CN115113411B - 一种多光束合束装置及方法 - Google Patents

一种多光束合束装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明具体涉及一种多光束合束装置及方法。利用液晶光栅具有存在0级、+1级和‑1级三个衍射级次的特点，当入射光线为圆偏振光时其出射光发生+1或‑1级衍射，出射光束方向发生固定角度偏转。+1或‑1衍射方向沿入射光轴左右对称，并且根据圆偏振光偏振方向不同，左旋偏振光和右旋偏振光经过液晶光栅后将会出现在+1或‑1级衍射方向上。采用左旋和右旋圆偏振起偏器，光楔和液晶光栅相结合，在空间光路中将两束光束共轴合束，同时再结合退偏振后再重新起偏的方法，将多个双光束合束单元并联，形成多束光路合束。具有效率高、光程差异小的优势，同时可以通过并联实现更多路光束的合束，扩张性强。

Description

一种多光束合束装置及方法
技术领域
本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种多光束合束装置及方法。
背景技术
在空间光学系统中很多时候需要将多路光束合成一束，尤其是在很多系统中要求合束后的光束要共轴出射，以实现多路接收，增大能量，均化接收光斑能量分布不均引起的能量抖动等问题。在光纤中可以通过多合一光纤实现多路光束合束到一路光纤中，但是在空间中限于光学元件尺寸等问题，很难实现多光束的共轴合束。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种多光束合束装置及方法。利用液晶光栅具有存在0级、+1级和-1级三个衍射级次的特点，当入射光线为圆偏振光时其出射光发生+1或-1级衍射，出射光束方向发生固定角度偏转。+1或-1衍射方向沿入射光轴左右对称，并且根据圆偏振光偏振方向不同，左旋偏振光和右旋偏振光经过液晶光栅后将会出现在+1或-1级衍射方向上。采用左旋和右旋圆偏振起偏器，光楔和液晶光栅相结合，在空间光路中将两束光束共轴合束，同时再结合退偏振后再重新起偏的方法，将多个双光束合束单元并联，形成多束光路合束。
本发明提供一种多光束合束装置，包括第一双路合束单元1、第二双路合束单元2、第一退偏器组3、第一起偏器组4、第一光楔组5和第一液晶光栅6；所述第一双路合束单元1和第二双路合束单元2对称地并列设置，所述第一退偏器组3、所述第一起偏器组4和所述第一光楔组5顺次地沿竖直方向设置在所述第一双路合束单元1和所述第二双路合束单元2底部，所述第一液晶光栅6设置在第一双路合束单元1和第二双路合束单元2的光束经过第一光楔组5偏转后的交汇点处。
进一步，所述第一退偏器组3由两个退偏器组成，且两个退偏器对称地并列设置；其中一个退偏器设置在第一双路合束单元1底部，另一个退偏器设置在第二双路合束单元2底部；所述第一起偏器组4由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第一双路合束单元1对应退偏器的下部，另一个起偏器设置在第二双路合束单元2对应退偏器的下部；所述第一光楔组5由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第一双路合束单元1对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第二双路合束单元2对应起偏器的下部。
进一步，所述第一双路合束单元1包括第一光学接收天线11、第二光学接收天线12、第二起偏器组13、第二光楔组14和第二液晶光栅15；所述第一光学接收天线11和第二光学接收天线12对称地并列设置，所述第二起偏器组13和第二光楔组14顺次地沿竖直方向设置在所述第一光学接收天线11和第二光学接收天线12底部，所述第二液晶光栅15设置在第一光学接收天线11和第二光学接收天线12缩束的光束经过第二光楔组14偏转后的交汇点处。
进一步，所述第二起偏器组13由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第一光学接收天线11下部，另一个起偏器设置在第二光学接收天线12下部；所述第二光楔组14由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第一光学接收天线11对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第二光学接收天线12对应起偏器的下部。
进一步，所述第二双路合束单元2包括第三光学接收天线21、第四光学接收天线22、第三起偏器组23、第三光楔组24和第三液晶光栅25；所述第三光学接收天线21和第四光学接收天线22对称地并列设置，所述第三起偏器组23和第三光楔组24顺次地沿竖直方向设置在所述第三光学接收天线21和第四光学接收天线22底部，所述第三液晶光栅25设置在第三光学接收天线21和第四光学接收天线22缩束的光束经过第三光楔组24偏转后的交汇点处。
