专利名称：双反射空间光桥接器的制作方法
技术领域：
本发明涉及相干激光通信和激光雷达领域，具体是一种双反射空间光桥接器，不
同结构组合的双反射光学平板可将不同方向输入的光束分光，同时将分开的四路光两两合 成混合的合成光束从不同方向输出，检偏双折射元件将两路合成光束分成相同偏振态的四
路混合光，波片则进行相位控制，实现2X4的空间光桥接，在相干探测的光接收机中用于 空间复合激光信号光束和本机振荡激光光束，并根据需要产生90度相移的2X4空间光桥 接器。
背景技术：
小型轻量化的大容量高码率星载激光通信终端是自由空间激光通信的发展趋势。 空间光桥接器是空间相干激光通信系统的关键元件，它的性能对相干通信系统的接收性能 有重要影响。尽管在光纤通信系统中，人们利用光纤和波导发展了多种光学桥接器方案，但 这些适用于光纤通信系统的光学桥接器不能满足空间通信的需求，不属于空间光桥接器， 在自由空间激光通信系统中，最常用的桥接器是2X4的90°相移空间光桥接器，用于平衡 接收和锁相，并且所接收的光信号不仅要用于探测通信信息还要用于探测位置信息以进行 光学精密跟踪，因此对于自由空间激光通信系统，光桥接器必须是自由空间传播的。在自由 空间光桥接中，在先技术[l]， [2](参见文献1 :Walter R. leeb. Realization of 90° and 180° Hybrids for OpticalFrequencies [C]. AEtJ,Band 37 [1983] ，Heft 5/6 :203-206。文 献2 :R. Garreis，C.Zeiss, 〃 90° optical hybrid for coherent receivers, 〃 Proc. SPIE， Vol. 1522， pp. 210-219,1991.)提出了采用波片结合偏振分束器或者非偏振分束器 实现90度和180度相移的2X2空间光桥接器方案，文献[2]则在此基础上提出了2X4 的90度相移的实现方案，但该方案须使入射光束的两个偏振分量经过偏振分束器、非偏振 分束器后的相位满足特定关系，这一点技术上很难实现，此外，还有整个光学系统需要保证 光束的严格等光程传输，装较困难，相关元件过多，不易集成等缺点。在先技术[3]， [4]， [5]， [6]， [7](参见文献3:刘立人，刘德安，闫爱民，栾竹，王利娟，孙建锋，钟向红，电控相 移空间光桥接器，发明专利，公告号100383572，同名实用新型专利公告号200959599 ;文 献4 :刘立人，闫爱民，栾竹，刘德安，孙建锋，王利娟，钟向红，双折射自由空间光桥接器，发 明专利，公告号100383571，同名实用新型专利公告号2899300，文献5 :万玲玉，刘立人， 孙建锋，周煜，职亚楠，许楠，闫爱民，相位可控双折射空间光桥接器，发明专利，申请号 200910051608. 6 ;文献6 :万玲玉，刘立人，职亚楠，周煜，孙建锋，许楠，闰爱民，偏振分束 双折射空间光桥接器，发明专利，申请号200910051610.3 ;文献7 :职亚楠，周煜，万玲玉， 闫爱民，孙建锋，刘立人，许楠，王利娟，电控相移晶体双折射空间光桥接器，发明专利，申请 号200910050593. 1)综合利用晶体的双折射效应和电光效应提出了另外的几种2X4的90 度空间光桥接器方案，但这些空间光桥接器都具有入射时输入光束相隔太近，很难精确控 制，光束输入方式要求严格的缺点。在先技术[8]， [9](参见文献8:万玲玉，张卫平，苏世 达，谷巍，班卫华，精密光栅调整空间光桥接器，申请号200910113988. 1 ;文献9 :万玲玉，班卫华，谷巍，苏世达，差动光栅空间光桥接器，申请号200910114008. X)提出了利用光栅 组建空间光桥接器的方案，但文献[8]存在光栅衍射效率影响耦合探测效率和难以提高相 位补偿精度的缺点，文献[9]中没有给出相应的相位调整措施以补偿差动光栅的制作误差 造成的相位偏差。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种双反射空间光桥接器，该
