CN101256286A - 线性光束的全反射法整形器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线性光束的全反射法整形器，属于二极管激光器的光束整形技术。该发明由在线性光束传播方向上依次设置的三个透明介质和整形后的光束组成。其特征是三个介质的折射率相同。每二个介质之间相互无缝隙拼接，介质29与介质30的平行面具有一定倾角，介质30的平行面与Z轴成夹角，介质29与介质31的平行面相互垂直，介质29的通光入射面和介质31的出射面相互平行，且线性光束的传播方向与该两通光面垂直。经整形的光束变成设定形状的光束。该发明具有构思新颖、设计合理、工艺规范、无污染、易于工业化大生产；具有结构紧凑、模块化、小型化、制造方便、价格适宜等特点；使用本发明可以大大减少光能损失，整形效率高，进一步改善二极管激光器的聚焦性能等优点。本发明可广泛地用于军事、科研、院校及工矿企业等领域。

Description

线性光束的全反射法整形器

技术领域

本发明涉及二极管激光器等线状发光器的光束整形装置，特别是涉及一种线性光束的全反射法整形器。

背景技术

二极管激光器的应用，目前主要有两大用途：其一，直接用作激光源，如在光纤通讯、照明和材料加工等领域；其二，用作固体激光器的泵浦源。二极管激光器的光束质量很差，其在两个方向上的发散性差异很大，很难用普通的光学系统得到高亮度激光，因此，无论何种应用，光束都必须经过准直、整形、聚焦等手段的处理。

图1所示为一般的准直后的激光二极管的输出光束形状，1为线阵二极管激光器，2为准直模块，3为准直后的光束。可见，准直后的光束形状一般是线形。为了改善聚焦性能，往往把线形光束截成多节，重新排列成一定的形状如矩形、方形、圆形、椭圆形等，叫做光束的整形。如图2所示，4为线形光束，5为整形模块，6为整形后的光束分布。

目前普遍采用的整形方案有两步重排法和一步重排法。

一、两步重排整形法

图3所示为两步重排整形法一般的技术路线，第一步，先把线形光束7截成相互有一定位移的多个节8，光束8的节数和位移根据具体需要设定，称为第一次重排；第二步，对光束8进行第二次重排，使光束8的各个节在另一个方向上产生不同的位移量，形成具有一定形状的矩形光束9。亦可形成圆形、椭圆形或其他预先设计的图形光束9。

典型的两步重排整形法是梯形镜法。如图4所示，线形光束10先由数个微小镜片11分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移；第二次重排的结果是在另一个方向上实现不同量的平移。最终得到如图4所示的整形后的输出图案12。JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜。

另外，属于两次重排整形法的还有棱镜组法，如图5所示，采用三块直角棱角镜叠加在一起组成的重排模块实现一个方向上的重排，两个这样的模块即可实现所需的光束整形。图中13表示整形之前的线形光束，14表示第一次重排以后的光束分布，15表示第二次重排之后的光束分布。

二、一步重排整形法

上述的两步重排法，一方面结构复杂，不利于小型化和模块化；另一方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到影响。近期发展起来的一步重排整形法与之相比很有特色。

(A)45°倾斜柱透镜阵列旋转整形法

倾斜柱透镜成象可以实现旋转功能，如图6所示。可以证明，如果柱透镜的旋转角为Φ，则象的旋转的角度为2Φ。使用45°放置的柱透镜16，一个水平的线状物17所成的象的旋转角为90°即象为一个垂直的线状物18。

在此思路的启示下，Limo公司设计制造了45°倾斜的柱透镜阵列。如图7中所示。条形半导体激光器发射的水平线形光束19，在快轴准直后，每个发光元对应45°倾斜柱透镜阵列20中的一个柱透镜。在光经过柱透镜阵列之后，就会出现和发光元数目相等的、已经实现重排了的矩形光分布21。

