專利名稱：光束分配裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種光束分配裝置，特別涉及一種對各種波長的光束都可以調整其在其橫截面的橫向和豎向上的線度-發(fā)散度乘積之比，并可以在不同方向上切換或分配光功率的光束分配裝置，屬于光學技術領域。
一些已有技術可以將一條線似的半導體激光輻射束在一定的地方變換為圓形光斑，但其固有的線度—發(fā)散度不對稱性仍然存在，而且在很多應用中仍是一大障礙。為此，又發(fā)展出了一些新的技術，旨在克服半導體激光束的這一不對稱性，它們成功地改造了半導體激光束。這些技術是美國專利4763795，5168401，5592333及6240116。在美國專利5592333中，也采用了屋脊反射器，但其兩面平面反射鏡之間的夾角為60°和70.5°，因此入射光束的角度必須十分精確，此外，它對入射光束的寬度也有要求。
為實現(xiàn)上述的發(fā)明目的，本實用新型采用下述的技術方案一種可將光束在兩個互相垂直的空間方向上任意分配的光束分配裝置，包括可發(fā)射沿單個光束橫截面的橫向方向排列展開的一組光束的發(fā)光裝置以及若干個屋脊反射器，其特征在于
所述屋脊反射器為兩面相互交叉的平面反射鏡，其交叉處為屋脊，兩面平面反射鏡之間的夾角為45°的整數(shù)倍，且不大于90°；所述屋脊反射器沿光束的橫向方向平行排列，其開口正對光束組入射方向，所述屋脊反射器固定在一個板塊上，所述板塊底座上裝有萬向節(jié)；所述夾角為90°的屋脊反射器的屋脊繞光束入射方向旋轉45°；所述屋脊反射器的開口寬度不小于到達開口處的入射光束的橫向線度。
本實用新型所述的光束分配裝置可以將一組狹窄如側面輻射的半導體激光束或光束改造成為線度—發(fā)散度在橫向和豎向兩個方向上都接近甚至相等的對稱光束組，也可以將入射光在空間不同位置和方向上重新安排或分配，可用在光開關、光束分配器、光束位置、方向變換器，以及高亮度光學等場合。
圖2所示為一個90°的屋脊反射器，由兩面互相垂直的平面鏡組成。
圖3所示為將圖2中的90°屋脊反射器繞Z軸旋轉-45°以后的視圖。
圖4所示為將圖3中的90°屋脊反射器繞X軸旋轉-45°以后的視圖。
圖5所示為一個沿橫向方向展開的寬光束射向一組90°屋脊反射器后形成的一組反射光束。
圖6所示為一個45°的屋脊反射器，由兩面互成45°的平面鏡組成。
圖7所示為一個光束射向45°屋脊反射器及其反射光束方向。
圖8所示為一個光束從X-Z平面內的-X位置仰射向45°屋脊反射器及其相應的反射光束方向。
圖9所示為一個光束從X-Z平面內的+X位置仰射向45°屋脊反射器及其相應的反射光束方向。


圖10所示為沿橫向方向排列的一排光束仰射向一組45°屋脊反射器后形成的一組反射光束。
圖11所示為一組在X-Z平面內的光線從不同的X位置仰射向45°屋脊反射器后，反射光線的方向和位置。
圖2至圖8說明的是本實用新型所依據(jù)的光學原理。其中所使用的屋脊反射器為兩面相互交叉的平面反射鏡，其交叉處為屋脊。兩面鏡子之間的夾角為45°或者90°，分別簡稱為45°屋脊反射器和90°屋脊反射器。
在圖2中，90°反射器的屋脊與Y軸重合，Y-Z面是它的角平分面，光線1在X-Z平面內沿平行于Z軸的方向射向該反射器，然后沿-Z軸方向返回。如果光線1的X坐標是g，其反射光線的X坐標則是-g。圖3中，將90°屋脊反射器的屋脊繞Z軸旋轉-45°，光束6的橫方向平行于X軸，沿Z方向射向該反射器。由于反射器繞Z軸旋轉，反射光束沿-Z軸方向返回，但是其橫方向繞Z軸旋轉了90°，成了平行于Y軸。圖4將圖3中的90°屋脊反射器繞X軸旋轉-45°，光束9的橫方向平行于X軸，沿Z方向射向該反射器。光束10是其反射束，其橫方向平行于Z軸，前進方向的方向余弦是(-1/2,-1/2,0)]]>。也就是說，經過該屋脊反射器的反射后，入射光束的橫方向從平行于X軸變?yōu)榇怪庇赬軸，前進方向從平行于Z軸變?yōu)榇怪庇赯軸。90°屋脊反射器的這種功能可用于進行光束變換。
