CN116755257A - 一种短波长光束分束器和短波长光束分束方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短波长光束分束器和短波长光束分束方法，所述短波长光束分束器包括输入部分和输出部分，所述输入部分依次包括：45°全反射开关、第一分路结构、输入准直器组；所述输出部分依次包括：输出准直器组、多组第二分路结构、多个单模准直器；所述输入部分与所述输出部分通过光纤连接，单模准直器通过单模光纤输出分束后的各个光路；其中，第一分路结构的输出分路数量与输入准直器组中的准直器数量一一对应，第二分路结构的数量与输出准直器组中的准直器数量一一对应，所述输入准直器组为双头光子晶体光纤准直器组。本发明的方案提升了短波长光束进行分束操作的稳定性和输出性能。
Description
技术领域
本发明属于光束领域，尤其涉及一种短波长光束分束装置和短波长光束分束方法。
背景技术
激光技术在量子光学、高功率激光、激光雷达、相干光学通信、高精度光学传感、光学测量和精密光谱学等研究领域有着重要的应用价值，其中短波长激光在精细加工、航空航天等新兴领域中起到了关键作用。
激光分束器能够将一束入射激光均匀地分配成N束出射光，而光束数量的多少和分束后的光束性能直接决定了后续的加工步骤效率。传统的激光分束器往往体积较大，不方便系统集成，而体积较小的光纤耦合分束器则偏振消光比较低，难以在精密光学实验中使用。此外，传统的激光分束器覆盖波长范围也过宽，当其用于处理特定短波长激光时性能不佳，且传统的激光分束器对输入激光的功率的限制较大，因此，针对短波长激光的激光分束器领域依旧存在技术空白。
基于以上背景，本申请提供了解决以上技术问题的技术方案。
发明内容
针对现有技术中对短波长光束分束的困难，本发明提供了一种短波长光束分束器，所述短波长光束分束器的分路性能强、分路结果稳定性高，其具体技术结构包括：
输入部分和输出部分，所述输入部分依次包括：45°全反射开关、第一分路结构、接收准直器组；所述输出部分依次包括：输出准直器组、多组第二分路结构、多个单模准直器；
所述输入部分与所述输出部分通过光纤连接，多个单模准直器分别通过单模光纤输出分束后的各个光路；
其中，第一分路结构的输出分路数量与接收准直器组中的准直器数量一一对应，第二分路结构的数量与输出准直器组中的准直器数量一一对应，所述接收准直器组为双头光子晶体光纤准直器组。
在本发明的一个具体实施方式中，所述第一分路结构包括多个反射镜、多个半透半反分光镜，入射光束经由45°全反射开关进入分束器，通过第一半透半反分光镜将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二、第三半透半反分光镜，得到四路光束，再通过第二、第三反射镜调整光路方向，以统一四路光束的出射方向；所述入射光束为激光，所述双头光子晶体光纤准直器组包括四个双头光子晶体光纤准直器。
在本发明的一个具体实施方式中，每组所述第二分路结构包括多个反射镜、多个半透半反分光镜，光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，统一8路光束的出射方向；输出部分包括四组第二分路结构，所述输出准直器组包括四个输出准直器，输出部分包括32个单模准直器，光束分束器最终将入射光束分为32路。
在本发明的一个具体实施方式中，输入部分与所述输出部分通过光纤连接，其中，该光纤为传输短波长光束时保持单模传输的光纤。
在本发明的一个具体实施方式中，所述光纤被制冷装置包裹，所述制冷装置采用半导体制冷片。
本发明还提供一种短波长光束分束方法，其利用本发明所述的光束分束器实现，所述短波长光束分束方法包括以下步骤：
步骤S1：打开45°全反射开关，入射光束经由45°全反射开关进入分束器中的第一分路结构，第一分路结构出射的光束输入至接收准直器组；
步骤S2：通过光纤连接接收准直器组与输出准直器组，光纤将接收准直器组的输出光束输入至输出准直器组；
步骤S3：通过多组第二分路结构将输出准直器组的输出光束进行分路，第二分路结构的每路输出光束均输入至对应的单模准直器，再通过光纤输出单模准直器的输出光路；
其中，第一分路结构的输出分路数量与接收准直器组中的准直器数量一一对应，第二分路结构的数量与输出准直器组中的准直器数量一一对应。
