一种偏振激光分光装置及系统

1.本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种偏振激光分光装置及系统。


背景技术：

2.望远镜透过大气观测目标时，目标信号的波前受到大气湍流扰动而发生波前畸变，从而导致大型地基望远镜分辨率远低于理论值。现代望远镜使用自适应光学系统来补偿地球大气层的模糊效应。要做到这一点，望远镜需要能够在观测其主要目标时看到明亮的参考星。然而，附近并不总是有一颗合适的明亮恒星，因此天文学家利用激光在他们需要的地方创造出人造恒星。大气中的钠原子在激光的作用下发光，形成模拟真实恒星的微小光斑。采用钠信标激光可以激发海拔约100km大气层中的钠原子产生高亮度钠导引星，可显著提高基于自适应光学系统的地基望远镜成像分辨率。
3.通常采用单颗导引星校正大气畸变，然而校正视场小且校正不均匀，不能满足大型地基望远镜对大视场的要求；发展多颗钠导引星构成星群，可使望远镜在大视场范围实现高分辨率、高灵敏度观测。
4.通常实现星群的方式是由多台钠信标激光器发射多束激光在天空中产生多颗亮星，此类方式存在以下问题：需要多个传输和发射系统，占地面积大，结构复杂且成本很高，同时分立钠信标激光器发射激光的能量、偏振、夹角以及间距等光学参数无法调节，导致产生的多颗钠导引星亮度不稳定。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种用于产生钠导引星星群的偏振激光分光装置及其系统，以解决需要多个传输、发射系统以及激光的偏振、能量和间距等参数无法调节的技术问题。
6.为实现上述效果，本发明的第一目的是提供一种偏振激光分光装置，该装置包括：第一旋光组件和第一偏振分光组件：
7.所述第一旋光组件用于改变偏振激光的振动方向；
8.所述第一偏振分光组件由彼此相交的第一面、第二面、第三面和第四面围合构成，所述第二面对垂直偏振激光高反射，对所述水平偏振激光高透射；所述第三面对垂直偏振激光高反射，所述第一面和第四面对偏振激光高透射；
9.偏振激光束由第一面入射第一偏振分光组件，照射至第二面，其中水平偏振激光经第二面透射形成第一出射激光，垂直偏振激光经第二面反射至第三面，经第三面高反射至第四面，经第四面透射，形成第二出射激光。
10.进一步的，所述第一偏振分光组件第一面镀有对偏振激光的高透膜，所述第二面镀有对水平偏振激光的高透膜，对垂直偏振激光的高反膜，所述第三面镀有对垂直偏振激光的高反膜，所述第四面镀有对所述偏振激光的高透膜。
11.进一步的，所述第一偏振分光组件为一棱镜，所述第一面、第二面、第三面和第四
面为所述棱镜的四个端面。
12.进一步的，所述第一旋光组件为波片或法拉第旋光器。
13.进一步的，所述第一偏振分光组件包括多个，每一个所述第一偏振分光组件的所述第一面、第二面、第三面和第四面的夹角的角度不同，每个所述第一偏振分光组件可相互替的换设置在经旋光组件出射的激光光轴上。
14.进一步的，每一个所述第一偏振分光组件的所述第一出射激光与第二出射激光的夹角和/或间距不同。
15.进一步的，每一个所述第一偏振分光组件的所述第二面反射所述垂直偏振激光至所述第四面时，所述垂直偏振激光在所述第一偏振分光组件内的光程不同。
16.进一步的，还包括一激光器，所述激光器用于产生所述偏振激光。
17.进一步的，所述激光器用于产生的偏振激光为线性偏振激光、圆偏振激光或椭圆偏振激光。
18.本发明的第二目的在于提供一种偏振激光分光系统，包括上述所述的偏振激光分光装置，所述偏振激光分光系统包括n个依次设置的所述偏振激光分光装置，其中第n个所述偏振激光分光装置设置在第n
‑
1个所述偏振激光分光装置的两条出射激光的光轴上，以将所述偏振激光分成2
n
束出射激光,其中n≥2。
19.本发明的技术方案具有以下有益效果：
20.由此可见，第一旋光组件改变偏振激光的振动方向以分配射出激光的能量，且能够保证任何振动方向的偏振激光均可被第一偏振分光组件分光。第一偏振分光组件通过第一面、第二面、第三面、第四面将偏振激光分离形成两束射出激光。很显然的是，根据光学原理，更换不同的第一偏振分光组件即可调整第一射出激光和第二射出激光的夹角和距离。并且通过第一旋光组件调整透射光线的振动方向，可以改变偏振激光在水平和垂直方向上的分量，进而实现对两束出射激光的能量分配。因此，采用本发明提供的偏振激光分光装置，仅用一台激光发射器即可以获得两束射出激光，且该射出的两束激光的能量、偏振、夹角、以及间距等光学参数均可调节。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例所需要使用的附图作一简单地介绍。
