CN211148969U

CN211148969U - 一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱

Info

Publication number: CN211148969U
Application number: CN201922106522.0U
Authority: CN
Inventors: 赵意意; 杨建峰; 薛彬; 贺应红; 徐广州; 相萌; 马小龙; 吕娟; 于基睿
Original assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Current assignee: XiAn Institute of Optics and Precision Mechanics of CAS
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2029-11-29

Abstract

本实用新型公开了一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱。该光陷阱包括反射体，反射体上开设有一个截面为锥形的反射腔；反射腔对入射光的吸收率为ε＞95％；反射腔的锥度为2α；其中，8°＜α≤16.36°；反射体的杂光抑制比为：

n_max为反射腔对光的最大反射次数。本实用新型使得杂光的抑制比可达到1E‑7以上，符合了当前高灵敏度系统对杂光抑制能力的要求。

Description

一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱

技术领域

本实用新型涉及一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，该光陷阱可用于激光通信、激光雷达等主动激光探测光学系统中抑制降低发射激光对探测器的干扰影响，提高主动激光探测光学系统的收发隔离度。

背景技术

主动激光探测系统(如激光通信系统、激光雷达系统等)发射的激光功率比接收到的激光功率高很多，一些高灵敏度系统的发射激光功率与接收激光功率之比甚至可高达10¹⁰量级。如此高功率的发射激光束造成杂光很容易淹没接收光功率，使系统无法正常工作。如图1所示为一种常见的发射激光束杂光路径。发射通道发射的激光有部分能量通过分光镜打在了结构机械壁上，其中一部分光被机械壁散射通过分光镜到达了接收通道形成杂散光。通常减小这种杂光的方式是对机械壁上进行消杂光处理，常用消杂光处理方法有：1)黑色阳极化；2)喷涂消光漆；3)粘贴黑色天鹅绒等。这些消杂光处理方法的本质是提高机械壁的吸收率，但这些方法的杂光抑制比(出射光能量与入射光能量之比)很难达到1E-4量级，难以满足高灵敏度系统对杂光抑制能力的要求。

实用新型内容

为了解决背景技术中现有消杂光处理方法杂光抑制比(出射光能量与入射光能量之比)很难达到1E-4量级，难以满足高灵敏度系统对杂光抑制能力的要求的问题，本实用新型提出了一种吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其杂光抑制比可于优1E-7量级，可大幅度减小发射激光带来的杂散光。

本实用新型的具体技术方案是：

本实用新型提供了一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，包括反射体，反射体上开设有一个截面为锥形的反射腔；

反射体对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；

反射腔的锥度为2α；其中，8°＜α≤16.36°；

反射体的杂光抑制比为：

n_max为反射腔对光的最大反射次数。

进一步地，上述反射腔有两种形式：

一是：反射腔为一个圆锥形腔室。

二是：反射腔为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面构成，斜面的倾斜角为α。

进一步地，上述反射腔对光的最大反射次数n_max的具体计算公式为：n_max＝roundup(90/α-0.5)，式中roundup()为向上取整函数。

进一步地，上述光陷阱的构成形式有两种：

1、反射体采用金属铝材料制作，反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有吸收膜层，吸收膜层为铬加介质增透膜。

2、反射体采用有色吸收玻璃制作，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％；反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有增透膜。

进一步地，上述反射体为两个楔形件构成。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型所提出的光陷阱采用的反射腔和吸收膜层相结合的结构，入射激光在反射腔内反射多次，且吸收率很高，使得杂光的抑制比可达到1E-7以上，符合了当前高灵敏度系统对杂光抑制能力的要求。

2、本实用新型所提出的光陷阱仅有内设反射腔的反射体以及吸收膜层组成，结构简单，易于加工制作，利用推广使用。

3、本实用新型所提出的光陷阱采用的反射腔结构，无论反射腔内激光的入射角度为多少，其出射杂散光的角度固定，确保了光陷阱在有安装误差的情况下仍可以保证出射杂光偏离接收视场。

附图说明

图1为一种常见的发射激光束杂光路径；

图2为本实用新型中反射腔为圆锥形腔室时光陷阱的结构示意图；

图3为本实用新型中反射腔为两个斜面时光陷阱的结构的示意图；

图4为本实用新型吸收膜的吸收率曲线；

图5为本实用新型光陷阱内光线路径图。

附图标记如下：

1-反射体，2-反射腔、3-斜面、4-楔形件。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体

实施例对本实用新型提出的一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱作进一步详细说明。根据下面说明，本实用新型的优点和特征将更清楚。需要说明的是：附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的；其次，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。

如图2和图3所示，光陷阱包括反射体1，反射体1上开设有设有一个截面为锥形的反射腔2；反射腔2的锥度为2α。其中，8°＜α≤16.36°；反射体1对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；反射腔2有两种形式：1、反射腔为一个整体的圆锥形腔室；2、反射腔为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面3构成，斜面3的倾斜角为α。形式1更符合光学器件的要求，形式2更便于加工制作。

