CN101975358B - 一种多镜和多光纤耦合的太阳光模拟器光源 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学电子器件技术领域，具体为一种多镜和多光纤耦合的太阳光模拟器光源。本发明利用点光源发光在立体空间具有较宽发光张角的特点，采用多透镜和反射镜组合和光纤耦合的方式，在光源的空间发光张角范围内，实现光源能量的高效率利用和输出，是一种新型的太阳光模拟器件，可在绿色能源等领域获得实际应用。

Description

一种多镜和多光纤耦合的太阳光模拟器光源

技术领域

本发明属于光学电子器件技术领域，具体涉及一种多镜和多光纤耦合的太阳光模拟器光源。 

背景技术

在绿色太阳能等领域，各种光电转化和光热转化器件的研制和应用都需要在人工实验环境中模拟产生太阳光的辐射光谱，高效率提供从红外到紫外的宽广光谱太阳光模拟光源。所模拟和采用的各种光源一般都具有较大的立体发光张角，然而，虽然经过长期努力，研究并采用不同结构的光源采集系统，如采用不同焦距的单透镜采光、或采用椭球型、抛物型等聚焦反射镜采光，使得光源的采集效率有所提高，但由于这些光源采集器件不可能覆盖光源发光的全立体角，从光源立体张角内发出的光仍有相当大部分不能被有效收集，而被浪费了，这是长期未解决的技术困难。例如，采用单透镜或单反射镜聚光器件，仅与透镜和反射镜面积相对应部分的光被采集到；采用椭球型或抛物型等聚焦反射镜，汇聚在焦点上的光仅沿其前端出射方向的那部分光被利用，其余未被聚焦和沿后端出射的光都被浪费了。 

由于按上述常规方法设计的太阳光模拟器对光源能量的损失较大，为了模拟太阳光满足较高的光功率输出，必须采用很大功率的光源，如需要采用功率超过1000瓦的灯，但大功率灯的发光体的体积和面积都较大，并非是理想的点光源。因此，通过按点光源特征设计的透射和反射镜光学系统将难以获得均匀分布和低发散角的模拟太阳光输出特性。因此，在实际应用中，为获得均匀和低发散角输出的模拟太阳光源，不得外加光阑，显著缩小通光孔径，实际是缩小发光体的有效尺寸，满足理想点光源的光学原理等条件，但却以浪费更多的光功率和能量为代价。而为了获得大功率和大面积的均匀低发散角输出的模拟太阳光，必须进一步增加灯的功率，也相应增大了灯的发光体尺寸，但受到有效发光体尺寸效应的限制，太阳模拟器的有效光输出功率并不与灯功率成正比，却显著增加了系统的发热量，这是一种很低效率的太阳光模拟器应用模式。 

因此，设计一种多镜和多光纤偶合的太阳光模拟器光源，能够最大效率地采集到光源在发光立体角内的光，将能够显著提高光的输出功率，提高光源的利用效率，即在获得同等光输出功率的条件下，可采用较小的发光功率； 或在同等发光功率条件下，可获得较高的光输出功率降低功耗。由于采用了较小功率的发光器件，所用的光源的发光体尺寸较小，接近理想点光源条件，能避免因采用光阑带来的光强损失而满足输出均匀分布的低发散角模拟太阳光的应用条件，从而显著提高了光的利用率和效率，可满足在太阳能领域和其它光电子领域的应用需求。 

随着光纤技术的发展和应用，将有可能采用多镜组合与光纤耦合的方法，与光源的发光张角相匹配，最大限度地将光源发出来的光进行收集，有效光输出功率将大于传统太阳光模拟器光源器件4倍，甚至更高。 

发明内容

本发明的目的在于设计一种多镜组合和多光纤耦合的太阳光模拟器件光源，能够在与多种类光源，如钨灯、汞灯、氙灯、卤素灯、氘灯、硅棒灯、黑体辐射灯等光源的发光张角相匹配，实现高效率的光功率输出，组合镜和光纤耦合的器件的有效光输出功率大于传统光源采集器件4倍，甚至更高。 

