专利名称：利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法
技术领域：
本发明涉及一种利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，属于光纤耦合领域。
背景技术：
光参数积是衡量激光光束的一个重要指标。光参数积，即激光的光束直径与其远场发散角的乘积。当激光束在同一介质或者一般的光学系统中传输时，光束的光参数积是不变的。它是在诸如激光束光纤耦合中所应考虑的一个重要因素。
在激光束光纤耦合中，若只对光束进行准直、聚焦，理想情况下整个过程中激光束的光参数积是不变的。当然光束经聚焦透镜聚焦后光束的光参数积可以用另一个常量来表示，聚焦透镜数值孔径NAlens和聚焦光斑直径的乘积(聚焦透镜数值孔径NAlens对应于光参数积中光束的发散角，聚焦光斑直径对应于光参数积中光束直径)。而在光纤耦合中要得到高的耦合效率，耦合输出光纤的数值孔径应该大于聚焦物镜的数值孔径，同时光纤芯径应该大于聚焦光斑尺寸。因此理论上，耦合输出光纤芯径和数值孔径是受限的，但是在激光束耦合输出功率一定的情形下，希望耦合的光纤芯径和数值孔径尽可能的小，才能得到高亮度的激光输出，这就与高的耦合效率对光纤芯径和数值孔径的要求相矛盾。为了解决高耦合效率与高亮度激光输出的矛盾，需要对激光束进行整形。所谓整形，就是把耦合光束(如线形光束)截成多截，重新排列成一定的形状如矩形，方形等。以此来改善它的光参数积，使其与更小芯径，更小数值孔径光纤匹配，达到最佳的耦合效率，得到高亮度的激光。
现有的光束整形的方法主要有折射整形法和折反射结合整形法。
折射整形法是根据折射原理，光束以一定的角度入射到透明介质(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质是平行介质，光束穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质的厚度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排，从而达到光束整形的目的。武汉凌云光电有限公司就是使用的此办法。还有的直接利用布儒斯特角棱镜扩束或缩束。
折反结合整形法一般是利用一个等腰直角棱镜的斜边做为折射面，两个直角边做为反射面，通过两个阶梯状的棱镜堆按一定的位置放置来完成光束的重排，从而达到整形的目的。
上述两种方法由于由于经过的折射和反射的次数较多，在光束准直度较差的情况下，光束经过多次反射和折射后会弥散开来，整形后的光束的尺寸会远大于高准直情形下的光束重排的尺寸，造成光纤的耦合效率低，激光输出的亮度减小。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足而提供一种简单、实用的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，该方法通过两个反射镜堆反射面的反射达到光束的整形，减小了光束在欠准直情形下整形后光束的弥散，提高了小芯径小数值孔径光纤的耦合效率，得到了高亮度的激光输出。
本发明的技术解决方案是利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于采用两个按一定规则排列的反射镜堆作为反射载体，通过两次反射，将光束的光参数积加以改变，并将光束重新排列，具体包括下列步骤(1)针对光束的特性和不同的光束整形要求选择各反射镜堆的反射面厚度；(2)根据各反射镜堆的反射面厚度确定各反射镜堆反射面的排列规则，或者是将反射面直接加工在一个元件上作为一个反射镜堆。
(3)将两个反射镜堆按规则放置于整形光路中，对光束进行准直。
所述的步骤(1)中反射镜的反射面厚度是通过光束尺寸来选择的，一般的整形要求都是为了将非对称光束整形为旋转对称光束，故在选择厚度时遵循以下原则每个反射镜堆中各反射镜的反射面厚度相等，其中第二个反射镜堆各反射镜反射面厚度为光束的较窄方向处的厚度，第一个反射镜堆各反射镜反射面厚度为较窄方向处整形后所想达到的厚度(与整形后的较宽方向处厚度越接近越好)。
所述的步骤(2)中根据各反射镜堆的反射面厚度确定各反射镜堆反射面的排列规则是指，加工出所要求的两种反射镜后，两个反射镜堆是将各个反射镜反射面的两侧边相互粘在一起，形成阶梯状的反射镜堆；两个反射镜堆的各反射镜反射面间的间隔互为对方各反射镜反射面的厚度，也就是说对于第一个反射镜堆各反射镜反射面间的间隔为第二个反射镜堆各反射镜反射面的厚度；第二个反射镜堆各反射镜反射面间的间隔为第一个反射镜堆各反射镜反射面的厚度。
上述步骤(2)中也可以将各反射镜堆直接加工为一个整体，而不用将各反射镜堆用粘贴的方式将几个反射镜组合起来。这样可以省去粘贴的麻烦。但将反射镜堆作为一个整体不好加工，所以采用了先加工反射镜再粘贴在一起形成反射镜堆的方法。
上述所指的反射镜为棱镜或者具有此反射面特征的反射镜。
通过这两个反射镜堆反射面的反射从而达到光束的重排，也就实现了光束整形的目的。
本发明相比于现有技术有以下优点现有整形方法由于经过的折射和反射的次数较多，在光束准直度较差的情况下，光束经过多次反射和折射后会弥散开来，整形后的光束的尺寸会远大于高准直情形下的光束重排的尺寸；而本发明只是将光束经过两次反射就达到了整形的效果，从而会大大减小光束在欠准直情形下整形后光束的弥散，这样大大提高了小芯径小数值孔径光纤的耦合效率，从而得到了高亮度的激光输出。
