CN105988221A - 光束整形器 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种把高斯光整形成均匀光的光学元件，该元件中心轴两端分别设一入射光端口和一与光电转换芯片耦合的出射光端口，两端口之间设有大发散角光束的反射通道。反射通道由几面镜子围成，高斯光束通过通道时大散射角的光会被镜子反射回光束中心附近。整个高斯光束整形器可以由一个透明的玻璃长方体构成，利用全反射效应，不需镀膜，结构简单，成本低廉，出光口附近光均匀度好。

Description

光束整形器

技术领域

本发明涉及高斯光束整形器。

背景技术

激光光强在空间的分布一般不均匀，普遍都是中间高边缘低，典型的空间分布为高斯分布，光强离开中心越远越弱，趋势是先缓慢降低，然后快速降低，然后又变成缓慢的降低。这种非均匀分布给使用带来很多问题，光纤供电、材料处理、全息、医疗等领域都有把高斯光或类似高斯光转换为均匀光的需求。

光纤供电是在机房使用激光模块将电转化为激光，然后激光沿着光纤传递到远端，然后再用光电转化芯片把激光转化为电，驱动远端的电力装置。光纤供电没有电磁辐射，也不怕电磁干扰和雷电，是高压互感器中使用的一项新技术，并开始进入到其他领域。然而光电芯片能处理的最大光密度是有限的，现在的水平大概超过1W/mm²芯片就会饱和。为了输出大的电功率，必须把高斯光放大使得中心光强低于饱和密度，这时芯片面积很大，但是边缘的芯片远没有到饱和光强，很浪费芯片材料。比如一束高斯光束腰半径为1mm，中心光强为1W/mm²，则总激光光强为1.56W。如果想要芯片收集到95％的能量，则芯片半径必须大于1.22mm，面积为4.68mm²；如果想要接收到99％的能量，则半径为1.52mm，面积为7.26mm²。但是光束经整形后，形成理想的均匀光，这样一束光仅需要1.56mm²的芯片就够了，可以节约66％-80％的芯片。由于光电芯片都非常昂贵，把激光整形成均匀光很有意义。

从60年代起，人们就开始研究光束整形，到现在已经花费了大量的精力也取得了很大的成就。大分类有基于光折射的整形技术和基于衍射的整形技术，还有液晶技术。光折射技术的有Frieden的非球面透镜组光束整形、渐变折射率透镜光束整形、微透阵列整形等。这些整形器出来的光可以在较长的距离里面保持均匀，但是所有的这些技术都要求复杂而且精密的加工，成本极高，而且光损耗也比较大，如美国专利US008031414、US007400457等。

发明内容

为克服以上缺点，本发明提供一种结构简单、成本低的高斯光束整形器。

为实现以上发明目的，本发明提供：一种高斯光束整形器，包括一光学元件，该光学元件中心轴两端分别设一入射光端口和一与光电转换芯片耦合的出射光端口，两端口之间设有大发散角光束的反射通道。

所述光学元件由至少三面以上反射镜形成的柱体，所述大发散角光束反射通道由该空心体内壁镀介质膜形成。

所述反射镜为四面。

所述光学元件为实心玻璃棱柱，所述大发散角光束反射通道由该实心玻璃体外表面形成。

所述入射光端口呈凹球面。

所述光学元件入射光端口为正方形。

由于本发明高斯光束整形器仅采用了一个简单形状的光学元件，高斯光束经过由光学元件的反射镜面形成的柱体后，将远离中心轴边缘的大发散角光束反射回轴的附近，提高了芯片的利用率。发散角特别大的光束可能被反射两次甚至更多次。对于不同的高斯光，调整整形器的尺寸可以使得输出光在整形器输出口附近形成比较均匀的分布。

附图说明

图1表示高斯光束整形前的空间强度分布示意图；

图2表示本发明高斯光束第一实施例结构示意图；

图3表示图2所示整形器的立体结构示意图；

图4表示本发明高斯光束整形器第二实施例结构示意图；

图5表示本发明高斯光束整形器第三实施例结构示意图；

具体实施方式

下面结合附图详细描述本发明最佳实施例。

图1中线1表示高斯光强的分布，X轴表示离开高斯光中心的距离，光强对应于左边的Y轴。线2表示半径为x的圆内的光占总高斯光能量的比例，对于右边的Y轴。在此假定高斯光中心光强为1W/mm²，束腰半径为1mm。从图中可以看出光强和光能量的分布非常不均匀，在r＝0.59mm时，光强减弱到0.5W/mm²，这时候圆圈内的能量约为总能量的50％，面积为1.1mm²；在r＝1.22mm处光强变成很小的0.05W/mm²，r＝1.22的圈内也只有95％的总能量，面积为4.7mm²；只有半径增加到1.52mm，才能把99％的能量收集到，这时圆面积为7.26mm²，圆边缘的光强只有中心光强的1％。所以不位于中心的芯片的利用率非常的低。

