CN107843987A - 组合四棱锥镜分光装置 - Google Patents

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刘柯阳
刘彦祺
冷雨欣
刘征征
陈凌如
唐云海
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/10—Beam splitting or combining systems
    • G02B27/12—Beam splitting or combining systems operating by refraction only
    • G02B27/126—The splitting element being a prism or prismatic array, including systems based on total internal reflection

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Abstract

一种组合四棱锥镜分光装置，由同光轴的四棱锥顶方向相同的透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜组合而成。本发明分光装置能保障分光后4路激光光束沿原光路方向传输，解决了传统分光方法的缺陷，具有适用性好、光能利用率高、结构简单、可调节性高等优点。通过改变透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜之间的距离，能够灵活地改变输出光斑狭缝的大小。

Description

组合四棱锥镜分光装置
技术领域
本发明涉及分光装置，特别是一种组合四棱锥镜分光装置。
背景技术
目前，针对相关技术的要求，需要将激光光束截面分为四块，并保证分光后的激光光束沿原光路传输，以待进行后续使用。传统的分光装置，例如特殊的软性光阑，如图6所示，能够做到将激光光束截面分为四块，并能够沿原光路传播。软性光阑的分光原理就是利用光阑的特性限制激光光束某个区域的传输，从而将光束截面分割成四块，但是软性光阑限制某个区域的传输会导致该区域光束能量的损失，造成激光光束能量利用率降低，不能够达到实验的要求，并且要求的光斑狭缝越大，则能量损失越大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种组合四棱锥镜分光装置，该分光装置将激光光束截面分成四块，并沿原光路方向传输，解决了传统分光方法的缺陷，具有适用性好、光能利用率高、结构简单、可调节性高等优点。通过改变透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜的间距，能够灵活地改变输出光斑狭缝的大小。
本发明解决技术方案如下：
一种组合四棱锥镜分光装置，其特点在于：由沿光束方向同光轴的四棱锥顶方向相同的透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜组合而成，所述的凹四棱锥镜由正凹四棱锥和第一正方体一体构成，所述的正凹四棱锥的高为d1，所述的正凹四棱锥的侧棱与底面的对角线夹角为α，所述的第一正方体的高为d2；所述的透射式凸四棱锥镜由第二正方体和正凸四棱锥一体构成，所述的第二正方体的高为d3，所述的正凸四棱锥的高为d4，所述的正凸四棱锥的侧棱与底面对角线夹角为β，所述的凹四棱锥的底边和正凸四棱锥的底边长度相等，且d1＝d4，d2＝d3，α＝β。
所述的透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜的间距为D，分光后的垂直和水平方向光斑之间狭缝的大小为D′，即
其中
n1是空气折射率，n2是棱镜材料折射率，α1是光正入射所述的透射式凹四棱锥镜的折射角，α3是光从所述的透射式凹四棱锥镜出射的出射角。
本发明解决技术优点如下：
1.本发明能够实现光束的分光，形成4路激光光束，并沿原光路的传输，保证了分光的可靠性。
2.本发明形成4路激光光束，激光能量的损失小，保证了能量的利用率。
3.本发明分光装置易于控制分光后垂直和水平方向光斑之间狭缝的大小D′，操作简单，可靠性高。
4.本发明分光装置根据光路可逆原理，沿逆光方向设置所述的透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜，可实现分光光斑重新整合为最初的入射光斑。
5.本发明解决了传统分光方法的缺陷，具有适用性好、光能利用率高、结构简单、可调节性高等优点。通过改变透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜的间距，能够灵活地改变输出光斑狭缝的大小。
附图说明
图1为本发明组合四棱锥镜分光装置立体示意图，左图为左侧立体图，右图为右侧立体图
图2为本发明组合四棱锥镜分光示意图
图3为光入射组合四棱锥镜光路剖面图及各参数标注
图4为狭缝大小D′随D值变化示意图
图5为组合四棱锥镜分光装置前后的激光光斑示意图
图6为现有的软性光阑分光示意图
具体实施方法
下面结合说明书附图4对本发明进行进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
请参阅图1和图3，由图可见，本发明组合四棱锥镜分光装置，由同光轴的四棱锥顶方向相同的透射式凹四棱锥镜1和透射式凸四棱锥镜2组合而成，所述的凹四棱锥镜1由正凹四棱锥和第一正方体一体构成，所述的正凹四棱锥的高为d1，所述的正凹四棱锥的侧棱与底面的对角线夹角为α，所述的第一正方体的高为d2；所述的透射式凸四棱锥镜2由第二正方体和正凸四棱锥一体构成，所述的第二正方体的高为d3，所述的正凸四棱锥的高为d4，所述的正凸四棱锥的侧棱与底面对角线夹角为β，所述的正凹四棱锥的底边和正凸四棱锥的底边长度相等，且d1＝d4，d2＝d3，α＝β。
所述的透射式凹四棱锥镜1和透射式凸四棱锥镜2的间距为D，分光后的垂直和水平方向光斑之间狭缝大小为D′，即
其中
n1是空气折射率，n2是棱镜材料折射率，α1是光正入射所述的透射式凹四棱锥镜的折射角，α3是光从所述的透射式凹四棱锥镜出射的出射角。
本发明组合四棱锥镜分光装置的工作方式如下：
激光光束垂直入射本发明分光装置时，由于透射式凹四棱锥镜对入射光束起发散作用，导致分光后的4路激光光束各自沿棱镜侧面折射方向传输，之后发散光束沿一定角度入射至透射式凸四棱锥镜，由于透射式凸四棱锥镜对入射光束起聚合作用，导致分光后的4路激光光束各自沿棱镜侧面折射方向传输，最终造成的结果是分光后的光束沿原光路方向传输出分光装置，而且光斑呈现如图2所示。
根据公式，分光后垂直和水平方向光斑之间狭缝的大小D′会随着α、d1、d2和D值的变化而变化。一般情况下，当透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜设计好之后，α、d1和d2值是固定的，只有透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜之间的距离D值发生变化，因此只需要根据实验的要求改变透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜之间的距离即可获得相对应的狭缝大小的光斑。如图4所示，其中α＝8°，d1＝d2＝7mm，D＝0～20mm，可以看到光斑狭缝大小D′随D值的变化。
将透射式凸四棱锥镜放置在透射式凹四棱锥镜正前方，根据光路可逆原理，分光后的光束垂直入射该装置，由于棱镜对光束的聚合作用和发散作用，最终分光光斑会重新形成最初的光斑，并沿原光路传输。
本实施例的透射式凹四棱锥镜1和透射式凸四棱锥镜2均采用BK7材质加工而成，按照图示组合四棱锥镜分光装置放置，用高斯型激光束垂直入射至组合四棱锥镜分光装置，测量其激光光斑，如图5所示，图5a为原始激光光斑，图5b、图5c、图5d、图5e分别为透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜的间距D＝0mm、2mm、5mm、10mm，在分光装置后100mm处所测激光光斑，明显看到狭缝D′逐渐增大。图5f为距离D＝5mm，在分光装置后1000mm处所测激光光斑，与图5d比较，狭缝D′并未有明显变化。
实验表明，本发明能保障分光后4路激光光束沿原光路方向传输，解决了传统分光方法的缺陷，具有适用性好、光能利用率高、结构简单、可调节性高等优点。通过改变透射式凹四棱锥镜和透射式凸四棱锥镜之间的距离，能够灵活地改变输出光斑狭缝的大小。

