CN105680317A - 基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法 - Google Patents

基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其步骤为：1）宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，在宽光谱光源输出端分光进行功率控制；2）光场分束，构成空间上波长分散准直光束；3）利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，在可调节夹缝透过光场出进行分束对波长进行检测，4）利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节光源的构建。本发明具有构建方法简单、方法容易实现、波长可调节范围大、波长调节灵活、功能易于扩充、智能化程度高、可实现非相干光束输出、稳定性高、使用便利等特点。

Description

基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法
技术领域
本发明涉及一种光源构建方法，特别是一种基于宽光谱分束合束的波长可调节非相干光源构建方法，主要用于光电检测、光学照明、光学加工、光学显微、光学微操纵、光谱技术、光学测量、光化学、光学成像、激光医学、光学投影、光学编码、荧光激发等领域中的光源。
背景技术
物理学上光源指能发出一定波长范围的电磁波的物体，电磁波包括可见光与紫外线、红外线、x射线等不可见光，光源通常指能发出可见光的发光体。光源种类很多，例如，热辐射光源指的是电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源，包括白炽灯和卤钨灯两种；气体放电光源指电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源，气体放电有弧光放电和辉光放电两种；电致发光光源指在电场作用下，使固体物质发光的光源。它将电能直接转变为光能。光源广泛应用于光电检测、光学照明、光学加工、光学显微、光学微操纵、光谱技术、光学测量、光化学、光学成像、激光医学、光学投影、光学编码、荧光激发等领域，发挥着至关重要的作用。
在先技术中，存在一种波长可调节光源构建方法，参见美国专利，专利名称：Coherentwavelengthtunablelaserapparatus，发明人：KiHongYoon等五人，专利号：US9099839B1，专利授权时间：2015年08月04日，虽然存在一定的特点，但是仍然存在本质不足，1）利用激光谐振腔几何结构调节输出波长，调节增益实现增益大于损耗，达到激光输出，系统复杂，光源构建方法实现难度大；2）受限于增益介质本质增益特性，系统波长调节范围有限；3）光源系统构建后不易调整，并且对机械定位要求高，系统构建以及波长调节灵活性差，功能可扩充性不强，智能化程度低；4）本系统实现激光光束输出，本质上无法实现非相干光束输出，此光源构建方法在本质上不能用于构建波长可调节非相干光源。
发明内容
本发明的目的在于针对上述技术的不足，提供一种基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，具有构建方法简单、方法容易实现、波长可调节范围大、波长调节灵活、功能易于扩充、智能化程度高、可实现非相干光束输出、稳定性高、使用便利等特点。
本发明的技术方案是：一种基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其步骤为：1）宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，在宽光谱光源输出端分光进行功率控制；2）光场分束，构成空间上波长分散准直光束；3）利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，在可调节夹缝透过光场出进行分束对波长进行检测，4）利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节光源的构建。
所述步骤1）的具体步骤：宽光谱光源在驱动部件控制下出射光束，宽光谱光源出射光束的光路上设置光束调整部件、第一分光元件，光束调整部件调节光束参数或传播特性，对光束进行整形，达到准直传播要求，第一分光元件将光源出射光束部分能量分束，由功率光电探测器接受，作为宽光谱光源出射光强功率稳定控制的反馈信号，控制宽光谱光源输出功率稳定；
所述步骤2)的具体步骤：宽光谱分束元件将入射准直宽光谱光束在空间上按照波长进行分束，发生色散行为，形成发散多波长光束，分束后光束经过光束准直组件进行准直，构成空间上波长分散准直光束；
所述步骤3)的具体步骤：在空间上波长分散准直光束光路上设置有可移动空间滤波器，允许射在空间滤波器上通光孔的光束通过，在位移控制器的驱动控制下，移动空间滤波器位置，实现所需要波长光束的通过，同时在空间滤波器的光束出射一侧光路上设置有第二分光元件，第二分光元件与空间滤波器相互刚性连接，分出光束由光谱探测部件检测，对空间滤波器出射光束波长进行验证；
所述步骤4)的具体步骤：空间滤波器出射光束经过会聚组件改变光束传播方向，射向宽光谱合束元件，经过步骤3）进行不同波长选择输出时，经过宽光谱合束元件后，均由宽光谱合束元件同一输出点出射，并且出射方向相同；控制分析单元与功率光电接收器、位移控制器、光谱探测部件相连接，对所选波长输出功率和波长进行闭环控制，实现高性能波长可调节光源。
所述的步骤1)中宽光谱光源为氙灯、钨灯、自然发光体、多波长激光系统或可调谐激光器中的任一种。
所述的步骤1)中光束调整部件为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件或微纳结构光束调整部件中的任一种。
