CN113917717A - 一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置 - Google Patents

一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于空间光场调控领域，具体涉及一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置。耦合装置包括沿光路依次设置的直角棱镜反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和反射式液晶空间光调制器；入射光依次经过直角棱镜反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、反射式液晶空间光调制器和第二直角棱镜后出射。本发明在高效率耦合输入和输出激光的前提下，压缩了空间光场调控光路的尺寸和体积，解决了反射式空间光场调控系统中普遍存在的元器件离散、系统不稳定的问题，实现了空间光场调控装置的小型化和紧凑化，有利于光学系统的模块化和集成化。

Description

一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置
技术领域
本发明涉及空间光场调控领域，具体涉及一种采用直角棱镜组耦合输入和输出激光束的反射式液晶空间光调制器耦合装置。
背景技术
由于激光具有强度高、单色性和方向性好等优点，已成为科学研究和工业应用等领域中最常用的光源。随着激光器通常输出的高斯光束已经难以完全满足各领域日益增长的需求，空间光场调控技术应运而生。它利用空间光场调控器件调控光束，可以产生振幅、相位和偏振态非均匀分布的新颖空间结构光场。以此为基础，人们能够更加灵活地操控光场，将其应用于光学成像、光学微操纵、激光加工、光学数据存储、光通信及全息显示等领域。
空间光场调控器件和编码方法是空间光场调控技术的核心。常用的空间光场调控器件主要有数字微镜器件(Digital Micro-Mirror Devices,DMD)、变形镜(DeformableMirror,DM)及液晶空间光调制器(Liquid Crystal Spatial Light Modulator,LC-SLM)等。数字微镜器件能够实现空间光场振幅调制，具有高速(数十kHz)、高反射率、高填充因子及高损伤阈值的特点。变形镜对光场的空间波前分布进行调制，调制深度较小，像元尺寸较大，分辨率不高。液晶空间光调制器利用液晶分子的双折射特性对入射光场进行调控，所使用的平行向列棒状液晶分子可看做是单轴晶体，在外加电场的驱动下液晶分子旋转，改变有效折射率，从而实现对光场相位分布的调制，具有更高的衍射效率。当与检偏器结合时，也可实现振幅调制，常用于液晶显示。液晶空间光调制器因具有更高的空间分辨率和更大的相位调制深度，成为目前最常使用的空间光场调制器件，其中又以具有高光能利用率的反射式液晶空间光调制器最为常用。
作为一种单轴晶体，液晶分子的各向异性使液晶空间光调制器对光场的调制深度取决于液晶分子的光轴取向和入射光场偏振方向的夹角，一般要求入射光为水平偏振的线偏振光。反射式液晶空间光调制器在使用时有正入射(图1)和小角度入射(图2)两种方式。使用正入射方式时，为了使入射光和出射光分离，并实现纯相位调制，往往需要使用非偏振分光棱镜(如图1中的NPBS)进行耦合。但是这种耦合方式会造成最终的能量利用率低于25％，因此很少使用。小角度入射的方式则具有很高的能量利用率，但是入射角度(如图2中的θ)的增大会降低相位调制的精度，因此常用的商用空间光调制器要求入射角度不大于6°(德国HoloEYE公司)或10°(日本Hamamatsu公司)。在后续的光学系统中要使入射光和出射光分离的距离满足光学元件的安装尺寸，需要传播较长的距离。如图2中的d，对于HoloEYE公司的空间光调制器，d至少为86.1mm。再考虑到后续光学元件的尺寸限制，需要的传播距离d更大。这会增大空间光场调控系统的尺寸和体积，降低系统的稳定性。
发明内容
为了解决现有反射式液晶空间光调制器采用小角度入射方式而导致空间光场调控系统存在的光路长、体积大及不稳定的问题，本发明提供了一种紧凑化的采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，实现小角度入射时，大大压缩了空间光场调控光路的尺寸和体积。