在本发明的一个具体实施方式中，第一分路结构通过步骤S11实现对光束的分路：
步骤S11：光束由45°全反射开关入射，通过第一半透半反分光镜将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二、第三半透半反分光镜，得到四路光束，通过第二、第三反射镜调整光路方向，以统一四路光束的出射方向；
其中，所述接收准直器组包括四个接收准直器。
在本发明的一个具体实施方式中，第二分路结构通过步骤S31实现对光束的分路：
步骤S31：光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，统一8路光束的出射方向；
其中，输出部分包括四组第二分路结构，所述输出准直器组包括四个输出准直器，输出部分包括32个单模准直器，光束分路器最终将入射光束分为32路。
在本发明的一个具体实施方式中，采用传输短波长光时保持单模传输的光纤实现短波长光束分束方法。
在本发明的一个具体实施方式中，采用制冷装置包裹光纤，所述制冷装置采用半导体制冷片。
本发明能够带来以下至少一种有益效果：
1、本发明实现了短波长光束的多路分路，且分路器的分路结果稳定性高、分路性能高。
2、本发明通过光纤连接输入部分与输出部分，能够使出射的光的性能更加可控、稳定，提升短波长光束分束结果的鲁棒性。
3、本发明设置了多级分路结构，提升了短波长光束分束器能够承受的光功率，适配性更强。
4、本发明采用制冷装置包裹光纤，能够避免光纤发热导致的功率损失及光纤损坏，进一步提升短波长光束分束结果的稳定性和分路性能。
5、本发明采用光子晶体光纤对出光的指向性变动进行限模，再准直输出后的光指向性稳定性好，利于单模光纤耦合。
附图说明
下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。
图1是短波长光束分束器立体示意图；
图2是短波长光束分束器的俯视图；
图3是短波长光束分束器的右视图；
图4是短波长光束分束方法的步骤示意图。
具体实施方式
以下对本发明的各个方面进行进一步详述。
除非另有定义或说明，本文中所使用的所有专业与科学用语与本领域技术熟练人员所熟悉的意义相同。此外任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。
以下对术语进行说明。
可以理解到，尽管术语“第一”、“第二”等等可以在此用来说明不同的元件，但是这些元件不应被这些术语限制。这些术语仅仅用来将一个元件与另一个元件区分开。因此，第一元件可以被称为第二元件，而不背离本发明构思的教导。
除非另有明确的规定和限定，本发明中所述的“或”，包含了“和”的关系。所述“和”相当于布尔逻辑运算符“AND”，所述“或”相当于布尔逻辑运算符“OR”，而“AND”是“OR”的子集。
本发明中，术语“含有”、“包含”或“包括”表示各种成分可一起应用于本发明的混合物或组合物中。因此，术语“主要由……组成”包含在术语“含有”、“包含”或“包括”中。
除非另有明确的规定和限定，本发明的术语“相连”、“连通”、“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是通过中介媒介间相连，可以是两个元件内部的连通或者两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
例如，如果一个元件（或部件）被称为在另一个元件上、与另一个元件耦合或者与另一个元件连接，那么所述一个元件可以直接地在所述另一个元件上形成、与之耦合或者与之连接，或者在它们之间可以有一个或多个介于中间的元件。相反，如果在此使用表述“直接在......上”、“直接与......耦合”和“直接与......连接”，那么表示没有介于中间的元件。用来说明元件之间的关系的其他词语应该被类似地解释，例如“在......之间”和“直接在......之间”、“附着”和“直接附着”、“相邻”和“直接相邻”等等。
另外需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向。使用的词语“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。可以理解到，在此，这些术语用来描述如在附图中所示的一个元件、层或区域相对于另一个元件、层或区域的关系。除了在附图中描述的取向之外，这些术语应该也包含装置的其他取向。
