CN2566292Y - 光束分配装置 - Google Patents

Abstract

一种光束分配装置，包括可发射沿单个光束横截面的横向方向排列展开的一组光束的发光装置以及若干个屋脊反射器。屋脊反射器夹角为45°或者90°，固定在一个板块上，沿光束的横向方向平行排列，其开口正对光束组，板块底座上装有万向节。其中90°屋脊反射器的屋脊绕光束入射方向旋转45°。本光束分配装置可以将一组狭窄如侧面辐射的半导体激光束或光束改造成为线度—发散度在横向和竖向两个方向上都接近甚至相等的对称光束组，其性能与光的波长无关，可用于高亮度光学器件，也可用在光开关、光分布器以及光束位置函数器等场合。

Description

光束分配装置

技术领域

本实用新型涉及一种光束分配装置，特别涉及一种对各种波长的光束都可以调整其在其横截面的横向和竖向上的线度-发散度乘积之比，并可以在不同方向上切换或分配光功率的光束分配装置，属于光学技术领域。

背景技术

由于光学不变量原理，一个光束的线度—发散度乘积(SDP)在光学系统中是不变的。众所周知，侧而辐射的半导体激光器的光束性质在横向(平行于PN结或量子阱的方向)和竖向(垂直于PN结或量子阱的方向)两个方向上很不对称。例如，半导体激光器的辐射面的横向线度是d_s＝100μm，竖向线度是d_f＝1μm；横向发散角是θ_s＝20°，竖向发散角是θ_f＝40°，所以它的横向线度—发散度积是SDP_s＝d_sSin(θ_s/2)＝17.36，竖向线度—发散度积是SDP_f＝d_fSin(θ_r/2)＝0.34。二者的比例是R＝SDP_s/SDP_f＝d_sSin(θ_s/2)/d_fSin(θ_r/2)＝17.36/0.34＝51。正是由于线度—发散度积在横向和竖向两个方向上的巨大差别，给半导体激光的应用造成了很大的困难。

一些已有技术可以将一条线似的半导体激光辐射束在一定的地方变换为圆形光斑，但其固有的线度—发散度不对称性仍然存在，而且在很多应用中仍是一大障碍。为此，又发展出了一些新的技术，旨在克服半导体激光束的这一不对称性，它们成功地改造了半导体激光束。这些技术是美国专利4763795，5168401，5592333及6240116。在美国专利5592333中，也采用了屋脊反射器，但其两面平面反射镜之间的夹角为60°和70.5°，因此入射光束的角度必须十分精确，此外，它对入射光束的宽度也有要求。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种新型的光束分配装置，可以对光束或光束组进行空间位置及传播方向的转换，也可以用来改变光束组的组合方式，以改变其在光束横截面的横竖两个方向上的线度—发散度乘积之比。

为实现上述的发明目的，本实用新型采用下述的技术方案：

一种可将光束在两个互相垂直的空间方向上任意分配的光束分配装置，包括可发射沿单个光束横截面的横向方向排列展开的一组光束的发光装置以及若干个屋脊反射器，其特征在于：

所述屋脊反射器为两面相互交叉的平面反射镜，其交叉处为屋脊，两面平面反射镜之间的夹角为45°的整数倍，且不大于90°；

所述屋脊反射器沿光束的横向方向平行排列，其开口正对光束组入射方向，所述屋脊反射器固定在一个板块上，所述板块底座上装有万向节；

所述夹角为90°的屋脊反射器的屋脊绕光束入射方向旋转45°；

所述屋脊反射器的开口宽度不小于到达开口处的入射光束的横向线度。

本实用新型所述的光束分配装置可以将一组狭窄如侧面辐射的半导体激光束或光束改造成为线度—发散度在横向和竖向两个方向上都接近甚至相等的对称光束组，也可以将入射光在空间不同位置和方向上重新安排或分配，可用在光开关、光束分配器、光束位置、方向变换器，以及高亮度光学等场合。

