CN103837912B - 非传统使用的透镜和反射镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学工程、光电子学、激光器件和激光技术领域。主要是采用光学玻璃、光学晶体和非晶体固态材料来制作透镜和反射镜，表面分成环形区和靠轴的圆形区，表面分区域镀不同反射率的膜，光线从表面入射和出射，其特征在于一个或多个或许多个光束沿着从前表面曲率中心到镜面入射，入射光束在凹凸透镜和平凸透镜的前后表面间反射，在两表面上的反射是按反射点在两面上的轨迹为一椭圆或者一条线的轨迹进行的。一个或者多个或者许多个光束从两表面出射，从前后表面中央出射的光束是所有光束的组合光束，从中央入射的有一定发散角的光束会分布到所有出射光束中去。当透镜为双凸透镜时，从前面的入射光束为沿轴平行的光束，除靠轴的圆形区域外光束的入射处反射率为零。上述透镜被称之为非传统透镜，当其后表面为全反射面时则被称之为非传统反射镜。

Description

非传统使用的透镜和反射镜

技术领域

本发明属于光学、光学工程、光电子学、激光器与激光技术领域。

背景技术

球面光学透镜和反射镜是最基本的光学元件，在光学、光学工程、光电子学领域有着广泛的应用。为了扩大它们的应用范围，人们对透镜和反射镜采用了均匀镀膜技术,两平行平面的多光束干涉技术,使透镜和反射镜获得了许多新的应用，特别是适应了激光领域和光谱领域的应用。此外，人们还采用了反射镜间的离轴传输技术来扩大反射镜的应用范围。非均匀镀膜技术在激光领域主要是采用反高斯膜。在为扩大透镜和反射镜应用范围方面，发明专利申请文件《轴对称共点组合氦氖激光器》（申请号：201110411666.2）提出了利用透镜两表面的分区均匀镀膜环带或者局部区域和两表面间的多次反射来实现He-Ne激光器的组合。但是在该组合应用的这一技术，仅仅是指从透镜边缘到中央的多次反射，在透镜后表面中央全透明区射出，未涉及光束在两表面上的反射点的轨迹、光束在前表面的出射和光束间的关系，不能解决激光器阵列的锁相组合。一种非传统使用的透镜和反射镜的完备、深入、展示真实规律的发明内容，能为透镜和反射镜的应用增添新的内容。

发明内容

非传统使用的透镜和反射镜的两个球面表面分划成一个个以透镜轴为对称轴的环形带区，靠近轴的区域为圆形区域，两个球面上的环形区域的个数、宽窄、位置和反射率的大小都是根据需要来设计的，一个或者多个光束或许多个光束从球面的表面上的一个区域或者多个区域入射，然后在两个表面间反射，然后从两表面的一个区域或者多个区域离开镜面，反射点除特别需要外一般应落在全反射区域，其特征在于入射光束在两表面上的反射是按两表面上反射点的轨迹为一椭圆，或一圆，或一线确定的方位进行的，两表面间的反射为一次、多次或者无穷次，其特征还在于光束的出射不但可以在后表面中央和其他区域，还特别地出现在前表面的中央区域和各环形带区。这样的透镜的表面结构和整体的工作方式都与传统透镜、均匀膜透镜显著不同，这样的透镜即为本发明所指的非传统使用的透镜。当这样的透镜的后表面为全反射面时，即为本发明的非传统使用的反射镜。我们可以设计出各式各样的实用的非传统使用的透镜和反射镜，其用途是传统使用的透镜、反射镜和均匀膜面透镜和反射镜所不能达到的。它们特别适用于多种激光器阵列的锁相组合这样的问题。

非传统使用的透镜和反射镜的工作原理如下所述。入射光束在两镜面之间的近轴反射，与光束在两个传统的分离的反射镜镜面间的反射有相同的规律，这一规律已经被我们实验所证实，即光束在非传统使用的透镜和反射镜的透镜面上的反射点的轨迹一般是一个椭圆，如果入射光束在镜前表面所在平面的直角参考坐标系o-x-y中的初始位置和斜率适当，则它在镜面上的椭圆轨迹变成一个圆，如果入射光束在x方向的位移和斜率均为零，则椭圆轨迹变成为一直线轨迹。同时，规定光束既可在透镜前表面离开，也可在后表面的环带、中央位置离开，这既是根据实际需要提出的，也是在原则上成立的。对于非传统使用的反射镜，光束入射和出射在同一镜面。