本发明的技术方案是提供一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特殊之处在于：包括沿光路依次设置的直角棱镜反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和反射式液晶空间光调制器；
入射光以垂直于水平面的方向首先入射至直角棱镜反射镜的斜面，经反射后到达第一直角棱镜，再依次经过第一直角棱镜和第二直角棱镜，到达反射式液晶空间光调制器；被直角棱镜反射镜的斜面反射后的光束与水平面之间的夹角为2θ；经过第一直角棱镜和第二直角棱镜光束的传播方向仍然与水平面之间呈2θ的夹角；反射式液晶空间光调制器的工作面与竖直面之间的夹角为θ，确保到达反射式液晶空间光调制器的光束与反射式液晶空间光调制器法线之间的夹角为θ；其中θ为小角度入射时反射式液晶空间光调制器所要求的入射角度；
之后光束经反射式液晶空间光调制器调制后被反射，被反射的调制光束与水平面平行，再次进入第二直角棱镜内部，随后在第二直角棱镜的斜面上全反射后以垂直于水平面的方向射出。
进一步地，为了实现模块化设计，同时便于与其他系统组装，上述采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置还包括密封盒，密封盒两侧设置有入光孔和出光孔；入光孔和出光孔非同心设置；
直角棱镜反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜和反射式液晶空间光调制器均安装在密封盒内；
入射光以垂直于水平面的方向通过入光孔入射至直角棱镜反射镜的斜面；在第二直角棱镜的斜面上全反射后的出射光通过出光孔以垂直于水平面的方向射出。
进一步地，定义密封盒长面与水平面平行，密封盒宽面与竖直面平行；
直角棱镜反射镜的直角面与密封盒长面之间的夹角为θ，反射式液晶空间光调制器的工作面与密封盒宽面之间的夹角为θ。
进一步地，第一直角棱镜的第一直角面与密封盒宽面平行；第一直角棱镜的斜面与第二直角棱镜的斜面相对平行，且二者之间有间隙。
进一步地，入光孔的中心轴线与直角棱镜反射镜的斜面的中心轴线共线；出光孔的中心轴线与第二直角棱镜的第二直角面的中心轴线共线。
进一步地，密封盒内部设置有限位槽，用于确定直角棱镜反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜及反射式液晶空间光调制器的安装位置。
为了更进一步地提高装置的光能利用率，直角棱镜反射镜的斜面镀有高反射膜；第一直角棱镜的第一直角面和第一直角棱镜的第二直角面均镀有增透膜，第二直角棱镜的第一直角面和第二直角棱镜的第二直角面均镀有增透膜。
为了更便捷的与其他光学系统对接，上述采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，还包括设置在密封盒上且位于入光孔以及出光孔周围的多个螺纹孔。
进一步地，多个螺纹孔以入光孔和出光孔的光轴为中心沿圆周方向均布。
本发明还提供一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特殊之处在于：包括多个通过中继系统串联的上述的采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置。
本发明的有益效果是：
1.本发明使用直角棱镜反射镜组耦合入射光束和出射光束，基于光束的全反射原理，使得整个耦合装置的体积仅受直角棱镜和反射式液晶空间光调制器的体积限制，大大压缩了空间光场调控光路的尺寸和体积，解决了目前反射式空间光场调控系统中普遍存在的元器件离散、光路长、体积大及系统不稳定的问题，实现了反射式空间光场调控装置的小型化和紧凑化，减小了装置的尺寸和体积，有利于装置的集成化。
2.本发明基于直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置所使用的直角棱镜能够在波长350nm～2.0μm的宽波段上实现全反射，具有高光能利用率和宽波段适用性，拓展了装置的适用范围，可以应用于所有使用反射式液晶空间光调制器的系统中，如光镊系统、结构光照明显微系统、激光加工系统等。
