專利名稱：全內(nèi)反射－折射激光光束變換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對激光器出射的激光束進(jìn)行某種整形、耦合的變換器，特別是對激光束直徑進(jìn)行擴大或者壓縮使其得以更廣泛的應(yīng)用的所謂擴束器(或者縮束器)，屬于激光光束的整形、耦合技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
眾所周知，從激光器出射的激光束往往是具有一定大小的發(fā)散角和口徑，如果不對其采取某種整形、耦合措施很難滿足當(dāng)前的許多應(yīng)用，而擴束器(或者縮束器)則通過對激光束直徑進(jìn)行擴大或者壓縮使其得以更廣泛的應(yīng)用，所以此類變換器的設(shè)計和使用顯得尤為重要。如在一些激光發(fā)射系統(tǒng)中，需要利用擴束器擴大激光束直徑，從而壓縮光束的發(fā)散角提高發(fā)射精度，如激光雷達(dá)探測，激光武器，環(huán)境檢測等。在另外一些應(yīng)用中相反地需要利用縮束器來壓縮激光束的直徑使其能夠耦合進(jìn)直徑很小的光纖或者得到高能量強度的激光束，如光纖激光器，激光等離子激發(fā)，激光外科手術(shù)等。
目前人們所使用的激光擴束器大致分為折射型和反射型兩類。折射型的擴束器一般是由兩個或兩個以上的透鏡組合而成，典型的折射型系統(tǒng)有伽利略型和開普勒型，折射型擴束器的優(yōu)點是儀器的設(shè)計、加工和調(diào)節(jié)都比較簡單，但是這類系統(tǒng)缺點是擴束倍率小、體積大，另外由于透鏡入射表面的抗反射膜的瑕疵使得部分出射激光束再返回到激光器從而造成激光器的損壞，降低了激光器的使用壽命。反射型擴束器是由次鏡和主鏡兩個反射鏡組和而成，相比折射型而言反射型擴束器不僅具有較高的擴束倍率和大的出射孔徑，而且體積小、重量輕。但是為了較好的校正球差、慧差和像散等像差使其得到更廣泛的應(yīng)用，此類擴束器一般都做成非球面的系統(tǒng)，如反射型非球面卡塞格林系統(tǒng)和格里高利系統(tǒng)。但是這類系統(tǒng)容易引起中心遮光，所以便出現(xiàn)了離軸卡塞格林系統(tǒng)和格里高利系統(tǒng)，離軸系統(tǒng)雖然使能量損失降到最低，卻限制了擴束倍率和出射孔徑，另外由于次鏡的尺寸非常小所以加工起來相當(dāng)困難，價格昂貴，所以此類擴束器并沒有被廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是公開了一種新的全內(nèi)反射-折射激光光束變換器，克服現(xiàn)有技術(shù)存在的擴束倍率低小、傳輸效率低，加工起來困難，價格昂貴…等缺陷。
本發(fā)明的技術(shù)方案全內(nèi)反射-折射激光光束變換器，它是一個對入射光透明的圓錐體，L為變換器的長度，圓錐體錐尖夾角為2α，2H為圓錐體圓平面的直徑，中心旋轉(zhuǎn)軸為x，其特點征在于錐尖夾角2α的大小決定了其具體的作用，nε為變換器的折射率；它們之間的關(guān)系取決于下面的公式
nϵsin[π2-(2n-1)α]=sin(π2-α)(n=2,3,4,···)]]>這里n為傳播光線和側(cè)壁的交點次數(shù)，不同的交點次數(shù)倍率也不同，n越大倍率越高，相應(yīng)的α越??；調(diào)節(jié)α的大小和改變?nèi)肷涔獾娜肷浞较?，是決定變換器具體起到何種作用的關(guān)鍵，當(dāng)入射光從圓平面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從錐尖的側(cè)面出射，且錐尖的夾角α滿足上述公式則變換器對平行光起到的作用是縮束；當(dāng)入射光從錐尖的側(cè)面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從圓平面出射，且錐尖的夾角α同樣滿足上式，則變換器對平行光起到的作用是擴束；當(dāng)入射光從圓平面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從錐尖的側(cè)面出射，錐尖的夾角α不再滿足上式時，則變換器起到的作用是匯聚平行光或使平行光轉(zhuǎn)換成空心的激光束，激光束匯聚或發(fā)散的程度由α的大小決定；圓平面的大小由出射光束的直徑或入射光束的直徑?jīng)Q定，據(jù)此變換器的長度L才能確定。