图1是本发明实施例中第一个反射镜堆所用的反射镜示意图；图2是本发明实施例中第二个反射镜堆所用的反射镜示意图；图3是本发明实施例中第一个反射镜堆的结构示意图；图4是本发明实施例中第二个反射镜堆的结构示意图；图5是本发明实施例中二个反射镜堆的位置和光路示意图；图6(a)和图6(b)是本发明实施例中反射整形法演示图，其中图6(a)经过第一次反向后的光束，图6(b)为经过第二次反射后的光束。
具体实施例方式
本发明的实例是对宽为1mm，长为12mm的光束进行整形的实例，其具体步骤如下第一步，按照图1所示，根据整形光束的目的，预将光束由1mm×12mm整形为3mm×4mm，使光束接近旋转对称。首先将光束截成4截，则第一个反射镜(本实施例采用棱镜)的厚度为光束较长方向处的长度12mm除以截数4后的商，即3mm。由于要使光束在斜边上反射后垂直射向正上方，要将斜边与直角边的角度设置为45°。为了减小能量损失，一般在反射面上镀上针对整形光束波长的45°方向的增反膜；第二步，按照图2所示，根据整形光束的尺寸，将第二个反射镜堆(棱镜)的反射面宽度与光束宽度设置为一致，即1mm。由于要使从正下方入射的光束在斜边上反射后再按水平方向射出，故将反射面所在边和底边夹角设置为135°。为了减小能量损失，一般在反射面上镀上针对整形光束波长的45°方向的增反膜；第三步，按照图3所示，将图1中反射镜(棱镜)的间距设置为1mm加以粘贴，作为第一个反射镜堆；第四步，按照图4所示，将图2中的反射镜(棱镜)按间距设置为3mm加以粘贴，作为第二个反射镜堆；
第五步，按照图5所示，将图3和图4中的棱镜堆正交放置，将图3的棱镜堆正对光束放置，图4的棱镜堆放在图3棱镜堆的正上方；第六步，按照图6所示，光束通过第一个反射镜堆后被分成了4截，经过第二个反射镜堆后每截被旋转了90°并且紧密排列，光束由原来的1×12变为3×4，这样将光束的光参数积旋转对称化了，从而可以将光束耦合到更小芯径和数值孔径的光纤中。
权利要求
1.利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于采用两个按一定规则排列的反射镜堆作为反射载体，通过两次反射，将光束的光参数积加以改变，并将光束重新排列，具体包括下列步骤(1)针对光束的特性和不同的光束整形要求选择各反射镜堆的反射面厚度；(2)根据各反射镜堆的反射面厚度确定各反射镜堆反射面的排列规则，或者是将反射面直接加工在一个元件上作为一个反射镜堆。(3)将两个反射镜堆按规则放置于整形光路中，对光束进行准直。
2.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于所述的步骤(1)中反射镜的反射面厚度是通过光束尺寸来选择的，每个反射镜堆中各反射镜的反射面厚度相等，其中第二个反射镜堆各反射镜反射面厚度为光束的较窄方向处的厚度，第一个反射镜堆各反射镜反射面厚度为较窄方向处整形后所想达到的厚度。
3.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于所述的步骤(2)中根据各反射镜堆的反射面厚度确定各反射镜堆反射面的排列规则是指，加工出所要求的两种反射镜后，两个反射镜堆是将各个反射镜反射面的两侧边相互粘在一起，形成阶梯状的反射镜堆；两个反射镜堆的各反射镜反射面间的间隔互为对方各反射镜反射面的厚度，也就是说对于第一个反射镜堆各反射镜反射面间的间隔为第二个反射镜堆各反射镜反射面的厚度；第二个反射镜堆各反射镜反射面间的间隔为第一个反射镜堆各反射镜反射面的厚度。
4.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于步骤(2)中将各反射镜堆直接加工为一个整体是指采用先加工反射镜再粘贴在一起形成反射镜堆。
5.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于所述的步骤(1)中将两个反射镜堆按规则放置于整形光路中，是指按垂直正交规则放置于整形光路中，对光束进行整形。
6.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于所述的反射镜为棱镜或者具有此反射面特征的反射镜。
7.根据权利要求1所述的利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，其特征在于所述的反射面还镀上针对整形光束波长的45°方向的增反膜。
全文摘要
利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法，采用两个按一定规则排列的反射镜堆作为反射载体，通过两次反射，将光束的光参数积加以改变，并将光束重新排列，达到光束的旋转对称化。本发明具有反射次数少，光束整形弥散小的优点，结构简单，方便实用。
文档编号G02B6/42GK1553240SQ03123568
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者刘银辉, 周崇喜, 杜春雷 申请人:中国科学院光电技术研究所