本发明的其它方面由于本文的公开内容，对本领域的技术人员而言是显而易见的。
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。例如，在附图中的元件的厚度可以为了清楚性起见而被夸张。
实施例1
针对现有技术中针对短波长光束进行多路分束的技术空白，本发明提供了一种短波长光束分束器，其具体结构参见图1、2所示，包括输入部分与输出部分，所述输入部分依次包括：45°全反射开关1、第一分路结构2、接收准直器组5；所述输出部分依次包括：输出准直器组7、多组第二分路结构3、多个单模准直器。
其中，第一分路结构2的输出分路数量与接收准直器组5中的准直器数量一一对应，第二分路结构3的数量与输出准直器组7中的准直器数量一一对应。所述输入部分与所述输出部分通过光纤连接，单模准直器通过光纤输出分束后的各个光路。
需要说明的是，本发明中短波长光束指的是波长小于1000nm的光束，所述光束为激光光束。
优选的是，可以通过控制45°全反射开关1，实现短波长光束分束器的多种工作模式。例如，模式一：使光束入射短波长光束分束器，实现光束的分束，和/或模式二：使入射光反射出光束分束器，不对其进行分束操作。
优选的是，参见图2-3，接收准直器组5为双头光子晶体光纤准直器组，第一分路结构2包括多个全部反射镜、多个半透半反分光镜，光束由45°全反射开关1入射，通过第一半透半反分光镜21将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二半透半反分光镜22、第三半透半反分光镜23，得到4路光束，通过第二反射镜25、第三反射镜26调整光路方向，以统一四路光束的出射方向。
其中，半透半反分光器具体是指一种光学滤光片，能够将入射光平均分为入射光和透射光。当入射光从分光器的一侧射入时，会在分光器的每一层薄膜表面发生反射和折射，反射光和折射光之间会产生相位差，从而发生干涉。当干涉为增强性的时候，就会形成透射峰；而当干涉是消减性的时候，就会形成反射谷。通过调节薄膜的参数，就能够实现对特定波长的平均分光。
在一个可选实施例中，第一分路结构2将入射光束分为四路，双头光子晶体光纤准直器组包括4个双头光子晶体光纤准直器。采用光子晶体光纤对出光的指向性变动进行限模，再准直输出后的光指向性稳定性好，利于单模光纤耦合。
进一步的，参见图2中的结构，每组第二分路结构3包括多个反射镜、多个半透半反分光镜，光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，以统一8路光束的出射方向。
其中，输出部分包括4组第二分路结构3，所述输出准直器组包括4个输出准直器，短波长光束分束器将输入光束分为32路，每路输出光束对应一个单模准直器，即短波长光束分束器可将输入光束分为32路。
本发明的方案采用了第一分路结构2与第二分路结构3，对输入光束进行了二次分路，在接收准直器组5前设置一第一分路结构2，在接收准直器承受功率有限的情况下，第一分路结构2的设置能够进一步提升光束分束器能够处理的功率。例如，当第一分路结构2将输入光束分为四路时，接收准直器组5接收到的四路分光功率均为入射光束的1/4，即入射光的功率最高可以达到接收准直器承受功率的4倍，使得本发明的短波长光束分束器能够适配更大范围的输入光束。此外，相比于直接将入射光直接分为32路，本发明的多级分路设置的稳定性更强，输出的分路光性能更佳，更利于后续加工步骤。
在一个可选的实施例中，输出部分与输入部分在空间上层叠设置，例如输出部分设置于输入部分上方，并通过光纤连接。将输出部分与输入部分层叠设置，能够进一步提升短波长光束分束器的集成程度，使得短波长光束分束器更加便携。
在一个可选的实施例中，参见图3，输入部分还包括设置于第一分路结构2底部的四个反射镜27，每个反射镜27与短波长光束分束器的底面呈45°夹角，并与第一分路结构2中四路光束位置相对应，用于将输出的四路光束通过出光孔反射至接收准直器组处。
