CN110221446A - 混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件 - Google Patents

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陈景标
常鹏媛
李春来
何进
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Abstract

本发明涉及一种混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件。光学元件集成菲涅尔透镜与超窄带干涉滤光片，菲涅尔透镜的前表面为齿纹面，后表面为平整面，以菲涅尔透镜的平整面作为基底，在基底上交替镀制具有滤光作用的薄膜组；薄膜组由高折射率材料和低折射率材料相间镀制而成；菲涅尔透镜起到光束准直作用，准直光束经所述多层高折射率材料‑低折射率材料干涉滤光片薄膜组选频得到单波长光束；高折射率材料‑低折射率材料选自ZnS‑MgF2、TiO2‑SiO2或Si‑SiO2，TiO2‑Nb2O5中的一种或其组合。

Description

混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件
技术领域
本发明涉及一种具有聚焦和选频功能的光学元件，特别涉及一种通过集成菲涅尔透镜和干涉滤光片一体化来实现兼具聚焦和选频功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件。
背景技术
窄线宽半导体激光器是相干激光雷达中的核心光器件之一，一般的半导体激光器线宽只达到MHz量级水平，尽管国际上出现了各种压窄激光线宽的技术，如利用DBR激光器、DFB激光器、光栅和干涉滤光片研制的外腔半导体激光器，但其线宽最好指标也只是处于百kHz量级，但其测量精度却因目前缺乏窄线宽(50kHz量级)的激光光源而存在局限性。
目前国际上常用的半导体激光器组成部分主要为激光二极管、准直透镜、选频元件和外腔镜，这些元件都是分立存在，所以这类激光器存在易受机械振动的影响，会有跳模现象且激光线宽较宽等缺陷。想要突破瓶颈，使激光线宽小于50kHz水平同时实现小型集成化一直是一个是国际技术难题。传统的菲涅尔透镜，和传统的干涉滤光片，都是独立地用于聚焦和滤光。
发明内容
本发明所解决的技术问题是克服上述现有技术中存在的不足而提供一种兼具准直和选频功能于一体的小型集成化、窄带的，集成应用在智能车用激光雷达小型激光光源中的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件。从而可用于实现小型集成化、窄线宽的半导体激光器，以提高智能车用车载相干激光雷达测距测速的范围和精度。
本发明的技术解决方案是所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其特殊之处在于，所述光学元件集成菲涅尔透镜与超窄带干涉滤光片，所述菲涅尔透镜的前表面为齿纹面，后表面为平整面，以菲涅尔透镜的平整面作为基底，在所述基底上交替镀制滤光薄膜组，所述超窄带干涉滤光片的滤光带宽为0.1nm～2nm。
作为优选：所述滤光薄膜组由高折射率材料和低折射率材料相间镀制而成；所述菲涅尔透镜起到光束准直作用，准直光束经多层高折射率材料-低折射率材料干涉滤光片薄膜组选频得到单波长光束。
作为优选：所述滤光薄膜组的薄膜数量是为10层～100层。
作为优选：所述高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2或Si-SiO2，TiO2-Nb2O5中的一种或其组合。
与现有技术相比，本发明的有益效果:
⑴本发明通过在菲涅尔透镜的平整面上镀制干涉滤光片薄膜组，使透过菲涅尔透镜齿纹面的平行光被选频为单波长光；这种通过复合镀膜实现兼具准直和选频功能的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件结构的紧凑性，从而有效减少具备相同功能光学元件的体积。
⑵本发明所述的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件的厚度通常小于2毫米，能够作为智能车用激光雷达小型光源中的核心光器件。它克服了传统激光器中准直和选频元件分立的思想束缚，创造性地将菲涅尔透镜和干涉滤光片薄膜组集成一体化，进而减小光学元件体积，实现微型化的窄带的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件批量制备，用于小型激光光源中的核心光器件，解决了长期以来困扰本领域技术人员的智能车用相干检测激光雷达小型光源线宽较宽和稳定性较差的问题。为许多对激光线宽及其稳定性有较高要求的应用提供了小型集成化、低成本、窄带的光学元件。
⑶本发明的干涉滤光片薄膜组，设计在795nm通带时的带宽测试结果如图2所示，可见其带宽较小，显著优于现有技术。
⑷本发明通过镀膜工艺，将菲涅尔透镜和干涉滤光片薄膜组集成一体化，从而获得一种兼具准直和选频功能于一体的小型集成化、窄带的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其具有结构简单可靠、生产低成本、窄带特性，因此适用于智能车用激光雷达小型激光光源中的核心元件，可作为消费级相干激光雷达系统中的核心光器件并实现批量生产
附图说明
图1是本发明的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件原理示意图；
其中，1—菲涅尔透镜前齿纹表面；2—菲涅尔透镜后平整表面；3—高折射率材料；4—低折射率材料。
图2是本发明的干涉滤光片薄膜组，设计在795nm通带时的带宽测试结果，其中滤光带宽为0.4nm。
具体实施方式
本发明下面将结合附图作进一步详述：
请参阅图1所示，所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，包括所述菲涅尔透镜前表面的齿纹面1，后表面的平整面2，所述光学元件以菲涅尔透镜的平整面2作为基底，在所述基底上交替镀制具有滤光作用的由高折射率材料3-低折射率材料4组成的薄膜组。
本实施例中，所述薄膜组由高折射率材料3和低折射率材料4相间镀制而成；所述菲涅尔透镜前表面的齿纹面1起到光束准直作用，准直光束经所述的多层高折射率材料3-低折射率材料4制成的干涉滤光片薄膜组选频得到单波长光束。
在本实施例中，针对输出激光波长范围要求，根据现有技术进行膜系设计，设计要求为输出激光中心波长为795nm±2nm，模宽小于0.4nm，透过率大于90％。以菲涅尔透镜的平整面2作为基底，在基底上镀上60层滤光薄膜组，其中深颜色为高折射率材料物质3，具体选用为TiO2-Nb2O5的混合物，其折射率为2.255；浅颜色为低折射率材料物质4，具体选用为SiO2，其折射率为1.48。其中1～29层和31～60层镀膜为高折射率材料和低折射率材料每个单层依次组成，第30层镀膜则是由10层低折射率材料组成。可以得到高折射率和低折射率的镀膜厚度分别为106.7nm和162.5nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (4)

1.一种混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其特征在于，所述光学元件集成菲涅尔透镜与超窄带干涉滤光片，所述菲涅尔透镜的前表面为齿纹面，后表面为平整面，以菲涅尔透镜的平整面作为基底，在所述基底上交替镀制滤光薄膜组，所述超窄带干涉滤光片的滤光带宽为0.1nm～2nm。
2.根据权利要求1所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其特征在于，所述滤光薄膜组由高折射率材料和低折射率材料相间镀制而成；所述菲涅尔透镜起到光束准直作用，准直光束经多层高折射率材料-低折射率材料干涉滤光片薄膜组选频得到单波长光束。
3.根据权利要求2所述混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其特征在于，所述滤光薄膜组的薄膜数量是为10层～100层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的混合菲涅尔透镜干涉滤光片光学元件，其特征在于，所述高折射率材料-低折射率材料选自ZnS-MgF2、TiO2-SiO2或Si-SiO2，TiO2-Nb2O5中的一种或其组合。
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