22.图1是根据本发明提供的偏振激光分光装置示意图；
23.图2是根据本发明提供的另一种形式的偏振激光分光装置示意图；
24.图3是根据本发明提供的偏振激光分光系统示意图。
25.附图标记：
26.其中，偏振激光10；第一旋光组件20
‑
1；第一偏振分光组件30
‑
1；第一面30
‑1‑
1；第二面30
‑1‑
2；第三面30
‑1‑
3；第四面30
‑1‑
4；激光器00；第一出射激光10
‑
1；第二出射激光10
‑
2；第二旋光组件20
‑
2；第二偏振分光组件30
‑
2。
具体实施方式
27.在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制
的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
28.显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
29.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
30.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
31.参见图1，一种偏振激光分光装置，其特征在于，包括：第一旋光组件20
‑
1和第一偏振分光组件30
‑
1：
32.第一旋光组件20
‑
1用于改变偏振激光的振动方向；
33.第一偏振分光组件30
‑
1由彼此相交的第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4围合构成，第二面30
‑1‑
2对垂直偏振激光高反射，对所述水平偏振激光高透射；第三面30
‑1‑
3对垂直偏振激光高反射，第一面30
‑1‑
1和第四面30
‑1‑
4对偏振激光高透射；
34.偏振激光束10由第一面30
‑1‑
1入射第一偏振分光组件30
‑
1，照射至第二面30
‑1‑
2，其中水平偏振激光经第二面30
‑1‑
2透射形成第一出射激光10
‑
1，垂直偏振激光经第二面30
‑1‑
2反射至第三面30
‑1‑
3，经第三面30
‑1‑
3高反射至第四面30
‑1‑
4，经第四面透射，形成第二出射激光10
‑
2。
35.本发明通过具有偏振分光功能的第二面30
‑1‑
2，实现对一束偏振光的分光，将一束偏振激光分成振动方向分别为水平和垂直的两束光。并且通过第三面30
‑1‑
3将垂直偏振光进行反射，使分离后的两束激光出射方向一致或大体一致。
36.由于第二面30
‑1‑
2对垂直方向的偏振光完全反射，对水平方向的偏振光完全透射，当入射偏振激光10的偏振方向为垂直方向时会被第二面30
‑1‑
2完全反射，无法透射出第二面30
‑1‑
2，进而无法将入射激光分离为两束。当入射偏振激光为水平方向时会被第二面30
‑1‑
2完全透射，无法产生反射光，进而也无法将入射激光分离为两束。因此本发明在第一偏振分光组件30
‑
1前边设置了第一旋光20
‑
1，由于第一旋光组件20
‑
1可以改变偏振激光的振动方向，通过调节第一旋光组件可以确保照射第二面的激光振动方向与垂直/水平方向具有一定夹角，这样就确保入射偏振激光的一部分水平分量光从第二面透射出第一偏振分光组件，从而形成所述第一出射激光10
‑
1，另一部分垂直方向的偏振激光则被反射到第三面30
‑1‑
3，经第三面反射后通过第四面透射出，形成第二出射激光10
‑
2。通过调整第一旋光组件20
‑
1改变偏振激光10的振动方向，可以对两束出射激光的能量进行分配。
37.现有技术在对偏振激光分光时往往采用独立的偏振分光镜和反光镜来实现，由于
偏振分光镜和反光镜相互独立，其相互位置关系不稳定，并且占用空间大。本发明将具有偏振分光功能的第二面30
‑1‑
2和具有反射功能的第三面30
‑1‑
3结合第一面和第四面设置为一个整体，第一偏振分光组件30
‑
1由彼此相交的第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4围合构成，其结构紧凑占用空间小。并且因为是一体化设置，各个面之间的相对位置非常稳定。因此分离出的两束激光不会产生误差，特别适用于天文望远镜领域在大气层激发钠引导星这种远距离的透射的需求。