3.本发明基于直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置中所使用的直角棱镜反射镜、第一直角棱镜和第二直角棱镜均为光学实验中常用的标准光学元件，无需特殊设计，加工和使用方便。
4.本发明入射光和出射光平行，有利于系统光路的调节和拓展。
5.本发明将各直角棱镜和反射式液晶空间光调制器安装在密封盒中，有利于装置的模块化，便于与其他系统组装；同时密封盒还可以遮挡激光束被空间光调制器调制后产生的各个无用级次的衍射光，有助于隔绝灰尘，避免空间光调制器因吸附灰尘而导致调制效果和损伤阈值降低，从而有效保护空间光调制器。
6.本发明中密封盒上以通光孔为中心设置螺纹孔，可以更为方便地与其它光学系统对接使用。
7.本发明可以根据不同厂家生产的反射式液晶空间光调制器的入射角度要求设置不同的倾斜角度θ，满足激光小角度入射的要求，保证光场调控的准确度。
附图说明
图1为现有反射式液晶空间光调制器SLM在光学系统中正入射方式使用的示意图；
图2为现有反射式液晶空间光调制器SLM在光学系统中小角度入射方式使用的示意图；
图3为本发明所提供的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置的原理示意图；
图4为将本发明多个空间光调制器耦合装置串联使用的结构示意图；
图5为本发明所提供的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置的优选实施例的结构装置图。
图中附图标记为：
1-密封盒；2-直角棱镜反射镜；3-第一直角棱镜；4-第二直角棱镜；5-反射式液晶空间光调制器；11-密封盒宽面；12-密封盒长面；13-入光孔；14-出光孔；21-直角棱镜反射镜的第一直角面；22-直角棱镜反射镜的斜面；31-第一直角棱镜的第一直角面；32-第一直角棱镜的第二直角面；33-第一直角棱镜的斜面；41-第二直角棱镜的第一直角面；42-第二直角棱镜的第二直角面；43-第二直角棱镜的斜面。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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，都应当属于本发明的保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
再其次，在本发明的描述中，需要说明的是，术语中的“水平面和竖直面”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一或第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明中除非另有明确的规定和限定，术语“安装”应做广义理解，例如：可以是固定安装、可拆卸安装或一体式安装：也可以通过中间媒介间接安装。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图3所示，本实施例基于直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置包括密封盒1、设置在密封盒1内的直角棱镜反射镜2、第一直角棱镜3、第二直角棱镜4和反射式液晶空间光调制器5。为了便于安装，在密封盒1内部相应位置设置有用于安装反射式液晶空间光调制器5与各个直角棱镜的限位槽。密封盒1的两侧设置有入光孔13和出光孔14，二者非同心设置；入射光的入射方向垂直于密封盒长面12，从入光孔13进入耦合装置内；直角棱镜反射镜的斜面22上镀有高反射膜，直角棱镜反射镜的斜面22的中心位于入光孔13的中心轴上，相对入光孔13放置，用于反射入射光；直角棱镜反射镜的第一直角面21与密封盒长面12之间的夹角为θ(使用德国HoloEYE公司的产品时为θ＝6°，使用日本Hamamatsu公司的产品时为θ＝10°)。第一直角棱镜3放置于直角棱镜反射镜2之后，第一直角棱镜的第一直角面31与密封盒宽面11相互平行且相对放置，第一直角棱镜的第二直角面32位于入光孔13一侧。第一直角棱镜的第一直角面31与直角棱镜反射镜的斜面22的中心之间的水平距离为d1，直角棱镜反射镜斜面22的中心与第一直角棱镜第一直角面31的中心线之间的竖直距离为d2。