进一步，所述第三起偏器组23由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第三光学接收天线21下部，另一个起偏器设置在第四光学接收天线22下部；所述第三光楔组24由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第三光学接收天线21对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第四光学接收天线22对应起偏器的下部。
本发明提供上述多光束合束装置的合束方法，包括以下步骤：
S1：第一平行光光线组分别从第一双路合束单元1的第一光学接收天线11和第二光学接收天线12入射；与此同时第二平行光光线组分别从第二双路合束单元2的第三光学接收天线21和第四光学接收天线22入射；
S2：经过第一双路合束单元1的第一光学接收天线11和第二光学接收天线12的第一平行光光线组入射至第二起偏器组13并经过第二光楔组14；与此同时经过第二双路合束单元2的第三光学接收天线21和第四光学接收天线22的第二平行光光线组入射至第三起偏器组23并经过第三光楔组24；
S3：在第一双路合束单元1中的第一平行光光线经过第二光楔组14的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第一合束光束；与此同时在第二双路合束单元2中的第二平行光光线经过第三光楔组24的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第二合束光束；
S4：第一合束光束和第二合束光束分别经过第一退偏器组3、第一起偏器组4和第一光楔组5后出射至第一液晶光栅6处合束为一束共轴光束射出，该光束为共轴合束光束。
作为一个整体的技术方案，本发明还提供一种多光束合束系统，所述系统包括2N个与所述第一双路合束单元1和第二双路合束单元2相同的双光束合束单元，各双光束合束单元并列连接。
本发明的有益效果为：具有空间光路传输不存在光纤耦合损耗的优势，光束合束效率高，同时各合束光路距离相同，易保证高速信号合束光程相等的要求。具有效率高、光程差异小的优势，同时可以通过并联实现更多路光束的合束，扩张性强。
附图说明
图1为多光束合束装置立体示意图；
图2为第一双路合束单元平面示意图；
图3为第二双路合束单元平面示意图。
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。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1.
本实施例提供的多光束合束装置如图1所示，包括第一双路合束单元1、第二双路合束单元2、第一退偏器组3、第一起偏器组4、第一光楔组5和第一液晶光栅6；所述第一双路合束单元1和第二双路合束单元2对称地并列设置，所述第一退偏器组3、所述第一起偏器组4和所述第一光楔组5顺次地沿竖直方向设置在所述第一双路合束单元1和所述第二双路合束单元2底部，所述第一液晶光栅6设置在第一双路合束单元1和第二双路合束单元2的光束经过第一光楔组5偏转后的交汇点处。
所述第一退偏器组3由两个退偏器组成，且两个退偏器对称地并列设置；其中一个退偏器设置在第一双路合束单元1底部，另一个退偏器设置在第二双路合束单元2底部。
所述第一起偏器组4由左旋圆偏振起偏器和右旋圆偏振起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中左旋圆偏振起偏器设置在第一双路合束单元1对应退偏器的下部，右旋圆偏振起偏器设置在第二双路合束单元2对应退偏器的下部。
所述第一起偏器组4的起偏方向以及第一光楔组5的楔角分别与第一液晶光栅6的-1级以及+1级光束方向对应，保证光束经过偏转入射到第一液晶光栅6后可按0级光束方向共轴出射。
所述第一光楔组5由两个相同的光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第一双路合束单元1对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第二双路合束单元2对应起偏器的下部。
第一光楔组5设计时光楔的楔角法线在第一双路合束单元1出射光和第二双路合束单元2出射光光轴组成的平面内，并且光楔的楔角法线指向第一液晶光栅6，保证经过第一光楔组5的光在平面内发生左右对称的角度偏转，偏振后的光线照射到第一液晶光栅6的同一点上。
所述第一双路合束单元1和所述第二双路合束单元2结构相同。
如图2所示，所述第一双路合束单元1包括第一光学接收天线11、第二光学接收天线12、第二起偏器组13、第二光楔组14和第二液晶光栅15；所述第一光学接收天线11和第二光学接收天线12对称地并列设置，所述第二起偏器组13和第二光楔组14顺次地沿竖直方向设置在所述第一光学接收天线11和第二光学接收天线12底部，所述第二液晶光栅15设置在第一光学接收天线11和第二光学接收天线12缩束的光束经过第二光楔组14偏转后的交汇点处。