在一个可选的实施例中，本发明中的光纤均采用传输短波长光时保持单模传输的光纤，该选择能够使得传输及后续出射的光的性能更加可控、稳定，提升短波长光束分束结果的稳定性。
具体来说，选择当传输短波长光时保持单模传输的光纤，能够使得传输光纤的偏振、指向等参数保持在可控范围，经过此种光纤传输的光束输入输出准直器组7的结果会更加稳定。
在一个可选的实施例中，连接输入部分与输出部分的光纤由制冷装置包裹，上述制冷装置优选为半导体制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC），所述半导体制冷器是利用半导体的帕尔贴效应制成；进一步，所述半导体制冷器优选为半导体（Thermo Electric，TE）制冷片，其能够很好地应用在空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。
当光纤传输功率较高时会出现严重的发热现象，而过高的温度不仅会导致传输功率损失，光纤损坏的概率也大大增加。本发明采用TE制冷片作为包裹光纤的制冷装置为其降温，能够避免上述情况。
在一个可选的实施例中，短波长光束分束器由两个长方体状模块构成，光束分束器的长度可选为215mm，宽度可选为260mm，高度可选为81mm。应当理解的是，上述尺寸数值仅为示例，包括但不限于的其他尺寸数值，只要不对本发明的发明目的产生限制任何形式的增加或删减都应当被包含在本发明的主旨内。
实施例2
基于前述实施例，本发明还提供一种短波长光束分束方法，采用第一实施例中的短波长光束分束器实现，方法步骤如图4所示。
步骤S1：打开45°全反射开关1，令光束入射第一分路结构2，第一分路结构2出射的光束输入至接收准直器组5；
其中，其第一分路结构2的输出分路数量与接收准直器组5中的准直器数量一一对应，第二分路结构3的数量与输出准直器组7中的准直器数量一一对应，所述接收准直器组为双头光子晶体光纤准直器组；
优选的是，第一分路结构2通过以下步骤实现对光束的分路；
步骤S11：光束由45°全反射开关1入射，通过第一半透半反分光镜21将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二半透半反分光镜22、第三半透半反分光镜23，得到四路光束，通过第二反射镜25、第三反射镜26调整光路方向，统一四路光束的出射方向。
其中，所述接收准直器组5包括四个双头光子晶体光纤准直器。
步骤S2：通过光纤连接接收准直器组5与输出准直器组7，光纤将接收准直器组5的输出输入至输出准直器组7。
优选的是，本发明中的光纤均采用光纤为传输短波长光时保持单模传输的光纤，具体内容在实施例1中已详细记载，在此不再赘述。
步骤S3：通过多组第二分路结构3将输出准直器组7的输出光束进行分路，第二分路结构3的每路输出的光束均输入对应的单模准直器，再通过光纤输出单模准直器的输出光路。
优选的是，第二分路结构3通过以下步骤实现对光束的分路。
步骤S31：光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，统一8路光束的出射方向。
其中，输出部分包括四组第二分路结构3，所述输出准直器组7包括四个输出准直器，输出部分包括32个单模准直器，光束分路器最终将入射光束分为32路。
于上述技术方案基础上进一步的，采用制冷装置包裹连接输入部分与输出部分的光纤，所述制冷装置采用半导体制冷板。
综上，本发明的方案获得了如下效果：
1、本发明实现了短波长光束的多路分路，且分路器的分路结果稳定性高、分路性能高。
2、本发明通过光纤连接输入部分与输出部分，能够使出射的光的性能更加可控、稳定，提升短波长光束分束结果的鲁棒性。
3、本发明设置了多级分路结构，提升了短波长光束分束器能够承受的光功率，适配性更强。
4、本发明采用制冷装置包裹光纤，能够避免光纤发热导致的功率损失及光纤损坏，进一步提升短波长光束分束结果的稳定性和分路性能。
5、本发明采用光子晶体光纤对出光的指向性变动进行限模，再准直输出后的光指向性稳定性好，利于单模光纤耦合。
基于本申请，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目和方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