第一直角棱镜的斜面33与第二直角棱镜的斜面43相对且平行，二者之间的距离约为1-2mm；第一直角棱镜的第一直角面31、第一直角棱镜的第二直角面32、第二直角棱镜的第一直角面41和第二直角棱镜的第二直角面42上均镀有增透膜，可以降低反射光，提高装置的光能利用率。反射式液晶空间光调制器5的工作面与第二直角棱镜的第二直角面41相对放置，二者中心的连线与密封盒长面12平行，距离为d3；反射式液晶空间光调制器5的工作面与密封盒宽面11之间的夹角为θ；出光孔14的中心线与第二直角棱镜的第二直角面42的中心线共线，经出光孔14出射的光束与入射光束平行。为了更方便的和其它光学元件连接，在密封盒1上且位于入光孔13以及出光孔14周围设置多个以光轴为中心，沿圆周方向均布螺纹孔。在其他实施例中，也可以设置为其他形式的连接结构。
以使用德国HoloEYE公司的反射式液晶空间光调制器为例，此时θ＝6°、d1＝12mm、d2＝2.55mm、d3＝6.3mm；光束从入光孔13入射，入射方向垂直于密封盒长面12入射至直角棱镜反射镜的斜面22，直角棱镜反射镜的斜面22对光束进行反射，反射后的光束与密封盒长面12之间的夹角为2θ；随后依次经过第一直角棱镜的第一直角面31、第一直角棱镜的斜面33、第二直角棱镜的斜面43、第二直角棱镜的第一直角面41，由于此时光束的角度不满足全反射条件，因此在经过上述四个表面时不会发生全反射；由于第一直角棱镜3和第二直角棱镜4构成一个平板结构，因此光束不会产生色散和形变，并且光束的传播方向仍然与密封盒长面12之间呈2θ的夹角；光束经过第二直角棱镜的第一直角面41后入射到反射式液晶空间光调制器5上，由于反射式液晶空间光调制器5的工作面5与密封盒宽面11之间的夹角为θ，因此入射至反射式液晶空间光调制器5工作面的光束与其法线之间的角度为θ，满足小角度入射的要求。入射光束经反射式液晶空间光调制器5调制后被反射，被反射的调制光束与密封盒长面12平行，经过第二直角棱镜的第一直角面41后进入第二直角棱镜4内部，随后在第二直角棱镜的斜面43上产生全反射，经过第二直角棱镜的第二直角面42和出光孔14后出射，出射光与入射光平行，有利于光学系统的调节。经实验测量，在入射激光波长488nm下，本装置光能耦合效率可以达到86％。
本发明直角棱镜反射镜2、第一直角棱镜3、第二直角棱镜4和反射式液晶空间光调制器5，可以组成一个模块化的空间光场调控紧凑装置，有效减小空间光场调控装置的尺寸和体积，有助于消除或抑制系统的共振频率，模块化装置有利于系统的集成和仪器化，使得整个空间光场调控模块具有很好的兼容性和扩展性。通过将直角棱镜反射镜2、第一直角棱镜3、第二直角棱镜4和反射式液晶空间光调制器5安装在密封盒1内，使得该耦合系统易于和其它光学系统结合，有利于空间光场调控技术在各领域的发展和应用，同时还可以遮挡激光束被空间光调制器调制后产生的各个无用级次的衍射光，有助于隔绝灰尘，避免空间光调制器因吸附灰尘而导致调制效果和损伤阈值降低，从而有效保护空间光调制器。
如图4所示，当对光场的振幅、相位、偏振态分布等进行联合调控时，需要将多个空间光调制器串联使用。利用本发明可以简单快速地将多个采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置通过中继系统(如4f系统)进行串联，避免了系统的冗余和散乱。
如图5所示，将德国HoloEYE公司的PLUTO系列反射式液晶空间光调制器5、直角棱镜反射镜2(20mm×20mm×20mm)、第一直角棱镜3(25mm×25mm×25mm)、第二直角棱镜4(25mm×25mm×25mm)安装在密封盒1内(77mm×50mm×40mm)。由于采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置基于棱镜的全反射原理，因此能够最大限度地压缩装置的体积。两个通光孔规格为1.035英寸-40的SM1螺纹，以通光孔为中心设置有四个8×4-40UNC螺纹孔，可以更为方便地与其它光学系统对接使用(如30mm笼式系统)；同时，密封盒1还可以保护装置元器件，隔绝外界环境中的灰尘。

Claims (10)

