CN103760636A - 一种多光束分束器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光束分束器，其特征在于，所述多光束分束器为柱状光波导，所述光波导的横截面为等边多边形，边数为L；工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射，入射后的光束在所述光波导内经光波导不同的侧面多次全部反射，最终均匀分成多束子光束从光波导另一端出射。本发明提供的多光束分束器，结构简单，分束均匀，尤其是能实现奇数份均匀分束，光损耗小，可实现分光器复用，并可应用于光通信、光检测等领域。

Description

一种多光束分束器

技术领域

本发明属于激光技术领域，更具体地，涉及一种多光束分束器。

背景技术

随着光电子技术的快速发展，光束分束器在光通信、光信息处理、工业检测、高能激光加工等领域实现光功率分配、多通道传输及采样等方面有着广泛的应用。同时，在多光束干涉的应用领域，由于经分束后的子光束具有相干性的特点，有利于实现空间激光干涉场（光学格子），成为光子晶体或光学微结构器件制备新技术，受到国内外科研团队的广泛重视。因此光束的分束器是光电技术领域的一个核心器件。

目前根据光束分解的原理不同，光束分束器可以分为基于反射、折射式的光束分束器、基于衍射光学特性的光束分束器、基于光子晶体等超结构器件的光束分束器。其中基于反射、折射式的分束器件多用于双光束能量分束或偏振分束，其分束能力有限；基于衍射光学元件、微透镜阵列以及超结构器件构成的分束器件虽然可实现空间平面阵列的多光束的分束，但是制造工艺复杂、成本很高、对入射光波场要求苛刻、不适用于高功率激光光源等缺点，在工业应用中受到了很大的制约。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多光束分束器，其目的在于提供一种基于反射的分束方式，将待分束光束均匀地分成多束，由此解决目前多光束分束结构复杂且分光能力有限的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种多光束分束器，所述多光束分束器为柱状光波导，所述光波导的横截面为等边多边形，边数为L；工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射，入射后的光束在所述光波导内经光波导不同的侧面多次全部反射，最终均匀分成多束子光束从光波导另一端出射。

优选地，所述的多光束分束器，其所述光波导为实心光波导，所述入射后的光束与在光波导侧面上的入射角大于全反射角。

优选地，所述的多光束分束器，其所述光波导两端镀有高增透膜。

优选地，所述的多光束分束器，其所述光波导为空心光波导，所述空心光波导侧面内壁镀有全反膜。

优选地，所述的多光束分束器，其所述边数L为偶数；

当待分束的光束与光波导位置关系符合以下条件时，光束分为L2束；当待分束的光束与光波导位置关系不符合以下条件时，光束被均匀的分成L束：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

优选地，所述的多光束分束器，其所述边数L为奇数时，

当待分束的光束与光波导位置关系符合以下条件时，光束分为L束；当待分束的光束与光波导位置关系不符合以下条件时，光束被均匀的分成2L束：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光束分束方法，采用所述的多光束分束器，使一束待分束光束，从光波导一端以锐角入射，并且使待分束光束以光波导的主轴为中心，相对于光波导旋转，形成以待分束光束两倍的转速旋转的子光束，从光波导的另一端出射。

按照本发明的另一个方面，提供了一种光束分束方法，采用所述的多光束分束器，使多束待分束光同时从光波导的一端以锐角入射，出射的子光束为每一束待分束光束各自独立分束的子光束，出射方向相同的子光束复合成一束，从光波导的另一端出射。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于采用多面柱状光波导作为多光束分束器，能够取得下列有益效果：

（1）本发明提供的多光束分束器，采用多面柱状光波导与现有的多束分束器相比，大大简化了结构，因此能大幅降低制作成本低、提高良品率，分束器的使用寿命也相应大幅延长。

（2）本发明提供的多光束分束器，由于光束在光波导内多次反射，因此能实现均匀分束，尤其是将光束均匀的分为奇数份。

（3）待分束光束可围绕光波导主光轴旋转，分束后的光束随之旋转，可用于光电检测领域光束动态扫描。

（4）待分束光束可为多束，每束光束分别通过光波导分束，不同波长的光束各自分束，每束出射的光线含有所有入射波长的光线，实现分光器复用，可应用于光通信领域。

优选方案，本发明提供的多光束分束器，光损耗较小。

优选方案，本发明提供的多光束分束器，可灵活的将待分束光束分为L/2、L份，其中L为多光束分束器横截面边数且为偶数；或将待分束光束分为L、2L份，其中L为多光束分束器横截面边数且为奇数。

附图说明

图1是实施例1的示意图；

图2是实施例2的示意图；

图3是实施例4的光路示意图。

其中，图1（a）是实施例1的结构示意图，图1（b）是实施例1的光路示意图；图2（a）是实施例2的结构示意图，图2（b）是实施例2的光路示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1为待分束光束，2为子光束，3为光波导。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的多光束分束器，为柱状光波导，所述光波导的横截面为边数L的等边多边形。所述光波导为实心光波导或空心光波导：当所述光波导为实心光波导时，所述光波导两端镀有高增透膜，当所述光波导为空心光波导时，光波导内壁镀有全反膜。