附图说明

图1所示为本实用新型所述的光束分配装置的一个实施例的使用状态图。

图2所示为一个90°的屋脊反射器，由两面互相垂直的平面镜组成。

图3所示为将图2中的90°屋脊反射器绕Z轴旋转-45°以后的视图。

图4所示为将图3中的90°屋脊反射器绕X轴旋转-45°以后的视图。

图5所示为一个沿横向方向展开的宽光束射向一组90°屋脊反射器后形成的一组反射光束。

图6所示为一个45°的屋脊反射器，由两面互成45°的平面镜组成。

图7所示为一个光束射向45°屋脊反射器及其反射光束方向。

图8所示为一个光束从X-Z平面内的-X位置仰射向45°屋脊反射器及其相应的反射光束方向。

图9所示为一个光束从X-Z平面内的+X位置仰射向45°屋脊反射器及其相应的反射光束方向。

图10所示为沿横向方向排列的一排光束仰射向一组45°屋脊反射器后形成的一组反射光束。

图11所示为一组在X-Z平面内的光线从不同的X位置仰射向45°屋脊反射器后，反射光线的方向和位置。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步的说明。

图2至图8说明的是本实用新型所依据的光学原理。其中所使用的屋脊反射器为两面相互交叉的平面反射镜，其交叉处为屋脊。两面镜子之间的夹角为45°或者90°，分别简称为45°屋脊反射器和90°屋脊反射器。

在图2中，90°反射器的屋脊与Y轴重合，Y-Z面是它的角平分面，光线1在X-Z平面内沿平行于Z轴的方向射向该反射器，然后沿-Z轴方向返回。如果光线1的X坐标是g，其反射光线的X坐标则是-g。图3中，将90°屋脊反射器的屋脊绕Z轴旋转-45°，光束6的横方向平行于X轴，沿Z方向射向该反射器。由于反射器绕Z轴旋转，反射光束沿-Z轴方向返回，但是其横方向绕Z轴旋转了90°，成了平行于Y轴。图4将图3中的90°屋脊反射器绕X轴旋转-45°，光束9的横方向平行于X轴，沿Z方向射向该反射器。光束10是其反射束，其横方向平行于Z轴，前进方向的方向余弦是 $({-1/}_{\sqrt{2}},{-1/}_{\sqrt{2}},0)$ 。也就是说，经过该屋脊反射器的反射后，入射光束的横方向从平行于X轴变为垂直于X轴，前进方向从平行于Z轴变为垂直于Z轴。90°屋脊反射器的这种功能可用于进行光束变换。

图6所示为45°屋脊反射器，图中25和26为组成反射器的两面平面反射镜，Z轴线为其角平分线。光线27平行于Z轴射向镜25，然后被反射到镜26，当它被镜26反射后，前进方向平行于X轴。图7中，用一组光束28而不是光线27射向45°屋脊反射器，它被镜面29和30反射以后，前进方向绕Y轴旋转了-90°。光线前进方向的这种变化为一系列应用提供了可能性。

将图7的光束28改为图8中的仰射光束31，方向余弦是 $(0,-1{/}_{\sqrt{2}},-1{/}_{\sqrt{2}})$ ，则反射光束32的传播方向垂直于Z轴，方向余弦是 $(-1{/}_{\sqrt{2}},-1{/}_{\sqrt{2}},0)$ 。移动图7中的光束31的起始位置从X轴的负值处到X轴的正值处，如图9所示，入射光束33的方向余弦为 $(0,-1{/}_{\sqrt{2}},$ $1{/}_{\sqrt{2}})$ ，反射光束34仍然垂直于Z轴，但方向余弦变为 $(1{/}_{\sqrt{2}},-1{/}_{\sqrt{2}},0)$ ，而且它还垂直于图8中的反射光束32。这就为本光束分配装置用作光功率分配器奠定了理论上的基础。