圖6所示為45°屋脊反射器，圖中25和26為組成反射器的兩面平面反射鏡，Z軸線為其角平分線。光線27平行于Z軸射向鏡25，然后被反射到鏡26，當它被鏡26反射后，前進方向平行于X軸。圖7中，用一組光束28而不是光線27射向45°屋脊反射器，它被鏡面29和30反射以后，前進方向繞Y軸旋轉了-90°。光線前進方向的這種變化為一系列應用提供了可能性。
將圖7的光束28改為圖8中的仰射光束31，方向余弦是(0,-1/2,-1/2)]]>，則反射光束32的傳播方向垂直于Z軸，方向余弦是(-1/2,-1/2,0)]]>。移動圖7中的光束31的起始位置從X軸的負值處到X軸的正值處，如圖9所示，入射光束33的方向余弦為(0,-1/2,]]>1/2)]]>，反射光束34仍然垂直于Z軸，但方向余弦變?yōu)?1/2,-1/2,0)]]>，而且它還垂直于圖8中的反射光束32。這就為本光束分配裝置用作光功率分配器奠定了理論上的基礎。
根據(jù)上面所述的光學原理，本實用新型可采用如
圖1所示的結構。一個半導體激光器排(11)安裝在其底座(12)之上，該激光器排中的各個激光器沿橫方向(X方向)排成一行。為便利于作圖，各激光器的發(fā)射光束(14，15，16)在其豎向方向上已被微型柱透鏡(13)準直，但對其在橫向方向的發(fā)散并未作任何準直。在實際中，這些光束無論是否經過準直都能適用本光束分配裝置。每個光束由其橫截面的橫向方向線度，豎直方向線度以及該兩方向上的發(fā)散角描述。整組光束由其中的光束總數(shù)和光束的橫向周期描述。這組光束沿Z方向前進，射入一塊刻有一組90°屋脊反射器(18，19，20)的板塊(17)。所述這組90°屋脊反射器沿光束的橫向方向(X方向)平行排列，每個反射器的開口都正對光束組。其底座裝有萬向節(jié)(圖中未畫出)，以使整組反射器可以繞X軸和Z軸任意旋轉。在圖中所示的實施例中，先讓各屋脊都和Y軸平行，然后將每個反射器繞Z軸旋轉-45°，再將整組反射器繞X軸旋轉-45°，就得到圖中所示的屋脊反射器的空間位置。為保證反射效果，每一個反射器的寬度t都等于或大于光束在它上面的寬度，反射器的排列周期w等于光束的周期w，反射器總數(shù)須大于或等于光束組中的光束總數(shù)。光束組沿Z方向射入90°屋脊反射器，方向余弦為(0，0，1)。被反射的光束組將沿垂直Z方向轉播，方向余弦為(-1/2,-1/2,0)]]>。這樣，一組在橫向方向以周期為w排列的光束(14，15，16)變成了一組沿縱向方向以周期為w排列的光束(21，22，23)。此時，反射光束組在橫向和豎向兩個方向上的線度—發(fā)散度積及其比已不同于入射光束細。這樣就實現(xiàn)了本實用新型改變光束組在光束橫截面的橫豎兩個方向上的線度—發(fā)散度乘積之比的發(fā)明目的。
當把整組反射器繞X軸任意旋轉時，反射光束的位置和方向會發(fā)生變化，但其橫豎兩個方向上的線度—發(fā)散度乘積之比的變化不會改變。