工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射。使入射后的光束在所述光波导内经光波导不同的侧面多次全部反射：当光波导为实心光波导时，使光束在侧面上的入射角大于全反射角，从而发生全反射；当光波导为空心光波导时，由于光波导侧面内壁镀有全反膜，因此光束被光波导侧面全部反射。

光束在所述多光束分束器内多次反射，呈螺旋状通过分束器内部，从分束器另一端出射，均匀的分成多束。

光波导横截面的边数及待分束光束与光波导的位置关系决定了最终分束的数量。共有下面四种情况：（1）当光波导横截面的边数L为偶数时，待分束光束与光波导的位置关系满足特定条件时，光束被分成L/2份；（2）当光波横截面的边数L为偶数，待分束光束与光波导的位置关系不满足特定条件是，光束被分成L份；（3）当光波导横截面的边数L为奇数时，待分束光束与光波导的位置关系满足特定条件时，光束被分成2L份；（4）当光波横截面的边数L为奇数，待分束光束与光波导的位置关系不满足特定条件是，光束被分成L份。

所述特定条件为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

下面对四种情况分别具体说明如下：为方便说明，建立XYZ坐标系，其中XY平面为所述光波导横截面，X轴为参考方向，Z轴与所述光波导主光轴重合。待分束的光束方向矢量为其与Z轴的夹角为δ。θ角为多边形的一条边参考边L1与坐标轴X的夹角，Ω角为待分束光束光轴的方向矢量在XY平面投影分量

与X轴的夹角。

由于待分束光线与光波导存在夹角δ，0＜δ＜90o，光束一次角度入射到多边形柱状光波导内部，光束会在各个侧面之间反射并沿X轴方向传输。经多次反射后出射方向角为：

${\mathrm{\γ}}_{N-\mathrm{Odd}}=2\mathrm{\θ}-\mathrm{\Ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{L}\·\left(\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)]-1),(N=\mathrm{1,3,5}...2n+1)$

${\mathrm{\γ}}_{N-\mathrm{Even}}=\mathrm{\Ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{L}\·\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\left[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)\right],(N=\mathrm{2,4,6}...2n)$

其中，γ_N-Odd为经奇数次反射后的出射方向角，γ_N-Even为经偶数次反射后的出射方向角，N为光线反射的次数，L为多边形的边数，Rand(L)光线在多边棒状光波导内部反射过程中依次反射所遇到的多边形边的序号，该数值为整数。

（1）当光波导横截面边数L为偶数，且θ角和Ω角不满足条件：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

时，输出光束分为L束，出射角度为：

${\mathrm{\γ}}_i=2\mathrm{\θ}-\mathrm{\Ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{L}\×\frac{i+1}{2}$ （i为奇数，1≤i≤L）

（2）当光波导横截面边数L为偶数，且θ角和Ω角满足条件：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

时，奇数次反射输出光波与偶数次反射输出光波的出射方向重合，输出光波有L/2束，方向为

${\mathrm{\γ}}_i=\mathrm{\Ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{L}\×i,(1\≤i\≤L/2)$

（3）当光波导横截面边数L为奇数，且θ角和Ω角不满足条件：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

时，输出光束分为2L束，出射角度为：

${\mathrm{\γ}}_i=2\mathrm{\θ}-\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\×(i+1)$ （i为奇数，1≤i≤2L）

${\mathrm{\γ}}_i=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\×i$ （i为偶数时，1≤i≤2L）

（4）当光波导横截面边数L为奇数，且θ角和Ω角满足条件：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

时，奇数次反射输出光波与偶数次反射输出光波的出射方向重合，输出光波有L束，方向为：

${\mathrm{\γ}}_i=\mathrm{\Ω}+\frac{4\mathrm{\π}}{L}\×i,(1\≤i\≤L)$

本发明提供了一种光束分束方法，应用所述多光束分束器，待分束光束为一束，以光波导的主轴为中心，相对于光波导旋转。

本发明提供了一种光束分束方法，应用所述多光束分束器，待分束光束为多束。

本发明提供的多光束分束器，可以实现了入射光束在空间平面内轴对称、等能量的分束功能，同时对所分子光束的分布特性和子光束的分配个数进行有效的控制。本发明提供的分束方法，可广泛的应用于光通信、光信息处理、工业检测、高能激光加工等领域实现光功率分配、多通道传输及采样、光子晶体或光学微结构器件制备技术等方面。

以下为实施例：

实施例1

本发明提供的多光束分束器，如图1（a）所示。所述光波导的横截面为正方形，即边数L=4的等边多边形。所述光波导为实心光波导，光波导两端镀有高增透膜。工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射。使入射后的光束在侧面上的入射角大于全反射角，从而在光波导的侧面形成全反射。