根据上面所述的光学原理，本实用新型可采用如图1所示的结构。一个半导体激光器排(11)安装在其底座(12)之上，该激光器排中的各个激光器沿横方向(X方向)排成一行。为便利于作图，各激光器的发射光束(14，15，16)在其竖向方向上已被微型柱透镜(13)准直，但对其在横向方向的发散并未作任何准直。在实际中，这些光束无论是否经过准直都能适用本光束分配装置。每个光束由其横截面的横向方向线度，竖直方向线度以及该两方向上的发散角描述。整组光束由其中的光束总数和光束的横向周期描述。这组光束沿Z方向前进，射入一块刻有一组90°屋脊反射器(18，19，20)的板块(17)。所述这组90°屋脊反射器沿光束的横向方向(X方向)平行排列，每个反射器的开口都正对光束组。其底座装有万向节(图中未画出)，以使整组反射器可以绕X轴和Z轴任意旋转。在图中所示的实施例中，先让各屋脊都和Y轴平行，然后将每个反射器绕Z轴旋转-45°，再将整组反射器绕X轴旋转-45°，就得到图中所示的屋脊反射器的空间位置。为保证反射效果，每一个反射器的宽度t都等于或大于光束在它上面的宽度，反射器的排列周期w等于光束的周期w，反射器总数须大于或等于光束组中的光束总数。光束组沿Z方向射入90°屋脊反射器，方向余弦为(0，0，1)。被反射的光束组将沿垂直Z方向转播，方向余弦为 $(-1{/}_{\sqrt{2}},-1{/}_{\sqrt{2}},0)$ 。这样，一组在横向方向以周期为w排列的光束(14，15，16)变成了一组沿纵向方向以周期为w排列的光束(21，22，23)。此时，反射光束组在横向和竖向两个方向上的线度—发散度积及其比已不同于入射光束细。这样就实现了本实用新型改变光束组在光束横截面的横竖两个方向上的线度—发散度乘积之比的发明目的。

当把整组反射器绕X轴任意旋转时，反射光束的位置和方向会发生变化，但其横竖两个方向上的线度—发散度乘积之比的变化不会改变。

图5所示为本实用新型的另一实施例。板块(24)上刻有一组90°屋脊反射器，但是相邻反射器间并无死区。由一个半导体激光器排(11)辐射出的宽光束D被板块(24)上的这组反射器反射后，被截成n段沿纵向方向排列的窄光束，其周期等于板块(24)上的反射器的排列周期d，而且d＝D/n，n是整数。如美国专利5168401所指出的，入射光束组在两个方向上的线度—发散度积之比R和反射光束组在两个方向上的线度—发散度积在两个方向上之比R’之间满足关系RR’＝n²，这样，只要在设计板块(24)上的反射器组时适当选择n，反射光束组的线度—发散度积之比R’就可以改变为所需值。如果希望R’＝1，这是对称的光束组，则只需将90°屋脊反射器组设计成 $n=\sqrt{R}$ ，对于R＝51，n可设计为7。在图5中，为便于画图计，宽光束在纵方向的发散在图中已被圆柱微透镜校正。在实际应用中，这种校正并非必要。

图10所示为本实用新型所述的光束分配装置选用45°屋脊反射器时的实施例。由半导体激光器排(11)发出的光束由柱透镜(13)准直以后以45°仰角射向一组刻在板块(35)上的45°屋脊反射器。所述45°屋脊反射器组可以绕X轴旋转。反射器的周期r等于半导体激光器排的辐射光束周期r。这些光束在45°屋脊反射器上的横向宽度小于一个反射器的开口宽度q的一半。所以每一个光束都只照在反射器的一片镜面上。这组光束被这组反射器反射以后，我们看到，以周期r沿横向方向展开的光束组变成了以周期r沿竖向方向排列的光束组。这种变换再一次提供了改变光束组在两个方向上线度—发散度积之比的途径。

图11所示为本实用新型用作光功率分配器时的具体实施例。六条光线从X-Z平面出发仰射向45°屋脊反射器，仰角45°，它们的X坐标分别为X＝a，b，c，d，e，f。X坐标为负值的三条光线反射以后沿垂直于Z轴的方向传播，方向余弦为 $(-1{/}_{\sqrt{2}},-1{/}_{\sqrt{2}},0)$ ，并且沿Z方向排列Z＝a，b，c(如图中短线所示)，X坐标为正值的三条光线反射以后也垂直于Z轴的方向传播，排列次序为Z＝-d，-e，-f。但方向余弦为 $(1{/}_{\sqrt{2}},1{/}_{\sqrt{2}},0)$ ，而且还垂直于X坐标为负值的三条反射光线。这样就将入射宽光束分成相同的两个反射光束组，且彼此相互垂直。两组反射光束各自的光功率是入射光束组位置的函数。这样就构成一个光功率分配器。在作为光功率分配器的场合，入射光束在反射器上的宽度可以超过反射器开口宽度的一半。