图2和图3所示第一实施例的高斯光束整形器10A，包括一光学元件10A，该光学元件中心轴两端分别设一入射光端口11A和一与光电转换芯片耦合的出射光端口12A，两端口之间设有大发散角光束反射通道13A。在本实施例中，光学元件10A由四面反射镜14A构成，四个反射镜形成光束反射通道13A，如图2所示。高斯光束经入射光端口11A进入光束反射通道13A,通道的轴心就是高斯光束的传播方向。如果没有封闭的反射通道的反射镜束缚，高斯光会逐渐发散，光分布的范围变得越来越大，但是在反射镜的约束下，大发散角的光波经反射镜反射后重新回到高斯光束中心附近，最后在出射光端口12A与直接穿透反射通道的光波进行叠加，实现光束整形。

上述整形器出光端口12A附近可以得到很好的均匀光。比如一个特殊的例子：反射通道是一个正四边棱镜，也就是入射光端口是正方形，边长为L，棱镜长为H，满足下面两个公式，并把整形器的轴心与光束的传播方向重合，输出端口附近的光均匀度能达到95％，理论损耗小于1％。

L≤0.9*R …………………………(1)

$H=\frac{R}{\tan \left(\frac{\mathrm{\θ}}{2}\right)}*(1-\frac{L}{1.52*2*R})...\left(2\right)$

公式中θ表示光束发散角；

公式中R表示在出光端口12A处自由传输高斯光束束腰半径。

L与R的比值越小，出射光分布得越均匀。但是当L小于0.9R后均匀度改善很小，再减小L值意义不大。表1给出出射光端口12A处的光强分布，高斯光中心为原点(0，0)，出光端口两个边的方向X、Y轴方向，由于对称性表(1)只给出了第一象限的值。表1假设没有整形器的时候，出射光端口12A中心位置光强为1个单位；X，Y值表示束腰半径的倍数。如(0.45，0.45)＝1.850，表示在X轴和Y轴都离开轴心0.45个束腰半径的地方光强是1.850个单位。

表1 出射端口某一点的相对光强

由图4所示第二实施例的的高斯光束整形器10B，包括一实心玻璃体的光学元件10B，该光学元件中心轴两端分别设一入射光端口11B和一与光电转换芯片耦合的出射光端口12B，两端口之间设有大发散角光束反射通道13B，该光束反射通道由该实心玻璃体10B外表面14B形成。高斯光束经入射光端口11B入射进入光束反射通道13B，大角度光波传播到实心玻璃体10B表面时会发生全反射，反射回来的光在出射光端口12B叠加，实现光束整形。该实施例中镜子不需要额外制作，在玻璃通道中传播的光波在玻璃表面发生全反射，结构简单。当然高斯光在从空气进入到玻璃通道时候发散角变小，通道的长度比空气通道要长，光学技术人员很容易计算出长度会增大多少，不再赘述。

如图5所示第三实施例的的高斯光束整形器，是将第二实施例中的实心玻璃体的光学元件10B进行改进，使入射光端口呈凹球面，放大了高斯光束在整形器中的发散角，从而缩短光束整形器的高度。

本发明也并不局限于上述的具体实施特例，本领域的技术人员可以很容易的做一些修改以适应不同的情况，在不违背本发明原则的情况下他们都属于本发明的内容。比如有时光电芯片是长方形，长宽为L、W，这时可以把整形器设计为长方体，出射端口与芯片等长宽，把W带入公式(2)即求出整形器的长H。再比如，激光芯片出来的光在快慢轴方向上发散角和束腰都差别很大，可以在快慢两个轴上算出各自的宽度L1、L2作为整形器出射端口的长宽，任意轴上参数算出的H做整形器的长度，就可以得到一个不错的整形器。

现实中光纤、或者激光芯片出来的激光都不是理想的高斯光束，而是类高斯分布，本发明仍然能取得不错的效果，显然本也是本发明的内容。

Claims (6)

1.一种高斯光束整形器，包括一光学元件，该光学元件中心轴两端分别设一入射光端口和一与光电转换芯片耦合的出射光端口，其特征在于，两端口之间设有大发散角光束的反射通道。

2.根据权利要求1所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光学元件由至少三面以上反射镜围成的中空柱体，所述大发散角光束反射通道由该空心体内壁镀介质膜形成。

3.根据权利要求2所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述中空体为长方体。

4.根据权利要求1所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光学元件为实心玻璃长方体，所述大发散角光束反射通道由该实心玻璃体外表面形成。

5.根据权利要求4所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述入射光端口加工成凹球面形。

6.根据权利要求3或4所述的高斯光束整形器，其特征在于，所述光学元件出射光端口为正方形。