对透镜和反射镜分区镀均匀膜是易于实现的，当环带宽度极小时，其镀膜均匀性可能差一些，但一些使用对象对膜的透过率存在一个实用范围。轴对称分布的激光器阵列，轴线位于任一纵剖面的激光器很容易满足入射光束或者起始光束仅存在径向位移和径向斜率的条件，即初始光束仅有起点离轴的距离和光束相对于对称轴的斜率，从而可视为满足x方向位移和斜率均为零的条件，故光束在镜面上的反射点轨迹会是一直线形轨迹。直线形轨迹也是一种椭圆轨迹，光束经过很多次反射后精确地回复到原出发点的位置和斜率并开始新一轮沿直线形轨迹的往返传输。当光束有一定的发散角，又当个别或者部分入射光束或起始光束在x方向位移和x方向斜率在容许值范围又不为零时，反射点轨迹会是一接近直线形轨迹的椭圆轨迹，可给阵列的组合带来积极的效果。

附图说明 附图中：该图是一个纵剖面示意图，1是透镜的前表面，它是平面或者凹面；2是透镜的后表面，4与5分别是两个部分反射膜环形区上的点，4位于第一环形区，5位于第二环形区；3和6是部分反射膜圆形区域，其余部门部分为全反射区。光束7,8,9,10,11为入射、反射、和出射光束。设前后表面的曲率半径分别为ρ_1，ρ₂，透镜的厚度为d，当前表面为凹面时，ρ₁的符号为负。光束7和11的入射点到透镜轴的距离为r₀₍₅₎，光束8和10的入射点到透镜轴的距离为r₀₍₄₎，而光束9的束轴线入射点到透镜轴的距离则为零。为满足近轴条件，我们取相邻两反射点对坐标系原点的张角θ为一个较小的值。由于入射光束7和8对平面表面的垂直入射或者由前凹表面曲率中心出发对凹表面的入射，则它们对镜轴的倾斜为零或只在附图所示的纵剖面内，故在两表面间的n次往返后在前表面上离轴的距离则分别为和。当n=m，mθ等于90度时，到达轴线位置，并且继续在两镜面间往返传输，直到它们分别到达对称位置的r₀₍₅₎和r₀₍₄₎，部分垂直出射和部分反射，反射光束再沿原光路返回到出发点，并且有部分出射和反射，反射光重复前一次行为。它们在进行到镜的两表面中央时，则分别是以一夹角出射部分光，因此光束7和8在中央区域的出射方位和位置是略有差别的。但是当入射、出射光束9作为有一定发散角的光束时，虽然发散角可以很小，他便是一个对入射、出射7和8的一个包容光束，即入射光束7和8在中央出射时与出射9合并为同一光束9，而出射光束7和8是入射9的一部分，因此光束9是一个入射和出射均可对光束7和8包容的光束。当光束7和8也有一小发散角时，它们则更易与9包容，即光束9的部分光束将分别进入到7和8的传输路径并且分别与7和8重合或几乎重合在一起。同理，光束11与光束7，光束10与光束8的行为分布是完全对称的。但是，当mθ仅近似等于90度时，上述情形是略有差别的。根据光束在两镜面间的传输矩阵和透射的变换矩阵，我们可以确定光束7和8在前表面中央出射时与轴的夹角。由于轴对称性，入射、出射光束9将包容在前表面第一环形区、第二环形区以及类似的更多的环形区上的出射、入射光束。当采用措施使反射光束7、8、10、11与反射光束9也包容，便会産生有意义的应用，例如激光器阵列的锁相组合。在透镜后表面的出射光束也是对称分布的光束。透镜后表面可有类似于前表面的情况，两面的环形区一般是错开的。适当的设计便会产生更有意义的应用，均可使这些光束有很小的发散角，它们甚至与激光的发散角处于同一水平上。当附图中透镜前表面为凸球表面，它则代表一双凸透镜，此时光束7、8、9、10、11平行于透镜轴的入射和出射光束，3、4、5为透明区，6为部分透射区，其余区为全反射区，光束9包容7、8、10、11等，但相邻环的光束一般不相包容，但均被9包容，后表面中央出射的也为一对称分布光束。图中镜的后表面为一全反射面时，即为一非传统使用的反射镜，上面前表面给出的内容也适合它。

