂库、地下室等黑暗场所的照明，部分取代部分电能，能在很大程度上节约不可再生能源，对经济的发展意义深远。

在利用太阳能进行照明的系统中，往往需要对光照强度进行调节，以满足实际场所对不同光照强度的需求，并将剩余的光强转换成电能或其他能量，因此需要分光强度比可调的白光分束器。

常用的分束器有空间式与波导式两种。空间分束器基于反射/透射原理，波导分束器基于模式耦合理论。分束器可以实现光波强度、偏振或波长的分离。

常规光分束器是通过熔融拉锥制成，即将多根裸纤以一定方式靠拢，在高温加热下熔融并向两侧拉伸，最终在加热区形成双锥体形式的特殊波导结构，可实现对传输光信号的分束或耦合。传输的大部分也都是单色光或准单色光，对于传输具有白光特性的太阳光，存在对其本征频率之外波长的光具有较大衰减的缺点。

白光分束器是使用多模光纤束将太阳光引入分束系统，并利用准直透镜将其变成平行光束，再将该平行光束经过反射投射比可调的透过率渐变的镀膜片，反射和投射的平行白光再次分别经过另外两只准直透镜并分别聚焦于一点，然后由置于准直透镜焦点的光纤束传播出去，从而达到对白光分束的目的，通过移动透过率渐变镀膜片，实现对反射光和投射光强度比的调节。

发明内容

本发明主要为了克服现有传输太阳光损耗较大的不足，提供一种分光强度比可动态调节的白光分束器。

分光比可调的白光分束器是在白光分束器上设有第一端面、第二端面、第三端面，第一端面平行于第三端面同时垂直于第二端面，第一端面上设有入射端口，入射端口是一圆筒结构，入射端口的轴线垂直于第一端面，第二端面上设有反射端口，反射端口是一圆筒结构，反射端口的轴线垂直于第二端面，第三端面上设有透射端口，透射端口是一圆筒结构，透射端口的轴线垂直于第三端面，入射端口、反射端口、透射端口的轴线在同一平面上，且在透过率渐变镀膜片的1/4～3/4高度处，入射端口上设有第一光纤束、第一光纤调节器、第一准直透镜，第一光纤束置于第一光纤调节器内，反射端口上设有第二光纤束、第二光纤调节器、第二准直透镜，第二光纤束置于第二光纤调节器内，透射端口上设有第三光纤束、第三光纤调节器、第三准直透镜，第三光纤束置于第三光纤调节器内，白光分束器内设有透过率渐变镀膜片，透过率渐变镀膜片与入射端口、反射端口、透射端口成45度角，透过率渐变镀膜片上设有反射面。

所述的第一光纤束、第二光纤束或第三光纤束由1～100根光纤组成，每根光纤的端口在一平面上，第一光纤束、第二光纤束或第三光纤束分别固定在第一光纤调节器、第二光纤调节器或第三光纤调节器内。第一光纤调节器、第二光纤调节器或第三光纤调节器分别固定在入射端口、反射端口或透射端口内。透过率渐变镀膜片的高度为准直透镜外径的1～3倍，透过率渐变镀膜片的长度为准直透镜的外径的2～20倍。透过率渐变镀膜片对白光的反射透射比随着透过率渐变镀膜片的长度单调变化。透过率渐变镀膜片在与入射端口、反射端口、透射端口成45度角的方向上能相对连续移动。

本发明有效利用太阳能取代电能进行部分场所的照明，是照明产业发展的一个新的方向，能在很大程度上节约不可再生能源，对经济的发展具有深远意义。在利用太阳光进行照明的应用中，往往需要控制照明的强度，并且保证所传输的太阳能的利用效率，因此需要一分光强度比可调的分束器，使用分束后的一部分光进行照明，而另一部分光则用以发电、加热，或进行其他用途。当前普通的分束器只是对某一波长的光进行分束，用此使用这种分束器传输太阳光，存在太阳光损耗较大的缺点，对太阳能的利用效率较低。

