一种用于消除激光相干性的光纤

摘要

本发明提供一种用于消除激光相干性的光纤，该光纤包括包层和纤芯，包层围绕在纤芯的外侧，纤芯内部分布有多个折射率不均匀的区域。根据本发明的光纤结构简单容易实现，并且采用静态调制方式，噪声小、寿命长。同时，普通的激光显示设备都需要均场装置，由于根据本发明的用于消除激光相干性的光纤能够实现匀场功能，所以可以省去匀场装置，故而结构更加紧凑。

说明书

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种消除激光相干性的光纤。

背景技术

通常，激光具有单色性和定向性。利用这种特性，激光被应用于各种领域，如光通信、精密仪器使用或显示等。其中，对于利用激光作为光源的显示系统和显示方法的研究尤其活跃。

但是，在利用激光作为光源进行图像显示时，由于激光较好的相干性导致激光散斑(也称为斑点噪声)的产生。激光散斑是在屏幕上随机产生局部亮度不均的现象，这种激光散斑会显著地降低图像显示质量，因此减少激光散斑是一项重要的任务。

现有技术中降低激光相干性进而减少激光散斑的一种办法是振动传输激光的介质，例如利用振动马达带动振动光纤束，在光纤束的出射端激光的相干性能够得到一定的降低，但是这样的装置结构复杂，部件多，维护不方便，且为动态装置运行起来噪声大。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供一种结构简单、静态调制的用于消除激光相干性的光纤。

本发明提供一种用于消除激光相干性的光纤，所述光纤包括包层和纤芯，所述包层围绕在所述纤芯的外侧，所述纤芯内部分布有多个折射率不均匀的区域。

如上所述的光纤，所述折射率不均匀的区域的尺寸为1-1000微米。

如上所述的光纤，所述纤芯的材料为石英。

如上所述的光纤，所述折射率不均匀的区域是熔融后凝固的石英。

如上所述的光纤，所述折射率不均匀区域的形状为圆形、椭圆形或方形。

如上所述的光纤，在所述包层外侧还包括保护层。

另一方面，本发明提供一种采用根据如上所述的光纤的三片式DMD激光投影仪。

又一方面，本发明提供一种采用根据如上所述的光纤的单片式DMD激光投影仪。

本发明的装置为光纤，其内层纤芯分布有折射率不均匀的区域，这些折射率不均匀的区域对入射其上的激光束产生散射作用并附加上随机相位，从而减弱激光的相干性。

附图说明

图1示例性的示出了根据本发明实施例的具有折射率不均匀区域的光纤101的结构及其制备原理；

图2A和图2B为激光束入射到折射率不均匀的区域时的光路变化示意图；

图3为根据本发明的用于消除激光相干性的光纤的工作原理示意图；

图4为采用根据本发明实施例1的用于消除激光相干性的光纤的三片式DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜装置)激光投影仪的工作原理示意图；

图5为采用根据本发明实施例1的用于消除激光相干性的光纤的单片式DMD激光投影仪的工作原理示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1示例性的示出了根据本发明实施例的具有折射率不均匀区域的光纤101的结构及其制备原理。如图1所示，光纤101由外层的包层(cladding)102和内层的纤芯(core)103组成，包层102包住纤芯103形成同心圆柱形状，纤芯103内部分布有多个折射率不均匀的区域105。光纤101为石英光纤，即光纤101的纤芯103由石英制成。在包层102的外面通常还有加强强度用的树脂保护层，图1中为了清晰示意，未画出树脂保护层。现有技术中普通光纤的纤芯折射率是均匀的，并且大于包层102的折射率，这样使得激光在纤芯103内直线传播并在纤芯103和包层102的界面反复发生全发射向前传播。与普通光纤的纤芯不同的是，根据本发明的光纤在纤芯103中所包含的若干折射率不均匀区域105，其可以由以会聚形式入射的外部激光104烧灼而成，外部激光104通常为大功率脉冲激光，例如脉冲CO2激光或脉冲紫外激光，将外部激光104的焦点定位在纤芯103某处，在焦点处由于能量密度足够大，在外部激光104的作用下，该处石英会受热熔融，而在包层部分，由于外部激光104的能量密度不够高，包层并不会熔融。纤芯103内熔融的石英凝固后，形成折射率与周围的纤芯的折射率有差别的折射率不均匀区域105。折射率不均匀区域105的尺寸约为1-1000微米，并且其内部折射率呈现无规分布，将外部激光104依照上述方法对纤芯103反复烧灼形成多个折射率不均匀的区域105。折射率不均匀区域105的形状不限于规则的圆形，可以是椭圆形、方形或其他任何不规则的形状。当然，应该理解，纤芯103中的折射率不均匀区域105也可以通过其它方式产生，或者在光纤制备时直接形成。

