專利名稱:?jiǎn)误w光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明涉及光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,具體地說(shuō)是一種光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器,可用于激光光束的模式轉(zhuǎn)換、半導(dǎo)體激光器輸出、光纖耦合和材料加工等。
背景技術(shù):
在光學(xué)領(lǐng)域中,不同模式的光束有不同的橫向光斑形狀,例如,經(jīng)常應(yīng)用的厄米-高斯(HG)光束具有矩形的光斑、拉蓋爾-高斯(LG)光束具有圓型的光斑,這兩種光束分別是波動(dòng)方程在直角坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系中的本征解。實(shí)用中,根據(jù)工程應(yīng)用的要求,經(jīng)常需要對(duì)HG光束和LG光束進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。例如,半導(dǎo)體激光器的輸出光束可以看作是TEMm0模的HG光束,在其對(duì)光纖進(jìn)行耦合時(shí),為了提高耦合效率,需要將其轉(zhuǎn)換為同階圓對(duì)稱的LG光束。
理論上證明一個(gè)主軸作45°旋轉(zhuǎn)的m0、n0階模式的HG光束,可以分解為一組m、n階HG模式的組合(m0+n0=m+n),其中各組成HG模式間是同相位的;同樣,一個(gè)m0、n0階模式的LG光束,也可以被分解為相同的一組m、n階HG模式的組合(m0+n0=m+n),但各相鄰組成HG模式間存在π/2的相位差。如果能制造一個(gè)像散光學(xué)系統(tǒng),通過(guò)該像散光學(xué)系統(tǒng)引入一個(gè)像散區(qū)域,將主軸旋轉(zhuǎn)45°的輸入HG光束的各組成模式在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行相位調(diào)整,使其各相鄰模式間也存在π/2的相位差,就能實(shí)現(xiàn)HG光束到同階LG光束的轉(zhuǎn)換。為此,針對(duì)HG光束與LG光束的轉(zhuǎn)換,許多學(xué)者提出了不同的方案。
1990年Tamm和Weiss提出了一種由兩個(gè)柱透鏡組成的像散光學(xué)系統(tǒng)方案,參見(jiàn)Tamm C,Weiss C O.Bistability and optical switching of spatial patterns in a laser[J].JOSA,1990,B71034-1038。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)HG光束到同階LG光束的轉(zhuǎn)換,但是該系統(tǒng)要求輸入HG光束的束腰面和輸出LG光束的束腰面都必須在系統(tǒng)的中心平面,因此,不能實(shí)現(xiàn)束腰平面間的轉(zhuǎn)換。
1996年Eppich等人進(jìn)一步提出了一種由三個(gè)柱透鏡組成的像散光學(xué)系統(tǒng)方案,參見(jiàn)Eppich B,F(xiàn)iberg A T.Twist of coherent fields and bram quality[J].SPIE,1996,2870260-267。該方案雖然能夠?qū)崿F(xiàn)HG光束束腰平面到同階LG光束束腰平面的轉(zhuǎn)換,但因這種模式轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是由三個(gè)分離元件構(gòu)成的,如附
圖1所示,各元件間的相對(duì)位置很難調(diào)整,而且存在六個(gè)反射面,光能的反射損耗很大,因此在工程應(yīng)用中受到很大的限制。
發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于克服上述已有技術(shù)的不足,提供了一種HG光束到同階LG光束的單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器,以解決在實(shí)用中HG光束與LG光束相互轉(zhuǎn)換系統(tǒng)難以調(diào)整和效率低的問(wèn)題。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)原理,是根據(jù)Eppich B,F(xiàn)iberg A T.Twist of coherent fieldsand bram quality[J].SPIE,1996,2870260-267文獻(xiàn)提出,由輸入HG光束到同階LG光束的轉(zhuǎn)換可通過(guò)一個(gè)由變換矩陣B=12-11zRzR1-1zRzR-1/zR-1/zR-11-1/zR-1/zR1-1---(1)]]>描述的光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。上式中,zR為輸入HG光束的瑞利長(zhǎng)度。該矩陣B又可以表示為B=P-1MP的形式,其中,P=cos(π/4)sin(π/4)00-sin(π/4)cos(π/4)0000cos(π/4)sin(π/4)00-sin(π/4)cos(π/4)---(2)]]>P-1=cos(π/4)-sin(π/4)00sin(π/4)cos(π/4)0000cos(π/4)-sin(π/4)00sin(π/4)cos(π/4)---(3)]]>M=00zR00-100-1/zR000000-1---(4)]]>M表示三個(gè)柱透鏡組成的像散光學(xué)系統(tǒng)的傳輸矩陣,P-1和P表示該像散光學(xué)系統(tǒng)相對(duì)輸入光束的主軸作45°旋轉(zhuǎn)操作。
