CN105572881A - 一种分光比可调的自由空间光分束器 - Google Patents

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谭中奇
张晓宝
罗治福
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Abstract

本发明公开了一种分光比可调的自由空间光分束器，它属于传统光学技术领域。本发明由全反射棱镜、摆片、导光棱镜、推挽装置四个部分组成，利用全反射棱镜全反射面与摆片形成光学隧道效应，配合导光棱镜将待分束光分为透射光和反射光两部分，通过推挽装置控制光学隧穿距离实现其透射光、反射光分光比的动态调节。本发明具有原理简单、动态调节范围大、易于实现，以及对光波长和偏振态依耐性不强等特点，有望在光学检测、光学计量等传统光学重要领域得到广泛应用。

Description

一种分光比可调的自由空间光分束器
技术领域
本发明涉及光学技术领域，尤其是指一种分光比可调的自由空间光分束器。
背景技术
光分束器，是可将一束光分成两束光或多束光的光学元件，是各类光学仪器和光学实验系统的基本器件。目前，光分束器被广泛应用于光学或光电系统、光学计算、图像处理、光纤通信以及光学信息处理等领域中。光功率分束器(或称为振幅分束器)作为光分束器的一种，是众多光学或者光电系统仪器中不可或缺的关键器件之一，在系统中起着有效配置光功率分配的重要作用，以实现光学或者光电系统的基本功能。本发明中，若无特别说明，所谓的光分束器，主要指的光功率分束器。
根据传播介质的不同，光分束器通常主要分为波导型光分束器及自由空间光分束器两大类。近些年来，随着光学计算、光学信息处理技术的不断发展，以及通讯网络智能化和光纤通信中分束器的大量应用，波导型可调分光比分束器的研究引起了越来越多研究人员的关注和重视。该方面研究不仅可以解决分束器与可调光子器件之间组装的问题，同时也可以动态地满足系统中各个器件在不同时刻对光功率的需求，这对于构建动态光学系统、提升现有系统性能有着十分重要的意义。同时，作为一个动态可调的器件，波导型可调分光比分束器可以代替原有系统中具有其他功能的光学器件，譬如光纤衰减器、光纤调Q器件等，从而有效降低系统的复杂度，提高系统的集成度。基于上述原因，新型波导型可调分光比分束器一直是研究热点，不少创新方案被提出。譬如，南昌大学的石哲、廖清华所著的《一种可调能量输出比光子晶体波导耦合分束器》【《光通信研究》，2009，第3期(3):43～44】一文中所提出的一种可调分束器方案，该方案对传统1×2型分束器进行改进，在对称的3平行光子晶体波导耦合器研究基础上，设计了一种新型的可调能量输出比的1×2型光子晶体波导定向耦合分束器，通过非对称地改变耦合区的一排介质柱的折射率，实现了输出能量比在一定范围内的自由调节。此外，由电子科技大学唐雄贵等人发表的《基于热膨胀效应的可调光功率分束器设计》【《物理学报》，2013，62(2)：024218-1～6】一文中，基于空隙槽型Y分支波导结构，利用热膨胀效应提出一种新型可调光功率分束器，通过调控温度来改变分支处空隙槽的宽度，以实现其分支波导光功率输出的动态变化。
相比于波导型光分束器，自由空间光分束器作为一种传统光学的重要器件，其研究和创新也较为活跃。通常而言，传统的自由空间光分束器一般由金属膜或介质膜构成，虽然具有不尽相同的形态，但其分光比通常固定，为静态型的分束器，这不仅使其应用领域和范围受到较大限制，在与其他可调光学器件组合时也会产生不少问题。此外，经典的自由空间光分束器方案中，利用二分之一玻片和偏振分光棱镜的组合虽然可以实现分光比的可调分束，但该方案对分束光的波长和偏振态依耐性较强，在一些特殊应用场合存在明显不足。因此，针对自由空间光，如何简单实现光功率的分光比动态调节，进而更好地实现光学或光电系统中分光比动态调节，是一个值得深入研究的问题。针对自由空间光分束器，为解决上述问题，本发明基于光学隧道效应提出了一种新方案：一种分光比可调的自由空间光分束器。该发明具有原理简单、动态调节范围大、易于实现，以及对光波长和偏振态依耐性不强等特点，有望在光学检测、光学计量等传统光学重要领域得到广泛应用。
发明内容
本发明针对现有自由空间可调分光比光分束器方案在结构复杂性、对光波长和偏振态依赖性等方面存在的不足，基于光学隧道效应，提出一种分光比可调的自由空间光分束器，目的是解决自由空间光的功率有效分配问题，动态满足光学或者光电系统在不同时刻对光功率的需求，以期提高现有光学或者光电系统性能，构建新型动态光学或者光电系统。