和梯形镜法相比较而言，倾斜柱透镜阵列旋转整形法只用一步就实现了光束的整形重排，但排列出的光不再是准直光，而是在垂直方向上发散的一个矩形分布。在Limo的实际产品中，首先使用一个柱透镜在垂直方向上进行准直，然后，还须使用两个柱透镜分别在水平和垂直方向上聚焦，这使得系统的结构仍显得较为复杂。

(B)折射整形法

本申请人的产品采用另一种整形原理，即折射整形法。根据折射原理，如图8所示，光束22以一定的角度入射到透明介质23(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质23是平行介质，光束22穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动，成为图8所示光束24。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排。图9所示为一个整形模块的剖面图。图中25为线形光束，26为折射整形器，27为整形后的光束分布。

折射整形法虽能克服反射损失光能的问题，并且结构相对简单，易于小型化，但是当需要截成的光束节数增大时，结构亦将变得复杂，因此仍限制了激光器聚焦性能的进一步改善。

发明内容

本发明的目的，就是为了弥补现有技术的不足，经潜心研究，反复实践验证，提供一种线性光束经本发明的整形后，变成一定形状、分布均匀、效果理想光束的线性光束的全反射法整形器。

本发明所称的线形光束的全反射法整形器的技术方案是这样实现的：如图10所示，它由在被整形线光源输出的线形光束28传播方向上，依次设置的透明介质29、透明介质30、透明介质31和整形后光束32组成。其特征是：作为整形关键部位的光学透明介质29、30和31均具有相同的折射率，介质30厚度为d，介质29和介质30以及介质30和介质31之间相互无缝隙拼接，介质29和30的平行面之间具有一定倾角(90°-α)，介质30的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成夹角β，介质29和介质31的平行面之间相互垂直，且介质29的通光入射面和介质31的通光出射面相互平行，并且线形光束28的传播方向与该两通光面垂直。经整形后的光束32变成设定形状的光束32。

根据全反射原理，光从光密介质入射至光疏介质，当入射角γ大于全反射的零界角时，光在介质交界面发生全反射。如图10所示装置以及直角坐标系，设介质29的入射通光面为ZOY面，同时，Y为竖直方向，故线形光束的传播方向即为X轴方向。厚度为d的透明光学介质30，其两平行面与Y轴形成α夹角，同时该平行面与水平面(XOZ面，即介质29的平行面)的交线与Z轴形成β夹角。平行于OZ轴的线形光束沿X轴方向入射，由介质29导入介质30，到介质30的后平行面后，发生反射(通过角度设计可实现全反射)。由于α和β角的存在，反射光将向x、y方向发生倾斜，在介质30前一个平行面上同样发生反射之后，重新沿X轴方向到达介质30后平行面。此时的线形光束和第一次入射的线形光束的每一个光点在x和y方向上都发生了位移但方向平行。由于在介质30一侧的边界上拼接的同样折射率的介质31破坏了全反射条件，故线形光束一侧的沿OZ轴长度为a的部分光线将得以出射，剩余的继续反射，经过介质30前平行面后到达后平行面，同时发生和上次相等的位移，线形光束一侧的部分光线又将得以出射，和上次出射出去的光束长短相同、方向平行，且在y轴方向产生b的位移。此过程一直继续下去，直至所有光线被切割后得以出射，形成n节长度a相同、方向平行且在y方向相邻间隔为b的图形32，从而实现了切割和重排，即实现了光束整形。

依据上述全反射分割整形的原理，并且考虑到线形光束本身仍存在一定的发散角，本发明所称的整形器中，透明介质29和30在Z轴方向上的宽度应大于分割整形前线形光束的总长度L，透明介质31在Z轴方向上厚度则应大于线形光束被分割后的每小节的长度a。透明介质30和31在Y轴方向的高度应大于整形后光束分布在Y轴方向的高度b(n-1)b₀。另外，如图10所示，α、β和d可以通过选取满足全反射条件的入射角γ，以及需要的切割后每小节光线的长度a和这些小节光线之间在Y轴方向上的间距b计算而设计出来。