光束在所述多光束分束器内多次反射，呈螺旋状通过分束器内部，从分束器另一端出射，均匀分成多份，如图1（b）所示。

光波导横截面的边数及待分束光束与光波导的位置关系决定了最终分束的数量。待分束光束与光波导位置满足特定条件时，光束被分成2份，否则被分成4份。

所述特定条件为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(4\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(4\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

实施例2

本发明提供的多光束分束器，如图2（a）所示。所述光波导的横截面为正七边形，即L=7，所述光波导为空心光波导，所述光波导内壁镀有全反膜。

工作时待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射。入手后的光束在所述光波导内景光波导不同的侧面多次反射，由于光波导内壁镀有全反膜因此，可近似认为光束被全部反射。

光束在所述多光束分束器内多次反射，呈螺旋状通过分束器内部，从分束器另一端出射，均匀的分成多束，如图2（b）所示。

光波导横截面的边数及待分束光束与光波导的位置关系决定了最终分束的数量。待分束光束与光波导位置满足特定条件时，光束被分成7份，否则被分成14份。

所述特定条件为：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(7\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(7\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

实施例3

应用本发明提供的多光束分束器分束方法，其多光束分束器如图1（a）所示，为柱状光波导，所述光波导的横截面为正方形，即边数L=4的等边多边形。所述光波导为实心光波导，光波导两端镀有高增透膜。

工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射。使入射后的光束在侧面上的入射角大于全反射角，从而在光波导的侧面形成全反射。

光束在所述多光束分束器内多次反射，呈螺旋状通过分束器内部，从分束器另一端出射，均匀分成多份。

所述待分束光束，以光波导的主轴为中心，相对于光波导旋转，出射的分束，随着待分束光束的旋转而发生旋转，旋转速度为待分束光束的两倍。可应用于工业检测领域动态扫描。

实施例4

应用本发明提供的多光束分束器的分光方法，所述多光束分束器如图2（a），为柱状光波导，所述光波导的横截面为正七边形，即L=7，所述光波导为空心光波导，所述光波导内壁镀有全反膜。

工作时待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射。入手后的光束在所述光波导内景光波导不同的侧面多次反射，由于光波导内壁镀有全反膜，因此可近似认为光束被全部反射。

光束在所述多光束分束器内多次反射，呈螺旋状通过分束器内部，从分束器另一端出射，均匀的分成多束。

待分束光束为多束，同时入射，如图3所示。出射的子光束为各待分束光束独立分束的子光束，同一出射方向的子光束形成复合光束，实现光束分束器复用，可应用于光通信、多通道传输及采样等方面。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多光束分束器，其特征在于，所述多光束分束器为柱状光波导，所述光波导的横截面为等边多边形，边数为L；工作时，待分束的光束与光波导的主轴呈锐角，从光波导的一端入射，入射后的光束在所述光波导内经光波导不同的侧面多次全部反射，最终均匀分成多束子光束从光波导另一端出射。

2.如权利要求1所述的多光束分束器，其特征在于，所述光波导为实心光波导，所述入射后的光束与在光波导侧面上的入射角大于全反射角。

3.如权利要求2所述的多光束分束器，其特征在于，所述光波导两端镀有高增透膜。

4.如权利要求1所述的多光束分束器，其特征在于，所述光波导为空心光波导，所述空心光波导侧面内壁镀有全反膜。

5.如权利要求1至3任意一项所述的多光束分束器，其特征在于，所述边数L为偶数；

当待分束的光束与光波导位置关系符合以下条件时，光束分为L2束；当待分束的光束与光波导位置关系不符合以下条件时，光束被均匀的分成L束：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意一方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

6.如权利要求1至3任意一项所述的多光束分束器，其特征在于，所述边数L为奇数时，

当待分束的光束与光波导位置关系符合以下条件时，光束分为L束；当待分束的光束与光波导位置关系不符合以下条件时，光束被均匀的分成2L束：

$\mathrm{\θ}=\mathrm{\Ω}+\frac{2\mathrm{\π}}{L}\left\{\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\right[{(-1)}^j\mathrm{Rand}\left(L\right)]+1-\underset{j=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}[{(-1)}^{j+1}\mathrm{Rand}\left(L\right)\left]\right\}$

其中，选取光波导横截内任意方向为参考方向，光波导横截面任意一条边为参考边，θ角为参考边与参考方向的夹角，Ω为待分束的光束的方向矢量在光波导横截面内投影与参考方向的夹角，N为正整数。

7.一种光束分束方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任意一项所述的多光束分束器，使一束待分束光束，从光波导一端以锐角入射，并且使待分束光束以光波导的主轴为中心，相对于光波导旋转，形成以待分束光束两倍的转速旋转的子光束，从光波导的另一端出射。

8.一种光束分数方法，其特征在于，采用如权利要求1至6任意一项所述的多光束分束器，使多束待分束光同时从光波导的一端以锐角入射，出射的子光束为每一束待分束光束各自独立分束的子光束，出射方向相同的子光束复合成一束，从光波导的另一端出射。

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