CN219997425U - 一种浸没式衍射分束器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种浸没式衍射分束器，所述衍射分束器由至少一个单周期结构阵列构成；所述单周期结构包括光学基底层，具有收拢入射光、降低光线发散角的光源准直层，光源分束层，平坦层；光源准直层和光源分束层分别重叠设置于光学基底层两侧，光源准直层和光源分束层的表面均设计有平坦层。本实用新型的有益效果为：本实用新型所述一种浸没式衍射分束器同时集成准直和分束模块于一体，使光源元件的整体性更强，可以显著减少后期装配误差对光学效果的影响。本实用新型所述元件的加工制作基于晶圆级工艺，元件物理尺寸小，加工精度高，便于应用在集成度高的场景。
Description
技术领域
本实用新型属于光学元件技术领域，具体涉及一种浸没式衍射分束器。
背景技术
分束器可放置于光学路径上，调制光线使单一光束能量按比例分配到多个目标光束中。广泛应用在激光加工，激光雷达，结构光等领域。
对于分束光学元件，其入射光为理想的平行平面光时，分束效果为最佳。因此，在较理想情况下，需要对发光光源进行准直。但准直元件的加入，难免会进一步增加光学系统的尺寸，光学系统变得难以轻量化；同时，系统装配时需要进一步考虑元件的位置公差；还因额外元件加入提高了系统成本。
实用新型内容
本申请的主要目的在于提供一种集成了光源准直和激光分束功能于一体的连续面型衍射分束器。
为了实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
一种浸没式衍射分束器，所述衍射分束器由至少一个单周期结构阵列构成；
所述单周期结构包括光学基底层，具有收拢入射光、降低光线发散角的光源准直层，光源分束层，平坦层；
光源准直层和光源分束层分别重叠设置于光学基底层两侧，光源准直层和光源分束层的表面均设计有平坦层；
所述光源准直层的面型矢高h满足下述关系式：
h＝1/2*λ*φ*|n1-n2|/π；
λ代表波长；φ代表相位；n1和n2分别代表准直面型两侧的光学介质的折射率；
其中，相位φ的计算公式为：
λ为波长；r为准直面型对应的曲率半径；f为有效焦距。
对于圆锥曲面准直层面型，面型矢高也可满足以下公式：
其中，c为曲率，r为位置相对光轴的横向距离，k为圆锥系数，再进行菲涅尔化即可。
在使用本申请所述一种浸没式衍射分束器时，准直层和分束层可以有效的缩小光源，准直层和分束层组合的结构尺寸，使准直和分束功能集于单一微纳光学元件，有效提升了集成度，同时降低了成本。
准直层面型受光源结构参数、折射率和有效焦距等因素的影响，可基于上述算法获得准直效果最佳的面型参数，并生成对应的面型失高数据，以达到本申请所述衍射分束器的效果。
上述一种浸没式衍射分束器，作为一种优选的实施方案，所述光学基底层为熔融石英层、光学玻璃层或光学塑料层；所述光学基底层的折射率为1.4-2.0。
上述一种浸没式衍射分束器，作为一种优选的实施方案，所述光源准直层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述光源准直层的折射率为1.4-2.0。
光源准直层可通过在基底上填胶，纳米压印等工艺制造出。
上述一种浸没式衍射分束器，作为一种优选的实施方案，所述光源分束层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述光源分束层的折射率为1.4-2.0。
分束层的面型受光源参数和分束目标光场等因素影响，可结合衍射方程d sinθ＝mλ及相关计算方法获得连续面型对应的调制相位，并以此获取面型失高数据。
光源分束层可通过在基底上填胶，纳米压印等工艺制造出。
上述一种浸没式衍射分束器，作为一种优选的实施方案，所述平坦层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述平坦层的折射率为1.4-2.0；所述平坦层的折射率与所述光源准直层和所述光源分束层的折射率不同，优选的折射率差为0.05。
平坦层是在光源分束层和光源准直层的表面填胶压印而成，通过填胶压印方式加工出平坦层结构，使光学元件封装成一个整体。
整体封装成一体式结构以后，光学调制面型跟外界环境隔绝起来，能很好的防尘，防霉菌，防水汽，防盐雾，长期保持优良的光学性能。
当使用纳米压印工艺制作平坦层时，可根据需要保留残胶的厚度，以达到薄膜干涉条件，增加透射效率。
上述一种浸没式衍射分束器，作为一种优选的实施方案，还包括减反射膜层，所述减反射膜层设置于所述平坦层的表面。两个平坦层的表面均设置有减反射膜层。减反射膜层可大幅的降低空气和平坦层间的菲涅尔反射。
优选地，所述减发射膜层为单层MgF2。
本实用新型的有益效果为：本实用新型所述一种浸没式衍射分束器同时集成准直和分束模块于一体，使光源元件的整体性更强，可以显著减少后期装配误差对光学效果的影响。本实用新型所述元件的加工制作基于晶圆级工艺，元件物理尺寸小，加工精度高，便于应用在集成度高的场景。