当θ极小时，入射光束7与光束8彼此包容，在纵剖面附图中所有光束将彼此包容。当光束7或者8有垂直于附图纵剖面的微小倾斜时它们可以主要地与束轴线在纵剖面的光束相包容，也可与束轴线位于纵剖面外的部分相邻光束发生部分包容。

例子;取ρ₁为无穷大，ρ₂=21000mm,d=29.2mm,设前表面第一环带中心位置和第二环带中心位置离镜轴的距离分别为r₀₍₄₎=14.08mm, r₀₍₅₎=25mm,环带的宽度为6mm,前后表面中央的圆面的半径均为4mm，两环带和两个中心圆面均为部分反射膜面，其余各处均为全反射膜面。则θ=4.274005766⁰，m=21,则光束7在镜面间经过19个往返则在离轴距r₁₉≈3.8mm处从前后表面中央的圆面部分反射膜区部分出射，而光束8经过19次往返则在离轴距r₁₉≈2.2mm处从前后表面中央的圆面部分反射膜区部分出射，光束7和8在中间表面出射时在镜面内部与轴的斜率分别为0.03（rad）和0.017（rad）,向前行与向后行的斜率值近似相等。而光束7从环带中心出发后经过13次往返达到第一环的中心位置r₁₃≈14.1mm，并在该处的入射斜率为0.026（rad）,因此当中央的光束9进入透镜后发散角约为0.03rad，而光束7 和光束8入射后的斜率均为在0.017-0.026rad时，则光束9将包容光束7和光束8，故也包容光束10和光束11，故将包容在两环形区域所有垂直入射、出射光束。由于反射光束是入射光束的部分，与出射光束在同一空间，可也在包容之中，经过设计的最佳化，前表面的所有光束和后表面的出射光束都可以很接近于激光光束的发散角。当使用凹凸透镜时，则设计目标较容易达到。当上述例子的后表面为全反射面时，便成为一个非传统应用的反射镜的具体例子。

制作传统使用的透镜和反射镜的材料可以是光学玻璃、光学晶体和光学非晶体材料等。

一种透镜，它的前表面1为平面、凹球面表面或凸球面表面，它的后表面2为凸球面，它的前表面分成第一环形区4，第二环形区5，和位于轴线附近的圆形区域3，第一、第二环形区和中心位置的圆形区域的平面或凹面为部分反射面，而前表面为凸面时这些区域为透明面，在前表面圆形区域、第一环形区、第二环形区之间的区域及其余面为全反射面，它的后表面中央位置圆形区域6为部分反射面而其余区域为全反射面，光束9沿轴线的入射、反射、出射，第一环形区的光束8和它的对称光束10，第二环形区的光束7和它的对称光束11，对平面或者凹面局部垂直入射、反射、出射，而对凸球面则是平行于光轴入射，光束在镜前后表面出射，其特征在于一个、多个或许多个光束在这些环形区和中央位置圆形区上入射，环形区的入射光束在两表面间反射按表面上的反射点的轨迹为一线形路径或一椭圆路径确定的方位进行，光束在经过若干次或无穷次反射后从多个环形区域和表面中央位置圆形区出射，前表面中央位置圆形区域入射的有一定发散角的光束在两表面反射后进入各环形区并部分出射，出射光束与那里的入射、出射光束在空间上重合或基本重合，前表面中央位置圆形区域的出射光束是各个环形区域入射光束经过若干次或无穷次反射后在该处部分出射光的组合光束。

一种反射镜，它的前表面1为平面、凹球面或凸球面表面，它的后表面2为凸球面，它的前表面分成第一环形区4，第二环形区5，和位于轴线附近的圆形区域3，第一、第二环形区和中心位置的圆形区域的平面或凹面为部分反射面，而为凸面时为透明面，在圆形区域、第一环形区、第二环形区之间的区域及其余面为全反射面，它的后表面为全反射面，光束为沿轴线的入射、反射、出射光束9，第一环形区的光束8和它的对称光束10，第二环形区的光束7和它的对称光束11，对凹面或者平面垂直入射、反射、出射，而对凸球面则是平行于光轴入射，光束在镜前表面出射，其特征在于一个、多个或许多个光束在这些环形区和中央位置圆形区上入射，光束在两表面间反射按表面上的反射点的轨迹为一线形路径或一椭圆路径确定的方位进行，光束在经过若干次或无穷次反射后从多个环形区域和表面中央位置圆形区出射，前表面中央位置圆形区域入射的有一定发散角的光束在两表面反射后进入各环形区并部分出射，出射光束与那里的入射、出射光束在空间上重合或基本重合，前表面中央位置圆形区域的出射光束是各个环形区域入射光束经过若干次或无穷次反射后在该处部分出射光的组合光束。