本发明正是基于该应用方向，提供一种满足上述要求的分束器。本发明分光强度比可调的白光分束器能对具有白光特性的太阳光进行分束，并且该分束比连续动态可调。

附图说明

图1为本发明中分光比可调的白光分束器原理图；

图2为入射光纤束、反射光纤束及透射光纤束的安装示意图；

图3为光纤束相对于准直透镜的位置图；

图4为透射率渐变镀膜片原理图；

图5为透射率渐变镀膜片的反射透射比随其长度变化的曲线图。

图中：白光分束器1、第一光纤束2、第一光纤调节器3、第一准直透镜4、第二光纤束5、第二光纤调节器6、第二准直透镜7、第三光纤束8、第三光纤调节器9、第三准直透镜10、透过率渐变镀膜片11、入射端口12、反射端口13、透射端口14、反射面15、第一端面16、第二端面17、第三端面18。

具体实施方式

如图1、2、3所示，分光比可调的白光分束器1是在白光分束器1上设有第一端面16、第二端面17、第三端面18，第一端面16平行于第三端面18同时垂直于第二端面17，第一端面16上设有入射端口12，第二端面17上设有反射端口13，第三端面18上设有透射端口14，入射端口12、反射端口13和透射端口14分别为内径相等的圆筒结构，入射端口12的轴线垂直于第一端面16，反射端口13的轴线垂直于第二端面17，透射端口14的轴线垂直于第三端面18，入射端口12上设有第一光纤束2、第一光纤调节器3、第一准直透镜4，第一光纤束2置于第一光纤调节器3内，第一准直透镜4置于靠近P4端口，第一光纤调节器3置于靠近P1端口，反射端口13上设有第二光纤束5、第二光纤调节器6、第二准直透镜7，第二光纤束5置于第二光纤调节器6内，第二准直透镜7置于靠近P5端口，第二光纤调节器6置于靠近P2端口，透射端口14上设有第三光纤束8、第三光纤调节器9、第三准直透镜10，第三光纤束8置于第三光纤调节器9内，第三准直透镜10置于靠近P6端口，第三光纤调节器9置于靠近P3端口，光纤调节器3、6或9的端面与准直透镜4、7或10中心的距离分别为1～20mm，白光分束器1内设有透过率渐变镀膜片11，透过率渐变镀膜片11与入射端口12、反射端口13、透射端口14成45度角，透过率渐变镀膜片11上设有反射面15，入射端口12、反射端口13、透射端口14的轴线在同一平面上，且位于透过率渐变镀膜片11的1/4～3/4高度处，入射端口12的轴线和透射端口14的轴线之间的距离为0～20mm，透过率渐变镀膜片11的反射面15通过准直透镜4的中心和准直透镜10的中心连线的中点，反射端口13的轴线与该中点之间的距离为0～20mm。，

所述的第一光纤束2、第二光纤束5或第三光纤束8由1～100根光纤组成，每根光纤的端口在一平面上，使用粘结剂(如环氧树脂等)分别将第一光纤束2、第二光纤束5或第三光纤束8固定在第一光纤调节器3、第二光纤调节器6或第三光纤调节器9内。同时使用粘结剂(如环氧树脂等)分别将第一光纤调节器3、第二光纤调节器6或第三光纤调节器9固定在入射端口12、反射端口13或透射端口14内。透过率渐变镀膜片11的高度为准直透镜的外径的1～3倍，透过率渐变镀膜片11的长度为准直透镜的外径的2～20倍。

如图4、5所示，透过率渐变镀膜片11对白光的反射透射比随着透过率渐变镀膜片11的长度单调变化。透过率渐变镀膜片11在与入射端口12、反射端口13、透射端口14成45度角的R方向上能相对连续移动。

透过率渐变镀膜片11的长度为L，高度为A，透过率渐变镀膜片11的反射面15放置在图4所示的方向上。透过率渐变镀膜片11在R方向上的移动是通过传动装置控制的，传动装置的控制是通过直线电机、步进电机或伺服电机完成的。

透过率渐变镀膜片11的反射透射比随其长度单调变化，即沿着透过率渐变镀膜片11的长度反射透射比单调增加或单调减小，且变化不一定是线性的，但是单调的。透过率渐变镀膜片11的反射透射比随其长度变化的曲线可以由很多种，图5是其中一种特殊曲线图，透过率渐变镀膜片11的透射反射比F(X)在其长度方向上是变化的，且变化是均匀的。X表示长度方向上的变量(0～L)，X＝0表示在透过率渐变镀膜片11的一端，X＝L表示在透过率渐变镀膜片11的另一端，F(X)表示透射反射比的大小。