光桥接器具有入射方式多样，输出方式多样，使用灵活，相位稳定可调等优点。适用于自由
空间传输的相干光探测系统。 本发明的技术解决方案如下 —种双反射空间光桥接器，其特征在于其构成包括一个四分之一波片、第一双反 射光学平板、第二双反射光学平板的光轴相同，上下错开并立叠在一起形成第一叠块，第三 双反射光学平板和第四双反射光学平板的光轴相反，并排叠在一起形成第二叠块，所述的 第一双折射光学平板、第二双折射光学平板的光轴相反，上下叠在一起形成第三叠块，上述 各元部件的位置关系是沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片、第一叠块、第二叠 块和第三叠块。 所述的四分之一波片位于第一双反射射光学平板或者第二双反射射光学平板的 入射光路上，该四分之一波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面，并 且能以入射光线为轴进行转动。 —种双反射空间光桥接器，其特点在于其构成包括第一八分之一波片、第二八分 之一波片)、第一双反射光学平板和第二双反射光学平板的光轴相同，上下错开并立叠在一 起形成第一叠块，第三双反射光学平板和第四双反射光学平板的光轴相反，并排叠在一起 形成第二叠块，所述的第一双折射光学平板和第二双折射光学平板的光轴相反，上下叠在 一起形成第三叠块，上述各元部件的位置关系是沿光线的行进方向依次是所述的第一八 分之一波片、第二八分之一波片、第一叠块、第二叠块、第三叠块。 所述的第一八分之一波片和第二八分之一波片分别位于第一双反射光学平板、第 二双反射光学平板的入射光路上，所述的波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平 板的主截面，并且分别能以入射光线为轴进行转动。 —种双反射空间光桥接器，其特点在于其构成包括第一双反射光学平板、第二双 反射光学平板的光轴相同，上下错开并立叠在一起形成第一叠块，第三双反射光学平板和 第四双反射光学平板的光轴相反，并排叠在一起形成第二叠块，所述的第一双折射光学平 板和第二双折射光学平板的光轴相反，上下叠在一起形成第三叠块，沿光线的行进方向依 次是所述的第一叠块、八分之一波片、第二叠块和第三叠块。 所述的八分之一波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面。
所述的第一双反射光学平板、第二双反射光学平板的主截面与第三双反射光学平 板、第四双反射光学平板的主截面相互垂直；所述的第一双折射光学平板的主截面与第一 双反射光学平板的主截面成45度角，所述的第二双折射光学平板的主截面与第二双反射 光学平板的主截面成45度角；所述的双反射主截面、双折射光学平板的主截面为晶体光 轴、o光和e光所处的公共平面。
所述的第三叠块是检偏双折射元件构成，为四棱柱体或长方柱体，所述的检偏双 折射元件的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，其主截面与第一双折射光学平板的 主截面成45度角。 所述的双反射光学平板有两种结构，一种为平行四边体结构，其横截面为平行四 边形，有两个反射面， 一种为梯形体结构其横截面为直角梯形，只有一个反射面，入射面和 出射面都为长方形。 所述的第一双反射光学平板、第二双反射光学平板、第三双反射光学平板、第四双 反射光学平板、第一双折射光学平板、第二双折射光学平板和检偏双折射元件的垂直于光 线行进方向的入射面和出射面为光学抛光面。 所述的双反射、双折射光学平板和检偏双折射元件所用材料为单轴晶体，包括方 解石、钒酸钇、a-BB0或铌酸锂晶体。