Claims (2)

1.一种组合四棱锥镜分光装置，其特征在于：由同光轴的四棱锥顶方向相同的透射式凹四棱锥镜(1)和透射式凸四棱锥镜(2)组合而成，所述的凹四棱锥镜(1)由正凹四棱锥和第一正方体一体构成，所述的正凹四棱锥的高为d1，所述的正凹四棱锥的侧棱与底面的对角线夹角为α，所述的第一正方体的高为d2；所述的透射式凸四棱锥镜(2)由第二正方体和正凸四棱锥一体构成，所述的第二正方体的高为d3，所述的正凸四棱锥的高为d4，所述的正凸四棱锥的侧棱与底面对角线夹角为β，所述的正凹四棱锥的底边和正凸四棱锥的底边长度相等，且d1＝d4，d2＝d3，α＝β。
2.根据权利要求1所述的组合四棱锥镜分光装置，其特征在于：所述的透射式凹四棱锥镜(1)和透射式凸四棱锥镜(2)的间距为D，分光后的垂直和水平方向光斑之间狭缝的大小为D′，即
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其中
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n1是空气折射率，n2是棱镜材料折射率，α1是光正入射所述的透射式凹四棱锥镜的折射角，α3是光从所述的透射式凹四棱锥镜出射的出射角。
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