根據(jù)矩陣光學(xué)原理,同一個(gè)傳輸矩陣可以表示不同的光學(xué)元件組合系統(tǒng)。因此,通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)像散光學(xué)元件系統(tǒng),就可能得到性能優(yōu)異的HG光束到同階LG光束的模式轉(zhuǎn)換器。
本發(fā)明的設(shè)計(jì)思想就是根據(jù)上述原理提供一種滿足同一傳輸矩陣M要求的光學(xué)元件,用這種光學(xué)元件構(gòu)成單體模式轉(zhuǎn)換器,以實(shí)現(xiàn)HG光束到同階LG光束的轉(zhuǎn)換。這種單體模式轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)單體光學(xué)透鏡構(gòu)成的,該光學(xué)透鏡是由圓柱形梯度折射率介質(zhì)材料制成的中間為圓柱體、兩端為母線平行的柱面的一體結(jié)構(gòu)。
實(shí)際應(yīng)用中,將該單體光學(xué)透鏡置于HG光束的輸入束腰面H1與同階LG光束的輸出束腰面H2之間。此時(shí),從HG光束輸入束腰面H1到LG光束輸出束腰面H2間的光學(xué)系統(tǒng)傳輸矩陣M′可用下面5個(gè)矩陣相乘表示M′=10d20010d2001000011000010000n0001-n0R20n0cosβl0sinβlβ00cosβl0sinβlβ-βsinβl0cosβl00-βsinβl0cosβl×10000100001n000n0-1n0R001n010d10010d100100001---(5)]]>式中,第1和第5個(gè)矩陣分別是長(zhǎng)度為d2和d1的自由空間的傳輸矩陣;第3個(gè)矩陣是長(zhǎng)度為l、折射率分布常數(shù)為β的圓柱形梯度折射率介質(zhì)的傳輸矩陣;第2和第4個(gè)矩陣分別為后端面和前端面兩個(gè)柱面的傳輸矩陣,矩陣中的n0為轉(zhuǎn)換器中心軸處折射率,R1表示前端柱面的曲率,R2表示后端柱面的曲率,且R1<0,R2>0。
將上面5個(gè)矩陣相乘可知,當(dāng)轉(zhuǎn)換器滿足一定的參數(shù)要求時(shí),本發(fā)明單體光學(xué)透鏡系統(tǒng)的傳輸矩陣M′就可以與現(xiàn)有的由三個(gè)柱透鏡組成的光學(xué)系統(tǒng)傳輸矩陣M相等,即可實(shí)現(xiàn)從HG光束束腰面H1到同階的LG光束束腰面H2間的轉(zhuǎn)換。
為此,本發(fā)明提出如下確定轉(zhuǎn)換器參數(shù)的技術(shù)方法,該方法是根據(jù)實(shí)際工程要求給定的輸入束腰面H1上HG光束的瑞利長(zhǎng)度zR,分別確定如下各個(gè)參數(shù),即由瑞利長(zhǎng)度zR得到輸入束腰面H1到轉(zhuǎn)換器前端面的距離d1,及轉(zhuǎn)換器后端面到輸出束腰面H2的距離d2,即d1=d2=zR(2+1);---(6)]]>
由瑞利長(zhǎng)度zR得到轉(zhuǎn)換器前、后端兩個(gè)柱面的曲率半徑R1與R2,即|R1|=R2=2zR(n0-1)(2+1)---(7)]]>式中,n0為轉(zhuǎn)換器中心軸處的介質(zhì)折射率;由瑞利長(zhǎng)度zR得到模式轉(zhuǎn)換器介質(zhì)梯度折射率的分布常數(shù)β,即β=(1n0zR×11-(1-22+1)2)2;---(8)]]>由模式轉(zhuǎn)換器介質(zhì)梯度折射率的分布常數(shù)β得到模式轉(zhuǎn)換器中間圓柱體的長(zhǎng)度l,即l=arccos(1-22+1)β;---(9)]]>由瑞利長(zhǎng)度zR分別得到HG光束在輸入束腰面H1的垂直方向x和水平方向y上的束腰半徑wx、wy,即wx=2(2m+1)zRλπ---(10)]]>wy=2(2n+1)zRλπ---(11)]]>式中,m、n分別為輸入束腰面H1上HG光束在x和y方向上模的階次,λ為光束波長(zhǎng);由輸入束腰面H1上的HG光束束腰半徑得到模式轉(zhuǎn)換器中間圓柱體的直徑,即=6wm,wm為wx,wy中較大的一個(gè)。
具體應(yīng)用時(shí),將該轉(zhuǎn)換器相對(duì)輸入光束的主軸作45°旋轉(zhuǎn)操作,即可實(shí)現(xiàn)束腰面分別為H1和H2的輸入HG光束到同階輸出LG光束的轉(zhuǎn)換。
本發(fā)明由于采用單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)HG光束束腰平面到同階LG光束束腰平面的轉(zhuǎn)換,因而結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)整;同時(shí)又因?yàn)樵撧D(zhuǎn)換器只有兩個(gè)反射面,對(duì)光能的反射損耗很小,使得光能的利用率很高,因此在工程應(yīng)用中有其重要的實(shí)用價(jià)值。
