CN110989184B - 一种基于受抑全内反射的空间光调制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于受抑全内反射的空间光调制器，属于光电子及激光领域，该调制器包括入射棱镜和出射棱镜；第一斜面为入射棱镜的入射斜面，第二斜面为出射棱镜的透射斜面，两个斜面相对分布；入射光在入射棱镜与出射棱镜之间发生受抑全内反射，产生透射光与反射光；透射光与反射光强度及空间分布互补；通过调整第二斜面的面型结构，调制透射光的空间光强分布形态；通过调整第一斜面与第二斜面之间间距，调制透射光的空间光强大小。本发明通过改变空气隙厚度来快速地改变系统的透过率，获得连续变化的反射光和透射光，大大降低了操作难度和生产成本；且由单纯的玻璃材质构成，可以承受更高的峰值功率和平均功率，提高了被调制光束的功率上限。

Description

一种基于受抑全内反射的空间光调制器

技术领域

本发明属于光电子及激光技术领域，更具体地，涉及一种基于受抑全内反射的空间光调制器。

背景技术

在光学领域中，光束强度的空间分布是一个重要的技术指标，科研实验和生产加工过程中，往往需要对光束进行空间强度调制。空间光调制是对光波的振幅、频率、相位、偏振态和持续时间等特性进行控制，使其按一定规律变化的技术，目前已广泛应用于光通信、测距、光学信息处理、光存储和显示等方面。目前常用的空间光调制技术有以下几种：

(1)镀膜技术，传统的镀膜技术是通过在镜片表面上镀上特定材质的膜层，使得镜片对特定波长的光具有特定反射率。通常情况下，单一镜片对特定波长的光束的反射率固定且空间上是均匀分布的，若要实现复杂空间分布的反射率，膜系的设计和镀膜工艺会变得十分复杂甚至有时无法实现。目前镀膜只在分光等较为简单的应用场合使用。

(2)空间光调制器，常见的空间光调制器是基于液晶分子的空间光调制器，主要是利用液晶的电光效应，利用电场对液晶分子的排列影响，从而改变液晶单元的反射率或透过率，从而调制光场的强度、相位等参数，实现对入射激光光强空间分布的调控。目前已经成为光学信息处理、光互连、光计算等系统的核心器件。然而这类器件设计、加工与制备比较复杂，成本极高。另一方面，由于液晶分子在高平均功率和高峰值功率激光照射下会出现损坏，因此，此类空间光调制器无法对高功率光束进行调制。

(3)变形镜，又称为波前矫正器，是通过改变光波波前传输的光程或改变传输媒介的折射率来改变入射光波波前的相位结构，从而达到空间光强度的调整作用。变形镜由很多单元组合而成，每个单元有自己独立的控制器，通过外加电压或其他方式改变变形镜的面型结构，其缺点在于由于镜片背后有控制单元，因此只能够获得调整后的反射光，无法应用在需要有透射光的场合，并且各个单元是独立变化，无法获得连续变化的调制光。

综上所述，寻找到一种成本低廉、控制简单，并能够承受高功率激光的空间光强度调制器就显得尤为重要。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其目的在于提供一种成本低、控制简单，并能够承受高功率激光的空间光强度调制器。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于受抑全内反射的空间光调制器，包括：入射棱镜和出射棱镜；

第一斜面为入射棱镜的入射斜面；第二斜面为出射棱镜的透射斜面；第一斜面与第二斜面相对分布；入射光在入射棱镜与出射棱镜之间发生受抑全内反射，产生透射光与反射光；透射光与反射光强度及空间分布互补；