圖5所示為本實用新型的另一實施例。板塊(24)上刻有一組90°屋脊反射器，但是相鄰反射器間并無死區(qū)。由一個半導體激光器排(11)輻射出的寬光束D被板塊(24)上的這組反射器反射后，被截成n段沿縱向方向排列的窄光束，其周期等于板塊(24)上的反射器的排列周期d，而且d＝D/n，n是整數(shù)。如美國專利5168401所指出的，入射光束組在兩個方向上的線度—發(fā)散度積之比R和反射光束組在兩個方向上的線度—發(fā)散度積在兩個方向上之比R’之間滿足關系RR’＝n2，這樣，只要在設計板塊(24)上的反射器組時適當選擇n，反射光束組的線度—發(fā)散度積之比R’就可以改變?yōu)樗柚怠Ｈ绻Ｍ鸕’＝1，這是對稱的光束組，則只需將90°屋脊反射器組設計成n=R]]>，對于R＝51，n可設計為7。在圖5中，為便于畫圖計，寬光束在縱方向的發(fā)散在圖中已被圓柱微透鏡校正。在實際應用中，這種校正并非必要。
圖10所示為本實用新型所述的光束分配裝置選用45°屋脊反射器時的實施例。由半導體激光器排(11)發(fā)出的光束由柱透鏡(13)準直以后以45°仰角射向一組刻在板塊(35)上的45°屋脊反射器。所述45°屋脊反射器組可以繞X軸旋轉。反射器的周期r等于半導體激光器排的輻射光束周期r。這些光束在45°屋脊反射器上的橫向寬度小于一個反射器的開口寬度q的一半。所以每一個光束都只照在反射器的一片鏡面上。這組光束被這組反射器反射以后，我們看到，以周期r沿橫向方向展開的光束組變成了以周期r沿豎向方向排列的光束組。這種變換再一次提供了改變光束組在兩個方向上線度—發(fā)散度積之比的途徑。
圖11所示為本實用新型用作光功率分配器時的具體實施例。六條光線從X-Z平面出發(fā)仰射向45°屋脊反射器，仰角45°，它們的X坐標分別為X＝a，b，c，d，e，f。X坐標為負值的三條光線反射以后沿垂直于Z軸的方向傳播，方向余弦為(-1/2,-1/2,0)]]>，并且沿Z方向排列Z＝a，b，c(如圖中短線所示)，X坐標為正值的三條光線反射以后也垂直于Z軸的方向傳播，排列次序為Z＝-d，-e，-f。但方向余弦為(1/2,1/2,0)]]>，而且還垂直于X坐標為負值的三條反射光線。這樣就將入射寬光束分成相同的兩個反射光束組，且彼此相互垂直。兩組反射光束各自的光功率是入射光束組位置的函數(shù)。這樣就構成一個光功率分配器。在作為光功率分配器的場合，入射光束在反射器上的寬度可以超過反射器開口寬度的一半。
在本實用新型選用45°屋脊反射器的場合，當入射光束組從射入45°屋脊反射器中的一個鏡面轉換到另一個鏡面時，反射光就從一個方向轉變到另一個方向。這就構成一個M×2光開關，其中M是光束組中的光束數(shù)。當入射光束組中僅有一個光束，而且光束的橫向線度遠小于反射器的開口寬度時，反射光束的位置和傳播方向是入射光束的X坐標的函數(shù)。這樣就構成一個光束位置和方向變換器。
在本實用新型中，入射光束組可以是一個光束，也可以是一組成排的光束，還可以是半導體激光器的輻射激光光束組。對激光光束而言，光束在橫向和豎向的線度及發(fā)散角由半導體激光器輻射光束的相應參數(shù)確定。光束的前進方向由半導體激光器的縱向方向即共振腔長方向確定。對本實用新型而言，光束組可以是經過準直的，也可以是未經準直的。光束組中各光束，可以是一樣的，也可以是不一樣的。也就是說，各光束的線度、發(fā)散度以及彼此之間的間距可以全部相同，也可以各不相同。對于光束組中互不相同的各光束而言，屋脊反射器組中各反射器也要作相應改變。反射器組中的各個反射器可以緊密相鄰無間隔，也可以保留間隔，依是否需要從間隔上反射的光束而定。反射器開口處的寬度由反射光束組在兩個方向上所需的線度—發(fā)散度積之比來決定。
需要聲明的是，本實用新型的特定實施例已經對本實用新型的發(fā)明內容做了詳盡的說明。對本領域的一般技術人員而言，在不背離本實用新型精神的前提下對它所做的任何顯而易見的改動，特別是對若干部件的等同替換，都構成對本實用新型專利權的侵犯，將承擔相應的法律責任。