如圖2a,本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器是由一個(gè)單體的光學(xué)透鏡構(gòu)成,該透鏡的中間部分為由梯度折射率介質(zhì)材料制成的圓柱體1,兩端分別為母線平行的柱面2和3。圖2b示出了這個(gè)單體光學(xué)透鏡沿中心軸方向、垂直于兩端柱面2和3母線方向的平面結(jié)構(gòu)圖,柱面2和3的曲率半徑分別為R1和R2,其大小相等,中間圓柱體長(zhǎng)為l,圓柱體的直徑為。該單體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器位于HG光束的輸入束腰面H1與LG光束輸出束腰面H2之間,如圖3所示,HG光束和LG光束的主軸方向分別為垂直方向x和水平方向y,轉(zhuǎn)換器與輸入束腰面H1之間的距離為d1,轉(zhuǎn)換器與輸出束腰面H2之間的距離為d2。實(shí)用中,將圖3所示的轉(zhuǎn)換器相對(duì)輸入光束的主軸作45°旋轉(zhuǎn)操作,得到圖4的工作狀態(tài)。此時(shí),模式轉(zhuǎn)換器的主軸x′方向和y′方向分別與HG光束主軸x方向和y方向有45°的夾角。
圖3所示的轉(zhuǎn)換器的參數(shù),按照實(shí)際工程要求給定的輸入束腰面H1上HG光束的瑞利長(zhǎng)度zR進(jìn)行確定。以下給出不同參數(shù)轉(zhuǎn)換器的實(shí)施例實(shí)施例1設(shè)輸入的HG光束為T(mén)EMm,n模式,取x方向階次m=5、y方向階次n=0,光束波長(zhǎng)λ取為0.8μm,光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的中心軸折射率取n0=1.63,輸入光腰面H1上HG光束瑞利長(zhǎng)度zR=1047μm,按如下方法確定光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)1.由公式(6)計(jì)算出輸入束腰面H1到模式轉(zhuǎn)換器之間的距離d1和轉(zhuǎn)換器后端面到輸出束腰面H2的距離d2分別為d1=d2=zR(2+1)=434μm]]>
2.由公式(7)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器兩端柱面的曲率半徑分別為|R1|=R2=2zR(n0-1)(2+1)386μm]]>3.由公式(8)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器的介質(zhì)梯度折射率分布常數(shù)為β=(1n0zR×11-(1-22+1)2)2=0.41mm-2;]]>4.由公式(9)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)度為l=arccos(1-22+1)β=1.78mm;]]>5.由公式(10)和公式(11)分別得到輸入束腰面H1上在垂直方向與水平方向的束腰半徑wx、wy分別為wx=2(2m+1)zRλπ=108μm]]>wy=2(2n+1)zRλπ=33μm]]>6.由wx,wy選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑。通常選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑大于輸入束腰面H1上的束腰直徑3倍以上為宜,因此取=6wm,wm為wx,wy中較大的一個(gè),即=6wx=648μm。
7.由公式w=2(m+n+1)zRλπ]]>得到輸出束腰面H2上的LG光束束腰半徑為w=80μm。
實(shí)施例2設(shè)輸入的HG光束為T(mén)EMm.n模式,取x方向階次m=5、y方向階次n=0,光束波長(zhǎng)λ取為0.8μm,光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的中心軸折射率取n0=1.63,輸入束腰面H1上HG光束的瑞利長(zhǎng)度zR=1636μm,按如下方法確定光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)1.由公式(6)計(jì)算出輸入束腰面H1到模式轉(zhuǎn)換器之間的距離d1和轉(zhuǎn)換器后端面到輸出束腰面H2的距離d2分別為d1=d2=zR(2+1)=678μm;]]>2.由公式(7)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器兩端柱面的曲率半徑分別為|R1|=R2=2zR(n0-1)(2+1)=604μm]]>3.由公式(8)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器的介質(zhì)梯度折射率分布常數(shù)為β=(1n0zR×11-(1-22+1)2)2=0.17mm-2;]]>4.由公式(9)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)度為l=arccos(1-22+1)β=2.78mm;]]>5.由公式(10)和公式(11)分別得到輸入束腰面H1上在垂直方向與水平方向的束腰半徑wx、wy分別為wx=2(2m+1)zRλπ=135μm,]]>wy=2(2n+1)zRλπ=41μm;]]>6.由wx,wy選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑。通常選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑大于輸入束腰面H1上束腰直徑3倍以上為宜,因此取=6wm,wm為wx,wy中較大的一個(gè),即=6wx=810μm;7.由公式w=2(m+n+1)zRλπ]]>得到輸出束腰面H2上的LG光束束腰半徑為w=100μm。