通过在石英玻璃上镀渐变的反射膜，能实现透过率渐变镀膜片11的单调变化的透射反射比。镀膜的方法是在石英玻璃的不同长度上镀不通反射率的物质或控制所镀膜的密度。所镀的反射膜是具有反射能力的一系列物质，例如二氧化硅、二氧化钛、铝等。

本分光比可调的白光分束器1的工作过程如下：通过光纤束2引入的白光P1，经准直透镜4后变成平行白光束P4，再入射到透过率渐变镀膜片11，由于透过率渐变镀膜片11具有反射和透射双重特性，平行白光束P4一部分被反射面15反射后变成反射平行白光束P5，经准直透镜7后耦合到反射端口13内置的光纤束5，变成反射光并被光纤束5传输出去，平行白光束P4的另外一部分经过透过率渐变镀膜片11后变成透射光P6，经准直透镜10后耦合进透射端口14后，由光纤束8传输出系统。在整个过程中，如果在R方向上平行移动透过率渐变镀膜片11，则可以调节反射光强P5与透射光强P6的比值，从而实现对白光的强度分束及分光比的连续调节。

Claims (6)

1.一种分光比可调的白光分束器，其特征在于，在白光分束器(1)上设有第一端面(16)、第二端面(17)、第三端面(18)，第一端面(16)平行于第三端面(18)同时垂直于第二端面(17)，第一端面(16)上设有入射端口(12)，入射端口(12)是一圆筒结构，入射端口(12)的轴线垂直于第一端面(16)，第二端面(17)上设有反射端口(13)，反射端口(13)是一圆筒结构，反射端口(13)的轴线垂直于第二端面(17)，第三端面(18)上设有透射端口(14)，透射端口(14)是一圆筒结构，透射端口(14)的轴线垂直于第三端面(18)，入射端口(1 2)、反射端口(13)、透射端口(14)的轴线在同一平面上，且位于透过率渐变镀膜片(11的1/4～3/4高度处，入射端口(12)上设有第一光纤束(2)、第一光纤调节器(3)、第一准直透镜(4)，第一光纤束(2)置于第一光纤调节器(3)内，反射端口(13)上设有第二光纤束(5)、第二光纤调节器(6)、第二准直透镜(7)，第二光纤束(5)置于第二光纤调节器(6)内，透射端口(14)上设有第三光纤束(8)、第三光纤调节器(9)、第三准直透镜(10)，第三光纤束(8)置于第三光纤调节器(9)内，白光分束器(1)内设有透过率渐变镀膜片(11)，透过率渐变镀膜片(11)与入射端口(12)、反射端口(13)、透射端口(14)成45度角，透过率渐变镀膜片(11)上设有反射面(15)。

2.如权利要求1所述的一种分光比可调的白光分束器，其特征在于所述的第一光纤束(2)、第二光纤束(5)或第三光纤束(8)由1～100根光纤组成，每根光纤的端口在一平面上，第一光纤束(2)、第二光纤束(5)或第三光纤束(8)分别固定在第一光纤调节器(3)、第二光纤调节器(6)或第三光纤调节器(9)内。

3.如权利要求1所述的一种分光比可调的白光分束器，其特征在于所述的第一光纤调节器(3)、第二光纤调节器(6)或第三光纤调节器(9)分别固定在入射端口(12)、反射端口(13)或透射端口(14)内。

4.如权利要求1所述的一种分光比可调的白光分束器，其特征在于所述的透过率渐变镀膜片11的高度为准直透镜的外径的1～3倍，透过率渐变镀膜片11的长度为准直透镜外径的2～20倍。

5.如权利要求1所述的一种分光比可调的白光分束器，其特征在于所述的透过率渐变镀膜片(11)对白光的反射透射比随着透过率渐变镀膜片(11)的长度单调变化。

6.如权利要求1所述的一种分光比可调的白光分束器，其特征在于所述的透过率渐变镀膜片(11)在与入射端口(12)、反射端口(13)、透射端口(14)成45度角的方向上能相对连续移动。

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