38.为了减少激光经过偏振分光组件30
‑
1时的损耗，本发明在第一偏振分光组件30
‑
1的第一面30
‑1‑
1镀有对偏振激光的高透膜。为了实现第二面30
‑1‑
2的偏振分光功能，本发明在第二面30
‑1‑
2镀有对水平偏振激光的高透膜，对垂直偏振激光的高反膜。本发明通过在第三面30
‑1‑
3镀有对垂直偏振激光的高反膜的方式来实现第三面30
‑1‑
3对垂直偏振光的高反射效果。同样的，为了降低出射激光的损耗，在第四面30
‑1‑
4镀有对所述偏振激光的高透膜。
39.具体的，所述第一偏振分光组件30
‑
1为一棱镜，所述第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4为所述棱镜的四个端面。为了确保第一出射激光10
‑
1和第二出射激光10
‑
2在同一平面内，应尽量确保第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4的交线相互平行。在特殊的工况需求时，也可以将第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4的交线设置为不平行。
40.应当理解的是，本发明的第一偏振分光组件30
‑
1不仅限于棱镜的实现形式，也可采用其他形式，例如可以包括一个框架，所述第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4这四个面分别固定在该框架内的形式，这种方式也可以确保各个面之间的相对位置稳定牢固。
41.对于第一旋光组件20
‑
1，可以采用波片或法拉第旋光器来实现。这两种设备都可以使得偏振激光的振动方向发生改变。可以根据具体的作业工况来选取。
42.根据不同的使用场景，往往需要不同能量强度、间距、角度的第一出射激光10
‑
1，和第二出射激光10
‑
2。因此，本发明可以设置多个第一偏振分光组件30
‑
1，每一个所述第一偏振分光组件30
‑
1的所述第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4之间的夹角和间距都可以进行不同数值的设置，从而加工出多个适用不同场景的第一偏振分光组件30
‑
1，每个所述第一偏振分光组件30
‑
1可相互替换的设置在经第一旋光组件20
‑
1出射的激光光轴上，不同的第一偏振分光组件30
‑
1可以根据不同的场景来具体选用。
43.如此，由于每一个所述第一偏振分光组件30
‑
1的几何特征不同，得到第一出射激光10
‑
1与第二出射激光10
‑
2的夹角和/或间距不同。
44.并且，每一个所述第一偏振分光组件30
‑
1的所述第二面30
‑1‑
2反射所述垂直偏振激光至所述第四面30
‑1‑
4时，其垂直偏振激光在所述第一偏振分光组件内的光程不同。
45.本发明还包括一激光器00，所述激光器用于产生所述偏振激光。所述激光器产生的偏振激光10为线性的偏振激光、圆偏振激光或椭圆偏振激光。
46.本发明还提供了一种偏振激光分光系统，其特征在于，包括所述的偏振激光分光装置，所述偏振激光分光系统包括n个依次设置的所述偏振激光分光装置，其中第n个所述偏振激光分光装置设置在第n
‑
1个所述偏振激光分光装置的两条出射激光的光轴上，以将所述偏振激光分成2
n
束射出激光,其中n≥2。
47.实施例1
48.如图1所示，为本发明实施例一提供的一种偏振激光分光装置，包括：第一旋光组件20
‑
1和第一偏振分光组件30
‑
1。第一旋光组件20
‑
1为半波片，置于第一偏振分光组件30
‑
1前，用于旋转偏振激光10的振动方向以改变偏振激光10分光后形成的两束激光的能量分配。第一偏振分光组件30
‑
1包括：第一面30
‑1‑
1、第二面30
‑1‑
2、第三面30
‑1‑
3和第四面30
‑1‑
4。第一面30
‑1‑
1镀有激光高透膜，第二面30
‑1‑
2镀有垂直偏振光高反膜、水平偏振光高透膜，第三面30
‑1‑
3镀有垂直偏振光高反膜，第四面30
‑1‑
4镀有激光高透膜。第一面30
‑1‑
1与第四面30
‑1‑
4相互平行，第一面30
‑1‑
1与第二面30
‑1‑
2夹角约为34.68
°
，第一面30
‑1‑
1与第三面30
‑1‑
3夹角约为152.46
°
