一种基于三角反射器的空间光调制器耦合装置的制作方法

本发明涉及空间光场调控领域，具体涉及一种利用三角反射器耦合输入和输出激光束的空间光调制器耦合装置。

背景技术：

1960年激光器的发明极大地促进了自然科学研究的发展，涌现了大量以激光为基础的科学研究，如激光生命科学、光信息处理、光学微纳加工等。但是，大多数激光器只能输出基模高斯光束，这种单一模式难以满足现代科学的研究和应用，因此需要对基模高斯光束的振幅、相位和偏振态进行调控。空间光场调控技术可以将基模高斯光束转换为任意新颖的空间结构光场，目前已被广泛应用于光信息存储、光学微纳加工、光通信、光学显微和光学微操纵等领域。

空间光场调控的核心器件是空间光调制器。通过计算机编程可以控制空间光调制器对入射光的振幅和相位进行调制，从而产生任意模式的光场输出，具有极高的灵活性。其工作原理是根据特定的物理效应(例如声光效应、磁光效应、电光效应等)，通过光学或电学寻址控制空间光调制器上每个调制单元的物理特性，使入射光场的相位和振幅经调制单元后发生改变，最终得到预期的光场分布。常见的空间光调制器主要有数字微镜器件(digitalmicromirrordevice,dmd)、变形镜(deformablemirror,dm)和液晶空间光调制器(spatiallightmodulator,slm)。dmd是强度型调制器件，具有刷新速度快、光能量利用率高和损伤阈值高的优点，但不能对入射光场的相位进行调制。dm是相位调制器件，但是其像元数目比较少(几十到几百个)，而且单个像元尺寸较大，空间分辨率比较低。液晶空间光调制器则采用lcos芯片来调制激光波前，可以进行相位和振幅的调制，此外液晶面板具有比dmd和dm更高的空间分辨率和更大的相位调制深度，是目前空间光场调控系统中使用最广泛的调制器，其中又以具有高光能利用率的反射型液晶空间光场调制最为常用。

液晶分子是一种单轴晶体，具有双折射特性。这种光学各向异性的特点使得液晶对光场的相位调制深度不仅与液晶分子的光轴取向相关，还与入射光的偏振态有关。因此，液晶空间光调制器是一种偏振选择器件，需要入射光是线偏振的平面波。反射式液晶空间光调制器在光学系统中的使用方式有正入射和小角度入射两种，分别如图1和图2所示。对于正入射方式，若使用偏振分光棱镜对入射光和出射光进行分离，则只能实现振幅调制而无法实现相位调制，所以在正入射方式中若要实现光场的相位调制，需要采用非偏振分光棱镜(如图1中的npbs)。然而，由于激光束两次经过非偏振分光棱镜，系统的光能量利用率要低于25％。在很多应用中，这样低的光能量利用率是研究人员所不希望的。因此，基于反射型液晶空间光调制器的空间光场调控系统通常采用小角度入射的方式，而且为了保证光场调控的准确度，入射光角度需要比较小。不同的商用空间光调制器要求不一样，例如德国holoeye公司要求是不大于6°，而日本hamamatsu公司要求是不大于10°。在这样小的一个角度内要使得入射光和出射光完全分开，同时考虑到用于准直和分离两束光束的光学元件的尺寸，激光束需要传播较长的一段距离，如图2中的dmin。这样就很容易导致系统光路松散、杂乱，从而导致整个系统的体积和重量大大增加。离散的光路系统一方面不利于系统的仪器化，另一方面，由于物体的共振频率与其质量负相关，质量越大共振频率越低，而一般的商用光学隔振平台只能抑制几十赫兹以上的共振频率。空间光场调控系统是非常精密的光学系统，过大的质量会使得整个系统的共振频率只有几赫兹，从而难以被光学隔振平台抑制，造成系统的不稳定。

技术实现要素：

为解决目前在反射式空间光场调控系统中普遍存在的元器件离散、系统不稳定的问题，本发明提出了一种基于三角反射器实现激光束小角度入射的空间光调制器耦合装置，实现了空间光场调控装置模块化和紧凑化，可使整个空间光场调控系统装置非常紧凑，而且易于与其它系统结合。

本发明的技术方案是：

一种基于三角反射器的空间光调制器耦合装置，包括密封盒、设置在密封盒内的等腰三角反射器和空间光调制器；密封盒两侧设置有入射光和出射光通过的通光孔，所述通光孔同心设置；等腰三角反射器的两腰面设置在空间光调制器的入射光路和出射光路上，用于耦合入射光和出射光，所述等腰三角反射器的两个等腰面表面镀有高反射膜；等腰三角反射器与空间光调制器的位置关系满足：d2≥d1，

其中：d1是入射光和出射光的交汇点到空间光调制器的垂直距离；

d2是等腰三角反射器的顶点到空间光调制器的垂直距离；

激光束入射到空间光调制器上的角度β与等腰三角反射器的顶角α满足关系式β＝α-90°。

进一步地，等腰三角反射器放置于入射光和出射光的交汇点，即d2＝d1。将等腰三角反射器放置于入射光和出射光刚好分开的地方，极大限度地减小激光束的传播距离，压缩装置所占的空间。

进一步地，等腰三角反射器的两个等腰面为镀银反射面。

进一步地，密封盒上还设置有螺纹孔，所述螺纹孔以通光孔的光轴为中心沿圆周方向均布，螺纹孔的设置可以方便地与其他光学元器件对接。

进一步地，等腰三角反射器的顶角α为96°～100°。

本发明的优点为：

1.本发明利用等腰三角反射器可以引导并在最小的距离内分离入射光和出射光，在高效率耦合输入和输出激光束的前提下，大大压缩了空间光场调控光路的占用空间，使得整个空间光场调控装置小型化和紧凑化，大大降低整机的体积重量，非常有利于系统的模块化和仪器化。

