CN113900178A - 一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，包括透明基底，全反射镜，介质膜部分反射镜阵列以及导光棱镜。入射激光入射至该激光分光退相干装置，首先经过导光棱镜和透明基底到达全反射镜，再经过全反射镜和介质膜部分反射镜阵列的反射和透射作用，多个子激光束从激光分光退相干装置的一侧出射，该激光分光退相干装置破坏了激光的相干性且出射的多个子激光束光强相等。与现有技术相比，本发明提供的激光分光退相干装置结构简单且易加工。
Description
技术领域
本发明涉及光学设计技术领域，更具体地说，涉及一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置。
背景技术
激光具有高亮度、宽色域、长寿命等优点，目前已经广泛应用于显示领域。激光的发光光谱线宽很窄，如激光投影显示中常用的半导体激光二极管，线宽约1-2nm，窄线宽导致激光有很高的相干性，高相干性带来的散斑问题是制约激光显示发展的一个重要因素，解决散斑问题的出发点是破坏激光的相干性，使用N个光强相等且非相干的激光束作为光源可将散斑对比度降低至最小值Cmin＝1/N1/2。
专利CN 107085314A提出了一种低散斑激光光源以及投影装置，是将多个独立的半导体激光器封装在壳体内，每个半导体激光器产生的激光束互不相干，因此该装置可以发出低相干性的激光束。
但是，该装置存在结构复杂，不易加工的缺点。
发明内容
有鉴于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，技术方案如下：
一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，所述激光分光退相干装置包括：
透明基底，所述透明基底具有相对设置的第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面上的全反射镜；
设置在所述第二表面上的导光棱镜和介质膜部分反射镜阵列，所述导光棱镜位于所述透明基底的边缘区域；
其中，入射激光入射至所述激光分光退相干装置，经过所述导光棱镜和所述透明基底到达所述全反射镜，再经过所述全反射镜和所述介质膜部分反射镜阵列的反射和透射作用，多个子激光束从所述激光分光退相干装置的一侧出射。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，所述介质膜部分反射镜阵列包括：多个具有单层或多层介质膜的反射镜；
其中，多个所述反射镜的反射率依次为(n-1)/n、(n-2)/(n-1)、(n-3)/(n-2)、……、3/4、2/3、1/2和0；n为需要分出所述子激光束的个数。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，所述全反射镜为金属全反射镜或介质膜全反射镜。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，所述激光分光退相干装置还包括：
设置在所述导光棱镜朝向所述入射激光一侧的增透膜。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，所述入射激光可为单个或一维阵列的相干激光。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，多个所述子激光束的光强相等。
优选的，在上述激光分光退相干装置中，多个所述子激光束为非相干的激光束，相邻两个所述子激光束之间的光程差大于入射激光的相干长度。
一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，所述激光分光退相干装置包括：两个上述任一项所述的激光分光退相干装置；
第一个所述激光分光退相干装置与第二个所述激光分光退相干装置通过级联的方式组合，第一个所述激光分光退相干装置的出射激光束作为第二个所述激光分光退相干装置的入射激光束。
相较于现有技术，本发明实现的有益效果为：