1.一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：包括沿光路依次设置的直角棱镜反射镜(2)、第一直角棱镜(3)、第二直角棱镜(4)和反射式液晶空间光调制器(5)；
入射光以垂直于水平面的方向首先入射至直角棱镜反射镜的斜面(22)，经反射后到达第一直角棱镜(3)，再依次经过第一直角棱镜(3)和第二直角棱镜(4)，到达反射式液晶空间光调制器(5)；被直角棱镜反射镜的斜面(22)反射后的光束与水平面之间的夹角为2θ；经过第一直角棱镜(3)和第二直角棱镜(4)光束的传播方向仍然与水平面之间呈2θ的夹角；反射式液晶空间光调制器(5)的工作面与竖直面之间的夹角为θ，确保到达反射式液晶空间光调制器(5)的光束与反射式液晶空间光调制器(5)法线之间的夹角为θ；其中θ为小角度入射时反射式液晶空间光调制器(5)所要求的入射角度；
之后光束经反射式液晶空间光调制器(5)调制后被反射，被反射的调制光束与水平面平行，再次进入第二直角棱镜(4)内部，随后在第二直角棱镜的斜面(43)上全反射后以垂直于水平面的方向射出。
2.根据权利要求1所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：还包括密封盒(1)，密封盒(1)两侧设置有入光孔(13)和出光孔(14)；入光孔(13)及出光孔(14)非同心设置；
直角棱镜反射镜(2)、第一直角棱镜(3)、第二直角棱镜(4)和反射式液晶空间光调制器(5)均安装在密封盒(1)内；
入射光以垂直于水平面的方向通过入光孔(13)入射至直角棱镜反射镜的斜面(22)；在第二直角棱镜的斜面(43)上全反射后的出射光通过出光孔(14)以垂直于水平面的方向射出。
3.根据权利要求2所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：定义密封盒长面(12)与水平面平行，密封盒宽面(11)与竖直面平行；
直角棱镜反射镜的直角面(21)与密封盒长面(12)之间的夹角为θ，反射式液晶空间光调制器(5)的工作面与密封盒宽面(11)之间的夹角为θ。
4.根据权利要求3所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：第一直角棱镜的第一直角面(31)与密封盒宽面(11)平行；第一直角棱镜的斜面(33)与第二直角棱镜的斜面(43)相对平行，且二者之间有间隙。
5.根据权利要求4所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：入光孔(13)的中心轴线与直角棱镜反射镜的斜面(22)的中心轴线共线；出光孔(14)的中心轴线与第二直角棱镜的第二直角面(42)的中心轴线共线。
6.根据权利要求2-5任一所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：密封盒(1)内部设置有限位槽，用于限定直角棱镜反射镜(2)、第一直角棱镜(3)、第二直角棱镜(4)及反射式液晶空间光调制器(5)的安装位置。
7.根据权利要求6所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：直角棱镜反射镜的斜面(22)镀有高反射膜；第一直角棱镜的第一直角面(31)和第一直角棱镜的第二直角面(32)均镀有增透膜，第二直角棱镜的第一直角面(41)和第二直角棱镜的第二直角面(42)均镀有增透膜。
8.根据权利要求7所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：还包括设置在密封盒(1)上且位于入光孔(13)以及出光孔(14)周围的多个螺纹孔。
9.根据权利要求8所述的一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：多个螺纹孔以入光孔(13)和出光孔(14)的光轴为中心沿圆周方向均布。
10.一种采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置，其特征在于：包括多个通过中继系统串联的权利要求1-9任一所述的采用直角棱镜组的反射式液晶空间光调制器耦合装置。
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