本发明设计的高效率光功率输出器件，是一种多镜头（透镜和/或反射镜组合）和多光纤耦合的光源采集器件，是对通常采用单透镜或单反射聚焦镜等光源采集器件结构的改进。 在设计中，采用总数为n(n≥4)个镜头（透镜和/或反射镜），将n个镜头分成k(k≥1)层, 每层有c（c ≥ 4）个镜头,这n个镜头组合的每一层镜头通过透射和反射围绕发光源作排列，光源均被置于各镜头的焦点上。在光源发光立体角中发出的光被n个镜头采集和聚焦，由各镜头采集的光分别被耦合进光纤，光纤的总数为m(m≥4)。最后从集成光纤中将光输出。由于采用了n（n≥c）个镜头的组合，在中心层的镜头数目c≥ 4，集成光输出功率将是传统单透镜或单反射镜器件≥4倍。 

在器件设计中，按光源的波长工作区，可选用不同的镜头和光纤材料。如在可见光谱区，可选用光学玻璃或塑料作透镜和光纤材料，采用铝膜作反射镜材料；在近红外至近紫外光谱区，可选用熔石英作透镜和光纤材料，以及采用铝膜作反射镜材料；在中远红外光谱区，可选用ZnSe、Si、Ge等半导体透镜材料，采用金属/介质耦合的光纤器件，采用金膜作反射镜材料。 

镜头（透镜和反射镜）有两个焦距，分别记为f1和f2。光源被置于镜头的f1焦点上，具有与镜头f2焦距相匹配孔径的光纤被置于镜头的另一焦点f2上。 

以全透镜组合的实施方案为例，中心层的组合透镜结构为：以光源为圆心（也是透镜f₁的焦点），沿光源中心径向最强发光方向，在半径为f1（f1为透镜的光源采集焦距）的圆周长度L（L=2πf₁）位置，分别排列直径为d的c1个透镜，满足c1=L/d的关系。 

其它旁侧层的组合透镜结构为：与中心透镜层构成的圆周面平行，在沿中心层平面法线方向以及相距中心层+/-d的位置，采用与中心层相同的方式排列第二和第三旁侧透镜层，每层为c2个透镜，焦距为f1，直径为d。 总的透镜层数为k（k＝3）, 取决于光源的最大光发射张角。

因此，在设计中，取中心层k1层的透镜数c1＝8，上下旁侧层k2和k3层的透镜数c2=c3=4, 因此，总透镜数n＝16。虽然偏离中心发光层+/-d位置的光强有所减弱，总采集到光的输出功率P并不与透镜总数成比例,如设单一透镜的光输出功率为W, 则P＝ξW,式中ξ为功率增强因子， c1 < ξ < n，当取c1=8和 n=16值时， 功率增强因子ξ 的值约在8和16之间，至少可使光的输出功率提高8倍，实际可超过10倍。 

因此，采用此方案，按功率增强因子ξ＝13计算，采用75瓦的灯即获得大于1000瓦灯的光功率输出。由于小功率灯的发光体尺寸较小，更接近理想点光源条件，将能够在较低的功耗下获得更接近理想均匀分布低发散角的优质太阳模拟器光源特性，具有更高的有效光源利用率。 

附图说明

图1. 本发明的太阳光模拟器光源中心层k1层结构的俯视图,8个透镜（c1=8）围绕光源均匀分布，在360度的经向空间对光源进行高效率收集。 

图2. 本发明的太阳光模拟器光源三层透镜组合结构的截面图，上下旁侧层k2和k3层的透镜数c2=c3=4,在约110度的纬度方向内对光源进行高效率收集。 

图3. 本发明的太阳光模拟器光源的光源、透镜与光纤的耦合光路示意图，光源的弧长尺寸为1.3mm, 透镜直径为30mm， 焦距f1=30mm， 焦距f2=150mm,光纤的直径为1.5mm, 光纤的数值孔径为0.22,可实现最佳效率的光传输耦合。 

