[发明专利]一种基于三角反射器的空间光调制器耦合装置

说明书

技术领域

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(Digital Micromirror Device,DMD)、变形镜(Deformable Mirror,DM)和液晶空间光调制器(Spatial Light Modulator,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。

发明内容

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°。