附图说明
图1为本实用新型所述一种浸没式衍射分束器光源准直层的单周期面型；
图2为本实用新型所述一种浸没式衍射分束器光源分束层的单周期面型；
图3为本实用新型所述一种浸没式衍射分束器光源分束层的仿真目标光场；
图4为本实用新型所述一种浸没式衍射分束器光源分束层不含平坦层的单周期结构图；
图5为本实用新型所述一种浸没式衍射分束器光源分束层的单周期结构图；
图中：1、光学基底层；2、光源准直层；3、光源分束层；4、平坦层。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合案例对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
一种浸没式衍射分束器，所述衍射分束器由至少一个单周期结构阵列构成；
实施例1所述的单周期结构包括光学基底层1，具有收拢入射光、降低光线发散角的光源准直层2，光源分束层3，平坦层4；
光源准直层2和光源分束层3分别重叠设置于光学基底层1两侧(设置方法可通过在光学基底层1上填胶，纳米压印的工艺制备)，光源准直层2和光源分束层3的表面均设计有平坦层4；
本实施例所选用的光学基底层1为光学玻璃BK-7材质，其折射率为1.50左右；
本实施例所选用的光源准直层2为光学玻璃层；
所述光源准直层2的面型失高h满足下述关系式：
h＝1/2*λ*φ*|n1-n2|/π；
λ代表波长；φ代表相位；n1和n2分别代表准直面型两侧的光学介质的折射率；
其中，相位φ的计算公式为：
λ为波长；r为准直面型对应的曲率半径；f为有效焦距。
本实施例中：
准直层的面型周期为50um；初始面型为优化后的圆锥曲面，根据面型参数获得菲涅尔化后对应的相位φ，其最大矢高约20um；λ代表工作波长，为905nm；f为准直面型对应的有效焦距，为2mm；r为坐标相对旋转轴的距离；准直面型两侧的光学介质的折射率，n1＝1.51，n2＝1.56；
本实施例所选用的光源分束层3为光学玻璃层。
如图2和图3所示：光源分束层3的面型失高结合衍射方程dsinθ＝mλ及相关计算方法获得连续面型对应的调制相位，并以此获取面型失高数据，本实施例光源分束层3的面型周期为50um，面型失高为3.5um，受此面型调制后，单光束可分束成9个能量相近的子光束。
为使光学调制面型跟外界环境隔绝起来，具有很好的防尘，防霉菌，防水汽，防盐雾，长期保持优良的光学性能，在光源准直层2和光源分束层3的表面均设计有平坦层4，本实施例所采用的平坦层4为光学塑料层，其折射率为1.51(所述平坦层的折射率与所述光源准直层和所述光源分束层的折射率不同)，平坦层4是在光源分束层3和光源准直层2的表面填胶压印而成，通过填胶压印方式加工出平坦层4结构，使光学元件封装成一个整体。
为增加光学调制面型的透射率，降低空气和平坦层4间的菲涅尔反射，还设置有减反射膜层，减反射膜层设置于平坦层4的表面。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型方法的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (6)
1.一种浸没式衍射分束器，其特征在于，所述衍射分束器由至少一个单周期结构阵列构成；
所述单周期结构包括光学基底层，具有收拢入射光、降低光线发散角的光源准直层，光源分束层，平坦层；
光源准直层和光源分束层分别重叠设置于光学基底层两侧，光源准直层和光源分束层的表面均设计有平坦层；
所述光源准直层的面型矢高h满足下述关系式：
h＝1/2*λ*φ*|n1-n2|/π；
λ代表波长；φ代表相位；n1和n2分别代表准直面型两侧的光学介质的折射率；
其中，相位φ的计算公式为：
λ为波长；r为准直面型对应的曲率半径；f为有效焦距。
2.根据权利要求1所述一种浸没式衍射分束器，其特征在于，所述光学基底层为熔融石英层、光学玻璃层或光学塑料层；所述光学基底层的折射率为1.4-2.0。
3.根据权利要求1所述一种浸没式衍射分束器，其特征在于，所述光源准直层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述光源准直层的折射率为1.4-2.0。
4.根据权利要求1所述一种浸没式衍射分束器，其特征在于，所述光源分束层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述光源分束层的折射率为1.4-2.0。
5.根据权利要求1所述一种浸没式衍射分束器，其特征在于，所述平坦层为光学玻璃、光学树脂或光学塑料，所述平坦层的折射率为1.4-2.0；所述平坦层的折射率与所述光源准直层和所述光源分束层的折射率不同。
6.根据权利要求1所述一种浸没式衍射分束器，其特征在于，还包括减反射膜层，所述减反射膜层设置于所述平坦层的表面。
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