激光扩束镜及其制备方法和包含其的光路系统与流程

本发明涉及光学元器件技术领域，特别是涉及一种激光扩束镜及其制备方法和包含其的光路系统。

背景技术：

激光扩束镜按其扩束的原理可分为折射型激光扩束镜、反射型激光扩束镜。出射光束的直径要求较小时，一般会选用折射型扩束镜。如果出射光束的直径较大时，则选用反射型扩束镜。在满足激光光束放大比的条件下，应尽量选用折射型扩束镜，这是因为这种激光扩束镜的系统结构简单，便于制造和调试。折射式激光扩束镜有伽利略式扩束镜和开普勒式扩束镜。最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜，通常是由一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的激光扩束镜都用该原理制造，因为它简单、体积小、价格也低。

虽然激光扩束镜的结构简单，但是现有的激光扩束镜缺乏灵活性，现有扩束镜存在如下问题：

在光学实验中有时会需要异型或非圆形的扩束光斑，如六边形、三角形等，该类光斑可用于分析特殊光场下的光学成像理论等，但是一般的扩束镜由于其折射的原理所限，很难随意改变扩束光斑的形状。

目前常用的扩束镜均为折射原理扩束，即球面镜，而目前用的扩束镜无法将复色激光分开，因此当采用复色光照射该干涉光路时产生的条纹图的条纹应该是无法被彻底分开的(不同颜色的光产生的干涉条纹会有重叠)，并且现有的扩束镜的形状固定，不能实现不同形状的扩束。当入射光为复色光时，扩束后的光斑依然为复色光斑。因此，目前的扩束镜通常是针对单色激光进行扩束的，不具有分光效果。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于，提供一种激光扩束镜及其制备方法和包含其的光路系统，所要解决的技术问题是现有激光扩束镜形状固定，不能灵活变换形状。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种激光扩束镜，其包括阵列排布的多根光纤单丝，其中，所述的光纤单丝的直径为2μm-5μm；所述的光纤单丝包括芯玻璃和皮玻璃，所述的芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5；所述的激光扩束镜的透过率为85％-90％。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的激光扩束镜，其中所述的激光扩束镜至少由400万根光纤单丝排列组成。

优选的，前述的激光扩束镜，其中所述的光纤单丝的长度为0.1mm-0.5mm。

优选的，前述的激光扩束镜，其中所述的光纤单丝的阵列排布形状为圆形、椭圆形、三角形，四边形、六边形或八边形。

优选的，前述的激光扩束镜，其中所述的激光扩束镜为圆形，其直径为10-50mm。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种激光扩束镜的制备方法，其包括：

拉制直径为2μm-5μm的光纤单丝，所述的光纤单丝包括芯玻璃和皮玻璃，所述的芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5；

将所述的光纤单丝紧密排列为特定形状的阵列，通过热压或者涂胶的方式结合成光纤阵列棒；

将所述的光纤阵列棒切割为厚度为0.1mm-0.5mm光纤阵列板，使其透过率为85％-90％，即激光扩束镜。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的激光扩束镜的制备方法，其中所述的特定形状的阵列包括圆形、椭圆形、三角形，四边形、六边形或八边形。

优选的，前述的激光扩束镜的制备方法，其中相邻两排的光纤单丝错位排列。

本发明的目的及解决其技术问题还采用以下的技术方案来实现。依据本发明提出的一种光路系统，其包括前述任一项所述的激光扩束镜。

本发明的目的及解决其技术问题还可采用以下技术措施进一步实现。

优选的，前述的光路系统，其中所述的激光扩束镜用于对激光进行扩束、分光和匀光

借由上述技术方案，本发明提出的激光扩束镜及其制备方法和包含其的光路系统至少具有下列优点：

1、本发明提出的激光扩束镜包括阵列排布的多根光纤单丝，所述的光纤单丝的直径为2μm-5μm；所述的光纤单丝包括芯玻璃和皮玻璃，所述的芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5；所述的激光扩束镜的透过率为85％-90％。通过控制光纤单丝的直径为2μm-5μm，使其接近于可见光的波长，使入射的可见光发生衍射，控制其芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5，并控制透过率为85％-90％，使得本发明的扩束镜具有扩束、分光、匀化等功能，并可以根据需求改变光纤的排列形状以实现不同形状光斑的扩束。