Claims (3)

1.一种透镜或反射镜构建的方法，透镜或反射镜的两个表面均为光学球面，且透镜或反射镜的前表面为平面或凹面，透镜两表面或反射镜前表面分区镀不同反射率的部分反射光学膜，其余面为全反射面，部分反射区域为环形带区域和中心位置的圆面区域，光束从透镜或者反射镜的前表面入射，然后从透镜表面或者反射镜前表面离开，其构建方法的特征在于一个或多个光束从环形带区域和中心圆面区域入射，一个或多个光束在透镜或者反射镜的两表面上反射是按反射点路径为椭圆、圆、或者直线轨迹所确定的方位进行的，一个或多个光束在透镜上的出射是在两个面上的一个、多个或者所有规划的环形带区域，中央圆面区域进行的，前表面中心圆面区域的入射光束因其有一定发散角而在两表面间发生反射后分散进入各环形带区域并出射，出射光与那里的入射、出射光束在空间上基本重合，一个或者多个光束在反射镜上的出射是在其前表面的各个环形带区域，中央圆面区域进行的。

2.一种透镜，它的前表面（1）为平面、凹球面表面或凸球面表面，它的后表面（2）为凸球面，它的前表面分成第一环形区（4），第二环形区（5），和位于轴线附近的圆形区域（3），

当前表面为平面或凹球面时第一、第二环形区和中心位置的圆形区域为部分反射面，而当前表面为凸球面时第一、第二环形区和中心位置的圆形区域为透明面，在圆形区域、第一环形区、第二环形区之间的区域及其余面为全反射面，它的后表面中央位置圆形区域（6）为部分反射面而其余区域为全反射面，沿轴线的光束（9），第一环形区的光束（8）和它的对称光束（10），第二环形区的光束（7）和它的对称光束(11)，对平面或凹面局部垂直入射、反射、出射，而对凸球面则是平行于光轴入射，光束在镜前后表面出射，其特征在于一个或多个光束在这些环形区和中央位置圆形区上对平面或凹面局部垂直入射，光束在两表面间反射按表面上的反射点的轨迹为一线形路径或一椭圆路径确定的方位进行，光束在经过若干次反射后从第一环形区、第二环形区和表面中央位置圆形区出射，前表面中央位置圆形区域入射的有一定发散角的光束在两表面反射后进入第一环形区、第二环形区并部分出射，出射光束与那里的入射、出射光束在空间上重合或基本重合，前表面中央位置圆形区域的出射光束是各个环形区域入射光束经过若干次反射后在该处部分出射光的组合光束。

3.一种反射镜，它的前表面(1)为平面、凹球面或凸球面表面，它的后表面(2)为凸球面，它的前表面分成第一环形区(4)，第二环形区（5），和位于轴线附近的圆形区域(3)，当前表面为平面或凹球面时第一、第二环形区和中心位置的圆形区域为部分反射面，而当前表面为凸球面时第一、第二环形区和中心位置的圆形区域为透明面，在圆形区域、第一环形区、第二环形区之间的区域及其余面为全反射面，它的后表面为全反射面，沿轴线的光束(9)，第一环形区的光束(8)和它的对称光束(10)，第二环形区的光束(7)和它的对称光束(11)，对平面或凹面局部垂直入射、反射、出射，而对凸球面则是平行于光轴入射，光束在镜前表面出射，其特征在于一个或多个光束在这些环形区和中央位置圆形区上对平面或凹面局部垂直入射，光束在两表面间的反射按表面上的反射点的轨迹为一线形路径或一椭圆路径确定的方位进行，光束在经过若干次反射后从环形区域和表面中央位置圆形区出射，前表面中央位置圆形区域入射的有一定发散角的光束在两表面反射后进入各环形区并部分出射，出射光束与那里的入射、出射光束在空间上重合或基本重合，前表面中央位置圆形区域的出射光束是各个环形区域入射光束经过若干次反射后在该处部分出射光的组合光束。

4.按照权利要求2所述的透镜或权利要求3所述的反射镜，其特征是制作透镜或反射镜的材料为光学非晶体或光学晶体材料。