所述第二起偏器组13由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置，分别为左旋圆偏振起偏器和右旋圆偏振起偏器；其中左旋圆偏振起偏器设置在第一光学接收天线11对应退偏器的下部，右旋圆偏振起偏器设置在第二光学接收天线12对应退偏器的下部。
所述第二起偏器组13的起偏方向以及第二光楔组14的楔角分别与第二液晶光栅15的-1级以及+1级光束方向对应，保证光束经过偏转入射到第二液晶光栅15后可按0级光束方向共轴出射。
所述第二光楔组14由两个相同的光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在左旋圆偏振起偏器下部，另一个光楔设置在右旋圆偏振起偏器下部。
第二光楔组14设计时光楔的楔角法线在第一光学接收天线11出射光和第二光学接收天线12出射光光轴组成的平面内，并且光楔的楔角法线指向第二液晶光栅15，保证经过第二光楔组14的光在平面内发生左右对称的角度偏转，偏振后的光线照射到第二液晶光栅15的同一点上。
第二液晶光栅15安装时保证第二光楔组14中的两个光楔的楔角法线以第二液晶光栅15的0级光束方向为轴，左右对称，并且第二液晶光栅15的±1级光束方向在第一光学接收天线11出射光和第二光学接收天线12出射光光轴组成的平面内。经过第二光楔14的两束圆偏振光经过第二液晶光栅15后均以0级光束方向出射，实现对两束空间光束的合束。
如图3所示，所述第二双路合束单元2包括第三光学接收天线21、第四光学接收天线22、第三起偏器组23、第三光楔组24和第三液晶光栅25；所述第三光学接收天线21和第四光学接收天线22对称地并列设置，所述第三起偏器组23和第三光楔组24顺次地沿竖直方向设置在所述第三光学接收天线21和第四光学接收天线22底部，所述第三液晶光栅25设置在第三光学接收天线21和第四光学接收天线22缩束的光束经过第三光楔组24偏转后的交汇点处。
所述第三起偏器组23由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置，分别为左旋圆偏振起偏器和右旋圆偏振起偏器；其中左旋圆偏振起偏器设置在第三接收天线21对应退偏器的下部，右旋圆偏振起偏器设置在第四接收天线22对应退偏器的下部。
所述第三起偏器组23的起偏方向以及第三光楔组24的楔角分别与第三液晶光栅25的-1级以及+1级光束方向对应，保证光束经过偏转入射到第三液晶光栅25后可按0级光束方向共轴出射。
所述第三光楔组24由两个相同的光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在左旋圆偏振起偏器下部，另一个光楔设置在右旋圆偏振起偏器下部。
第三光楔组24设计时光楔的楔角法线在第三光学接收天线21出射光和第四光学接收天线22出射光光轴组成的平面内，并且光楔的楔角法线指向第三液晶光栅25，保证经过第三光楔组24的光在平面内发生左右对称的角度偏转，偏振后的光线照射到第三液晶光栅25的同一点上。
第三液晶光栅25安装时保证第三光楔组24中的两个光楔的楔角法线以第三液晶光栅25的0级光束方向为轴，左右对称，并且第三液晶光栅25的±1光束方向在第三光学接收天线21出射光和第四光学接收天线22出射光光轴组成的平面内。经过第三光楔组24的两束圆偏振光经过第三液晶光栅25后均以0级光束方向出射，实现对两束空间光束的合束。
实施例2.
本实施例提供一种如实施例1所述的多光束合束装置的合束方法，包括以下步骤：
S1：第一平行光光线组分别从第一双路合束单元1的第一光学接收天线11和第二光学接收天线12入射；与此同时第二平行光光线组分别从第二双路合束单元2的第三光学接收天线21和第四光学接收天线22入射。
S2：经过第一双路合束单元1的第一光学接收天线11和第二光学接收天线12的第一平行光光线组入射至第二起偏器组13并经过第二光楔组14；与此同时经过第二双路合束单元2的第三光学接收天线21和第四光学接收天线22的第二平行光光线组入射至第三起偏器组23并经过第三光楔组24。
S3：在第一双路合束单元1中的第一平行光光线经过第二光楔组14的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第一合束光束；与此同时在第二双路合束单元2中的第二平行光光线经过第三光楔组24的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第二合束光束。
S4：第一合束光束和第二合束光束分别经过第一退偏器组3、第一起偏器组4和第一光楔组5后出射至第一液晶光栅6处合束为一束共轴光束射出，该光束为共轴合束光束。
实施例3.
