CN109814267B - 能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统 - Google Patents

Abstract

能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统属于光学成像技术领域。现有技术耦合效率低。本发明其特征在于光强分布反转镜组、扩束镜组、分束微透镜阵列和光束整形柱面镜组沿信号光传输方向依次同轴排列；光强分布反转镜组能够将入射信号光圆形光斑光强分布由高斯分布反转为反高斯分布；扩束镜组能够将反高斯分布信号光扩束到口径与芯片式光谱仪线阵波导横向尺度相当；分束微透镜阵列由具有相同行列数n′的正微透镜阵列、负微透镜阵列组成，信号光自正微透镜阵列入射、从负微透镜阵列出射，被缩束、分束为最大光束数为n′×n′的光束组；光束整形柱面镜组能够在纵向上压缩光束组，输出最大光束数为1×n′的线阵光束。所述前端耦合系统的实际耦合效率能够达到80％以上。

Description

能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统

技术领域

本发明涉及一种能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，属于光学成像技术领域。

背景技术

光谱仪器是分析物质化学成分的仪器。传统光谱仪器使用条件苛刻、体积庞大，因而，其应用范围受到限制，例如，难以应用到航空航天领域，集成芯片式光谱仪因此而诞生，简称芯片式光谱仪。例如，公布号为CN105222895A、名称为“一种集成了阵列波导光栅和光电探测器的光谱仪芯片”的一件中国专利申请公开了一种有关芯片式光谱仪的方案。不过，该方案并没有给出与之匹配的前端耦合系统，而在光谱仪芯片的实际应用中，需要通过前端耦合系统将光信号输入到所述光谱仪芯片前的线阵波导。在线阵波导1×n中，如图1所示，n个波导一字排列，每个波导尺寸为a×b，相邻波导相距c，单位为μm。前端耦合系统的作用在于将光斑呈圆形的信号光整形为窄条形。在现有技术中出现了一种用于芯片式光谱仪的现有前端耦合系统，如图2所示，由透镜将光信号准直照射到柱面镜，柱面镜将圆形光斑压缩成窄条形。然而，该方案存在两个问题，一是入射信号光为高斯光束，照射到线阵波导上的窄条形光斑的光强自中间向两端呈现由强到弱的变化，如图2、图3所示，这不符合光谱仪的要求；二是照射到线阵波导上的窄条形光斑大部分落空，波导之间的光能被损失掉，波导宽度a远小于波导间距c，因此，这种前端耦合系统的耦合效率往往只有10～15％。

发明内容

为了提高芯片式光谱仪前端耦合效率，进而提高信号光的光能利用率，我们发明了一种能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统。

本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统其特征在于：

如图4所示，光强分布反转镜组1、扩束镜组2、分束微透镜阵列3和光束整形柱面镜组4沿信号光传输方向依次同轴排列；光强分布反转镜组1能够将入射信号光圆形光斑光强分布由高斯分布反转为反高斯分布；扩束镜组2能够将反高斯分布信号光扩束到口径与芯片式光谱仪线阵波导横向尺度相当；分束微透镜阵列3由具有相同行列数n′的正微透镜阵列3-1、负微透镜阵列3-2组成，正微透镜阵列3-1中的正微透镜3-3与负微透镜阵列3-2中的负微透镜3-4一一对应，如图5所示，信号光自正微透镜阵列3-1入射、从负微透镜阵列3-2出射，被缩束、分束为最大光束数为n′×n′的光束组；光束整形柱面镜组4能够在纵向上压缩光束组，输出最大光束数为1×n′的线阵光束。

本发明其技术效果在于，信号光被扩束到口径与芯片式光谱仪线阵波导横向尺度相当，并且，全部落入分束微透镜阵列3，经过缩束、压缩，原本呈现圆形光斑的入射信号光以呈线阵分布的最大光束数为1×n′的线阵光束出射，入射信号光的光能几乎全部分布于光束组中的每一束光中，当将分束微透镜阵列3的行列数n′设计与芯片式光谱仪线阵波导中的波导数n相等，光束组中的每一束光的径向尺度略大于每个波导尺度，光束组中相邻的每束光的间距与线阵波导中相邻波导的间距接近，自本发明之芯片式光谱仪前端耦合系统出射的线阵光束信号光几乎全部入射到线阵波导中的每个波导中，如图6所示，信号光的实际耦合效率能够达到80％以上。

本发明其技术效果还在于，原本为高斯光束的入射信号光由光强分布反转镜组1转换为反高斯光束，之后的光束组的光强也呈反高斯分布，在由光束整形柱面镜组4纵向压缩光束组过程中，由于光束组的光强自中心向外围呈渐强分布，光束组在横向上自中间向两端被压缩的光束组中的具有较强光强的光束数接近，最后得到的线阵光束的光强分布因此较为均匀。