權利要求1.一種可將光束在兩個互相垂直的空間方向上任意分配的光束分配裝置，包括可發(fā)射沿單個光束橫截面的橫向方向排列展開的一組光束的發(fā)光裝置以及若干個屋脊反射器，其特征在于所述屋脊反射器為兩面相互交叉的平面反射鏡，其交叉處為屋脊，兩面平面反射鏡之間的夾角為45°的整數(shù)倍，且不大于90°；所述屋脊反射器沿光束的橫向方向平行排列，其開口正對光束組入射方向，所述屋脊反射器固定在一個板塊上，所述板塊底座上裝有萬向節(jié)；所述夾角為90°的屋脊反射器的屋脊繞光束入射方向旋轉45°；所述屋脊反射器的開口寬度不小于到達開口處的入射光束的橫向線度。
2.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述屋脊反射器以入射光束的橫向方向為軸進行旋轉。
3.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述發(fā)光裝置為半導體激光器，入射光束的所有參數(shù)由所述半導體激光器的有關參數(shù)確定。
4.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述屋脊反射器組中屋脊反射器個數(shù)為n，n為正整數(shù)；入射光束組在兩個方向上的線度—發(fā)散度積之比R和反射光束組在兩個方向上的線度—發(fā)散度積在兩個方向上之比R’之間滿足關系RR’＝n2；所述屋脊反射器的開口寬度不小于入射光束寬度的n分之一。
5.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述屋脊反射器中兩面平面反射鏡之間的夾角為45°；相鄰的兩個屋脊反射器的中心距離等于與之相對應的入射光束組中相鄰的兩光束的中心距離。
6.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述屋脊反射器中兩面平面反射鏡之間的夾角為45°，所述兩面平面反射鏡同時反射入射的一組光束；反射光分為兩組，彼此相互垂直，每組反射光的方向、位置和光強度由入射光束組的位置確定。
7.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述發(fā)光裝置發(fā)出的入射光的入射位置在所述屋脊反射器的兩個鏡面間切換，反射光束組的方向、位置和光強度由入射光束組的位置確定。
8.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述屋脊反射器中兩面平面反射鏡之間的夾角為45°，所述屋脊反射器只有一個，所述入射光束組中的光束數(shù)大于一
9.如權利要求1所述的光束分配裝置，其特征在于所述相鄰屋脊反射器之間有間隔，所述間隔反射入射光束。
專利摘要一種光束分配裝置，包括可發(fā)射沿單個光束橫截面的橫向方向排列展開的一組光束的發(fā)光裝置以及若干個屋脊反射器。屋脊反射器夾角為45°或者90°，固定在一個板塊上，沿光束的橫向方向平行排列，其開口正對光束組，板塊底座上裝有萬向節(jié)。其中90°屋脊反射器的屋脊繞光束入射方向旋轉45°。本光束分配裝置可以將一組狹窄如側面輻射的半導體激光束或光束改造成為線度—發(fā)散度在橫向和豎向兩個方向上都接近甚至相等的對稱光束組，其性能與光的波長無關，可用于高亮度光學器件，也可用在光開關、光分布器以及光束位置函數(shù)器等場合。
文檔編號G02B27/09GK2566292SQ02253490
公開日2003年8月13日 申請日期2002年9月3日 優(yōu)先權日2002年9月3日
發(fā)明者肖意軒 申請人:錢定榕