圓錐體圓平面的直徑2H在滿足公式tgα＝H/L，并大于入射光束的直徑，變換器起到縮束作用；當(dāng)2H在滿足公式tgα＝H/L時，并大于入射光束的直徑和擴束倍率的乘積，變換器起到擴束作用。
變換器的長度L是在α和H確定之后再由公式tgα＝H/L求出L的大小，α確定后并變換器的折射率nε由所選用的材料決定，材料必須對入射光透明，即材料對入射光的吸收可忽略不計；對于同一入射光，不同的變換器材料則對應(yīng)于不同的變換器尺寸，同樣滿足權(quán)利要求1中的公式；在滿足權(quán)利要求1中的公式的前提下，折射率的大小對于入射光的變換器是由對入射光透明的玻璃或塑料構(gòu)成。
本發(fā)明的有益效果1.由于該變換器是非成像光學(xué)元器件，所以對于沿x軸入射的平行光束而言不會引起光線的任何偏差。
2.由于變換器的傳輸原理主要是全內(nèi)反射，所以能量損失小，傳輸效率高。
3.α的大小決定了擴束倍率M的大小，所以可通過使變換器的α較小得到較高的擴束倍率M。
4.由于變換器僅由一個光學(xué)元器件構(gòu)成，所以結(jié)構(gòu)簡單，價格便宜，可以被廣泛采用。
5.變換器的關(guān)鍵是α的大小，所以可以適當(dāng)調(diào)節(jié)α使其用于不同的用途，如圖3-圖6所示。
總之，全內(nèi)反射-折射激光光束變換器是同類擴束器中性能較為完善的。


圖1變換器外形結(jié)構(gòu)示意圖；圖2變換器的參數(shù)及光線追跡示意圖；圖3入射的平行光束的縮束計算模擬圖；圖4入射的平行光束的聚焦計算模擬圖；圖5入射的平行光束轉(zhuǎn)換成空心光束的計算模擬圖；圖6入射的平行光束的擴束計算模擬圖；圖7n和相對應(yīng)的α和擴束倍率M關(guān)系圖；圖8入射的非平行光束的縮束計算模擬9入射的非平行光束的擴束計算模擬中1.變換器 2.入射光 3.出射光 L.為變換器的長度 α.變換器的側(cè)壁和中心軸之間的夾角 x.中心旋轉(zhuǎn)軸 2H.圓錐體圓平面的直徑 nε.變換器的折射率具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施方式
做進(jìn)一步說明全內(nèi)反射-折射激光光束變換器的加工比較簡單，可以用熔拉法和倒模法兩種，材料用對入射光透明的玻璃或塑料，我們選用的材料的折射率nε＝1.5。
變換器的外形結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，當(dāng)尖端為入射端而圓面為出射端時它起到的是擴束作用，反之是縮束作用。無論是擴束還是縮束變換器依據(jù)的傳播原理均是全內(nèi)反射-折射原理。由于光線的可逆性，在此以變換器的對光束的壓縮規(guī)律為例。假設(shè)有一束直徑為2H1的平行激光束沿中心旋轉(zhuǎn)軸方向入射到變換器的圓平面，先通過全內(nèi)反射原理將入射光傳輸?shù)阶儞Q器的尾部，每經(jīng)過一次全反射傳播光線和側(cè)壁的夾角n就減小2α，當(dāng)n小于臨界角i＝arcsin(1/nε)時傳播光線便從側(cè)壁折射出來，通過選擇合適的α大小可以使出射光仍平行于中心旋轉(zhuǎn)軸，出射光束的直徑為2H2，倍率M＝H1/H2。其中，α為變換器的側(cè)壁和中心軸之間的夾角，nε為變換器的折射率。
利用光線追跡的方法先研究平行光通過變換器的傳輸規(guī)律。建立如圖2所示的坐標(biāo)系，圓平面的中心為坐標(biāo)原點，L為變換器的長度，2H為圓平面的直徑，H1和H2分別為入射光束和出射光束的半徑，α為側(cè)壁和x軸的夾角，(x0，y0)為入射光線的起始坐標(biāo)，(xn，yn)(n＝1，2，3…)為傳輸光線和擴束器的交點坐標(biāo)；n(n＝1，2，3…)為傳輸光線相對于側(cè)壁的入射角，3′為3折射角；n(n＝1，2…)為傳輸光線與x軸之間的夾角，當(dāng)光線對x軸沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)時取正，反之取負(fù)。