實(shí)施例3設(shè)輸入的HG光束為T(mén)EMm,n模式,取x方向階次m=5、y方向階次n=0,光束波長(zhǎng)λ取為0.8μm,光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的中心軸折射率取n0=1.63,輸入束腰面H1上HG光束的瑞利長(zhǎng)度zR=2356μm,按如下方法確定光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)1.由公式(6)計(jì)算出輸入束腰面H1到模式轉(zhuǎn)換器之間的距離d1和轉(zhuǎn)換器后端面到輸出束腰面H2的距離d2分別為d1=d2=zR(2+1)=976μm;]]>2.由公式(7)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器兩端柱面的曲率半徑分別為|R1|=R2=2zR(n0-1)(2+1)==371μm;]]>3.由公式(8)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器介質(zhì)的梯度折射率分布常數(shù)為β=(1n0zR×11-(1-22+1)2)2=0.08mm-2;]]>4.由公式(9)計(jì)算出模式轉(zhuǎn)換器的長(zhǎng)度為l=arccos(1-22+1)β=1.70mm;]]>5.由公式(10)和公式(11)分別得到輸入束腰面H1上在垂直方向與水平方向的束腰半徑wx、wy分別為wx=2(2m+1)zRλπ162μm,]]>wy=2(2n+1)zRλπ=49μm;]]>6.由wx,wy選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑。通常選取模式轉(zhuǎn)換器的圓柱體直徑大于輸入束腰面H1上束腰直徑3倍以上為宜,因此取=6wm,wm為wx,wy中較大的一個(gè),即=6wx=972μm;7.由公式w=2(m+n+1)zRλπ]]>得到輸出束腰面H2上的LG光束束腰半徑為w=120μm。
將本發(fā)明的單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的上述三種實(shí)施例與現(xiàn)有的三透鏡光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣進(jìn)行比較,分別得出如下相同矩陣結(jié)果實(shí)施例1比較,即當(dāng)zR=1047μm時(shí),現(xiàn)有的三透鏡光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M1=00zR00-100-1/zR000000-100104700-100-11047000000-1=00104700-100-0.00096000000-1]]>本發(fā)明單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M1′=1043400104340010000110000100001.6300-0.001601.630.401413.8000.400-0.0005900.400-0.0005900.4]]>×10000100000.6200-0.00100.621043400104340010000100104700-100-0.00096000000-1]]>比較結(jié)果為M1=M1'。
實(shí)施例2比較,即當(dāng)zR=1636μm時(shí),現(xiàn)有的三透鏡光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M2=00zR00-100-1/zR000000-1=00163600-100-11636000000-1=00163600-100-0.00061000000-1]]>本發(fā)明單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M2′=1067800106780010000110000100001.6300-0.00101.630.402209000.402209-0.0003800.400-0.0003800.4]]>
×10000100000.6200-0.000600.6210678001067800100001=00163600-100-0.00061000000-1]]>比較結(jié)果為M2=M2'。