本发明提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，包括透明基底，全反射镜，介质膜部分反射镜阵列以及导光棱镜。入射激光入射至该激光分光退相干装置，首先经过导光棱镜和透明基底到达全反射镜，再经过全反射镜和介质膜部分反射镜阵列的反射和透射作用，多个子激光束从激光分光退相干装置的一侧出射，该激光分光退相干装置破坏了激光的相干性且出射的多个子激光束光强相等。与现有技术相比，本发明提供的激光分光退相干装置结构简单且易加工。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将一束激光分为4个光强相等且非相干子激光束的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将一束激光分为N个光强相等且非相干子激光束的示意图；
图3为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置的加工流程图；
图4为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将M束激光分为M×N个光强相等且非相干子激光束的阵列分光示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将一束激光分为4个光强相等且非相干子激光束的示意图。
如图1所示，所述激光分光退相干装置包括：
透明基底1，所述透明基底1具有相对设置的第一表面和第二表面。
设置在所述第一表面上的全反射镜2。
设置在所述第二表面上的导光棱镜4和介质膜部分反射镜阵列3.1-3.4，所述导光棱镜4位于所述透明基底1的边缘区域。
其中，入射激光5入射至所述激光分光退相干装置，经过所述导光棱镜4和所述透明基底1到达所述全反射镜2，再经过所述全反射镜2和所述介质膜部分反射镜阵列3.1-3.4的反射和透射作用，多个子激光束6.1-6.4从所述激光分光退相干装置的一侧出射。
具体的，该激光分光退相干装置破坏了入射激光的相干性且出射的多个子激光束的光强相等。与现有技术相比，本发明提供的激光分光退相干装置结构简单且易加工。
可选的，所述入射激光5的波长可以为633nm，所述透明基底1可以为BK7玻璃，所述导光棱镜4为三棱镜，所述导光棱镜4的材料可以为BK7玻璃，三个棱角分别为30°、60°和90°。
可选的，所述全反射镜2为金属全反射镜或介质膜全反射镜，所述全反射镜2的反射率为100％。
可选的，在本发明另一实施例中，所述介质膜部分反射镜阵列3.1-3.4包括：多个具有单层或多层介质膜的反射镜。
其中，多个所述反射镜的反射率依次为(n-1)/n、(n-2)/(n-1)、(n-3)/(n-2)、……、3/4、2/3、1/2和0；n为需要分出所述子激光束的个数。
其中，介质膜部分反射镜阵列3.1-3.4中的介质膜材料为Ta2O5、ZnS和MgF2，膜层配置从透明基底1的第二表面向外依次为：
反射镜3.1：
ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS，其中ZnS的厚度均为70nm，Ta2O5的厚度均为76nm。
反射镜3.2：ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS/Ta2O5/ZnS，其中ZnS的厚度均为70nm，Ta2O5的厚度均为76nm。
反射镜3.3：ZnS，其中ZnS的厚度为70nm。
反射镜3.4：MgF2，其中MgF2的厚度为137nm。
可选的，在本发明另一实施例中，所述激光分光退相干装置还包括：
设置在所述导光棱镜4朝向所述入射激光5一侧的增透膜，以消除入射激光5在空气和介质处的菲涅尔反射带来的光损。
具体的，激光垂直入射至三棱镜镀有增透膜的一面，进入BK7玻璃后，被全反射镜全部反射至介质膜部分反射镜，介质膜部分反射镜的工作原理基于薄膜干涉，由于入射介质、薄膜以及出射介质的折射率差异，光波会被每层介质膜的上界面与下界面分别反射，进而相互干涉产生了部分反射。
其中，对于K层介质膜的介质膜部分反射镜，膜层的特征矩阵为：
该k层膜系的反射率为：
透射率为：
T＝1-R (3)
其中，k为薄膜层数；
δj＝2πnjdjcosθj/λ为第j层介质膜的相位厚度；
nj、dj、θj分别表示第j层介质膜的折射率、厚度以及第j层膜中光线与法线的夹角；
i为虚数单位；
ηj为第j层介质膜的等效导纳；
ηk+1为基底(这里为空气)的等效导纳；
η0为入射介质(这里为BK7)的等效导纳。
对于s偏振光和p偏振光，介质的等效导纳分别为：
本实施例中，BK7玻璃基底中的激光束与法线的夹角为θBK7＝30°，对于ZnS、Ta2O5、MgF2介质膜及空气介质，根据斯涅耳定律有：