傳輸光線在變換器內(nèi)部僅遵循兩個傳輸規(guī)律1.當(dāng)y0＞0時有xn+1=H-(-1)n(yn-xntgθn)tgα+(-1)ntgθnyn+1=yn+(xn+1-xn)tgθnθ=(-1)n2nα(n=0,1,2,···)----(1)]]>2.y0＜0時有xn+1=H+(-1)n(yn-xntgθn)tgα-(-1)ntgθnyn+1=yn+(xn+1-xn)tgθnθn=(-1)n+12nα(n=0,1,2,···)----(2)]]>其中tgα＝H/L由此可見，只要給定入射光線的起始坐標(biāo)和變換器的尺寸，即可通過上述的傳輸規(guī)律遞推出傳輸光線的傳輸情況。當(dāng)傳輸光線相對于側(cè)壁的入射角n小于臨界角時傳輸光線便會從側(cè)壁折射處來，此時傳輸光線和側(cè)壁交點的坐標(biāo)為(xn，yn)，如圖2中的3，有nεsinn＝sinn′(3)注意yn的正負(fù)由傳播光線的交點次數(shù)決定，當(dāng)n為奇數(shù)時yn＞0，反之yn＜0。
由圖2可知n＝π/2-(2n-1)α (n＝1，2，3…)(4)要使入射光線的偏差最小則必須使出射光線仍平行于x軸出射，有n′+α＝π/2 (5)聯(lián)立公式(3)(4)(5)得關(guān)系式nϵsin[π2-(2n-1)α]=sin(π2-α)(n=2,3,4···)----(6)]]>可以得知公式(6)的解有無數(shù)組，α越小，n越大，只要變換器的側(cè)壁和中軸的夾角α滿足公式(6)，則該變換器就可以將沿中軸入射的平行仍以平行光傳輸出去，同時縮小了其光束直徑，這里n為傳播光線和側(cè)壁的交點次數(shù)。可見出射光線的出射方向主要由變換器的tgα＝H/L參數(shù)決定，α確定后，可事先根據(jù)入射光束的直徑確定變換器的入射面直徑2H，則其長度L也可確定。
圖3為當(dāng)n＝4，2H1＝1mm時，計算機模擬變換器的對入射光束的壓縮情況圖。由圖3可以看出1.變換器不改變平行光束的強度分布；2.變換器可以將所有入射進(jìn)來的平行光仍以平行光傳播出去。此時變換器的入射面直徑2H＝2mm，長度L＝8.22mm，折射率nε＝1.5。
由公式(6)可見，當(dāng)適當(dāng)調(diào)節(jié)α的大小，可以使出射激光束匯聚到x軸某一點處得到高強度的光能量，或者得到空心的激光束，分別如圖4和圖5所示。
利用光線可逆的原理，當(dāng)尖端為入射端而圓面為出射端時它起到的是擴束作用，如圖6所示。
圖7是當(dāng)n＝2，3…10時所對應(yīng)的α大小和擴束倍率M(M＝H1/H2)的關(guān)系圖，其中α的單位為弧度。由此可見隨著n的遞增，α減小變緩，而擴束倍數(shù)始卻終成線性遞增，當(dāng)n＝9時，擴束倍率M已大于16，所以錐形擴束器的擴束倍率較高。
以上研究的是平行光束通過變換器的傳播情況。有一定發(fā)散角大小的激光束入射時，其傳播特性同傳統(tǒng)成像擴束器對光束的傳輸特性類似，即當(dāng)光束的直徑縮小時則其發(fā)散角增大，當(dāng)入射光束的直徑增大時則其發(fā)散角減小，分別如圖8和圖9所示，其中入射激光束的發(fā)散角為1°，直徑為1mm。所不同的是拉格朗日不變量(即光束的直徑和其發(fā)散角的乘積)不在是常量，當(dāng)壓縮光束的直徑時拉格朗日不變量略有減小，n越大減小的幅度越大，當(dāng)擴大光束的直徑時拉格朗日不變量略有增大，n越大增大的幅度也越大，如表一所示，僅以n＝4，8為例。其中L0為入射光束的拉格朗日不變量，Ld為光束被壓縮一定倍數(shù)后的拉格朗日不變量，Lm為光束被擴大一定倍數(shù)后的拉格朗日不變量。
該變換器還可以替代多根光纖耦合激光二極管出射的激光束，并同時縮小了它們的光束直徑，使之能夠耦合進(jìn)直徑較小的光纖中。
表一傳輸光束的拉格朗日不變量nL0LdLm41mm×1°＝1 0.19555mm×4.676°＝0.91439 7.6354mm×0.14954°＝1.141881mm×1°＝1 0.10786mm×6.60854°＝0.712797 20.336mm×0.063°＝1.28168