通过调整第二斜面的面型结构，调制透射光的空间光强分布形态；

通过调整第一斜面与第二斜面之间间距，调制透射光的空间光强大小。

进一步地，入射光在第一斜面的入射角θ₁满足全反射条件：

sinθ₁≥1/n₁

其中，θ₁为入射光与第一斜面(6)的法线夹角，n₁为入射棱镜的折射率。

进一步地，入射棱镜的折射率n₁和出射棱镜的折射率n₂满足：

n₁＞n₀&n₂＞n₀

其中，n₀为中间介质折射率。

进一步地，透射光的空间光强大小与第一斜面和第二斜面之间间距满足以下公式：

其中，Ts为入射光S光分量透过率，Tp为入射光P光分量的透过率，θ₃为透射光与第二斜面的法线夹角，I_out-s(x,y)为入射光S光分量的空间光强大小，I_out-p(x,y)为入射光P光分量的空间光强大小，I_0-s(x,y)为透射光S光分量的空间光强大小，I_0-p(x,y)为透射光P光分量的空间光强大小。

进一步地，调制器还包括光学基座、角度调节装置和间距调节装置；

角度调节装置和间距调节装置固定于光学基座内部；光学基座用于承载入射棱镜和出射棱镜；角度调节装置用于调节入射光在第一斜面的入射角；间距调节装置用于调节第一斜面与第二斜面之间间距。

进一步地，入射光的偏振态为线偏振。

进一步地，入射棱镜、出射棱镜的材料为熔融石英或BK7玻璃等常见光学材料。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明相对于传统的镀膜工艺来说，具有更高的灵活性。传统镀膜工艺在镀膜之后，镜片的透过率和反射率就无法改变，并且只是针对于特定波长的激光，在实验中改变激光波长或是透过率时需要更换镜片，并且无法实现透过率的连续变化；本发明可以通过直接改变空气隙厚度来快速地改变系统的透过率，大大降低了操作难度和生产成本。

(2)本发明相对于现有的基于液晶的空间光调制器来说，大大降低了系统的构建成本，并且由于液晶分子的原因，空间光调制器无法对高峰值功率和高平均功率的光束进行调制。本发明由单纯的玻璃材质构成，因此可以承受更高的峰值功率和平均功率，提高了被调制光束的功率上限。

(3)基于变形镜的空间光调制装置由于背后存在控制单元，因此只能够获得调制后的反射光，无法获得透射光，同时，由于变形镜的工作原理是许多微小单元独立调节，无法获得空间上连续的光强度分布。本发明采用面型结构连续分布的镜片，因此经调制后的空间光强度是连续变化的，避免了光强度阶跃变化可能造成了边界效应或有害的热效应等副作用；并且本发明不存在背后的控制单元，可同时获得调制后的反射光和透射光。

(4)本方法可以设计不同的镜面结构来产生不同的空间光强分布形态，例如高斯光束转平顶光束、平顶光束转空心光束等；并且在实现特定光强空间分布的基础上还能够通过改变空气隙的厚度来实现光强大小度的调制。

(5)本方法可以同时获得调制后的反射光和透射光，并且二者是互补的关系，可以选择利用反射光或透射光或二者同时利用，适用于更为广泛的应用场合。

附图说明

图1为本发明提供的基于受抑全内反射的空间光调制器核心结构示意图；

图2为入射角为45°时，Ts、Tp随d的变化曲线；

图3为入射角为53°时，Ts、Tp随d的变化曲线；

图4为入射角为65°时，Ts、Tp随d的变化曲线；

图5为本发明可选的调制器面型结构；

图6为本发明提供的基于受抑全内反射的空间光调制器可选结构示意图；

图7为输出光强可调节激光器；

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为入射棱镜；2为出射棱镜；3为入射光；4为透射光；5为反射光；6为第一斜面；7为第二斜面；2-1为增益介质、2-2为基于受抑全内反射的空间光调制器、2-3为光隔离器、2-4为第一全反镜；2-5为第二全反镜；2-6为第三全反镜；2-7为起偏器；2-8为光线传输轨迹。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例1提供了一种基于受抑全内反射的空间光调制器，包括：入射棱镜1和出射棱镜2；第一斜面6为入射棱镜1的入射斜面；第二斜面7为出射棱镜2的透射斜面；第一斜面6与第二斜面7相对分布；入射光3在入射棱镜1与出射棱镜2之间发生受抑全内反射，产生透射光4与反射光5；透射光4与反射光5强度及空间分布互补；

