CN109100872A - 光分束器及包含相同光分束器的光学设备 - Google Patents

光分束器及包含相同光分束器的光学设备 Download PDF

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Abstract

本发明提供的光分束器，包括若干个光分束单元，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：每个光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向，形成分束，分束角度α满足如下关系：sinθo＝n sinθi，α＝θo‑θi其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角，本发明提供的光分束器，其分束角度仅由折射面的倾斜角度和材料折射率有关，而与其特征尺寸无关，因此更容易实现大角度分束。

Description

光分束器及包含相同光分束器的光学设备
技术领域
本发明涉及一种光学器件，尤其涉及一种光分束器及包含相同光分束器的光学设备。
背景技术
光分束器是光通讯、光整形和光探测等光学应用中大量使用的器件之一，其分束角度、分束后目标面上的光斑均匀度以及色散特性均是决定器件性能的关键指标。
目前常用的光分束器采用衍射光学结构构成，利用光栅衍射的原理，对光栅进行二维像素化，然后通过像素的排列组合，使激光经过光栅衍射结构后形成编码的相位分布，由于入射激光强烈的相干性，其编码后的相位分布将产生干涉，并在光束传递至远场后形成特定的分光结果。
然而，这一分束结构的中央零级光强对光栅结构的深度非常敏感，光栅深度稍有误差均会产生很强的零级光，导致分束不均；其次，其像素化后的特征尺寸与其分束角度密切相关，像素化的特征尺寸越小，分束角度越大，但过小的特征尺寸在器件加工上非常困难；此外，衍射结构对入射光波长非常敏感，是一种强色散结构，不同波长入射后，其光分束角度差异很大。
因此，这一类器件在应用中受到很大限制。
发明内容
有鉴如此，有必要提供一种光分束器，旨在解决现有技术中提供的光分束器的应用限制。
为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一方面，本发明提供的光分束器，所述光分束器包括若干个光分束单元，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：
每个光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向，形成分束光束，所述分束光束的分束角度α满足如下关系：
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。。
在一些较佳实施例中，每个所述光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向后形成分束光束入射至目标面上的光束光斑的能量大小与所述光束光斑对应折射面在与所述入射光垂直平面的投影面积呈正比。在一些较佳实施例中，所述光分束器的材料为光学塑料或光学玻璃。
在一些较佳实施例中，每个所述光分束单元的横向尺寸小于入射光束光斑大小，以使所述入射光束至少完全覆盖所述光分束单元。
在一些较佳实施例中，每个所述光分束单元呈周期性阵列排布。
在一些较佳实施例中，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成规则的分束排布。
在一些较佳实施例中，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成随机的分束排布。
另一方面，本发明还提了一种包含所述的光分束器的光学设备。
本发明采用上述技术方案，能够实现下述有益效果：
本发明提供的光分束器，包括若干个光分束单元，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：每个光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向，形成分束，分束角度α满足如下关系：
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角，本发明提供的光分束器，其分束角度仅由折射面的倾斜角度和材料折射率有关，而与其特征尺寸无关，因此更容易实现大角度分束。
此外，本发明提供的光分束器，每个所述光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向后形成分束光束入射至目标面上的光束光斑的能量大小与所述光束光斑对应折射面在与所述入射光垂直平面的投影面积呈正比，从而使得光分束器在目标面上的分束能量比仅由对应折射面在与入射光垂直平面的夹角决定，不再受微结构的深度限制，因此不存在很强的中央零级光。
另外，本发明提供的光分束器，由于采用光学塑料或光学玻璃材料，其色散特性远小于衍射结构的色散特性，其色散程度远低于衍射型分束器，器件适用的光波段范围更宽。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的光分束器的工作示意图。
图2为本发明实施例1及4提供的光分束器的剖面图。
图3为本发明实施例1提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
图4为本发明实施例1提供的光分束器的俯视图。
图5为本发明实施例2及3提供的光分束器的剖面图。
图6为本发明实施例2提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
图7为本发明实施例2提供的光分束器的俯视图。
图8为本发明实施例3提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
图9为发明本实施例4提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
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。
请参阅图1，本发明提供的光分束器的工作原理图，所述光分束器11包括若干个光分束单元(图未示)，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：
每个光学折射面将入射的平行光13折射向不同的方向，形成分束光束14，所述分束光束14的分束角度α满足如下关系：
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
可以理解，本发明提供的光分束器，由于其分束角度仅由折射面的倾斜角度和材料折射率有关，而与其特征尺寸无关，因此更容易实现大角度分束。
在一些较佳实施例中，每个所述光学折射面将入射的平行光13折射向不同的方向后形成分束光束14入射至目标面12上的光束光斑15的能量大小与所述光束光斑15对应折射面在与所述入射光垂直平面的投影面积呈正比，从而使得光分束器在目标面12上的分束能量比仅由对应折射面在与入射光垂直平面的夹角决定，不再受微结构的深度限制，因此不存在很强的中央零级光。