權(quán)利要求
1.一種全內(nèi)反射-折射激光光束變換器，它是一個對入射光透明的圓錐體，L為變換器的長度，圓錐體錐尖夾角為2α，2H為圓錐體圓平面的直徑，中心旋轉(zhuǎn)軸為x，其特征在于錐尖夾角2α的大小決定了其具體的作用，nε為變換器的折射率；它們之間的關(guān)系取決于下面的公式nϵsin[π2-(2n-1)α]=sin(π2-α)(n=2,3,4···)]]>這里n為傳播光線和側(cè)壁的交點次數(shù)，不同的交點次數(shù)倍率也不同，n越大倍率越高，相應(yīng)的α越??；調(diào)節(jié)α的大小和改變?nèi)肷涔獾娜肷浞较?，是決定變換器具體起到何種作用的關(guān)鍵，當(dāng)入射光從圓平面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從錐尖的側(cè)面出射，且錐尖的夾角α滿足上述公式則變換器對平行光起到的作用是縮束；當(dāng)入射光從錐尖的側(cè)面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從圓平面出射，且錐尖的夾角α同樣滿足上式，則變換器對平行光起到的作用是擴束；當(dāng)入射光從圓平面沿中心旋轉(zhuǎn)軸入射從錐尖的側(cè)面出射，錐尖的夾角α不再滿足上式時，則變換器起到的作用是匯聚平行光或使平行光轉(zhuǎn)換成空心的激光束，激光束匯聚或發(fā)散的程度由α的大小決定；圓平面的大小由出射光束的直徑或入射光束的直徑?jīng)Q定，據(jù)此變換器的長度L才能確定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所說的全內(nèi)反射—折射激光光束變換器，其特征在于圓錐體圓平面的直徑2H在滿足公式tgα＝H/L，并大于入射光束的直徑，變換器起到縮束作用；當(dāng)2H在滿足公式tgα＝H/L時，并大于入射光束的直徑和擴束倍率的乘積，變換器起到擴束作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所說的全內(nèi)反射—折射激光光束變換器，其特征在于變換器的長度L是在α和H確定之后再由公式tgα＝H/L求出L的大小，α確定后并且H在滿足權(quán)利要求2時，L可隨H按公式tgα＝H/L而改變。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所說的全內(nèi)反射—折射激光光束變換器，其特征在于變換器的折射率nε由所選用的材料決定，材料必須對入射光透明，即材料對入射光的吸收可忽略不計；對于同一入射光，不同的變換器材料則對應(yīng)于不同的變換器尺寸，同樣滿足權(quán)利要求1中的公式；在滿足權(quán)利要求1中的公式的前提下，折射率的大小對于入射光的變換特性沒有影響。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所說的全內(nèi)反射—折射激光光束變換器，其特征在于變換器是由對入射光透明的玻璃或塑料構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對激光器出射的激光束進(jìn)行某種整形、耦合的變換器，特別是對激光束直徑進(jìn)行擴大或者壓縮使其得以更廣泛的應(yīng)用的所謂擴束器(或者縮束器)，屬于激光光束的整形、耦合技術(shù)領(lǐng)域。它是一個對入射光透明的圓錐體，L為變換器的長度，圓錐體錐尖夾角為2α，2H為圓錐體圓平面的直徑，中心旋轉(zhuǎn)軸為x，其特征在于錐尖夾角2α的大小和入射光的入射方向決定了其具體的作用，圓平面的大小由出射光束的直徑或入射光束的直徑2H決定，據(jù)此變換器的長度L才能確定，n
文檔編號G02B27/10GK1749806SQ20051001552
公開日2006年3月22日 申請日期2005年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月20日
發(fā)明者郜洪云, 傅汝廉 申請人:南開大學(xué)