2、本发明的激光扩束镜与一般的扩束镜原理不同，本发明的激光扩束镜是通过光线在光纤内的全反射和在光纤出射端的衍射来实现扩束的，而一般的透镜式扩束镜则是通过光线的折射来扩束的。

当不同波长的光以相同或不同倾斜的角度入射时，其扩束后的光斑会分为两个不同颜色的同心圆环，使光线达到分光效果；

当光线以一定倾角入射时，根据衍射原理，扩束的光斑将会由实心变为空心，使光线达到匀光效果；由于光纤单丝的数值孔径较大，除严格垂直入射的光线外其余大部分光线也会以一定的发散角射出，会造成光强分布的均匀化；再加上光纤单丝的直径小且排列紧密，光线在出射时各个光纤单丝的衍射光斑相互叠加，出射的光斑会更加均匀，具有匀化光束光强的效果。

3、本发明的激光扩束镜是依靠衍射实现分光功能，光以一定的入射角入射到光纤阵列上会由于衍射形成光斑或者光环。可见光入射到直径为2μm-5μm的光纤，出射时会发生较为明显的衍射现象，其原理为在光纤出射端形成了多个次波源并发生相互干涉，最终宏观地产生了发散的“光晕”，出射光会以一定的发散角射出。当入射角一定时，光斑或者光环的直径会因为波长的不同而不同。因此，若入射光为复色光时，光斑的边缘会形成复色的光晕，不同颜色的入射光经过光纤阵列以后被分开了，这是一种根据衍射原理来分光的新思路，不同于现有技术采用折射原理来分光的思路。

4、本发明提出的激光扩束镜是采用光纤制作的扩束镜，由于是根据衍射原理扩束，其具有分光效果，复色光在扩束后不同颜色的光可以被分开，即一次实验可以获得多种颜色光所成像的图案，获得的信息量增加数倍，是一种十分方便的光学实验元件，具有很高的实用价值。

5、本发明提出的激光扩束镜的制备方法简单，制备成本低，只需保证光纤阵列板的切口整齐即可，无需其他的冷热切削加工流程，在切割后不需要平磨、平抛等操作。

6、本发明的激光扩束镜可用于大多数的光路系统，主要用于光学干涉实验中光路的搭设。但是如果采用这种具有分光效果的扩束镜来做复色光的干涉，不同颜色光产生的干涉条纹会在光屏上明显被分开甚至彻底被分开出现在光屏的不同位置，也就是说一次干涉实验能够出现多幅干涉条纹图，这对于光学干涉实验有很重要的意义，能够大大简化实验过程。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1a示出了光纤单丝呈圆形阵列排布的激光扩束镜；

图1b示出了光纤单丝呈正三角形阵列排布的激光扩束镜；

图1c示出了光纤单丝呈正方形阵列排布的激光扩束镜；

图1d示出了光纤单丝呈正六边形阵列排布的激光扩束镜；

图2示出了本发明实施例的光纤单丝的结构图；

图3示出了本发明实施例的激光扩束镜的测量原理图；

图4a示出了垂直入射扩束时的中央为亮斑；

图4b示出了倾斜入射扩束时的中央为暗斑；

图5a示出了入射光束图；

图5b示出了入射光束强度立体图；

图5c示出了归一化后入射光束分布直方图；

图6a示出了出射光束图；

图6b示出了出射光束强度立体图；

图6c示出了归一化后出射光束分布直方图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的激光扩束镜及其制备方法和包含其的光路系统其具体实施方式、结构、特征及其功效，详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构或特点可由任何合适形式组合。

本发明的一个实施例提出的一种激光扩束镜，其包括：阵列排布的多根光纤单丝，其中，所述的光纤单丝的直径为2μm-5μm；所述的光纤单丝包括芯玻璃和皮玻璃，所述的芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5；所述的激光扩束镜的透过率为85％-90％。

在本实施例中，光纤单丝的结构图，如图2所示，光纤单丝的内层21为芯玻璃，优选折射率在1.4-1.6之间；光纤单丝的外层22为皮玻璃，优选折射率在1.7-1.9之间，针对特定的光的波长选定芯玻璃与皮玻璃的折射率，使该波段的光可以在光纤内发生全反射。适用于可见光波段的传像光纤一般是指纤芯折射率在1.7-1.9之间、光纤外皮折射率在1.4-1.6之间的玻璃光纤，其主要功能为将可见光波段的光经过全反射由光纤的一端传递至另一端。