本发明的技术效果 本发明双反射空间光桥接器采用两对双反射光学平板实现光束的分光合束，波片 产生相移，放于第一双反射叠块前的波片还可通过光轴的旋转进行相位的调节和补偿，从 而实现相位可调的2X4的90度空间光桥接器。由于结构设计中光程的自我补偿，克服了 先技术12须保证整个光学系统光束的严格等光程传输装配困难问题，位于双反射光 学平板前的波片以入射光线为轴旋转其光轴还可以补偿由于加工和装配误差造成的相位 误差，克服了先技术12中光束通过偏振分束器、非偏振分束器后其相位关系难以控制 的困难，克服了先技术3456、7中入射的两路输入光太靠近造成光路调整困 难的缺点，根据需要入射光束可以水平平行输入，垂直输入和相向输入，克服了先技术49不能进行相位补偿和先技术8相位补偿精度难以提高的缺点。因此本发明具有入射 方式和输出方式多样，结构灵活，性能稳定，相位可调等优点。适用于自由空间传播的相干 光通信系统和激光雷达。
图1是本发明双反射空间光桥接器实施例1结构的示意图。 图2是本发明双反射空间光桥接器实施例2结构的示意图。 图3是本发明双反射空间光桥接器实施例3结构的示意图。 图4是检偏双折射元件实施例的结构示意图。 图5是双反射光学平板的结构示意图。 图6是单轴晶体双反射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图。 图7是单轴晶体双折射光学平板主截面内晶体光轴取向和光束偏离的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例进一步详细说明本发明，但不应以此限制本发明的保护范 围。 本发明双反射空间光桥接器的三种构成如图1、图2、图3所示，图1实施例1的结 构包括四分之一波片7，上下错开并立叠放的第一双反射射光学平板1和第二双反射光学 平板2、并排叠放的第三双反射光学平板3和第四双反射光学平板4、上下叠放的第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6。其中输入光为光束a和光束b，输出光为光束c， 光束d，光束e和光束f 。四分之一波片7可放在第一双反射光学平板1或者第二双反射光 学平板2的输入光路，它的快轴或慢轴平行于其后的第一双反射光学平板1或者第二双反 射光学平板2的主截面，并且能以入射光线为轴进行转动。 参见图2，图2是本发明双反射空间光桥接器实施例2结构的示意图。实施例2的 结构包括两个八分之一波片8、9，上下叠放的第一双反射射光学平板1和第二双反射光学 平板2、并排叠放的第三双反射光学平板3和第四双反射光学平板4、上下叠放的第一双折 射光学平板5和第二双折射光学平板6，其中，八分之一波片8、9分别位于第一双反射光学 平板1、第二双反射光学平板2的前面，它的快轴或慢轴平行于最后的第一双折射光学平板 5或者第二双反射光学平板6的主截面，并且能以入射光线为轴进行转动。
参见图3，图3是本发明双反射空间光桥接器实施例3结构的示意图。实施例3 的结构包括上下叠放的第一双反射射光学平板1和第二双反射光学平板2、八分之一波片 10，并排叠放的第三双反射光学平板3和第四双反射光学平板4、上下叠放的第一双折射光 学平板5和第二双折射光学平板6，其中八分之一波片10位于第一叠块的后面，其快轴或慢 轴平行于其前面的第一双反射光学平板1或者第二双反射光学平板2的主截面。
在图1、图2、图3中，第三叠块都可用图4所示的一个检偏双折射元件四棱柱体 11或长方柱体12代替。组成第一叠块的双反射光学平板1、2有如图5所示的结构，可任意 组合。 第一叠块中的第一双反射光学平板1、第二双折射光学平板2，第二叠块中的第三 双反射光学平板3、第四双反射光学平板4，第三叠块中的第一双折射光学平板5、第二双折 射光学平板6，分别具有相同的结构和尺寸，且都为单轴晶体平板，其晶体光轴取向为e ， 定义为o光波法线方向与光轴的夹角。双反射、双折射光学平板的主截面为晶体光轴、o光 和e光所处的公共平面。检偏双折射元件11、12的几何形状为单轴晶体菱形体或长方体， 其主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面。第一双反射光学平板1、第二双反射光学平 板2、第三双反射光学平板3、第四双反射光学平板4、第一双折射光学平板5、第二双折射光 学平板6和检偏双折射元件11或12的垂直于光线行进方向的入射面和出射面为光学抛光 面。 