在本发明提及的所有文献都在本申请中引用作为参考，就如同每一篇文献被单独引用作为参考那样。此外应理解，在阅读了本发明的上述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (10)
1.一种短波长光束分束器，包括输入部分和输出部分，其特征在于，
所述输入部分依次包括：45°全反射开关、第一分路结构、接收准直器组；
所述输出部分依次包括：输出准直器组、多组第二分路结构、多个单模准直器；
所述输入部分与所述输出部分通过光纤连接，多个单模准直器分别通过单模光纤输出分束后的各个光路；
其中，第一分路结构的输出分路数量与接收准直器组中的准直器数量一一对应，第二分路结构的数量与输出准直器组中的准直器数量一一对应，所述接收准直器组为双头光子晶体光纤准直器组。
2.如权利要求1所述的短波长光束分束器，其特征在于：
所述第一分路结构包括多个反射镜、多个半透半反分光镜，入射光束经由45°全反射开关进入分束器，通过第一半透半反分光镜将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二、第三半透半反分光镜，得到四路光束，再通过第二、第三反射镜调整光路方向，以统一四路光束的出射方向；
其中，所述入射光束为激光，所述双头光子晶体光纤准直器组包括四个双头光子晶体光纤准直器。
3.如权利要求2所述的短波长光束分束器，其特征在于：
每组所述第二分路结构包括多个反射镜、多个半透半反分光镜，光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，统一8路光束的出射方向；
其中，输出部分包括四组第二分路结构，所述输出准直器组包括四个输出准直器，输出部分包括32个单模准直器，光束分束器最终将入射光束分为32路。
4.如权利要求1-3中任一项所述的短波长光束分束器，其特征在于：
所述输入部分与所述输出部分通过光纤连接，其中，该光纤为传输短波长光束时保持单模传输的光纤。
5.如权利要求4所述的短波长光束分束器，其特征在于：
所述光纤被制冷装置包裹，所述制冷装置采用半导体制冷片。
6.一种短波长光束分束方法，采用如权利要求1-5中任一项所述的短波长光束分束器实现，其特征在于，所述短波长光束分束方法包括以下步骤：
步骤S1：打开45°全反射开关，入射光束经由45°全反射开关进入分束器中的第一分路结构，第一分路结构出射的光束输入至接收准直器组；
步骤S2：通过光纤连接接收准直器组与输出准直器组，光纤将接收准直器组的输出光束输入至输出准直器组；
步骤S3：通过多组第二分路结构将输出准直器组的输出光束进行分路，第二分路结构的每路输出光束均输入至对应的单模准直器，再通过光纤输出单模准直器的输出光路；
其中，第一分路结构的输出分路数量与接收准直器组中的准直器数量一一对应，第二分路结构的数量与输出准直器组中的准直器数量一一对应。
7.如权利要求6所述的短波长光束分束方法，其特征在于，第一分路结构通过步骤S11实现对光束的分路：
步骤S11：光束由45°全反射开关入射，通过第一半透半反分光镜将输入光束分为两路，两路光束分别入射第二、第三半透半反分光镜，得到四路光束，通过第二、第三反射镜调整光路方向，以统一四路光束的出射方向；
其中，所述接收准直器组包括四个接收准直器。
8.如权利要求7所述的短波长光束分束方法，其特征在于，第二分路结构通过步骤S31实现对光束的分路：
步骤S31：光束由第四半透半反分光镜分为两路，两路光束分别入射第五半透半反分光镜、第六半透半反分光镜，得到四路光束，四路光束分别入射第七、第八、第九、第十半透半反分光镜，得到8路光束，再通过第四、第五、第六、第七反射镜调整光路方向，统一8路光束的出射方向；
其中，输出部分包括四组第二分路结构，所述输出准直器组包括四个输出准直器，输出部分包括32个单模准直器，光束分路器最终将入射光束分为32路。
9.如权利要求6-8中任一项所述的短波长光束分束方法，其特征在于，采用传输短波长光时保持单模传输的光纤实现所述短波长光束分束方法。
10.如权利要求9所述的短波长光束分束方法，其特征在于，采用制冷装置包裹光纤，所述制冷装置采用半导体制冷片。
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