建立图中所示坐标系，x轴方向与第一斜面6的法线方向平行。入射光3由入射棱镜1入射，在第一斜面6上的入射角为θ₁，当θ₁满足全反射条件sinθ₁≥1/n₁，在第一斜面6上会发生全反射，由于倏逝波的存在，光束并非直接在第一斜面6上发生反射，而是透入到空气中波长量级的深度，再返回入射棱镜1中，当第一斜面6、第二斜面7之间的间距d为入射光波长量级时，透入到空气中的部分光束能量就会通过第二斜面7透入出射棱镜2中，形成透射光4。入射棱镜的折射率n₁和出射棱镜的折射率n₂应满足：n₁＞n₀&n₂＞n₀并且n₁、n₂尽量接近，当n₁和n₂较为接近时，更容易产生受抑全内反射现象，其中n₀为中间介质折射率，一般是空气，也可以是其他介质，例如氮气等。

改变第一斜面与第二斜面之间间距，可以对透射光的空间光强大小进行调制。具体地，透射光4的空间光强大小与第一斜面和第二斜面之间间距满足以下公式：

其中，Ts为入射光S光分量透过率，Tp为入射光P光分量的透过率，θ₃为透射光与第二斜面的法线夹角，I_out-s(x,y)为入射光S光分量的空间光强大小，I_out-p(x,y)为入射光P光分量的空间光强大小，I_0-s(x,y)为透射光S光分量的空间光强大小，I_0-p(x,y)为透射光P光分量的空间光强大小。

如图5所示，将第二斜面7设计加工为不同的面型结构，可以对入射光3的空间光强分布形态进行调制；本实施例采用的入射光为高斯光束，所需调制后的透射光为平顶光束，入射棱镜和出射棱镜采用相同介质，中间介质为空气，根据上述公式计算可得需要将第二斜面加工为一凹面镜，镜面各部分与第一斜面之间的间距由内而外逐渐减小，则透过率由内而外逐渐降低，则入射光束经调制后就能得到所需的平顶透射光束。

当n₁＝n₂＝1.458时，Ts、Tp与入射角θ、间距d的关系如图2-4所示，从图2可以看出，当入射角小于53°时，Ts＜Tp；从图3可以看出，当入射角为53°时，Ts＝Tp；从图4可以看出，当入射角大于53°时，Ts＞Tp；且当入射角度一定时，随着间距d的增大，Ts、Tp都会随之减小。根据以上结论，改变入射角的大小，可以实现对入射光3偏振态的调制，但为了避免偏振态造成的影响，本发明采用偏振态为线偏振的入射光，或采用起偏器规定入射光的偏振态为线偏振。相应地，如图6所示，上述调制器还包括光学基座1-1、角度调节装置1-2和间距调节1-3装置；角度调节装置和间距调节装置固定于光学基座内部；光学基座用于承载入射棱镜和出射棱镜；角度调节装置用于调节入射光在第一斜面的入射角；间距调节装置用于调节第一斜面与第二斜面之间间距。

以高斯光束为例，上述调制器的设计过程如下：首先由受抑全内反射的透过率公式计算出在选定的棱镜材质以及入射角时，给定波长激光的S光、P光透过率与空气隙厚度d之间的关系。根据入射高斯光束强度空间分布以及所需的调制光束的空间光强分布形态，计算出不同空间位置的间距d，加工出射棱镜的斜面7，获得符合调制光束空间透过率分布的面型结构。待调制高斯光束经过加工后的棱镜组后即可达到整形的效果变为平顶光束，同时，输出的反射光是与透射光强度互补的光束，经过此装置后，可以对透射光或反射光或同时对二者进行后续的操作。在此基础上，若要进一步对所得光束的强度进行调制，可通过调节1-3，使2沿图6中x轴方向平移，对光束的空间强度大小进行同步调整。本发明中入射棱镜、出射棱镜的材料可为熔融石英或BK7玻璃等常用的光学材料。