图2A和图2B为激光束入射到折射率不均匀的区域时的光路变化示意图。图2A中，当激光束201入射到折射率不均匀的区域203时，产生反射激光束202和折射激光束204，两激光束向不同的方向传播，其中折射激光束204经过区域203后，相对于入射光束被附加了一个随机相位。图2B中，激光束211入射到折射率分布不均匀的区域213上发生全反射，并产生方向与入射激光束211不同的反射激光束212。激光束在折射率不均匀区域的界面上要发生全反射，需要满足几个必要条件，一是折射率不均匀区域在激光入射界面处的折射率要小于周围均匀区域(环境介质，即光纤纤芯的材料石英)的折射率，二是激光束的入射角要大于临界角，事实上激光在纤芯里折射率不均匀区域的界面上发生全反射的比例是比较少的。所以，入射至折射率不均匀区域的激光束大部分发生折射从而附加上随机的相位。

图3为根据本发明的用于消除激光相干性的光纤工作原理示意图。光纤301按照图1中所示方式进行了处理，其纤芯内分布有多个折射率不均匀的区域。入射激光束302以会聚形式从光纤301的一个端面进入纤芯，激光在光纤301的纤芯内遇到折射率不均匀的区域时发生散射，传播方向发生改变并且可能被附加上随机的相位，当纤芯内折射率不均匀的区域的密度控制得比较合适的时候，大部分激光束的传播方向向前，并在光纤纤芯和包层的界面发生全反射向前传播，很少一部分激光束向后传播或者穿透纤芯和包层的界面逃逸出光纤。因此，经过折射率不均匀区域的作用后，从光纤301的出射端面出射的激光束303的相干性相较于入射激光束301已经被大为减弱。

本发明装置不仅可以消相干，同时也起到了匀场的作用，由于光纤301中不均匀折射率区域的散射作用，使得出射激光束303的光照度非常均匀。因此，在激光显示系统中使用本发明装置，可以省去匀场装置，简化了结构，并且，本发明装置为静态调制，无噪音，不耗电，是一种环保的消相干解决方案。

应用实例1：

图4为采用根据本发明实施例1的用于消除激光相干性的光纤的三片式DMD(Digital Micromirror Device，数字微镜装置)激光投影仪的工作原理示意图。如图所示，本实施例中的激光投影仪包括红光激光光源401、绿光激光光源402、蓝光激光光源403、红光用全内反棱镜404、绿光用全内反棱镜405、蓝光用全内反棱镜406、红光用DMD 407、绿光用DMD408、蓝光用DMD 409、投影透镜413、X-cube合色棱镜414、红光整形耦合装置415、绿光整形耦合装置416、蓝光整形耦合装置417、屏幕418、红光光纤419、绿光光纤420和蓝光光纤421。其中，红光光纤419、绿光光纤420和蓝光光纤421均采用本发明的实施例一中所述的用于消除激光相干性的光纤。红、绿、蓝光激光光源401、402、403发出的红、绿、蓝光分别被红光整形耦合装置415、绿光整形耦合装置416、蓝光整形耦合装置417整形，将红光耦合到红光光纤419内、绿光耦合到绿光光纤420内、蓝光耦合到蓝光光纤421内，红、绿、蓝激光经过各自的光纤后又分别经全内反棱镜404、405、406(全内反棱镜404、405、406分别设置为能够全反射来自各自对应的光纤的激光，而透射来自各自所对应的DMD的激光)反射到DMD407、DMD408和DMD409上，上述激光经过DMD407、DMD408和DMD409的处理形成数字图像再次被反射到全内反棱镜404、405、406上，并透射过全内反棱镜404、405、406后被聚焦透射到X-cube合色棱镜414上进行合色输出，然后投射到投影透镜413上，经投影透镜413的处理放大到屏幕418上。经过光纤419、420和421的处理，观众可以在屏幕上看到没有散斑的清晰的图像。

应用实例2：

图5为采用实施例1的用于消除激光相干性的光纤的单片式DMD激光投影仪的工作原理示意图，包括红光激光器501、绿光激光器502、蓝光激光器503、整形耦合装置504、光纤505、DMD507、全内反棱镜508、投影透镜509和屏幕506。其中光纤505采用实施例1所述的用于消除激光相干性的光纤。红、绿、蓝激光光源501、502、503发射的相应的红、绿、蓝激光经整形耦合装置504整形耦合到光纤505内，然后激光入射到全内反棱镜508(其设置为能够全反射来自光纤505的激光，而透射来自DMD507的激光)并被反射到DMD507，经过DMD507时分复用地调制的红、绿、蓝激光被投影透镜509投射到屏幕506上形成图像。

由于通常的激光投影仪均需要利用光纤来进行激光传导，并在后续中进行消相干匀场，而将根据本发明的光纤用于激光投影仪时，同时起到了光纤和消相干匀场装置的作用，结构大大简化。

根据本发明的用于消除激光相干性的光纤结构简单容易实现，并且采用静态调制方式，噪声小、寿命长。同时，普通的激光显示设备都需要均场装置，由于根据本发明的用于消除激光相干性的光纤能够实现匀场功能，所以可以省去匀场装置，故而结构更加紧凑。

最后所应说明的是，本文中所提到的消相干、消除激光相干性并非是指完全消除激光的相干性，而是使其相干性达到能够满足具体应用要求的程度。并且，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。