所述的步骤2)中宽光谱分束元件为光栅分束元件、棱镜分束元件或微纳分束元件中的任一种。
所述的步骤4)中宽光谱合束元件为光栅合束元件、棱镜合束元件或微纳合束元件中的任一种。
所述的步骤4)中控制分析单元为计算机、嵌入式系统、数字信号处理器或移动终端设备中的任一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1）在先技术利用激光谐振腔几何结构调节输出波长，调节增益实现增益大于损耗，达到激光输出，系统复杂，光源构建方法实现难度大。本发明基于色散元件作用机理，宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，在宽光谱光源输出端分光进行功率控制，进行光场分束，利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，实现光源输出波长选择，具有构建方法简单和方法容易实现的特点；
2）由于在先技术受限于增益介质本质增益特性，系统波长调节范围有限。本发明本质上为在宽光谱光源输出光束后对波长进行展开和选择通过，对宽光谱光源没有限制，系统波长可选择性广泛，可调节输出波长范围大,波长调节灵活；
3）由于在先技术光源系统构建后不易调整，并且对机械定位要求高，系统构建以及波长调节灵活性差，功能可扩充性不强，智能化程度低。本发明中，原理上基于宽光谱分束合束,在构建过程中采用模块化处理,构建系统对定位要求不高,并且部件布置灵活性高,方法具有功能易于扩充、智能化程度高、构建灵活等特点；
4）在先技术实现激光光束输出，本质上无法实现非相干光束输出，此光源构建方法在本质上不能用于构建波长可调节非相干光源。本发明对宽光谱光源没有限制,并且在可调节夹缝透过光场出进行分束对波长进行检测，然后利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节非相干光源的构建，具有可实现非相干光束输出、稳定性高、使用便利等特点。
附图说明
图1为本发明的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
一种基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法的基本构思是：基于色散元件作用机理，宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，在宽光谱光源输出端分光进行功率控制，进行光场分束，利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，在可调节夹缝透过光场出进行分束对波长进行检测，然后利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节光源的构建。
如图1所示，本发明的实施例的具体实现步骤为：
步骤(1)宽光谱光源1在驱动部件控制下出射光束，宽光谱光源1出射光束的光路上设置有光束调整部件2、第一分光元件3，光束调整部件2调节光束参数或传播特性，对光束进行整形，达到准直传播要求，第一分光元件3将光源出射光束部分能量分束，由功率光电探测器4接受，作为宽光谱光源出射光强功率稳定控制的反馈信号，控制宽光谱光源输出功率稳定；本实施例中宽光谱光源采用氙灯，光束调整部件2采用透镜式光束调整部件，第一分光元件3采用宽光谱分光棱镜，功率光电探测器4采用功率计；
步骤(2)宽光谱分束元件5将入射准直宽光谱光束在空间上按照波长进行分束，发生色散行为，形成发散多波长光束，分束后光束经过光束准直组件6进行准直，构成空间上波长分散准直光束；本实施例中，宽光谱分束元件5采用光栅，光束准直组件6采用透射式准直透镜组；
步骤(3)在空间上波长分散准直光束光路上设置有可移动空间滤波器7，允许射在空间滤波器7上通光孔的光束通过，在位移控制器8的驱动控制下，移动空间滤波器7位置，实现所需要波长光束的通过，同时在空间滤波器7的光束出射一侧光路上设置有第二分光元件9，第二分光元件9与空间滤波器7相互刚性连接，分出光束由光谱探测部件10检测，对空间滤波器7出射光束波长进行验证；本实施例中，空间滤波器7为具有矩形夹缝的可移动滤波器，光谱探测部件10为光谱仪；
步骤(4)空间滤波器7出射光束经过会聚组件11改变光束传播方向，射向宽光谱合束元件12，宽光谱合束元件12与宽光谱分束元件5为同类部件，区别是光束入射方向相反，经过步骤（3）进行不同波长选择输出时，经过宽光谱合束元件12后，均由宽光谱合束元件12同一输出点出射，并且出射方向相同；
步骤（5）控制分析单元13与功率光电接收器4、位移控制器8、光谱探测部件10相连接，对所选波长输出功率和波长进行闭环控制，实现高性能波长可调节光源。
本实施例成功实现了宽可调谐范围的非相干光源构建，波长在200nm至780nm内可调谐非相干光束输出，并且波长和功率实现了实时控制，具有构建方法简单、方法容易实现、波长可调节范围大、波长调节灵活、功能易于扩充、智能化程度高、实现非相干光束输出、稳定性高、使用便利等特点。
本发明中色散元件原理与使用、光电检测技术、光谱分析技术、高精度位移控制技术、多信息融合技术均为成熟技术。本发明的发明点在于基于色散元件作用机理，宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，进行光场分束，利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，然后利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节光源的构建，给出一种构建方法简单、方法容易实现、波长可调节范围大、波长调节灵活、功能易于扩充、智能化程度高、可实现非相干光束输出、稳定性高、使用便利的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法。