本发明实施例2提供了一种基于受抑全内反射的输出光强可调节的激光器，具体实施结构如图7所示，包括增益介质2-1、实施例1介绍的基于受抑全内反射的空间光调制器2-2、光隔离器2-3、第一全反镜2-4、第二全反镜2-5、第三全反镜2-6和起偏器2-7；增益介质2-1经泵浦后，由于受激辐射效应辐射出光子，光线传输轨迹为2-8，如图中箭头所示，经起偏器2-7形成具有特定偏振态的偏振光。根据最终所需的出射光强分布形态，结合受抑全内反射原理，设计合适的空间光调制器2-2的曲面面型结构。偏振光进入2-2后，由于受抑全内反射作用，一部分光线由2-2的出射棱镜出射，另一部分经反射继续传播，出射光强的空间分布形态即为所需的空间光强。经2-2反射的光线再由全反镜2-4、2-5、2-6反射回增益介质，形成环形谐振腔。光隔离器2-3的作用是使激光只能在谐振腔内单向传输，避免被调制后的光束再一次经过空间光调制器2-2，影响输出激光的空间分布。空间光调制器2-2的出射棱镜的斜面可加工为平面，输出空间光强度均匀分布的出射光，在此基础上还可以调节间距d实现输出光强大小的均匀调制；还可以根据所需出射光的空间分布形态，设计并将该斜面加工成不同面型结构，得到特定空间分布形态的出射光，并可在此基础上调节间距d实现对出射光强大小的连续调制。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，包括：入射棱镜(1)和出射棱镜(2)；

第一斜面(6)为所述入射棱镜(1)的入射斜面；第二斜面(7)为所述出射棱镜(2)的透射斜面；所述第一斜面(6)与第二斜面(7)相对分布；入射光(3)在所述入射棱镜(1)与出射棱镜(2)之间发生受抑全内反射，产生透射光(4)与反射光(5)；所述透射光(4)与反射光(5)强度及空间分布互补；

通过调整所述第二斜面(7)的面型结构，调制透射光(4)的空间光强分布形态；

通过调整所述第一斜面(6)与第二斜面(7)之间间距，调制透射光(4)的空间光强大小。

2.根据权利要求1所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，入射光在第一斜面的入射角θ₁满足全反射条件：

sinθ₁≥1/n₁

其中，θ₁为入射光与第一斜面(6)的法线夹角，n₁为入射棱镜的折射率。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，入射棱镜的折射率n₁和出射棱镜的折射率n₂满足：

n₁＞n₀&n₂＞n₀

其中，n₀为中间介质折射率。

4.根据权利要求1所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，透射光(4)的空间光强大小与第一斜面(6)和第二斜面(7)之间间距满足以下公式：

其中，Ts为入射光S光分量透过率，Tp为入射光P光分量的透过率，θ₃为透射光与第二斜面的法线夹角，I_out-s(x,y)为入射光S光分量的空间光强大小，I_out-p(x,y)为入射光P光分量的空间光强大小，I_0-s(x,y)为透射光S光分量的空间光强大小，I_0-p(x,y)为透射光P光分量的空间光强大小。

5.根据权利要求1所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，所述调制器还包括光学基座、角度调节装置和间距调节装置；

所述角度调节装置和间距调节装置固定于所述光学基座内部；所述光学基座用于承载所述入射棱镜(1)和出射棱镜(2)；所述角度调节装置用于调节入射光在第一斜面的入射角；所述间距调节装置用于调节所述第一斜面(6)与第二斜面(7)之间间距。

6.根据权利要求5所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，上述入射光的偏振态为线偏振。

7.根据权利要求5所述的一种基于受抑全内反射的空间光调制器，其特征在于，入射棱镜、出射棱镜均采用光学材料。

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