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案为：一种分光比可调的自由空间光分束器，由全反射棱镜、摆片、导光棱镜、推挽装置组成，待分束光从所述全反射棱镜的一个非全反射面进入，以大于全反射角度入射到全反射棱镜的全反射面上，摆片安装在全反射棱镜全反射面外侧，摆片内侧中心区域与全反射棱镜全反射面的距离为待分束光的波长量级，摆片外侧中心区域安装有导光棱镜，由于摆片内侧中心区域与全反射棱镜全反射面之间光学隧道效应的存在，所述待分束光在全反射棱镜全反射面上形成隧穿光和反射光，反射光经过全反射棱镜另一个非全反射面直接出射，隧穿光经由摆片和导光棱镜传导出射后形成透射光，实现自由空间光的分束，所述摆片外侧导光棱镜的四周安装有推挽装置，通过所述推挽装置在垂直于摆片侧面方向推拉摆片，改变摆片内侧中心区域与全反射棱镜全反射面之间的光学隧穿距离，实现待分束光在全反射棱镜全反射面处形成的透射光与反射光功率的比例调节。
所述全反射棱镜、摆片及导光棱镜均为低吸收散射损耗的透明玻璃材料，所述全反射棱镜、摆片及导光棱镜的各个表面均为光学表面，有较高的光洁度，表面起伏达到甚至优于纳米量级。
所述全反射棱镜、摆片及导光棱镜的各光学表面均具有较好的面型，面型光圈优于十分之一入射光波长、局部光圈优于二十分之一入射光波长。
所述摆片为光学材料平行薄片，在垂直于摆片侧面方向容易因外部力作用而发生形变。
所述摆片光学折射率大于摆片内侧中心区域与全反射棱镜全反射面之间空气的折射率。
所述摆片通过在内侧外圈涂胶或者铟封方式或者镀膜光胶方式固定在全反射棱镜全反射面外侧。
所述导光棱镜以光胶方式固定在摆片外侧中心区域，用于破坏摆片内光的全反射条件，实现隧穿光的出射，从而形成透射光。
所述推挽装置采用电磁式、静电式或者压电式推挽，为摆片垂直于侧面方向提供推拉作用力，改变摆片内侧中心区域与全反射棱镜全反射面之间的光学隧穿距离。
所述全反射棱镜的非全反射面均镀有增透膜或者设计成布鲁斯特角度，以减少待分束光在这些表面的反射损耗。
本发明具有以下技术效果：
1.分光比对光的波长及偏振态不敏感，稳定性强；
2.结构相对简单，便于应用中集成和使用；
3.制作相对简易，无需新器件和新型工艺；
4.成本较为低廉，便于今后的推广与应用。
附图说明
图1为本发明的结构示意图：图中，1为全反射棱镜、2为摆片、3为导光棱镜、4为推挽装置；
图2为摆片及推挽装置实施例一的俯视图及剖面图；
图3为本发明的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种分光比可调的自由空间光分束器，主要由全反射棱镜1、摆片2、导光棱镜3、推挽装置4组成。全反射棱镜1、摆片2及导光棱镜3均为石英玻璃材料，各元件表面均经过抛光处理，为光学表面，其中全反射棱镜1和导光棱镜3均为直角等腰棱镜，摆片2为圆形薄片，图2为摆片及推挽装置实施例一的俯视图及剖面图。
待分束光I0经全反射棱镜1一侧镀有增透膜的直角面以45°角入射到全反射棱镜1的斜面(即全反射面)上，根据光学原理，若在全反射棱镜全反射面外侧为低折射率介质(如空气)，可知待分束光I0将在全反射面发生全反射现象，即所有光功率将通过全反射棱镜1另一侧镀有增透膜的直角面射出，而无隧穿光(即透射光)。在全反射棱镜1全反射面外侧通过胶粘方式放置摆片2，并使得摆片2内侧中心区域与全反射棱镜全反射面之间的距离为待分束光的波长量级，摆片2外侧中心区域以光胶方式固定导光棱镜3，由于光学隧道效应的存在，原来在全反射棱镜1全反射面处形成的全反射条件被破坏，待分束光I0将被分成透射光It和反射光Ir两束，由此实现自由空间光的分束，摆片2外侧的导光棱镜3四周连接有用压电陶瓷制作的推挽装置4，利用推挽装置4在垂直于摆片2侧面方向推拉摆片2，使得摆片2内侧中心区域与全反射棱镜1全反射面之间的光学隧穿距离改变，即可实现隧穿光功率的调节，也即实现了自由空间透射光与反射光分光比的动态调节：当需要增大透射光与反射光的分光比时，利用推挽装置4推动摆片2使得其内侧中心区域靠近全反射棱镜1的全反射面，由此减少光学隧穿距离，从而增大透射光功率、减少反射光功率；反之，当需要减少透射光与反射光的分光比时，利用推挽装置4拉动摆片2使得其内侧中心区域远离全反射棱镜1的全反射面，由此增大光学隧穿距离，从而减少透射光功率、增大反射光功率。