本实施例的激光扩束镜是一种基于衍射原理的光纤扩束镜，主要用于激光实验的扩束而非led灯泡产生光的扩束。

本实施例的激光扩束镜与一般的扩束镜原理不同，该扩束镜是通过光线在光纤内的全反射和在光纤出射端的衍射来实现扩束的，而一般的透镜式扩束镜则是通过光线的折射来扩束的。

本实施例的激光扩束镜是依靠衍射实现分光功能。光以一定的入射角入射到光纤阵列上会由于衍射形成光斑或者光环。光的衍射现象指的是当光的波长与小孔/障碍物的尺寸相近时越过小孔/障碍物继续传播的一种自然现象。由于可见光的范围是400nm-700nm，其在直径为100nm-10000nm(优选2μm-5μm)的光纤出射的时候均会发生较为明显的衍射现象，其原理为在光纤出射端形成了多个次波源并发生相互干涉，最终宏观地产生了发散的“光晕”，出射光会以一定的发散角射出。当入射角一定时，光斑或者光环的直径会因为波长的不同而不同。因此，若入射光为复色光时，光斑的边缘会形成复色的光晕，不同颜色的入射光经过光纤阵列以后被分开了，这是一种根据衍射原理来分光的新思路，不同于现有技术采用折射原理来分光的思路。

如果将同样直径的传像光纤按照一定的规律排列，并以胶粘或热压的方式让其连为一体组成光纤阵列，当光线正入射时，其整体的衍射图案也会由单根光纤的“光晕”互相叠加变为光斑，影响该光斑的因素主要有：

(1)衍射距离：衍射距离指的是接收屏与光纤阵列之间的距离。当入射光束的尺寸固定时，其衍射光斑尺寸主要由衍射距离决定，衍射距离越远光斑尺寸越大，同时光斑的强度会变低。

(2)光纤孔径：光纤孔径指的是单根光纤丝的直径，光纤孔径越细，其尺寸越接近于可见光的波长，衍射效果也越明显，所形成的衍射光斑强度越亮。由于从光纤端口出射的衍射光线是以一定发散角发散的，因此该光纤阵列具有扩束功能。

(3)光纤排列的紧密程度与数值孔径：光纤的排列越紧密，各根光纤之间的衍射叠加效果越好，其衍射光斑越均匀。因此该类光纤阵列具有光均匀化的功能，能够把入射强度集中的光点匀化为均匀强度的光斑；数值孔径是表征光纤集光能力大小的一个参数，数值孔径越大可以接纳的入射光线越多。数值孔径越大即孔径角越大，光纤的集光能力就越强，也就是说能进入光纤的光通量就越多。只要选取合适的芯玻璃材料和皮玻璃材料，数值孔径可以达到1，即孔径角可达90°，表明光纤可以接收入射角在(0-180°)范围内的所有光线。同理，出射的光线的出射角度的范围也会比一般小孔成像时出射的范围要大得多。当光纤的数值孔径很高时，出射光在出射端的光强由于衍射和干涉等效应的相互影响重新分布，同时以很大范围的出射角射出，光线的强度会得到有效均化。数值孔径越大，光的匀化效果越好。

(4)光纤排列形状：当入射光的光斑尺寸大于光纤阵列的尺寸时，光纤阵列的宏观形状能决定衍射光斑的形状。如光纤以圆形阵列排列时其衍射图案为圆形；以正方形排列时其衍射图案为正方形，可以根据需求设计相应的排列方式来获得所需形状的衍射光斑。

(5)光线的入射角度：当光线垂直入射时，单根光纤丝的衍射图案为实心斑，因此其宏观衍射斑为实心斑；当光线以一定倾角入射时单根光纤丝的衍射图案为空心斑，因此其宏观的衍射斑也为空心斑。当不同波长的光线以相同或者不同的倾斜角度入射时，其衍射图案会变为强度均匀的同心圆环，两种波长的光的圆环直径不同，即实现了扩束、分光、匀化功能。

由上可见，本实施例的扩束镜具有扩束、分光、匀化等功能，并可以根据需求改变光纤的排列形状以实现不同形状光斑的扩束。

在一些优选实施例中，所述的激光扩束镜至少由400万根光纤单丝排列组成。

至少由400万根光纤单丝排列组成的原因：以正方形排列为例，单根光纤丝的直径是2μm-5μm，若扩束镜的直径为10mm，单丝直径按5μm算，则扩束镜单边要排列2000根光纤，就需要400万根光纤，这是最少的需求。