作为一个整体的技术构思，本实施例提供一种多光束合束系统，所述系统包括2N个与实施例1所述第一双路合束单元1和第二双路合束单元2相同的双光束合束单元，各双光束合束单元并列连接。在实施例2所述的多光束合束装置的合束方法中，由于第一平行光光线组的两束平行光经过第一双路合束单元1合束为第一合束光束，第二平行光光线组的两束平行光经过第二双路合束单元2合束为第二合束光束；第一合束光束和第二合束光束再经过第一退偏器3、第一起偏器4、第一光楔5在第一液晶光栅6处合束为共轴合束光束，循环以上S1到S4步骤，将多个双光束合束单元并联后可对更多光束进行共轴合束，光束共轴合束的路数为2N。

Claims (7)

1.一种多光束合束装置，其特征在于，包括第一双路合束单元(1)、第二双路合束单元(2)、第一退偏器组(3)、第一起偏器组(4)、第一光楔组(5)和第一液晶光栅(6)；所述第一双路合束单元(1)和第二双路合束单元(2)对称地并列设置，所述第一退偏器组(3)、所述第一起偏器组(4)和所述第一光楔组(5)顺次地沿竖直方向设置在所述第一双路合束单元(1)和所述第二双路合束单元(2)底部，所述第一液晶光栅(6)设置在第一双路合束单元(1)和第二双路合束单元(2)的光束经过第一光楔组(5)偏转后的交汇点处；所述第一退偏器组(3)由两个退偏器组成，且两个退偏器对称地并列设置；其中一个退偏器设置在第一双路合束单元(1)底部，另一个退偏器设置在第二双路合束单元(2)底部；所述第一起偏器组(4)由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第一双路合束单元(1)对应退偏器的下部，另一个起偏器设置在第二双路合束单元(2)对应退偏器的下部；所述第一光楔组(5)由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第一双路合束单元(1)对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第二双路合束单元(2)对应起偏器的下部。
2.根据权利要求1所述的一种多光束合束装置，其特征在于，所述第一双路合束单元(1)包括第一光学接收天线(11)、第二光学接收天线(12)、第二起偏器组(13)、第二光楔组(14)和第二液晶光栅(15)；所述第一光学接收天线(11)和第二光学接收天线(12)对称地并列设置，所述第二起偏器组(13)和第二光楔组(14)顺次地沿竖直方向设置在所述第一光学接收天线(11)和第二光学接收天线(12)底部，所述第二液晶光栅(15)设置在第一光学接收天线(11)和第二光学接收天线(12)缩束的光束经过第二光楔组(14)偏转后的交汇点处。
3.根据权利要求2所述的一种多光束合束装置，其特征在于，所述第二起偏器组(13)由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第一光学接收天线(11)下部，另一个起偏器设置在第二光学接收天线(12)下部；所述第二光楔组(14)由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第一光学接收天线(11)对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第二光学接收天线(12)对应起偏器的下部。
4.根据权利要求1所述的一种多光束合束装置，其特征在于，所述第二双路合束单元(2)包括第三光学接收天线(21)、第四光学接收天线(22)、第三起偏器组(23)、第三光楔组(24)和第三液晶光栅(25)；所述第三光学接收天线(21)和第四光学接收天线(22)对称地并列设置，所述第三起偏器组(23)和第三光楔组(24)顺次地沿竖直方向设置在所述第三光学接收天线(21)和第四光学接收天线(22)底部，所述第三液晶光栅(25)设置在第三光学接收天线(21)和第四光学接收天线(22)缩束的光束经过第三光楔组(24)偏转后的交汇点处。
5.根据权利要求4所述的一种多光束合束装置，其特征在于，所述第三起偏器组(23)由两个起偏器组成，且两个起偏器对称地并列设置；其中一个起偏器设置在第三光学接收天线(21)下部，另一个起偏器设置在第四光学接收天线(22)下部；所述第三光楔组(24)由两个光楔组成，且两个光楔对称地并列设置；其中一个光楔设置在第三光学接收天线(21)对应起偏器的下部，另一个光楔设置在第四光学接收天线(22)对应起偏器的下部。
6.一种利用如权利要求1-5任一项所述的多光束合束装置的合束方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：第一平行光光线组分别从第一双路合束单元(1)的第一光学接收天线(11)和第二光学接收天线(12)入射；与此同时第二平行光光线组分别从第二双路合束单元(2)的第三光学接收天线(21)和第四光学接收天线(22)入射；
S2：经过第一双路合束单元(1)的第一光学接收天线(11)和第二光学接收天线(12)的第一平行光光线组入射至第二起偏器组(13)并经过第二光楔组(14)；与此同时经过第二双路合束单元(2)的第三光学接收天线(21)和第四光学接收天线(22)的第二平行光光线组入射至第三起偏器组(23)并经过第三光楔组(24)；
S3：在第一双路合束单元(1)中的第一平行光光线经过第二光楔组(14)的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第一合束光束；与此同时在第二双路合束单元(2)中的第二平行光光线经过第三光楔组(24)的偏转合束为一束共轴光束出射，该光束为第二合束光束；
S4：第一合束光束和第二合束光束分别经过第一退偏器组(3)、第一起偏器组(4)和第一光楔组(5)后出射至第一液晶光栅(6)处合束为一束共轴光束射出，该光束为共轴合束光束。
7.一种多光束合束系统，其特征在于，所述系统包括2N个与权利要求1所述第一双路合束单元(1)和第二双路合束单元(2)相同的双光束合束单元，各双光束合束单元并列连接。
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