实施例1中，选用如图l所示的结构时，把四分之一波片7放在第一双反射光学 平板1之前，波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面，并且分别能以 入射光线为轴进行转动，信号光束a通过四分之一波片7，入射到下面的第一双反射光学平 板，入射的信号光为线偏振光，其偏振方向与波片快/慢轴方向为45度角。在第一双反射 光学平板1中，信号光束a分解为o光和e光并相互偏离，形成两束平行光束输出。本振光 束b直接入射到下面的第二双反射光学平板2，入射的本振光为线偏振光，其偏振方向与波 片快/慢轴方向为45度角。在第二双反射光学平板2中本振光束b分解为o光部分和e 光部分并相互偏离，形成两束平行光束输出。从第一双反射光学平板l中出来的o光和从 第二双反射光学平板2中出来的e光进入第三双反射光学平板3，从第一双反射光学平板1 中出来的e光和从第二双反射光学平板第二双反射光学平板2中出来的o光进入第四双反 射光学平板4，由于第一双反射光学平板3、第四双反射光学平板4的主截面和第一双反射 光学平板1、2的主截面垂直，这样第一双反射光学平板1中的o光在第一双反射光学平板3中变成了 e光，第二双反射光学平板2中的e光在第一双反射光学平板3中变成了 o光。 同理，第二双反射光学平板2中的o光在第四双反射光学平板4中变成了 e光，第一双反射 光学平板1中的e光在第四双反射光学平板4中变成了 o光，从第一双反射光学平板1、第 二双反射光学平板2出来的四束光在第一双反射光学平板3、第四双反射光学平板4中合成 了两束信号光和本振光的合成光束。这两束合成光束在第一双折射晶体5、第二双折射晶体 6中分别被两两分成偏振态相同的四路混合光束c、 d、 e、 f ，并具有90度相对的相位差。
实施例2中，选用如图2所示的结构时，只需将两个八分之一波片分别置于第一双 反射光学平板1和第二双反射光学平板2的入射光路上，波片的快轴或慢轴平行于所述的 第一叠块光学平板的主截面，并且分别能以入射光线为轴进行转动，其他都和上述实施例1 相同。 实施例3中，选用如图3所示的结构时，只需将八分之一波片10置于第一双反射 光学平板1、第二双反射光学平板2组成的第一叠块的后面，该波片10的快轴或慢轴平行于 所述的第一叠块光学平板的主截面，其他都和上述相同。 —般情况下为获得较大的光束偏离，采用光束偏离最大化设计。在最大偏离角条 件下，对于负轴晶体，光轴取向为<9m=arctan^> (1) 对单轴晶体，光轴取向9和o、e光束之间的偏离角a之间的关系为
妙=(卜4)~4^~ (2) -《l44,g%
当光从折射率为r^的光密介质入射到折射率为化的光疏介质，在界面发生全反射
的入射临界角e。满足如下关系 sin <9C =丑 (3)
"i 如图6所示，设双反射晶体平板的边长分别为lp 12，反射面与底面之间的夹角为 P，反射点与反射面和入射面的交线之间的距离为l3，可得从双反射光学平板出来的o、e两 光束之间的分离距离Al为
/， sin a ~1 ^ /, sin a sin 〃 ,,、
cos(a +釣 △/ =
cos(a +々) 对于双折射光学平板，在最大偏离条件下，相应的光束分离距离为
A L = Dtan a m (5) 其中D为双折射平板的沿o光传播的长度，a m为最大偏离角。 具体制作四块双反射光学平板1、2、3、4时，它们由同一块晶体切割而成，其结构、
尺寸和光学性质相同，这样可以保证其内的o、 e光它们的的相位延迟都相同，已实现光程
的自我补偿。 在图1的结构中，把四分之一波片的光轴以入射光线为轴旋转一个小角度S ，光 束1通过它后，两个相互垂直的偏振分量的相位差不再是90度，而是90。
+2S ，这样，使得
8最后输出的四束光束c、 d、 e、 f的相对相位差也变为90° +2 S ，从而可以通过旋转四分之 一波片的光轴来调整补偿由于加工和装配误差造成的输出光束间的相位差偏差。因此，这 种结构的2X4的90°空间光桥接器具有相位可调的功能。 在图2的结构中，把其中任一个八分之一波片的光轴以入射光线为轴旋转一 个小角度e时，光束通过它后，两个相互垂直的偏振分量其相位差不再是45度，变为
