[发明专利]导波到自由空间成像的阵列波导透镜和阵列波导光谱仪有效

专利信息
申请号: 202110783914.X 申请日: 2021-07-12
公开(公告)号: CN113568096B 公开(公告)日: 2023-06-02
发明(设计)人: 姜新红;杨志方;张紫阳 申请(专利权)人: 西湖大学
主分类号: G02B6/122 分类号: G02B6/122;G02B6/124;G02B6/125;G01J3/02;G01J3/12
代理公司: 杭州求是专利事务所有限公司 33200 代理人: 贾玉霞
地址: 310024 浙江省*** 国省代码: 浙江;33
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摘要:
搜索关键词: 导波 自由空间 成像 阵列 波导 透镜 光谱仪
【说明书】:

发明公开一种阵列波导透镜和阵列波导光谱仪,均包括输入波导、光束扩散区和输出阵列波导;通过控制输出阵列波导的长度差可实现导波到自由空间的扩束、聚焦、发散,以及波长分离的功能。扩束、聚焦和发散功能是通过特定透镜公式设计阵列波导长度,调节相位,使得出射光束在自由空间满足相应功能;阵列波导光谱仪是通过特定透镜聚焦公式以及光栅衍射相位差设计阵列波导长度,使得出射光束在特定自由空间传输距离处同时实现聚焦和波长分离的功能。该阵列波导透镜灵活实现导波到自由空间光束的变换;阵列波导光谱仪的输出光直接用摄像头接收,不需要体积较大的自由空间透镜,不需要波导与透镜的对准。

技术领域

本发明涉及光谱分析领域,具体涉及一种导波到自由空间成像的阵列波导透镜和阵列波导光谱仪。

背景技术

传统的光谱分析系统通常用自由空间光学元件,如衍射光栅或棱镜实现波长分离,该系统器件体积大,成本高,对准组装难度大。为了减小器件尺寸,可以采用片上集成的方法,如阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating, AWG)。AWG主要用于光通信中,输入输出均为导波,输出光路具有固定的波长间隔,难以实现连续的光谱分析。在天文光学应用中,为了实现自由空间的光谱分析,通常将AWG第二个光束扩散区(beam broadening area,BBA)的输出波导切除,再用额外的自由空间光学透镜将波长分离的光聚焦到摄像头上,如图1所示,系统体积较大,且需要波导与透镜的精密对准。

发明内容

针对现有技术的不足,本发明提出一种导波到自由空间成像的的阵列波导透镜和阵列波导光谱仪。本发明提出的阵列波导透镜通过用阵列波导长度差产生透镜相位分布,实现导波到自由空间的扩束、聚焦和发散功能。与传统AWG不同的是,本发明提出的阵列波导光谱仪不需要第二个光束扩散区将光聚焦到芯片输出端的不同位置。其阵列波导长度设计同时满足波长分离和聚焦到自由空间摄像头的要求,不需要自由空间透镜用于成像,简化了系统结构与集成复杂度。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现:

一种导波到自由空间成像的阵列波导透镜,该阵列波导透镜能够实现扩束功能,其包括输入波导、光束扩散区和输出阵列波导;输入波导的光经过光束扩散区后,进入输出阵列波导,输出阵列波导的起点等间隔地排列在光束扩散区的圆周上,经过输出阵列波导后,等间隔地排列在输出端面上;

定义所述输出阵列波导的波导数为N,第i个阵列波导长度li满足如下条件:

li-l1=0

其中,i=1,...,N,从而实现扩束功能。

进一步地,所述输出阵列波导为三圆弧结构,定义光束扩散区的圆心为原点,以输入波导的光入射到光束扩散区的方向为y轴正方向,以y轴正方向顺时针旋转90度的方向为x轴正方向,则第i个阵列波导由以下部分依次连接而成:

(1)经过光束扩散区圆心、与y轴夹角为ai的直线上与圆心距离为Ro和Ro+Lo的两点之间的直波导;

(2)圆心角为ai、半径为R的第一圆弧;

(3)长度为Li的第一竖直直波导;

(4)长度为Hi1的第二竖直直波导;

(5)圆心角为π/2,半径为Ri的第二圆弧;

(6)长度为Ki的水平直波导;

(7)圆心角为π/2,半径为Ri的第三圆弧;

(8)长度为Hi2的第三竖直直波导;

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