【请勿转版】解决一些KC们合并激光的问题【辛苦原创经典问题】
agckl14567892012/08/16极客DIY IP:河北
很多人曾经梦想获得一束强激光。有人想用镜子,有人想用直角棱镜,高科技的,有人想用半反射镜。那么这些构想成立吗?
-------------------------------------------------------------鉴于本问题是一个严重的公共性问题,在别的板块不能够引起重视,请斑竹就留在本版,再次感谢------------------------------------
分析这个问题,我们来分成两种情况,第一种就是同种颜色的激光,第二种就是不同颜色的激光
1,相同颜色的激光
对于这个问题我们又要分成两种情况。一些同学应该知道激光是有偏振态的,即横纵两种。(普及:因为我们知道光波是横波,是由于半导体内原子振动产生,那么振动对于一个平行半导体来说,就两种,一种平行于半导体板,另一种垂直,所以光波也就拥有了两种偏振态,激光器一出厂,偏振态就固定了)

①同种波长不同偏振态

对于这种光,我要介绍一种神奇的元件:PBS(偏振分光棱镜)
1.jpg
这种棱镜仔细观察,中间有一个隔层,这个膜至关重要,他可以让一种偏振态的光通过,而另一种偏振态的反射,很可惜的是,偏振态只有两种,所以这种元件只能合并两束激光
未命名.jpg
所以很可惜,图片上这种想法失败了

②同种波长同种偏振态

对于这种光,我要先阐明一个很简答的观点吗,初中都学过------------光路是可逆的
为什么要说这个呢?我们先来看一些人想用镜子合并的想法------------想用调整镜子角度来使多个激光重合。为什么不行?看图嬀愀琀琀愀挀栀洀攀渀琀=147681]
第二种想法就是用棱镜,有人认为直角棱镜可以全反射,我们来看看错在哪里
3.jpg

第三种想法,不多解释,看图
捕获.jpg
注意,这里分析的是半导体激光器,对于气体激光器,由于其本身就有反射/半反射镜,分析较为困难,也无可靠文献参考

综上所述,三种想法都不能完成,其实细细追究原因,根本就是因为光路是可逆的,你想让激光合并,那就得让他一开始就同轴,但是你用的是多个激光器,所以一般的办法都无法做到,物理原理永远不能通过器材来改变
----------那么怎样才能近似的合并呢?我经过反复努力,找到了一种knife edge构架,这种构架能让多束激光尽可能的靠近
KD.jpg

这是国外DIYer们用KE构架制作的大功率激光
KK.jpg
KM.jpg

细看图后各位可以发现3条额外的信息
1、图中透镜组是一个缩束镜,相当于扩束镜倒过来用,输出端的凸透镜焦距越大,就能越靠近焦点而使光线更细,这几乎就做到了合并光束,可是各位应该知道,光腰越细,其发散角就越大,所以缩束后的光线虽然能将能量集中起来,但是发散会很厉害
2、图中的超级RGB激光说明knife edge可用于不同波长的合并
3、红色光合并的那张图中,靠近右下角部分有一枚PBS,这枚PBS的作用也比较大,因为我们之前说过,PBS可用于两束偏振光合并,虽然是两束,但是对于knife edge来说,一束集合后的激光就很厉害了,再合并另一个偏振态的集合后的激光何乐而不为呢?
-----------------------------------------------------------

其实还有一种比较成熟的办法,就是光纤合并,由于缺乏资料原理,不敢贸然解



说,有兴趣的可以自己查找

-------------------------------------------------------------------------------
下面来说简单的一种情况
不同波长的激光如何合并
这个应该很多人就知道了,我们现在已经有非常成熟的技术可以让不同波长的激光进行合并,市售RGB激光就是这个合光片的杰作,看一下合光片
合光片.jpg
这种元件不论偏振态,只看激光波长,它可以合并不同波长的激光,因为他可以让一种波长通过,另一种波长反射,在某些角度上来看确实违反了光路可逆原理