在一些优选实施例中，所述的光纤单丝的长度为0.1mm-0.5mm。

长度限定的目的首先是要保证其透过率，因为长度越短其透过率越高。其实是要保障其加工质量，长度太长其加工难度越大，光纤内部的加工出现变形的可能性越高，可能会影响扩束效果和透过率。因此，综合考虑本实施例将光纤单丝的长度限定为0.1mm-0.5mm。

在一些优选实施例中，所述的光纤单丝的阵列排布形状为圆形、椭圆形、三角形，四边形、六边形或八边形。如图1a所示，所述的光纤单丝的阵列排布形状为圆形，如图1b所示，所述的光纤单丝的阵列排布形状为正三角形(又称等边三角形)，如图1c所示，所述的光纤单丝的阵列排布形状为正方形；如图1d所示，所述的光纤单丝的阵列排布形状为正六边形。每一个圆环均为一根光纤单丝(光纤单丝)，外层是皮玻璃，内层是芯玻璃，优选每根光纤单丝的横截面为圆形，其直径为2μm-5μm，多根光纤单丝以一定的规则紧密排，通过胶粘或热压的方式制作成光纤阵列板，限定光纤单丝的直径在2μm-5μm之间，接近于可见光的波长，处于可见光波段的光线从光纤阵列射出时在各个光纤单丝的出射端都会发生明显的衍射现象，出射光会以一定的发散角出射以达到扩束的效果。

根据光纤单丝的阵列排布形状选择光纤单丝的排列方式。相邻两排光纤单丝的排列方式可以是错位排列、对应排列或根据图形的需要随机排列。如图1b和1d所示为错位排列，如图1c所示为对应排列，其上下和左右都对齐排列。如图1a所示，根据图形的需要随机排列。

当光纤单丝的阵列排布形状不同时，获得扩束衍射光斑形状也不同。最常用的形状为圆形，其次是椭圆形，最后特殊用途的为六边形、三角形等。由于入射光点的尺寸通常为几个mm的圆点，因此只要扩束镜的尺寸大于10mm就足以覆盖该范围了。

在一些优选实施例中，所述的激光扩束镜为圆形，其直径为10-50mm。

常规的扩束镜是用两块透镜组合而成，通常是两块凸透镜或一突一凹两个透镜，透镜的直径从几个毫米到上百毫米都有。其直径主要是由入射的激光光点的尺寸以及扩束后光斑的尺寸需求决定的。通常情况入射激光光点的直径为几个毫米，因此本专利涉及的扩束镜的直径必须大于10mm才能覆盖激光光点。其直径在特殊的扩束需求下也可以大于50mm甚至100mm以上，但是从实用角度来说50mm可以满足一般实验的需求。

本发明的另一个实施例提出的一种激光扩束镜的制备方法，其包括：

拉制直径为2μm-5μm的光纤单丝，所述的光纤单丝包括芯玻璃和皮玻璃，所述的芯玻璃和皮玻璃的直径比为1:4-1:5；光纤的直径可以由拉丝的速度控制在数微米以内甚至更低；

将所述的光纤单丝紧密排列为特定形状的阵列，通过热压或者涂胶的方式结合成光纤阵列棒；

将所述的光纤阵列棒切割为厚度为0.1mm-0.5mm光纤阵列板，使其透过率为85％-90％，即激光扩束镜。

在本实施例中，制备激光扩束镜的方法与制备光纤面板的方法的区别在于：光纤单丝的选择不同，加工工艺不同，本实施例只需保证光纤阵列板的切口整齐即可，无需其他的冷热切削加工流程，在切割后不需要平磨、平抛等操作，其制作方法简单，制作成本低。

在一些优选实施例中，相邻两排光纤单丝的排列方式为错位排列。

相邻两排光纤单丝尽量插空排列，将排列好的光纤阵列通过热压或者涂胶(涂胶需要在排列前给单丝涂胶)的方式结合成，再将光纤阵列棒切割成所需的厚度，即可得到激光扩束镜。

在一些优选实施例中，所述的特定形状的阵列包括圆形、椭圆形、三角形，四边形、六边形或八边形。

当入射光的光斑尺寸大于光纤阵列的尺寸时，传像光纤以不同的规则排列所产生的扩束光斑的形状也会发生变化，如正方形排列时出射的衍射光斑也为正方形，圆形排列时出射的光斑为圆形，六边形排列时光斑为六边形等。若光线以一定倾角入射，相应形状的光斑也会由实心变为空心。