。当激光器00出射的偏振激光束10的偏振方向沿水平方向，经过第一旋光组件20
‑
1后垂直射入第一偏振分光组件30
‑
1时，透过第一面30
‑1‑
1的水平偏振光被第二面30
‑1‑
2透射形成第一出射激光10
‑
1，透过第一面30
‑1‑
1的垂直偏振光经第二面30
‑1‑
2和第三面30
‑1‑
3发生反射，透过第四面30
‑1‑
4形成第二出射激光10
‑
2。第一出射激光10
‑
1为水平偏振光，第二射出激光10
‑
2为垂直偏振光，垂直偏振激光和水平偏振激光的振动方向相互垂直。第一出射激光10
‑
1和第二出射激光10
‑
2相互平行，能量相等。
49.在实施例1中，第一旋光组件20
‑
1改变偏振激光10的振动方向以分配射出激光的能量，且能够保证任何振动方向的偏振激光均可被第一偏振分光组件分光。第一旋光组件20
‑
1、第一偏振分光组件30
‑
1配合使用，将激光器00出射的偏振激光束10在有限空间内分成两个平行、能量相等的第一出射激光10
‑
1和第二出射激光10
‑
2。
50.实施例2
51.如图2所示，为本发明实施例二提供的另一种偏振激光分光装置。第一旋光组件20
‑
1为四分之一波片，置于第一偏振分光组件30
‑
1前，用于旋转偏振激光10的振动方向以改变偏振激光10分光后形成的两束激光的能量分配。第一偏振分光组件30
‑
1的第一面30
‑1‑
1镀有激光高透膜，第二面30
‑1‑
2镀有垂直偏振光高反膜、水平偏振光高透膜，第三面30
‑1‑
3镀有垂直偏振光高反膜，第四面30
‑1‑
4镀有激光高透膜。第一面30
‑1‑
1与第四面30
‑1‑
4相互平行，第一面30
‑1‑
1与第二面30
‑1‑
2夹角为40
°
，第二面30
‑1‑
2与第三面30
‑1‑
3相互平行。当激光器00出射的偏振激光束10的偏振方向沿水平方向，经过第一旋光组件20
‑
1后垂直射入第一偏振分组件30
‑
1时，透过第一面30
‑1‑
1的水平偏振光被第二面30
‑1‑
2透射形成第一出射激光10
‑
1，透过第一面30
‑1‑
1的垂直偏振光经第二面30
‑1‑
2和第三面30
‑1‑
3发生反射，透过第四面30
‑1‑
4形成与第一出射激光10
‑
1具有一定夹角的第二出射激光10
‑
2。
52.这种调节方式尤其适合在有限的空间内将偏振激光10分成紧凑的两束射出激光(第一出射激光10
‑
1和第二出射激光10
‑
2)，例如在地面时，两束射出激光(第一出射激光10
‑
1和第二出射激光10
‑
2)由于部分光斑的重合，肉眼可见的为一束激光(实际为两束射出激光)，但是在100km的高空能逐渐分开成两束激光，并能激发钠原子产生两颗钠导引星构成星群。
53.实施例3
54.如图3所示，为本发明实施例三提供的一种偏振激光分光系统，所述分光系统包括：激光器00、偏振激光束10、第一旋光件20
‑
1、第一偏振分光组件30
‑
1、第二旋光件20
‑
2、第二偏振分光组件30
‑
2。
55.第一旋光件20
‑
1、第一偏振分光组件30
‑
1、第二旋光组件20
‑
2、第二偏振分光组件
30
‑
2依次设置。第一旋光组件20
‑
1为半波片，第二旋光件20
‑
2为四分之一波片。当激光器00出射的偏振激光束10的偏振方向沿水平方向，经过第一旋光组件20
‑
1后垂直射入第一偏振分光组件30
‑
1时，透过第一面30
‑1‑
1的水平偏振光被第二面30
‑1‑
2透射形成第一射出激光10
‑
1；透过第一面30
‑1‑
1的垂直偏振光经第二面30
‑1‑
2和第三面30
‑1‑
3发生反射，透过第四面30
‑1‑
4形成与第一出射激光10
‑
1相互平行的第二出射激光10
‑
2。第一出射激光10
‑
1经过第二旋光组件20
‑
2和第二偏振分光组件30
‑
2形成两束激光10
‑1‑
1和10
‑1‑
2，第二出射激光10
‑
2经过第二旋光组件20
‑
2和第二偏振分光镜30
‑
2形成两束激光10
‑2‑
1和10
‑2‑
2，一共形成22束激光，也即4束激光。该装置尤其适合在有限的空间内将偏振激光10分成紧凑的n束射出激光，例如在地面时，n束射出激光由于部分光斑的重合，肉眼可见的为一束激光(实际为n束射出激光)，但是在100km的高空能逐渐分开成n束的激光，并能激发钠原子产生n颗钠导引星构成星群。
56.应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。