在一些较佳实施例中，所述光分束器的材料为光学塑料或光学玻璃。
可以理解，由于光分束器采用光学塑料或光学玻璃材料，其色散特性远小于衍射结构的色散特性，其色散程度远低于衍射型分束器，器件适用的光波段范围更宽。
在一些较佳实施例中，每个所述光分束单元的横向尺寸小于入射光束光斑大小，以使所述入射光束至少完全覆盖所述光分束单元。
在一些较佳实施例中，每个所述光分束单元呈周期性阵列排布。
可以理解，所述三维衍射单元并不局限上周期性阵列排布，实际中还可以为随机性的排布。
在一些较佳实施例中，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成规则的分束排布。
在一些较佳实施例中，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成随机的分束排布。
本发明提供的光分束器，包括若干个光分束单元，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：每个光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向，形成分束，分束角度α满足如下关系：
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角，由于光分束器，其分束角度仅由折射面的倾斜角度和材料折射率有关，而与其特征尺寸无关，因此更容易实现大角度分束。
此外，本发明还提供了一种包括上述光分束器的光学设备。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：
实施例1：
请参阅图2，为本实施例1提供的光分束器的剖面图，其中，上表面表示为不同倾斜角度的光学折射面，S0-S5为平行光束经所述光分束器后形成的不同方向的分束光束，所述光分束器的材料为光学玻璃石英，折射率n＝1.45。
请参阅图3及图4，为本实施例提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
在本实施例中，每个光分束单元内的折射面朝不同方向倾斜，构成2*2光分束器，每个光分束单元内每个光学折射面的倾斜角度θi为43度，根据下述公式，获取其光分束半角α为38.45度，形成的2*2分束全角为76.9度，适用波段从近紫外到近红外波段
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
实施例2：
请参阅图5，为本实施例2提供的光分束器的剖面图，其中，上表面表示为不同倾斜角度的光学折射面，S0-S5为平行光束经所述光分束器后形成的不同方向的分束光束，所述光分束器的材料为光学玻璃D-ZK3，折射率n＝1.59。
请参阅图6及图7，为本实施例提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
在本实施例中，每个光分束单元内的折射面朝不同方向倾斜，构成3*3光分束器，每个光分束单元内每个光学折射面的倾斜角度θi为38度，根据下述公式，获取其光分束半角α为40.2度，形成的3*3分束全角为80.4度，适用波段从近紫外到近红外波段。
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
实施例3：
请参阅图5，为本实施例3提供的光分束器的剖面图，其中，上表面表示为不同倾斜角度的光学折射面，S0-S5为平行光束经所述光分束器后形成的不同方向的分束光束，所述光分束器的材料为光学塑料聚碳酸酯，折射率n＝1.585。
请参阅图8，为本实施例提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
在本实施例中，每个光分束单元内的折射面朝不同方向倾斜，构成4*4光分束器，每个光分束单元内每个光学折射面的倾斜角度θi为39度，根据下述公式，获取其光分束半角α为46.92度，形成的4*4分束全角为93.84度，适用波段为可见光和近红外波段。
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
实施例4：
请参阅图2，为本实施例4提供的光分束器的剖面图，其中，上表面表示为不同倾斜角度的光学折射面，S0-S5为平行光束经所述光分束器后形成的不同方向的分束光束，所述光分束器的材料为光学塑料聚甲基丙烯酸甲酯，折射率n＝1.49。
请参阅图9，为本实施例提供的光分束器中每个光分束单元的俯视图。
在本实施例中，每个光分束单元内的折射面朝不同方向倾斜，构成5*5光分束器，每个光分束单元内每个光学折射面的倾斜角度θi为42度，根据下述公式，获取其光分束半角α为43.56度，形成的5*5分束全角为87.12度，适用波段为可见光和近红外波段。
sinθo＝n sinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
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)

1.一种光分束器，其特征在于，所述光分束器包括若干个光分束单元，每个所述光分束单元由若干个不同方向的光学折射面组成，每个所述光学折射面满足下述关系：
每个光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向，形成分束光束，所述分束光束的分束角度α满足如下关系：
sinθo＝nsinθi
α＝θo-θi
其中，n为构成所述光学折射面的材料折射率，θi为所述光学折射面与入射光垂直平面的夹角，θo为光线经过所述光学折射面后的折射角。
2.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，每个所述光学折射面将入射的平行光折射向不同的方向后形成分束光束入射至目标面上的光束光斑的能量大小与所述光束光斑对应折射面在与所述入射光垂直平面的投影面积呈正比。
3.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，所述光分束器的材料为光学塑料或光学玻璃。
4.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，每个所述光分束单元的横向尺寸小于入射光束光斑大小，以使所述入射光束至少完全覆盖所述光分束单元。
5.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，每个所述光分束单元呈周期性阵列排布。
6.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成规则的分束排布。
7.根据权利要求1所述的光分束器，其特征在于，经所述光分束器分束后的光束在目标面上可形成随机的分束排布。
8.一种包含根据权利要求1所述的光分束器的光学设备。
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