,但是实际上是没有的,因为不同的波长有不同的表现。
这是RGB激光的成品
pp.jpg

--------------------------------------完,希望大家有所收获--------------------------
我还要再说一下, 有的朋友想到了冰洲石的双折射,其实那也是不行的,因为一束激光进入,被双折射成两束,当你沿着两束光线反着射入两束激光,你会发现,激光变成了4束,所以双折射也不能用于合光。 2.jpg
+200  科创币    天易    2012/08/16 不错,普及得好。
+50  科创币    zhaokenb    2012/08/16 高质量发帖
+15  科创币    最高主机泡泡    2012/08/16 好贴要顶
+20  科创币    mobius    2012/08/16 原来大功率的激光器是用朵束激光束合并而成的啊!长见识了!
+20  科创币    科学人    2012/08/16
+25  科创币    cqb98    2012/08/16 高质量发帖
+25  科创币    BA7MEL    2012/08/16 高质量发帖-长见识了。
+18  科创币    delete    2012/08/16
+1  科创币    隐犬    2012/08/17 高质量发帖,图文并茂!
+25  科创币    孤独的酒精灯    2012/08/29
+1  学术分    ehco    2012/08/16 图文并茂,深入浅出
来自:综合交流区 / 极客DIY
31
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~~空空如也
天易
11年9个月前 IP:未同步
439652
好几年以前,折腾过直角棱镜,方式类似主贴所叙,终失败。
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
439653
回 1楼(天易) 的帖子
谢谢斑竹,我也YY过很久,最终都是不可行的
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最高主机泡泡
11年9个月前 IP:未同步
439672
好贴要顶。。
话说这种结构效率不会太高吧,每反射一次就会损失一部分能量,那个合光片效率会更低吧。
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badboy-fly
11年9个月前 IP:未同步
439685
好贴该顶[s:271][s:271]
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mobius
11年9个月前 IP:未同步
439702
我一直都不知道……
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
439719
回 5楼(摩比) 的帖子
不要这么理解啊亲,我只是说合并是由一种方式的,现在很多大激光器是用光光纤合并
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cqb98
11年9个月前 IP:未同步
439729
以前经常YY,今天长见识了
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laji3865689
11年9个月前 IP:未同步
439781
如果用N个直角棱镜绕成一圈呢?把这个圈缩小,这就成了一个多面环形山了。围绕环形山放置一整圈的激光头,和刀锋激光的原理类似。
如果上面的N变为无限大,多面环形山就成了圆锥面(不是圆锥)。当光斑足够小,是否也可以起到上面多面环形山的作用?
+1
科创币
agckl1456789
2012-08-16
是,这个早就有人提过,,但是效果不好是一个大圆锥反射体,一圈激光绕着他,对着顶点照射
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vocal@ルカ
11年9个月前 IP:未同步
439784
搞过黄色合光
https://www.kechuang.org/t/33999
54_12774_9aaea770b5a94db.jpg
貌似这个应该放在电武器板吧~~~
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
439795
回 9楼(霹雳游侠) 的帖子
其实我找不到合适的板块,茶话?这个不一定是电武吧,很多方面也有应用啊
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
439799
回 8楼(laji3865689) 的帖子
还有就是,对于光束而言你可以通过各种手段获得彼此靠近的光线,但绝不可能获得同轴光线,对于您这个想法,您还可以想出更多更多的模型,像您说的有N种,但是最终做到的就是让光线彼此靠近,但是光线会很粗,你用缩束镜缩束,发散角又会变大,所以目前最好的就是光纤合束了,这十分复杂,我也不好解释


本人愚昧,不知所言,但还恭请各位看懂本段话。在自然界中分析任何一个物体,其运动机理永远只有一个标准,你可以通过改变外物来使它表现形式不同,但是结果是不会变化的。就像杠杆不可能省功,永动机不存在,各种公式可以互相推导一样,这是哲学的基本理念
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BA7MEL
11年9个月前 IP:未同步
439806
高质量发帖-长见识了。
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rygal
11年9个月前 IP:未同步
439824
以前很憧憬光学,苦于无资金无材料,今天看到算是长见识了
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eifheowvd
11年9个月前 IP:未同步
439833
好贴,果断收藏,最后一张图真的很像一个叫做“智慧激光”的游戏
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daoxxx
11年9个月前 IP:未同步
439861
用棱镜可以把白光分解为各色光,能否利用这个原理实现合并不同波长的激光?
+1
科创币
agckl1456789
2012-08-17
可以,但是有合光片您还这样弄这不是费劲吗
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daoxxx
11年9个月前 IP:未同步
439865
刚才查了一下,确实有利用色散原理合束的,棱镜或者光栅色散合束
还有不知道什么原理的离轴全息衍射合束
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laji3865689
11年9个月前 IP:未同步
439889
Re:回 8楼(laji3865689) 的帖子
引用第11楼agckl1456789于2012-08-16 19:54发表的 回 8楼(laji3865689) 的帖子 :
还有就是,对于光束而言你可以通过各种手段获得彼此靠近的光线,但绝不可能获得同轴光线,对于您这个想法,您还可以想出更多更多的模型,像您说的有N种,但是最终做到的就是让光线彼此靠近,但是光线会很粗,你用缩束镜缩束,发散角又会变大,所以目前最好的就是光纤合束了,这十分复杂,我也不好解释