以下结合二极管激光器输出线形光束的全反射整形法阐述参数的设计和计算思路。

1)切割份数n的确定

设二极管激光器输出的经准直后的线形光束在慢轴方向的长度为L₀，其在快轴和慢轴方向的M²因子分别为M₁ ²和M₂ ²，则其在慢轴方向可被切割的最大份数为 $n=\sqrt{\frac{M_2^2}{M_1^2}}.$

2)每小节光束长度a确定

考虑到准直后线形光束在慢轴方向仍具有一定发散角，设线形光束到达整形模块后沿慢轴方向的长度为L≥L₀。可得，线形光束被分割后，每小节光束的长度为 $a=\frac{L}{n}.$

3)整形后光斑线度m的确定

图11所示为线形光束整形后耦合聚焦的原理示意，33为线形光束整形后的分布，m表示其横向线度；34为聚焦镜，f表示其焦距；35为整形后光束预耦合进入的光纤，θ表示其入射孔径半角(光纤的数值孔径NA＝sinθ)。故有m必须满足： $\frac{m}{2f}\≤\mathrm{tg\θ},$ 即

$m\≤2f\·\frac{\sin \mathrm{\θ}}{\sqrt{1-{\sin }^2\mathrm{\θ}}}=2f\·\frac{\mathrm{NA}}{\sqrt{1-{\mathrm{NA}}^2}}$

4)每小节光束间距b的确定

如图12所示，36为被整形后光束的矩形分布，有a²+(n-1)²b²＝m²，由2)、3)可得

$b\≤\frac{\sqrt{m^2-a^2}}{n-1}=\frac{1}{n-1}\sqrt{\frac{{4n}^2\·f^2\·{\mathrm{NA}}^2-L^2\·(1-{\mathrm{NA}}^2)}{(1-{\mathrm{NA}}^2)\·n^2}}$

5)对于折射率为n₀的透明光学介质，其满足全反射条件的入射角为 $\mathrm{\γ}\≥\arcsin \frac{1}{n_0}.$

6)如图13所示，由上述设计的目标参数a、b和γ，可以计算得出全反射法整形器的设计参数d、α和β。

$d=\frac{\sqrt{a^2+b^2}}{2\sin \mathrm{\γ}}$ $\∠\mathrm{\α}=\arcsin \frac{b\·\sin \mathrm{\γ}}{\sqrt{a^2+b^2}}$

$\∠\mathrm{\β}=\arccos \frac{\sqrt{a^2+b^2}\·\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{a^2+b^2{\cos }^2\mathrm{\γ}}}$

本发明所称的线形光束的全反射法整形器，不仅利用全反射原理大大减小了光能损耗，而且设计新颖、结构紧凑，有利于模块化和小型化，其可以将线形光束整形分割成其可能达到的最大的n份，整形效率比现有技术有很大提高，于是进一步改善了二极管激光器的聚焦性能。本发明具有构思新颖，设计合理、工艺规范、无环境污染，容易形成工业化大批量生产等特点。本发明可广泛用于军事、科研、院校及企业等领域。

附图说明

图1：线阵二极管激光阵列输出光束的准直光路示意图；

图2：线形光束整形示意图；

图3：两步重排法整形常用技术路线示意图；

图4：梯形反射镜法光束整形装置示意图；

图5：棱镜组法光束整形原理示意图；

图6：倾斜柱透镜旋转成像原理示意图；

图7：45°倾斜柱透镜阵列法光束整形原理示意图；

图8：平行平板平移光束原理示意图；

图9：折射法光束整形原理示意图；

图10：全反射光光束整形装置示意图；

图11：整形后光束耦合聚焦原理示意图；

图12：整形后光束分布的几何尺寸示意图；

图13：全反射法实现光束移动的原理图。

具体实施方式

本发明所称的整形器具体实施方式结合附图10和13详细叙述如下：

根据全反射原理及立体几何知识，设计参数α(介质30的平行面与Y轴的夹角)、β(介质30的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成的夹角)和d(介质30的厚度)与设计目标参数a(分割后每小节线形光束的长度)、b(分割后每小节线形光束之间沿Y轴的间距)和γ(满足介质30的全反射的条件入射角)之间的关系式式为：