光陷阱在每次光线入射的时候会吸收部分光能量，经过多次反射，光能量在光陷阱的反射腔内被多次吸收，最终出射的光能量远小于入射的光能量。(图中反射体为两个楔形件4构成，通过在两个楔形件拼接而构成一个反射腔2，参见图3，也可以采用在一个反射体上直接加工出一个反射腔2，参见图2)

反射体有两种实现方案：

第一种，反射体1采用金属铝材料，反射腔2表面抛光成镜面(粗糙度均方根值应小于3nm)，反射腔2表面镀针对激光器波长的吸收膜层(图中未示出)，吸收膜层在工作波长的吸收率大于90％。当激光入射在反射腔表面时部分激光能量被吸收膜层吸收，该类吸收膜层在单波长的吸收率ε可达95％以上。例如采用抛光铝材料加工反射体，反射腔内表面镀铬加介质增透膜的吸收膜层，其吸收率如图3所示。

第二种，反射体1采用有色吸收玻璃，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％。反射腔2表面抛光成镜面(粗糙度均方根值应小于3nm)；反射腔2表面镀针对工作波长的介质增透膜，增透膜的作用是减小在反射面表面的反射，使更多的光进入有色吸收玻璃中，从而被有色吸收玻璃吸收，增透膜在工作波长的透过率应大于99.5％。例如针对1550nm波段的激光，反射体采用肖特KG5有色吸收玻璃材料，KG5有色吸收玻璃反射体表面镀增透膜，在1550nm波段内反射体表面的反射率小于0.5％，其余的99.5％的能量进入KG5玻璃中，1550nm激光在KG5玻璃中的内部透过率仅为4.25e-5/mm，进入玻璃内的光能量几乎全部被吸收。

反射体的两种方案各有优点，第一种方案采用金属铝材料可加工性强；第二种方案的吸收率更高杂光抑制能力更强。

光束在反射腔内多次反射，其第1、2、3、······、n次的入射角分别为：

A₁＝90°-α (1)

A₂＝180°-(90°-A₁)-2α-90°＝90°-3α (2)

A₃＝180°-(90°-A₂)-2α-90°＝90°-5α (3)

······

A_n＝180°-(90°-A_n-1)-2α-90°＝90°-(2n-1)α (4)

其中，当A_n>0时，即n<(45/α+0.5)时，光束向光陷阱的反射腔内传播；当A_n<0时，即n>(45/α+0.5)时，光束开始向光陷阱的反射腔外传播。

当90°+A_n≤2α时，即(2n+1)α≥180°，反射后的光束不再与对向反射面相交，光束将从光陷阱中出射，因此可计算出最大反射次数为：

n_max＝roundup(90/α-0.5) (5)

式中roundup()为向上取整函数。

出射角度为：

β＝180°-2n_maxα (6)

角度α设计应满足：1、尽可能多的反射次数，以吸收更多的光能量，一般反射次数应大于6次；2、出射光线的角度偏离接收光路的接收视场θ；3、为满足一定的反射腔开口大小，α不能太小，太小会造成光陷阱的长度过长，一般α应大于8°。因此得到α的限制条件为：

接收光路的接收视场一般在3°范围内，由上式可得角度α的设计约束条件为：

8°＜α≤16.36° (8)

定义光陷阱的杂光抑制比为出射光陷阱的光能量与入射光陷阱的光能量之比，则光陷阱的杂光抑制比为：

具体实例

根据式(8)角度α的取值范围要求，取α＝14°。反射体由两块铝制的楔形件组成，反射腔表面由金属铝抛光成镜面(粗糙度应小于3nm)，在反射腔表面上镀吸收膜层，吸收膜层在1550nm处的吸收率为97.2％。当激光入射进入光陷阱后，其激光的行走路径如图5所示。根据(7)式计算得出总反射次数为6，与光线追迹结果一致。光束每次打在吸收面上光能被吸收97.2％，经过6次吸收后出射光陷阱的能量为：

因此该光陷阱的杂光抑制比为4.8E-10。

最后所应说明的是，上述描述仅是对本实用新型较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims

1.一种用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：包括反射体，反射体上开设有一个截面为锥形的反射腔；反射体对入射光每次反射的吸收率ε＞95％；

反射腔的锥度为2α；其中，8°＜α≤16.36°；

反射体的杂光抑制比为：

n_max为反射腔对光的最大反射次数。

2.根据权利要求1所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：反射腔为一个圆锥形腔室。

3.根据权利要求1所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：反射腔为由两个相交的，且倾斜角相同的斜面构成，斜面的倾斜角为α。

4.根据权利要求1或2或3所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：所述反射腔对光的最大反射次数n_max的具体计算公式为：n_max＝roundup(90/α-0.5)，式中roundup()为向上取整函数。

5.根据权利要求1或2或3所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：反射体采用金属铝材料制作，反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有吸收膜层，吸收膜层为铬加介质增透膜。

6.根据权利要求1或2或3所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：反射体采用有色吸收玻璃制作，有色吸收玻璃在工作波长的每毫米内部透过率小于0.01％；反射体的反射腔表面抛光成镜面，其粗糙度均方根值小于3nm；反射腔表面镀设有增透膜。

7.根据权利要求1或2或3所述的用于吸收抑制激光杂散光的光陷阱，其特征在于：所述反射体为两个楔形件构成。