本人愚昧,不知所言,但还恭请各位看懂本段话。在自然界中分析任何一个物体,其运动机理永远只有一个标准,你可以通过改变外物来使它表现形式不同,但是结果是不会变化的。就像杠杆不可能省功,永动机不存在,各种公式可以互相推导一样,这是哲学的基本理念


缩束后不能在焦点用凸透镜转为平行光吗?纯猜测,因为低能的普通光可以这样做,激光可能不行吧。

对于第二点,我有异议,请先抛开激光的问题再考虑下面一段话:
    经典物理学认为,当所有因素都确定了,结果也是确定的,因为基本规律是唯一的。但现在越来越多的实验表明,秩序只是混乱的一个偶然,我活着是偶然,他死了是偶然,人类社会能发展信息时代而非在石器时代就终结更是无数偶然的叠加。想象一下,大爆炸就是上帝掷了一次无限面的骰子,每一个偶然都产生了一个平行宇宙,这些宇宙里面有N个与我们这个相似,但没有一个与我们完全相同。为什么会这么“巧”,我们正处于这个至少能发展到信息时代的宇宙之中?其实在这无数个宇宙中,其中相当一部分生命的智慧水平都能发展到“能够提出这个问题”的水平,这不是巧,而是理所当然。
    举个不知道哪里看回来的例子:
    3维空间的一种智慧生命,在一张白纸上画了很多同心圆,每个圆的间隔是10mm。这张白纸上还存在着一种只了解2维的生命,有一天这种2维生命中出现了一位智者,智者观察了大量的实验并进行分析,得出一个很重要的定律:扭曲的空间呈同心环形分布,10mm(也许是别的单位)就是环形的间距!
    我认为现代科学最终会崩溃,当然这个黄昏可能很漫长。倒不是人们不够努力,只是当我们越是往物质的基本结构里钻,就越发现世界无序的本质。物理学不再是分析自然掌握规律的工具,而直接成为我们所面对的自然的一部分。一旦科学失去核心价值,学徒式的技术教育就能代替科学思维训练,擅长一门操作技能的普通人将会比理论物理学家更能为社会所接受。总有一天,高速列车的关键部件没有一家工厂能够提供,核电站的燃料无处可买,各种制造业由于不良品频频出现且无人能解而相继破产,不再有自来水和市电,不再有现代医疗,最后连先于科技诞生的艺术也只能成为人类的墓志铭。


    嗯,估计要转版了。。。楼主我对不住您[s:226]
+1
科创币
agckl1456789
2012-08-17
放心吧亲,不会转版的。光学系统是分为成像系统和非成像系统,非成像系统是理想情况,永远得不到高斯光束!
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自由的野牛
11年9个月前 IP:未同步
439928
美国的激光反导用的是哪种原理呢?气体激光器?  工业用的数控激光切割机就是二氧化碳激光器吧?
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冰红茶1
11年9个月前 IP:未同步
439930
候赛类!楼主真让我汗颜
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wall哥
11年9个月前 IP:未同步
439983
LZ说到光路是可逆的。
白光是会色散的,因为不同波长的光折射率不同,那么反其道行之是否可行?也就是精确定位不同波长的光射出方向,在其射出方向用同波长的激光器射入实现合光。
+1
科创币
agckl1456789
2012-08-17
可以,我强调我们有成熟的技术用合光片,您没有必要用三棱镜,除非您愿意实验
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布布卡
11年9个月前 IP:未同步
439992
单色光合成的确麻烦。。最后也是挤在一起 [s:275]
+1
科创币
agckl1456789
2012-08-17
用合光片完全可以做到同轴,因为透射点反射点重合
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
440121
回 17楼(laji3865689) 的帖子
焦点只能通过平行光来获得,那么任何光束都不可能是平行光,要记住,有knife edge合成的光束是一条光束的两倍粗,那么您进行缩束,每个光线的发散角变为原来的两倍