$d=\frac{\sqrt{a^2+b^2}}{2\sin \mathrm{\γ}}$ $\∠\mathrm{\α}=\arcsin \frac{b\·\sin \mathrm{\γ}}{\sqrt{a^2+b^2}}$

$\∠\mathrm{\β}=\arccos \frac{\sqrt{a^2+b^2}\·\cos \mathrm{\γ}}{\sqrt{a^2+b^2{\cos }^2\mathrm{\γ}}}$

实施1：设线形光束28到达整形模块的总长度L＝12mm，将光束28截成n＝11节，排列成设定形状a×(n-1)b＝1.1×1.7mm的分布32，光学透明介质29、30、31取玻璃SF6，其折射率为n₀≈1.805，入射至介质30平行面的入射角γ取34°

即有a＝1.1mm，b＝(1.7/10)mm＝0.17mm，γ＝34°。于是须要介质29和30在Z轴方向的宽度大于12mm，介质31在Z轴方向的厚度大于1.1mm，介质30和31在Y轴方向的高度应大于1.7mm，介质30的平行面与Y轴的夹角α≈4.899°，介质30的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成的夹角β≈33.6849°，介质30的厚度d约为0.9948。光束28经介质29、30和31进行重排后，被整形为聚焦性能大为改善的设定形状为矩形的光束32。

实施例2：设线形光束28到达整形模块的总长度L＝12mm，将光束28截成n＝11节，排列成设定形状为a×(n-1)b＝1.1×1.5mm的分布32，光学透明介质29、30、31取玻璃SF6，其折射率为n0≈1.805，入射至介质30平行面的入射角γ取36°

即有a＝1.1mm，b＝(1.5/10)mm＝0.15mm，γ＝36°。于是须要介质29和30在Z轴方向的宽度大于12mm，介质31在Z轴方向的厚度大于1.1mm，介质30和31在Y轴方向的高度应大于1.5mm，介质30的平行面与Y轴的夹角α≈4.5310°，介质30的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成的夹角β≈35.7082°，介质30的厚度d约为0.9440。光束28经介质29、30和31进行重排后，被整形为聚焦性能大为改善的设定形状为矩形的光束32。

Claims (4)

1. 一种线形光束的全反射法整形器，由在被整形线光源输出的线形光束(28)传播方向上，依次设置的透明介质(29)、透明介质(30)、透明介质(31)和整形后光束(32)组成，其特征在于，作为整形关键部位的光学透明介质(29)、(30)和(31)均具有相同的折射率，介质(30)厚度为d，介质(29)和(30)的平行面之间具有一定倾角为90°-α，并且介质(30)的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成夹角β，介质(29)和介质(31)的平行面之间相互垂直，介质(29)的通光入射面和介质(31)的通光出射面相互平行，且线形光束(28)的传播方向与该两通光面垂直，线形光束(28)由光学透明介质(29)入射至介质(30)，经过多次全反射实现整形，经整形后的光束(32)变成设定形状的光束(32)。

2. 根据权利要求1所述的线形光束的全反射法整形器，其特征在于透明介质(29)和(30)在Z轴方向上宽度应大于分割整形前线形光束的总长度L，透明介质(31)在Z轴方向上的厚度则应大于线形光束被分割后的每小节的长度a，透明介质(30)和(31)在Y轴方向的高度大于整形后光束分布在Y轴方向的高度(n-1)b₀。

3. 根据权利要求1或2所述的全反射法整形器，其特征在于每组设计参数α即介质(30)的平行面与Y轴的夹角、β即介质(30)的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成的夹角和d即介质(30)的厚度唯一对应于一组设计目标参数a即分割后每小节线形光束的长度、b即分割后每小节线形光束之间沿Y轴的间距和γ即满足介质(30)的全反射条件的入射角。

4. 根据权利要求1或2所述的线形光束的全反射法整形器，其特征在于，线形光束(28)通过介质(29)、(30)、(31)的折、反射经整形后成为设定形状为矩形的光束(32)。

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