[发明专利]光束合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种将多束激光或普通光束合成一束的方法。

背景技术

高功率、高光束质量激光在军事、工业加工和科学前沿研究等方面具有重要的应用价值。一般来说，单台激光器随着输出功率的提高，其光束质量将非线性下降，因此采用将多束激光合成为一束，同时获得高功率、高光束质量激光是获得高功率高光束质量激光的重要方法。

目前，国际上提出了将多台激光进行功率合成的途径，如：直接合成技术，相干合成技术，波长束合成、偏振合成、脉冲时序机械合成技术等。这些传统的合成技术中，合成激光束质量都受到子激光光束质量的限制。同时，直接合成技术，N台合成，功率可以提高大约N倍，但光束质量直接恶化大约N倍以上；相干合成技术，要实现多束激光的相干合成输出高亮度激光，其多个激光束必须满足频率、相位、偏振一致，技术方案复杂，稳定性差；波长束合成需要采用不同波长的单台激光器，适用范围窄；偏振合成的子激光器数量有限；脉冲时序机械合成技术，因为机械装置的反射镜的抖动将直接导致激光光束飘移，从而使合成的激光光束质量变坏，因此要求机械稳定性极高，合束后抖动大。

总之，目前已有的激光合成技术具有合成光束质量受子激光束质量限制，结构复杂和稳定性差等缺点。

发明内容

因此，本发明的任务是提供一种合成光束质量不受待合成光束的质量限制、结构简单的光束合成方法。

本发明的光束合成方法，将多条入射光束耦合进入折射率等于零的材料中，并由所述折射率等于零的材料的平面型出射面出射。

上述方法中，所述折射率等于零的材料优选负折射率材料或光子晶体。

上述方法中，所述耦合方法为直接耦合、光纤耦合或采用光学元件耦合。

上述方法中，还可以将光源设置在所述折射率等于零的材料内部。

进一步地，所述光源优选激光二极管、发光二极管和发光二极管芯片。

本发明的光束合成方法，使用有效折射率等于零的低折射率材料将多路入射光在空间合成一束，具有如下优点：

1.合成光束的功率是多束入射光功率的和；

2.合成光束的发散角趋近于零，且光束质量不受入射光的限制，这将对光束合成技术的发展具有重要意义；

3.本发明的合成方法适用于连续、脉冲等各种运转方式的激光，也适用于LED光等普通光束，同时无需精密调节光路，且结构简单，使用的光学器件少，具有成本低廉、适用范围广、操作简便和稳定性高等优点。

附图说明

以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中：

图1是折射率等于零的材料的定向辐射机理图；

图2是采用负折射率材料，按照直接耦合方式的合成方法光路图；

图3是采用负折射率材料，按照埋入耦合式的合成方法光路图；

图4是采用光子晶体材料，按照光纤耦合式的合成方法光路图；

图5是采用负折射率材料，按照侧面耦合方式的合成方法光路图；

图6是采用负折射率材料，按照侧面耦合方式的合成方法光路图。

具体实施方式

本发明中光束合束所涉及的材料主要包括光子晶体和负折射率两种，其中，光子晶体也称光子带隙材料是一种折射率在空间周期性变化的介电结构，其变化周期和光的波长为同一个数量级。光子晶体最本质的特征在于光子晶体中介质折射率的周期性变化，并由此产生光子带系，光子晶体负折射是基于布拉格散射效应，有关光子晶体的可参看Dmitry N.等人的相关文章(Self-guiding in two-dimensional photonic crystals，19May 2003/Vol.11，No.10/OPTICS EXPRESS 1203)。

而负折射率材料是近些年发展起来的一种新材料，它是根据表面等离子体技术，利用规则的金属丝材料阵列设计制作而成的，这是一种电导率和磁导率都是负数或等于零的材料，且其折射率可以根据需要进行定制，有关这种低折射率材料的设计和制作可以参考Smith等人的发表的文章(Composite medium with simultaneously negative permeability andpermittivity，Phys.Rev.Lett.，2000，84(18)：4184-4187.)。

当然，负折射率材料可以仅有电导率或仅有磁导率等于零，同样可以实现折射率等于零，这对本领域技术人员都是熟知的。