通常我们以光束的发散参数作为完美的高斯激光束的特征。发散是指光波在其空间传播过程中以一定角度展开。甚至完美的没有任何异常的光线也会由于衍射效应经历某些光束的发散。衍射是指光线在被不透明的物体,比如刀锋切断的时候产生的弯曲效应。展开(spreading)产生于在切断的边缘发出的次级波面阵。这些次级波和主波会发生干涉,同时相互也会产生干涉,在某些时候就会形成复杂的衍射图案。
衍射使得完美的校准光束成为可能,或者能够将光束聚焦到无限小的点。幸运的是衍射的效果是能够被计算的。因此存在着可以预知对于任何衍射极限的透镜光束被准直的程度和光斑大小的理论。
我们现在考虑一束这样由低功率TEM00气体激光器产生的光束,光腰为S0。这样我们就能够假定它能够达到衍射极限同时能够不用考虑任何热透镜效应。它将会显现出由于衍射引起的光腰的弯曲,或者说展开效应:
S(x)=S0[1+(λx/πS02)2]½
在这里x是指离开光源的距离,λ是指激光波长,如果λx/πS02»1,那么:
S(x)≈λx/πS02
利用这个近似值,我们可以写出光束由于衍射发散的角度:
θ= S(x)/x=λ/πS0
θ我们都知道指的是远场发散角。
改善发散角
光束的远场发散定义了一个给定光束直径最好的准直效果。它也说明了光束的零发散角或者说最好的准直是不可能达到的,因为要做到这些需要有无穷大的光束直径。但是这个等式也表明了改善发散的可能性。
考虑一个已经准直的光束,发散角为θ光腰为S0,我们可以看到如果光束直径能够增大,远场发散角将会减小。这就是扩大光束的优点所在。另外,小的发散能够使高斯光束聚焦得更好。为了实现这些改善,在这里我们将描述几种对准直光束扩束的方法。
伽利略扩束镜
最通用的扩束镜类型起源于伽利略望远镜,通常包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜。输入镜将一个虚焦距光束传送给输出镜。一般的低倍数的扩束镜都用该原理制造,因为它简单、体积小、价格也低。一般的尽可能的被设计为小的球面相差,低的波前变形和消色差。它的局限性在于不能容纳空间滤波或者进行大倍率的扩束。
开普勒扩束镜
事实上在需要空间滤波或者进行大倍率的扩束的时候,人们一般使用开普勒设计的望远镜。开普勒望远镜一般有一个凸透镜作为输入镜片,把实焦距聚焦的光束发送到输出元件上。另外,可以通过在第一个透镜的焦点上放置小孔来实现空间滤波。
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冰红茶1
11年9个月前 IP:未同步
440196
+5
科创币
agckl1456789
2012-08-17
帖子中说了光纤耦合也是成熟技术,本人才疏学浅,不懂高科技,如果您懂,请您多多指教,发帖普及
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冰红茶1
11年9个月前 IP:未同步
440249
回 22楼(agckl1456789) 的帖子
楼主 指教绝对不敢当,也不敢误人子弟。
建议你请教无机酸,人家比我专业多得多[s:274]
另外 你有考虑过你做的这玩意它的应用方面呢?
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
440257
回 24楼(冰红茶1) 的帖子
很多方面,比如远距离激光测距,CO2发散大,接近大气窗口,氩激光又成本高效率低,这种合光最经济环保
还有激光表演,等等
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冰红茶1
11年9个月前 IP:未同步
440442
回 25楼(agckl1456789) 的帖子
这么说吧,国内一些涉及到激光DIY的论坛一般也就是亮一下。
但是你所说的都是系统化的领域,对发光器的效率,稳定性大小都一定的要求,
同时在雪崩管接收到信号后还需要数据处理模块进行数据处理,所以这不是说搞定了发光器就万事大吉了。
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agckl1456789作者
11年9个月前 IP:未同步
440533
回 26楼(冰红茶1) 的帖子
那就等着您着手制作大功率晶体吧,反正激光表演,激光信标,激光地标是不至于使用超精密超稳定超高效率超低能耗超小温漂的激光器吧
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冰红茶1
11年9个月前 IP:未同步
440667
回 27楼(agckl1456789) 的帖子
得 说句实话就被人不耻,那您慢慢玩吧[s:274]
+10
科创币
agckl1456789
2012-08-18
表生气嘛
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思想
11年9个月前 IP:未同步
442264
为什么不用凹透镜
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月夜情深
11年8个月前 IP:未同步
446218
这有什么用?能不能回答我?谢谢
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