其中，nBk7为BK7玻璃基底的折射率，nZnS为ZnS介质膜的折射率，nTa2O5为Ta2O5介质膜的折射率，nMgF2为MgF2介质膜的折射率，nair为空气的折射率。
对于波长为633nm的激光，介质的折射率有以下数据：
由公式(5)可得，ZnS、Ta2O5、MgF2介质膜及空气介质中光线与法线的夹角分别为：
假定入射激光束的振动方向垂直于入射平面，即入射光为s偏振光，联立公式(1)-(5)，可以解得介质膜部分反射镜阵列3.1、3.2、3.3、3.4的s偏振光反射率分别为Rs3.1＝74.8％、Rs3.2＝66.7％、Rs3.3＝49.7％、Rs3.4＝4.7％，相应的s偏振光透射率为Ts3.1＝25.2％、Ts3.2＝33.3％、Ts3.3＝50.3％、Ts3.4＝95.3％。
需要说明的是，这里的反射镜3.4作为增透膜使用。
进一步的，本申请基于薄膜干涉的退相干激光分光退相干装置的工作情况进行详细阐述：
如图1，光强为I＝1的s偏振光5垂直入射至激光分光退相干装置中的三棱镜4镀有增透膜的一面，经过透明基底1后到达全反射镜2，全反射镜2将光全部反射至部分反射镜3.1的表面，对于该束激光，部分反射镜3.1的透射率为Ts3.1＝25.2％，透射出的子激光束6.1的光强为I6.1＝0.252。
被部分反射镜3.1反射的光束光强为IR3.1＝1-0.252＝0.748。
反射光又被全反射镜1全部反射至部分反射镜3.2的表面，部分反射镜3.2的透射率为Ts3.2＝33.3％，透射出子激光束6.2的光强为I6.2＝0.748×33.3％＝0.249。
被部分反射镜3.2反射的光束光强为IR3.2＝0.748-0.249＝0.499。
该反射光再次被全反射镜1全部反射至部分反射镜3.3的表面，部分反射镜3.3的透射率为Ts3.3＝50.3％，透射出子激光束6.3的光强为I6.3＝0.499×50.3％＝0.251，被部分反射镜3.3反射的光束光强为IR3.3＝0.499-0.251＝0.248。
该反射光被全反射镜1全部反射并经过部分反射镜3.4出射，产生子激光束6.4，光强为I6.4＝0.248×95.3％＝0.236。
综上所述，通过上述激光分光退相干装置，最终出射的子激光束的光强分别为0.252、0.249、0.251、0.236，该4个子激光束的光强可认为近似相等，因此，该激光分光退相干装置可以将一束激光分成4个光强相等的子激光束。
进一步的，多个所述子激光束为非相干的激光束，相邻两个所述子激光束之间的光程差大于激光的相干长度。
具体的，半导体激光器的线宽通常为Δλ＝2nm，则它的相干长度为Lc＝λ2/Δλ＝6332/2≈200μm，为了保证出射的子激光束之间非相干，则相邻两个子激光束之间的光程差需要大于200μm，当不考虑介质膜引入的光程差时，确保子激光束之间为非相干光，应满足条件：2hcosθ>200μm，h为透明基底1的厚度，可得h>115μm。
因此，透明基底的厚度大于115μm时，可以保证所有出射光之间是非相干的。
为保证激光分光退相干装置的稳固耐用性，本实施例选择的透明基底(BK7玻璃)的厚度为2mm。
在本发明的另一实施例中，参考图2，图2为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将一束激光分为N个光强相等且非相干子激光束的示意图，若要将激光分成n个非相干且光强相等的子激光束，则介质膜部分反射镜阵列的反射率依次为(N-1)/N、(N-2)/(N-1)、(N-3)/(N-2)、……、3/4、2/3、1/2和0，通过选择不同折射率的介质材料，或使用不同厚度不同周期的介质膜堆叠，以使介质膜部分反射镜阵列达到或接近上述反射率。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置的加工流程图；加工流程如下：
S101：首先使用光学镀膜机在透明基底的第一表面上镀全反射膜，反射率为100％。
S102：之后在透明基底的第二表面上旋涂光致抗蚀剂，如AZ光刻胶，在光刻机上搭载1号掩模板对部分反射镜3.1所在的位置进行曝光并显影，则部分反射镜3.1所在的区域无光刻胶覆盖，使用光学镀膜机镀介质膜部分反射镜3.1后并在丙酮溶液中利用剥离(Lift-off)工艺去除光刻胶及光刻胶上多余的反射镜，反射镜3.1便被镀在透明基底的第二表面上。
S103：使用同样的方法，在光刻机上分别搭载2号、3号……N号掩模板进行曝光、显影以及剥离工艺，最终获得镀有介质膜部分反射镜阵列3.1-3.N的透明基底。