實(shí)施例3比較,即當(dāng)zR=2356μm時(shí),現(xiàn)有的三透鏡光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M3=00zR00-100-1/zR000000-1=00235600-100-12356000000-100235600-100-0.00042000000-1]]>本發(fā)明單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的傳輸矩陣為M3′=1097600109760010000110000100001.6300-0.000701.630.403182000.403182-0.0002600.400-0.0002600.4]]>×10000100000.6200-0.000400.6210976001097600100001=00235600-100-0.00042000000-1]]>比較結(jié)果為M3=M3'。
以上傳輸矩陣的比較表明,本發(fā)明的單體光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)輸入HG光束束腰面H1到同階LG光束輸出束腰面H2的轉(zhuǎn)換,而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于調(diào)試、光能損耗少的優(yōu)點(diǎn),非常適于工程應(yīng)用。
對(duì)于本領(lǐng)域的專業(yè)人員來(lái)說(shuō),在了解了本發(fā)明內(nèi)容和原理后,能夠在不背離本發(fā)明的原理和范圍的情況下,根據(jù)本發(fā)明的方法進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種修正和改變,但是這些基于本發(fā)明的修正和改變?nèi)栽诒景l(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器,其特征在于由一個(gè)單體光學(xué)透鏡構(gòu)成,該光學(xué)透鏡是由梯度折射率介質(zhì)材料制成的中間部分為圓柱體(1),兩端為母線平行的柱面(2、3)的一體結(jié)構(gòu)。
2.一種光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器的參數(shù)確定方法,根據(jù)實(shí)際工程要求給定輸入束腰面H1上厄米-高斯光束HG的瑞利長(zhǎng)度zR,分別確定如下參數(shù)由瑞利長(zhǎng)度zR得到輸入束腰面H1到轉(zhuǎn)換器前端面的距離d1及轉(zhuǎn)換器后端面到輸出束腰面H2的距離d2,即d1=d2=zR(2+1);]]>由瑞利長(zhǎng)度zR得到轉(zhuǎn)換器兩端柱面(2、3)的曲率半徑R1與R2,即|R1|=R2=2zR(n0-1)(2+1),]]>式中n0為轉(zhuǎn)換器中心軸處的折射率;由瑞利長(zhǎng)度zR得到模式轉(zhuǎn)換器的介質(zhì)梯度折射率分布常數(shù)β,即β=(1n0zR×11-(1-22+1)2)2;]]>由模式轉(zhuǎn)換器的介質(zhì)梯度折射率分布常數(shù)β得到模式轉(zhuǎn)換器中間圓柱體的長(zhǎng)度l,即l=arccos(1-22+1)β;]]>由瑞利長(zhǎng)度zR分別得到輸入束腰面H1上HG光束在垂直方向x與水平方向y的束腰半徑wx、wy,即wx=2(2m+1)zRλπ,]]>wy=2(2n+1)zRλπ,]]>式中m、n分別為輸入束腰面H1上HG光束在x和y方向上模的階次,λ為光束波長(zhǎng);由輸入束腰面H1上HG光束的束腰半徑得到模式轉(zhuǎn)換器中間圓柱體(1)的直徑,即=6wm,wm為wx,wy中較大的一個(gè)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光學(xué)模式轉(zhuǎn)換器,主要解決現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器調(diào)整困難、光能損耗大的不足。根據(jù)同一傳輸矩陣可以表示不同光學(xué)元件系統(tǒng)的矩陣光學(xué)原理,設(shè)計(jì)了由一個(gè)光學(xué)透鏡構(gòu)成的單體模式轉(zhuǎn)換器,該透鏡是由梯度折射率介質(zhì)制成、中間為圓柱體(1)、兩端為母線平行的柱面(2、3)的一體結(jié)構(gòu)。將這種光學(xué)透鏡置于厄米-高斯光束HG的輸入束腰面與拉蓋爾-高斯光束LG的輸出束腰面之間,其光學(xué)系統(tǒng)傳輸矩陣為M′,當(dāng)該系統(tǒng)滿足一定的參數(shù)要求時(shí),傳輸矩陣M′與現(xiàn)有轉(zhuǎn)換器的光學(xué)系統(tǒng)傳輸矩陣M相等,即可實(shí)現(xiàn)從HG光束到同階LG光束的轉(zhuǎn)換。具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于調(diào)整、光能利用率高的優(yōu)點(diǎn),可用于激光光束的模式轉(zhuǎn)換、半導(dǎo)體激光器輸出、光纖耦合和材料加工等。
文檔編號(hào)G02B3/00GK1645185SQ20051004162
公開(kāi)日2005年7月27日 申請(qǐng)日期2005年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月13日
發(fā)明者石順祥, 董洪舟, 李家立, 梁華偉, 孫艷玲, 劉繼芳 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)