在本实用新型选用45°屋脊反射器的场合，当入射光束组从射入45°屋脊反射器中的一个镜面转换到另一个镜面时，反射光就从一个方向转变到另一个方向。这就构成一个M×2光开关，其中M是光束组中的光束数。当入射光束组中仅有一个光束，而且光束的横向线度远小于反射器的开口宽度时，反射光束的位置和传播方向是入射光束的X坐标的函数。这样就构成一个光束位置和方向变换器。

在本实用新型中，入射光束组可以是一个光束，也可以是一组成排的光束，还可以是半导体激光器的辐射激光光束组。对激光光束而言，光束在横向和竖向的线度及发散角由半导体激光器辐射光束的相应参数确定。光束的前进方向由半导体激光器的纵向方向即共振腔长方向确定。对本实用新型而言，光束组可以是经过准直的，也可以是未经准直的。光束组中各光束，可以是一样的，也可以是不一样的。也就是说，各光束的线度、发散度以及彼此之间的间距可以全部相同，也可以各不相同。对于光束组中互不相同的各光束而言，屋脊反射器组中各反射器也要作相应改变。反射器组中的各个反射器可以紧密相邻无间隔，也可以保留间隔，依是否需要从间隔上反射的光束而定。反射器开口处的宽度由反射光束组在两个方向上所需的线度—发散度积之比来决定。

需要声明的是，本实用新型的特定实施例已经对本实用新型的发明内容做了详尽的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本实用新型精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，特别是对若干部件的等同替换，都构成对本实用新型专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种可将光束在两个互相垂直的空间方向上任意分配的光束分配装置，包括可发射沿单个光束横截面的横向方向排列展开的一组光束的发光装置以及若干个屋脊反射器，其特征在于：

所述屋脊反射器为两面相互交叉的平面反射镜，其交叉处为屋脊，两面平面反射镜之间的夹角为45°的整数倍，且不大于90°；

所述屋脊反射器沿光束的横向方向平行排列，其开口正对光束组入射方向，所述屋脊反射器固定在一个板块上，所述板块底座上装有万向节；

所述夹角为90°的屋脊反射器的屋脊绕光束入射方向旋转45°；

所述屋脊反射器的开口宽度不小于到达开口处的入射光束的横向线度。

2.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述屋脊反射器以入射光束的横向方向为轴进行旋转。

3.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述发光装置为半导体激光器，入射光束的所有参数由所述半导体激光器的有关参数确定。

4.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述屋脊反射器组中屋脊反射器个数为n，n为正整数；入射光束组在两个方向上的线度—发散度积之比R和反射光束组在两个方向上的线度—发散度积在两个方向上之比R’之间满足关系RR’＝n²；所述屋脊反射器的开口宽度不小于入射光束宽度的n分之一。

5.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述屋脊反射器中两面平面反射镜之间的夹角为45°；相邻的两个屋脊反射器的中心距离等于与之相对应的入射光束组中相邻的两光束的中心距离。

6.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述屋脊反射器中两面平面反射镜之间的夹角为45°，所述两面平面反射镜同时反射入射的一组光束；反射光分为两组，彼此相互垂直，每组反射光的方向、位置和光强度由入射光束组的位置确定。

7.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述发光装置发出的入射光的入射位置在所述屋脊反射器的两个镜面间切换，反射光束组的方向、位置和光强度由入射光束组的位置确定。

8.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述屋脊反射器中两面平面反射镜之间的夹角为45°，所述屋脊反射器只有一个，所述入射光束组中的光束数大于一

9.如权利要求1所述的光束分配装置，其特征在于：所述相邻屋脊反射器之间有间隔，所述间隔反射入射光束。

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