S104：在透明基底的第二表面粘接一个入射光一侧镀有增透膜的导光棱镜，就完成对激光分光退相干装置的加工。
需要说明的是，对于上述N个掩模板，所对应的部分反射镜所在区域为透光区域，其余区域为非透光区域，以保证正性AZ光刻胶的曝光区域被显影液溶解，暴露出透明基底，从而保证光学镀膜机将介质膜部分反射镜镀在透明基底的表面上。
在本发明的另一实施例中，参考图4，图4为本发明实施例提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置将M束激光分为M×N个光强相等且非相干子激光束的阵列分光示意图，所述入射激光可为单个或一维阵列的相干激光，也就是说，通过增加入射光的个数，激光分光退相干装置可以将M个入射光每个都分成N个光强相等且非相干的子激光束，实现对激光的M×N阵列分光且退相干。
可选的，在本发明的另一实施例中还提供了一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，所述激光分光退相干装置包括：两个上述所述的激光分光退相干装置；
第一个所述激光分光退相干装置与第二个所述激光分光退相干装置通过级联的方式组合，第一个所述激光分光退相干装置的出射激光束作为第二个所述激光分光退相干装置的入射激光束。
也就是说，通过级联两个激光分光退相干装置并优化每个激光分光退相干装置位置，可以将一个入射光分成N×N个光强相等且非相干的子激光束，实现对激光的N×N阵列分光且退相干。
以上对本发明所提供的一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素，或者是还包括为这些过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，其特征在于，所述激光分光退相干装置包括：
透明基底，所述透明基底具有相对设置的第一表面和第二表面；
设置在所述第一表面上的全反射镜；
设置在所述第二表面上的导光棱镜和介质膜部分反射镜阵列，所述导光棱镜位于所述透明基底的边缘区域；
其中，入射激光入射至所述激光分光退相干装置，经过所述导光棱镜和所述透明基底到达所述全反射镜，再经过所述全反射镜和所述介质膜部分反射镜阵列的反射和透射作用，多个子激光束从所述激光分光退相干装置的一侧出射。
2.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，所述介质膜部分反射镜阵列包括：多个具有单层或多层介质膜的反射镜；
其中，多个所述反射镜的反射率依次为(n-1)/n、(n-2)/(n-1)、(n-3)/(n-2)、……、3/4、2/3、1/2和0；n为需要分出所述子激光束的个数。
3.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，所述全反射镜为金属全反射镜或介质膜全反射镜。
4.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，所述激光分光退相干装置还包括：
设置在所述导光棱镜朝向所述入射激光一侧的增透膜。
5.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，所述入射激光可为单个或一维阵列的相干激光。
6.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，多个所述子激光束的光强相等。
7.根据权利要求1所述的激光分光退相干装置，其特征在于，多个所述子激光束为非相干的激光束，相邻两个所述子激光束之间的光程差大于激光的相干长度。
8.一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置，其特征在于，所述激光分光退相干装置包括：两个如权利要求1-7任一项所述的激光分光退相干装置；
第一个所述激光分光退相干装置与第二个所述激光分光退相干装置通过级联的方式组合，第一个所述激光分光退相干装置的出射激光束作为第二个所述激光分光退相干装置的入射激光束。
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| CN202111215013.7A CN113900178A (zh) | 2021-10-19 | 2021-10-19 | 一种基于光学介质膜的激光分光退相干装置 |
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