—2^ + 2(^_1>'同样，可使最后输出的四束光束c、 d、 e、 f附目附目錢^細細
变化，从而也可以通过旋转八分之一波片的光轴来调整补偿由于加工和装配过程中的误差 造成的输出光束的相位偏差，并且可双路进行调整。因此，这种结构的2X4的90°空间光 桥接器具有双路相位可调的功能。 在图3的结构中，八分之一波片不能转动，没有相位补偿调节功能。 实施例3中，第一双反射光学平板1、第二双反射光学平板2、第三双反射光学平板
3、第四双反射光学平板4、第一双折射光学平板5和第二双折射光学平板6都采用方解石晶
体，并采取最大化光束偏离设计。 设实施例中的光束a和光束b的直径均为(Mmm。第一双反射光学平板1、第二 双反射光学平板2、第三双反射光学平板3、第四双反射光学平板4结构尺寸完全相同，为 一整块方解石双折射光学平板按厚度切割而成，本实施例中按结构13、14设计。设使用波 长为1064nm，方解石在此波长上的主折射率为n。 = 1. 6423， ne = 1. 4797，由公式(3)计算 的o、 e的全反射临界角分别为37. 51度和42. 52度，由公式(1)计算的最大化偏离条件下 的光轴取向为9 m = 48° 。设计方解石双反射平板1、2、3和4的尺寸为山=10mm， 12 = 30mm，e =45° ，高度h为5mm，如使用时反射点与反射面和入射面的交线之间的距离13 = 3mm，则从双反射平板出来的光束之间的分离距离为3. 5mm。如果方解石双反射平板采用结 构15、16进行设计，则L = 10mm指横截面梯形的斜边长，12 = 30mm指横截面梯形的上低 边长，高度h同样为5mm，如图5所示。设计方解石双折射平板5、6的尺寸为长X宽X高 =30mmX 10mmX 5mm，输出光束c禾P d，e禾P f之间的分离距离约为3. 3mm。如用一个检偏双 折射元件代替双折射平板5、6，结构11的尺寸为长X宽X高=30mmX20mmX10mm，结构 12的尺寸为长X宽X高=30mmX20mmX10mm，输出光束c和d， e和f之间的分离距离约 也为3. 3mm。 按图1的结构组装，四分之一波片7的尺寸为5mmX5mm。 按图2的结构组装，两个八分之一波片8、9的尺寸分别为5mmX5mm。 按图3的结构组装，八分之一波片10的尺寸为10mmX 10mm。
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权利要求
一种双反射空间光桥接器，其特征在于其构成包括一个四分之一波片(7)、第一双反射光学平板(1)、第二双反射光学平板(2)的光轴相同，上下错开并立叠在一起形成第一叠块，第三双反射光学平板(3)和第四双反射光学平板(4)的光轴相反，并排叠在一起形成第二叠块，所述的第一双折射光学平板(5)、第二双折射光学平板(6)的光轴相反，上下叠在一起形成第三叠块，上述各元部件的位置关系是沿光线的行进方向依次是所述的四分之一波片(7)、第一叠块、第二叠块和第三叠块。
2. 根据权利要求l所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的四分之一波片(7) 位于第一双反射射光学平板(1)或者第二双反射射光学平板(2)的入射光路上，该四分之 一波片(7)的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面，并且能以入射光线为 轴进行转动。
3. —种双反射空间光桥接器，其特征在于其构成包括第一八分之一波片(8)、第二八 分之一波片(9)、第一双反射光学平板(1)、第二双反射光学平板(2)的光轴相同，上下错开 并立叠在一起形成第一叠块，第三双反射光学平板(3)和第四双反射光学平板(4)的光轴 相反，并排叠在一起形成第二叠块，所述的第一双折射光学平板(5)、第二双折射光学平板 (6)的光轴相反，上下叠在一起形成第三叠块，上述各元部件的位置关系是沿光线的行进 方向依次是所述的第一八分之一波片(8)、第二八分之一波片(9)、第一叠块、第二叠块、第