2.基于等腰三角反射器耦合光束的反射式空间光场调控模块具有高光能利用率和宽波段适用性，适用对于可见光波段到中红外波长范围内的光源，极大地扩展了空间光场调控模块的适用范围。

3.本发明入射光和出射光平行，非常有利于系统光路的调节和继续拓展功能。

4.本发明可以广泛应用于所有使用反射式空间光调制器的空间光场调控系统中，例如光镊系统、结构照明显微系统、光信息处理与存储系统等。

5.本发明中密封盒可以遮挡激光束被slm调制后产生的各个级次的衍射光。另外，密封的密封盒有助于隔绝灰尘，避免slm因吸附过多的灰尘而导致损伤阈值的降低，从而有效地保护slm。

6.本发明可以设置不同的等腰三角反射器的顶角α，满足了激光束小角度入射要求，保证了光场调控的准确度。

附图说明

图1为空间光调制器slm在光学系统中正入射方式的示意图；

图2为空间光调制器slm在光学系统中小角度入射方式的示意图；

图3为本发明原理示意图：

图4是将多个空间光调制器串联使用的结构示意图；

图5是本发明具体实施例的结构示意图。

附图标记：1-空间光调制器，2-等腰三角反射器，3-密封盒，21-镀银反射面，22-镀银反射面，31-入光孔，32-出光孔。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

如图3所示，基于三角反射器的空间光调制器耦合装置包括密封盒3、设置在密封盒3内的等腰三角反射器2和空间光调制器1；等腰三角反射器2的两个等腰面表面镀有高反射膜，密封盒3靠近等腰三角反射器2等腰面的两侧分别设置有通光孔作为整个空间光场的输入端和输出端，即密封盒3的入光孔31和出光孔32，入光孔31和出光孔32同心设置；等腰三角反射器2和空间光调制器1调整好位置和距离固定在密封盒3内，具体的位置设置为等腰三角反射器2的两腰面设置在空间光调制器1的入射光路和出射光路上，用于耦合入射光和出射光；等腰三角反射器2与空间光调制器1的位置关系满足：d2≥d1，

其中：d1是入射光和出射光的交汇点到空间光调制器1的垂直距离(即d1是入射光和出射光刚好分开时两光束分离点到slm的垂直距离)，

d2是等腰三角反射器2的顶点到空间光调制器1的垂直距离；

激光束入射到空间光调制器1上的角度β与等腰三角反射器2的顶角α满足关系式β＝α-90°。密封盒3上设置有螺纹孔，螺纹孔以通光孔的光轴为中心沿圆周方向均布，螺纹孔的设置可以方便地与其他光学元器件对接。

等腰三角反射器2的两个等腰面均为镀银反射面，入射光经镀银反射面21反射后照射到空间光调制器1(slm)上被调制，然后照射到镀银反射面22并被反射出来，由几何关系知，如果入射光垂直于等腰三角反射器2和空间光调制器1的中心线nn’入射，经镀银反射面22反射后激光束会以一定的小角度入射到空间光调制器1的液晶面板上，被调制后的激光束以同样的小角度出射，最终被镀银反射面22反射出来，最终得到的出射光与入射光平行。激光束入射到空间光调制器1上的角度β取决于等腰三角反射器2的顶角α，两者满足关系式β＝α-90°。要满足激光束6°～10°的小角度入射，α的取值范围为96°～100°。将等腰三角反射器2的顶点尽量放置于入射光和出射光刚好分开的地方(如图3中的o点，即d2＝d1)，可以极大限度地减小激光束的传播距离，压缩系统所占空间。

可以将等腰三角反射器2的顶角设计为α＝96°，那么入射光照射到空间光调制器slm的入射角是6°。如果入射光光斑直径d为18mm，那么入射光和出射光完全分离的最小距离是d1＝d/sin(2β)·cos(β)＝18/sin(12°)·cos(6°)≈86.1mm。考虑到等腰三角反射器2顶角的加工精度问题，可将等腰三角反射器2到slm液晶面板的实际距离d2定为96mm。入射光和出射光平行，非常有利于系统光路的调节和继续拓展功能。

本发明将等腰三角反射器2和空间光调制器slm安装在密封盒3里，可以组成一个模块化的空间光场调控紧凑装置，有效减小空间光场调控装置的质量，系统质量的减小有助于消除或者抑制系统的共振频率，而模块化装置则有利于系统的仪器化和商品化，通过这样的设计可以使得整个空间光场调控模块具有非常好的兼容性和扩展性，可以轻易地与其他光学系统结合，减小空间光场调控系统质量将有助于将其共振频率控制在光学平台的隔振频率内；紧凑化的设计也利于空间光场调控技术在特殊领域的发展，例如对系统质量和稳定性都有极高要求的太空实验等。

如图4所示，当光场的振幅、相位和偏振态同时调制需要串联多个空间光调制器1时，利用本发明可以简单快速地将多个空间光调制器1串联在一个光学系统内，避免了多个空间光调制器1串联所导致的系统冗余与散乱。

如图5所示，将德国holoeye公司的pluto系列的空间光调制器1和96°等腰三角反射器2(底面：55.5mm×25mm，高：25mm)安装在一个很小的密封盒3内(143mm×76mm×48mm)，两个通光孔规格为1.035英寸-40的sm1螺纹，以通光孔为中心设置有四个8×4-40unc螺纹孔，螺纹孔可以方便地与其他光学元器件对接，如与30mm笼式系统配合使用。密封盒3可以将整个装置密封起来以隔绝灰尘和衍射光斑等。