附图说明

图1位芯片式光谱仪线阵波导结构示意图。图2是一种现有用于芯片式光谱仪的前端耦合系统结构示意图，该图同时表示信号光在耦合过程中光斑形状及光斑光强分布的变化。图3是自现有用于芯片式光谱仪的前端耦合系统出射的窄条形光斑与线阵波导耦合情况示意图。图4是本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统结构示意图，该图同时表示信号光在耦合过程中光斑形状、尺度以及光斑光强分布的变化。图5是本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统中的分束微透镜阵列结构示意图，该图同时表示信号光被缩束、分束的过程。图6是自本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统出射的线阵光束信号光入射线阵波导情况示意图。图7是本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统具体实施方式中的一种结构示意图，该图同时作为摘要附图。

具体实施方式

如图6所示，在本发明之能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统中，光强分布反转镜组1、扩束镜组2、分束微透镜阵列3和光束整形柱面镜组4沿信号光传输方向依次同轴排列，工作波段380～780nm。

光强分布反转镜组1由前负非球面透镜1-1和后正非球面透镜1-2组成，具有伽利略式望远系统结构。前负非球面透镜1-1使入射信号光中间光线发散、边缘光线汇聚，实现入射信号光圆形光斑光强分布由高斯分布向反高斯分布的反转；后正非球面透镜1-2使入射信号光光线平行出射。

前负非球面透镜1-1的一种具体方案是它由两片负非球面透镜组成，这是因为前负非球面透镜1-1的曲率半径较小，同时，透镜口径较小，镜面凹陷较深，加工难度很大，将前负非球面透镜1-1拆分为两片负非球面透镜，每片负非球面透镜的曲率半径增大，能够降低加工难度。

扩束镜组2由前负球面透镜2-1和后正球面透镜2-2组成，具有伽利略式望远系统结构。前负球面透镜2-1使入射信号光发散，后正球面透镜2-2使入射信号光光线平行出射。扩束镜组2能够将反高斯分布信号光扩束到光束口径与芯片式光谱仪线阵波导横向尺度相当，例如n(a+c)，a为波导宽度，c为波导间距，n为波导数，且为奇数，当a＝3μm、c＝20μm、n＝201时，扩束后的信号光口径即为4623μm。

分束微透镜阵列3由具有相同行列数n′的正微透镜阵列3-1、负微透镜阵列3-2组成，正微透镜阵列3-1中的正微透镜3-3与负微透镜阵列3-2中的负微透镜3-4一一对应，如图5所示，一对正微透镜3-3、负微透镜3-4构成一个反伽利略式望远系统，正微透镜3-3口径为a+c，负微透镜3-4口径为a；信号光自正微透镜阵列3-1入射、从负微透镜阵列3-2出射，被缩束、分束为最大光束数为n′×n′的光束组，光束组中的每束光的口径等于波导宽度a。

光束整形柱面镜组4由三个柱面镜组成，能够在校正像差的前提下在纵向上压缩光束组，输出最大光束数为1×n′的线阵光束。

Claims (5)

1.一种能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，其特征在于，光强分布反转镜组(1)、扩束镜组(2)、分束微透镜阵列(3)和光束整形柱面镜组(4)沿信号光传输方向依次同轴排列；光强分布反转镜组(1)能够将入射信号光圆形光斑光强分布由高斯分布反转为反高斯分布；扩束镜组(2)能够将反高斯分布信号光扩束到口径与芯片式光谱仪线阵波导横向尺度相当；分束微透镜阵列(3)由具有相同行列数n′的正微透镜阵列(3-1)、负微透镜阵列(3-2)组成，正微透镜阵列(3-1)中的正微透镜(3-3)与负微透镜阵列(3-2)中的负微透镜(3-4)一一对应，信号光自正微透镜阵列(3-1)入射、从负微透镜阵列(3-2)出射，被缩束、分束为最大光束数为n′×n′的光束组；光束整形柱面镜组(4)能够在纵向上压缩光束组，输出最大光束数为1×n′的线阵光束。

2.根据权利要求1所述的能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，其特征在于，所述前端耦合系统的工作波段为380～780nm。

3.根据权利要求1所述的能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，其特征在于，光强分布反转镜组(1)由前负非球面透镜(1-1)和后正非球面透镜(1-2)组成，具有伽利略式望远系统结构；前负非球面透镜(1-1)使入射信号光中间光线发散、边缘光线汇聚，实现入射信号光圆形光斑光强分布由高斯分布向反高斯分布的反转，后正非球面透镜(1-2)使入射信号光光线平行出射。

4.根据权利要求3所述的能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，其特征在于，前负非球面透镜(1-1)由两片负非球面透镜组成。

5.根据权利要求1所述的能够提高耦合效率的芯片式光谱仪前端耦合系统，其特征在于，扩束镜组(2)由前负球面透镜(2-1)和后正球面透镜(2-2)组成，具有伽利略式望远系统结构；前负球面透镜(2-1)使入射信号光发散，后正球面透镜(2-2)使入射信号光光线平行出射。

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