本发明源对光全反射现象分析和思考以及对光学隧道效应原理的学习和理解，其本质是利用光学隧道效应将待分束光在光学全反射面上分成透射、反射两部分，并通过控制隧穿距离调节待分束光在全反射面上的透射与反射光功率的比例。为了清楚阐述本发明的测量原理，先了解光学原理中几个重要的概念，即光的全发射现象及消逝波(又称为隐失场或者倏逝波)概念【丁德金，“光学隧道效应，”《大学物理》，1991，第2期，37～38】。如图3所示，当光波在从折射率为N1的光密介质1入射到折射率为N2的光疏介质2，且入射角度大于全反射角θc【θc＝sin-1(N2/N1)，N1>N2】，光波在全反射面的外侧并不立即消失，而是透入到光疏介质2约波长量级的深度，其振幅随着距离z按指数规律衰减，并且在入射面内沿着界面方向传播一段距离后，再返回到光密介质1【季家镕，“高等光学教程-光学的基本电磁理论，”科学出版社，2007,74～83】。若在折射率为N2的光疏介质2的外侧放置另一种折射率为N3的光密介质3(N3>N2)，并使得光疏介质2与光密介质3的界面平行且距离为光波长量级，光能从光密介质1隧穿光疏介质2进入光密介质3，这种现象即被称为光学隧道效应。假设光疏介质2为空气，光密介质1与光密介质3为同等玻璃材料，即N1＝N3＝N，则可以得到如下公式：
式中的It为隧穿光(透射光)功率，I0为待分束光总功率，z为两光密介质2与3间的距离(即光疏介质2的厚度)，λ为空气中的光波长、θ为入射角。从公式(1)可知，利用该光学隧道效应，通过改变两光密介质1与3间的距离，即可调节从光密介质3中隧穿出的光功率强度，依照能量守恒原理(即I0＝It+Ir，不考虑其他损耗情况)，即可方便地实现透射光与反射光的比例调节。
以上是发明人给出的本发明一个实现的具体例子，但本发明并不局限于该实例。只要是在本发明技术方案结构上做的简单变化，均应属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述分束器由全反射棱镜(1)、摆片(2)、导光棱镜(3)、推挽装置(4)组成，待分束光从所述全反射棱镜(1)的一个非全反射面进入，以大于全反射角度入射到全反射棱镜(1)的全反射面上，摆片(2)安装在全反射棱镜(1)全反射面外侧，摆片(2)内侧中心区域与全反射棱镜(1)全反射面的距离为待分束光的波长量级，摆片(2)外侧中心区域固定有导光棱镜(3)，由于(2)摆片内侧中心区域与全反射棱镜(1)全反射面之间光学隧道效应的存在，所述待分束光在全反射棱镜(1)全反射面上形成隧穿光和反射光，反射光经过全反射棱镜(1)另一个非全反射面直接出射，隧穿光经由摆片(2)和导光棱镜(3)传导出射后形成透射光，实现自由空间光的分束，所述摆片(1)外侧导光棱镜的四周安装有推挽装置(4)，通过所述推挽装置(4)在垂直于摆片(2)侧面方向推拉摆片，改变摆片(2)内侧中心区域与全反射棱镜(1)全反射面之间的光学隧穿距离，实现待分束光在全反射棱镜(1)全反射面处形成的透射光与反射光功率的比例调节。
2.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述全反射棱镜(1)、摆片(2)及导光棱镜(3)均为低吸收散射损耗的透明玻璃材料，所述全反射棱镜(1)、摆片(2)及导光棱镜(3)的各个表面均为光学表面，有较高的光洁度，表面起伏达到甚至优于纳米量级。
3.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述全反射棱镜(1)、摆片(2)及导光棱镜(3)的各光学表面均具有较好的面型，面型光圈优于十分之一入射光波长、局部光圈优于二十分之一入射光波长。
4.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述摆片(2)为光学材料平行薄片，在垂直于摆片侧面方向容易因外部力作用而发生形变。
5.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述摆片(2)光学折射率大于摆片内侧中心区域与全反射棱镜(1)全反射面之间空气的折射率。
6.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述摆片(2)通过在内侧外圈涂胶或者铟封方式或者镀膜光胶方式固定在全反射棱镜全反射面外侧。
7.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述导光棱镜(3)以光胶方式固定在摆片(2)外侧中心区域，用于破坏摆片内光的全反射条件，实现隧穿光的出射，从而形成透射光。
8.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述推挽装置(4)采用电磁式、静电式或者压电式推挽，为摆片(2)垂直于侧面方向提供推拉作用力，改变摆片(2)内侧中心区域与全反射棱镜(1)全反射面之间的光学隧穿距离。
9.根据权利要求1所述分光比可调的自由空间光分束器，其特征在于：所述全反射棱镜(1)的非全反射面均镀有增透膜或者设计成布鲁斯特角度，以减少待分束光的反射损耗。
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