具体实施方式

下面结合附图和实施方案对本发明设计作进一步的说明。 

如图1-3所示。本发明设计的多镜头（透镜和反射镜组合）和多光纤耦合的光源采集器件的具体实施方式如下（以全透镜组合与光纤的耦合为例）： 

1. 光源： 采用可覆盖从近红外到近紫外（200－1000nm波长）光谱区的75瓦高压弧光氙灯作为光源，发光的弧长约1.3mm。

2. 采用熔石英透镜，直径d=30mm, (也可采用30x30mm的矩形透镜)，焦距f₁=30mm,f₂=150mm。 

3. 采用k=3层组合透镜。中心层k1的透镜数c1=8， 上下旁侧层k2和k3层的透镜数c2=c3=4，透镜总数n=c1+c2+c3=16个透镜。沿光源中心径向发光最强的方向，在距光源中心半径为30mm的圆周位置，周长为188.4mm, 将中心层k1层的8个透镜沿周长均匀排列，8个透镜沿圆周构成的总长度为180mm。光源置于每个透镜的焦点上。与中心透镜层构成的圆周面平行，在沿中心层平面法线方向以及相距中心层+/-d的位置上，采用与中心透镜层相同的方式，分别排列成第二和第三旁侧透镜层的k2和k3层，每层的透镜数c2=c3＝4。由这样3层n=16个透镜构成的光源采集器件，沿经度方向光的采集角接近360度，而沿纬度方向光的采集角大于110度，显著提高了光源的采集效率。 

4. 与弧长为1.3mm的光源发光体尺寸相匹配，采用工作于200－1000nm波长区的16根熔石英光纤，光导有效直径约为1.5mm，外径约为1.6mm，数值孔径为0.22，将石英光纤的进光端置于每个透镜的f₂焦点上，由光源发出的光，经每个透镜收集后将被高效率耦合进各光纤中。 

5. 将16根光纤的另一端熔融耦合在一起，其输出被耦合进另一根直径为1.5mm的光纤，通过光学系统，输出接近理想均匀分布和低发散角的高品质太阳光模拟光源，供不同领域的用户使用。 

由于采用了16个镜头组合与1.5mm直径光纤耦合的太阳光模拟器，发光弧长为1.3mm的75瓦氙灯实际输出的均匀分布低发散角的有效光功率将可超过1000瓦氙灯的光功率输出，从而显著提高了效率，节省了能源。 

在本方案中，还可采用透镜和反射镜的适当组合，如围绕光源对称分布有两个透镜，其中与的1个透镜可用具有相同焦距的反射镜代替，由反射镜反射的光被聚集后按原路返回，从另一透镜出射，与光纤耦合。因此，在透镜和反射镜适当组合的本方案中，可采用围绕光源对称分布的8个透镜和8个反射镜组合方式，与8根光纤耦合，实现高效率的模拟太阳光采集和输出，具有结构简单的优点。 

Claims (1)

1.一种太阳光模拟器光源，其特征在于由n个镜头构成的组合，光源，以及光纤耦合系统组成，n≥4；n个镜头围绕光源作k层组合排列；设每个镜头有两个焦距，分别记为f1和f2，光源被置于镜头的焦点 f1上，具有与镜头f2焦距相匹配孔径的n根光纤被置于镜头的焦点f2上；n个镜头分别将位于焦点f1位置的光源发出的光进行收集，聚焦，并耦合进n根光纤；将n根光纤的另一端熔融耦合在一起，其输出被耦合进另一根光纤，最后光从另一根光纤输出；n根光纤和另一根光纤组成光纤耦合系统； 

所述n个镜头构成的组合为全透镜组合，其中，中心层的组合透镜结构为：以光源即透镜的焦点f₁为圆心，沿光源中心径向最强发光方向，在半径为焦距f1的圆周位置，分别排列直径为d的c1个透镜，满足c1=L/d的关系，L为圆周长；旁侧层的组合透镜结构为：与中心层组合透镜构成的圆周面平行，在沿中心层平面法线方向以及相距中心层+/-d的位置，采用与中心层相同的方式排列第二和第三旁侧透镜层，每层为c2个透镜，透镜焦距为f1，透镜直径为d； 总的透镜层数k＝3，且c1=8，c2=4。

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