Claims (10)

1.一种基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于，其步骤为：1）宽光谱光源经过色散元件在波长维度上进行空间域展开，在宽光谱光源输出端分光进行功率控制；2）光场分束，构成空间上波长分散准直光束；3）利用空间位置可调节夹缝进行波长通过选择，在可调节夹缝透过光场出进行分束对波长进行检测，4）利用色散元件反向作用原理，将所选波长光束导入固定输出光路上，实现波长可调节光源的构建。
2.根据权利要求1所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述步骤1）的具体步骤：宽光谱光源（1）在驱动部件控制下出射光束，宽光谱光源（1）出射光束的光路上设置光束调整部件（2）、第一分光元件3，光束调整部件（2）调节光束参数或传播特性，对光束进行整形，达到准直传播要求，第一分光元件（3）将光源出射光束部分能量分束，由功率光电探测器（4）接受，作为宽光谱光源出射光强功率稳定控制的反馈信号，控制宽光谱光源输出功率稳定。
3.根据权利要求1所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述步骤2)的具体步骤：宽光谱分束元件（5）将入射准直宽光谱光束在空间上按照波长进行分束，发生色散行为，形成发散多波长光束，分束后光束经过光束准直组件（6）进行准直，构成空间上波长分散准直光束。
4.根据权利要求1所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述步骤3)的具体步骤：在空间上波长分散准直光束光路上设置有可移动空间滤波器（7），允许射在空间滤波器（7）上通光孔的光束通过，在位移控制器（8）的驱动控制下，移动空间滤波器（7）位置，实现所需要波长光束的通过，同时在空间滤波器（7）的光束出射一侧光路上设置有第二分光元件（9），第二分光元件（9）与空间滤波器（7）相互刚性连接，分出光束由光谱探测部件（10）检测，对空间滤波器（7）出射光束波长进行验证。
5.根据权利要求1所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述步骤4)的具体步骤：空间滤波器（7）出射光束经过会聚组件（11）改变光束传播方向，射向宽光谱合束元件（12），经过步骤3）进行不同波长选择输出时，经过宽光谱合束元件（12）后，均由宽光谱合束元件（12）同一输出点出射，并且出射方向相同；控制分析单元（13）与功率光电接收器（4）、位移控制器（8）、光谱探测部件（10）相连接，对所选波长输出功率和波长进行闭环控制，实现高性能波长可调节光源。
6.根据权利要求1或2所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述的步骤1)中宽光谱光源（1）为氙灯、钨灯、自然发光体、多波长激光系统或可调谐激光器中的任一种。
7.根据权利要求2所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述的步骤1)中光束调整部件（2）为透镜式光束调整部件、反射式光束调整部件、液晶光束调整部件或微纳结构光束调整部件中的任一种。
8.根据权利要求3所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述的步骤2)中宽光谱分束元件（5）为光栅分束元件、棱镜分束元件或微纳分束元件中的任一种。
9.根据权利要求5所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述的步骤4)中宽光谱合束元件（12）为光栅合束元件、棱镜合束元件或微纳合束元件中的任一种。
10.根据权利要求1所述的基于宽光谱分束合束的波长可调节光源构建方法，其特征在于：所述的步骤4)中控制分析单元（13）为计算机、嵌入式系统、数字信号处理器或移动终端设备中的任一种。
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