本发明的一个实施例还提出一种光路系统，其包括前述的激光扩束镜。

在一些优选实施例中，所述的激光扩束镜用于对激光进行扩束、分光和匀光。

本实施例的激光扩束镜可用于大多数的光路系统，主要用于光学干涉实验中光路的搭设。常见的光学干涉光路为迈克尔逊干涉光路，目前常用的扩束镜均为折射原理扩束，即球面镜，而目前用的扩束镜无法将复色激光分开，因此当采用复色光照射该干涉光路时产生的条纹图的条纹应该是无法被彻底分开的(不同颜色的光产生的干涉条纹会有重叠)，但是如果采用本发明这种具有分光效果的扩束镜来做复色光的干涉，不同颜色光产生的干涉条纹会在光屏上明显被分开甚至彻底被分开出现在光屏的不同位置，也就是说一次干涉实验能够出现多幅干涉条纹图，这对于光学干涉实验有很重要的意义，能够大大简化实验过程。

当不同波长的光以相同或不同倾斜的角度入射时，其扩束后的光斑会分为两个不同颜色的同心圆环，使光线达到分光效果；

当光线以一定倾角入射时，根据衍射原理，扩束的光斑将会由实心变为空心，使光线达到匀光效果；由于光纤单丝的数值孔径较大，除严格垂直入射的光线外其余大部分光线也会以一定的发散角射出，会造成光强分布的均匀化；再加上光纤单丝的直径小且排列紧密，光线在出射时各个光纤单丝的衍射光斑相互叠加，出射的光斑会更加均匀，具有匀化光束光强的效果。

工作原理图：原理图如图3所示，1为光源，2为激光扩束镜，3为扩束光斑。首先需要校准光源、激光扩束镜的光纤阵列与二维亮度计，使三者处于同轴。打开光源后，光线入射到扩束镜的光纤阵列上，在扩束镜的另一边即可形成扩束斑。当入射光线的宽度大于扩束镜的的光纤阵列的尺寸时，扩束斑的形状会根据扩束镜的形状变化而变化。调节光源的方向，入射角度会发生变化，得到的扩束斑为空心斑。

下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不能理解为是对本发明保护范围的限制，该领域的技术人员根据上述本发明的内容对本发明作出的一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。

实施例1

拉制直径3μm的可见光波段的传像光纤单丝，光纤单丝的纤芯的直径与光纤外皮玻璃直径比为1:5，将光纤单丝紧贴排列形成圆形阵列，相邻两列光纤尽量插空排列；将排列好的光纤阵列通过热压的方式结合成光纤阵列棒，将光纤阵列棒切割为厚度为0.4mm的光纤阵列板，得到激光扩束镜；

将光源(通常为激光光源)、扩束镜同轴放置，打开光源，让光线入射到扩束镜的一端即可实现衍射扩束功能。同时由于光纤单丝孔径较小且排列较紧密，该扩束镜还有匀束的功能，可以将能量集中的高斯光束匀束化，使扩束后的光斑强度分布变得均匀。当入射光斑的直径大于激光扩束镜的尺寸时，改变光纤排列的形状，将扩束镜固定在不透光材料的中央，扩束得到的光斑形状会根据光纤排列的形状变化而变化。如果光线以一定的倾角入射，其扩束的光斑会变为空心斑，同样有扩束与匀化的功能。若不同波长的光线以相同或不同的倾角入射时，扩束的光斑可以将不同波长的光分开为同心的空心圆环斑，即具有分光功能；

实物展示：如图4a所示为垂直入射时的扩束斑，中央为亮斑的实心光斑；如图4b所示为倾斜入射的扩束斑，中央为暗斑的空心斑。可以根据需要选择入射的角度。

扩束后均匀度测试：扩束前后的光强度图对比如图5a、图5b、图5c和图6a、图6b、图6c所示，入射时光斑基本为高斯分布，但是扩束后光斑变大同时得到了均匀化，从图5b可以看出，入射时光斑的宽度为100*100像素左右，范围较小；但是从图6b可以看出，扩束后的光斑大小变为了400*400像素以上，扩大了16倍，具有较好的扩束效果。同时，从图5c可以看出，光在入射时光强大于0.9的像素点占所有像素点的比例不足10％，在图6c中可以看出光强大于0.9的像素点占据所有像素点的比例超过了95％。

在发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“水平”、“垂直”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方法或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此，不能理解为对本发明的限制。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。