4. 根据权利要求3所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的第一八分之一波片 (8)和第而八分之一波片(9)分别位于第一双反射光学平板(1)、第二双反射光学平板(2) 的入射光路上，所述的波片的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面，并且 分别能以入射光线为轴进行转动。
5. —种双反射空间光桥接器，其特征在于其构成包括第一双反射光学平板(D、第二 双反射光学平板(2)的光轴相同，上下错开并立叠在一起形成第一叠块，第三双反射光学 平板(3)和第四双反射光学平板(4)的光轴相反，并排叠在一起形成第二叠块，所述的第一 双折射光学平板(5)、第二双折射光学平板(6)的光轴相反，上下叠在一起形成第三叠块， 沿光线的行进方向依次是所述的第一叠块、八分之一波片(10)、第二叠块和第三叠块。
6. 根据权利要求5所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的八分之一波片(10) 的快轴或慢轴平行于所述的第一叠块光学平板的主截面。
7. 根据权利要求1或3或5任一项所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的第 一双反射光学平板(D、第二双反射光学平板(2)的主截面与第三双反射光学平板(3)、第 四双反射光学平板(4)的主截面相互垂直；所述的第一双折射光学平板(5)的主截面与第 一双反射光学平板(1)的主截面成45度角，所述的第二双折射光学平板(6)的主截面与第 二双反射光学平板(2)的主截面成45度角；所述的双反射主截面、双折射光学平板的主截 面为晶体光轴、o光和e光所处的公共平面。
8. 根据权利要求1或3或5任一项所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的第 三叠块是检偏双折射元件构成，为四棱柱体(11)或长方柱体(12)，所述的检偏双折射元件 的主截面为光轴与晶体界面法线确定的平面，其主截面与第一双折射光学平板(1)的主截 面成45度角。
9. 根据权利要求1所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的双反射光学平板有两种结构，一种为平行四边体结构(13或14)，其横截面为平行四边形，有两个反射面，一种 为梯形体结构(15或16)，其横截面为直角梯形，只有一个反射面，入射面和出射面都为长 方形。
10.根据权利要求1所述的双反射空间光桥接器，其特征在于所述的双反射光学平板、 双折射光学平板和检偏双折射元件所用材料为方解石、钒酸钇、a -BBO或铌酸锂的单轴晶 体。
全文摘要
一种双反射空间光桥接器，由双反射光学平板、波片和检偏双折射元件组成，其中两对双反射光学平板分别实现两输入光束的分光合成，波片进行相移控制，检偏双折射元件则将两路混合的合成光束分成四路偏振态相同的具有一定相对相位差的信号/本振混合光，在相干光通信接收机中用于空间复合激光通信信号光束和本机振荡激光光束，为2×4的90度空间光桥接器。本发明中，双反射光学平板的不同结构可使两路输入光平行输入、垂直输入和相向输入，可根据相干接收光路的需要选择，具有光程自补偿，结构灵活，相位稳定的优点。适用于自由空间激光相干通信和激光雷达领域。
文档编号H04B10/10GK101706613SQ20091019863
公开日2010年5月12日 申请日期2009年11月11日 优先权日2009年11月11日
发明者万玲玉, 刘立人, 周煜, 孙建锋, 职亚楠, 许楠 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所