CN103513427A - 一种产生环形指示光的激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生环形指示光的激光器，包括主激光源、指示光源以及聚焦透镜，其中：所述主激光源发出的光束与指示光源发出的光束分别入射到所述聚焦透镜，并由所述聚焦透镜聚焦；所述指示光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的最大距离，不小于所述主激光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的距离，本发明用以产生环形指示光，实现对工作区域和非工作区域的明确划分。

Description

一种产生环形指示光的激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种产生环形指示光的激光器。

背景技术

在工业、医学以及科研领域中经常使用中心波长为915nm、980nm、1064nm或者1470nm等红外激光作为工作光源，上述工作光源属于不可见光；但是在实际应用中，通常需要知道上述工作光源准确的照射位置和照射范围，因此，需要利用可见波长的光作为指示光源来进行指示和导引。

现有技术中的激光器，通常采用增加另一个激光器以及相应的耦合光纤或耦合透镜系统来达到提供指示光的目的，或者利用双色镜对工作光源与指示光源进行耦合，使其以单根光纤输出；如申请号为200820180756.9的中国专利公开了一种采用双色镜进行两种激光的同时光纤耦合的装置，其通过将两束不同波长的半导体激光器芯片所发出的光，分别经各自的柱透镜在快轴方向准直后，经过一个对一个波长的光透射、对另一个波长的光反射的双色镜合束，再经过一个透镜-光线组件聚焦耦合到单一的光纤输出，得到一个实心的光斑。

经上所述，现有技术中的激光器所提供的指示光通常都是实心的光斑，其外边缘与工作光源所形成的光斑的外边缘不一定重合或者其界限并不分明，这将导致操作者无法知道工作光源所形成光斑的实际大小以及其边缘范围，从而使得操作者不能准确的确定需要处理的工作区域。

发明内容

本发明提供了一种产生环形指示光的激光器，用以产生环形指示光，实现对工作区域和非工作区域的明确划分。

本发明提供一种产生环形指示光的激光器，包括主激光源、指示光源以及聚焦透镜，其中：

所述主激光源发出的光束与指示光源发出的光束分别入射到所述聚焦透镜，并由所述聚焦透镜聚焦；

所述指示光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的最大距离，不小于所述主激光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的距离。

优选的，所述指示光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的最小距离，不小于所述主激光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的距离。

优选的，所述指示光源包括指示光发生器和第一快慢轴准直透镜；第一快慢轴准直透镜，用于对所述指示光发生器发出的光束进行快慢轴准直；

所述主激光源包括主激光发生器和第二快慢轴准直透镜；第二快慢轴准直透镜，用于对所述主激光发生器发出的光束进行快慢轴准直。

优选的，所述指示光发生器为半导体激光器；所述主激光发生器为半导体激光器。

优选的，所述主激光发生器为多个半导体激光器芯片，所述多个半导体激光器芯片错开排列。

优选的，所述光纤耦合激光器还包括耦合光纤；所述耦合光纤用于传输所述聚焦透镜聚焦的光束；所述指示光源发出的光束为非子午光束。

优选的，所述聚焦透镜为自聚焦透镜、球面聚焦镜或非球面透镜中的任一种。

优选的，所述光纤耦合激光器还包括一个电源，由该电源对所述主激光源与所述指示光源供电；或所述光纤耦合激光器还包括两个电源，由所述电源中的一个对所述主激光源供电，由所述电源中的另一个对所述指示光源供电。

本发明实施例的有益效果是：通过分别控制指示光在聚焦透镜上的光斑和主激光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的距离，使得指示光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的最大距离不小于主激光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的距离，这样经过聚焦透镜聚焦后，主激光被环形的指示光包围，从而给定了主激光的范围，实现了对工作区域和非工作区域的明确划分。

附图说明

图1为本发明一实施例的一种产生环形指示光的激光器的第一结构示意图；

图2为本发明一实施例的一种产生环形指示光的激光器的第二结构示意图；

图3为本发明一实施例的指示光发生器发出的光束入射到聚焦透镜表面形成的光斑的示意图；

图4为本发明一实施例的主激光发生器的多个半导体激光器芯片发出的激光束与指示光发生器发出的激光束分别经快慢准直后入射到聚焦透镜表面形成的光斑的示意图；

图5为本发明一实施例的一种产生环形指示光的激光器的第三结构示意图；

图6为本发明一实施例的耦合光纤示意图；

图7为本发明一实施例的光束经耦合光纤传输示意图；

图8为本发明一实施例的非子午光线在耦合光纤中的传播路径示意图；

图9为本发明一实施例的一种产生环形指示光的激光器的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明实施例提供一种产生环形指示光的激光器10，包括主激光源11、指示光源12以及聚焦透镜13，其中：

所述主激光源11发出的光束与指示光源12发出的光束分别入射到所述聚焦透镜13，并由所述聚焦透镜13聚焦；

所述指示光源12发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的最大距离，不小于所述主激光源11发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的距离；其中，所述最大距离是指所述主激光源11发出的光束与聚焦透镜13的光轴之间在垂直于光轴的平面上的最大距离。结合后续的说明（由图6至图8）可知，此时经耦合光纤传输后的出射的可见光在照射位置形成的环形的光斑的外边缘的内部为不可见的主激光的照射范围。

在本发明的一个实施例中，所述指示光源12发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的最小距离，不小于所述主激光源11发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的距离；其中，所述最小距离是指所述主激光源11发出的光束与聚焦透镜13的光轴之间在垂直于光轴的平面上的最小距离。结合后续的说明（由图6至图8）可知，此时经耦合光纤传输后的出射的可见光在照射位置形成的环形的光斑的内边缘的内部为不可见的主激光的照射范围。

在本发明的一个实施例中，如图2所示，所述主激光源11包括主激光发生器111和第一快慢轴准直透镜112；主激光发生器111发出的光束经第一快慢轴准直透镜112进行快慢准直后入射到所述聚焦透镜13；同样的，所述指示光源12包括指示光发生器121和第二快慢轴准直透镜122；所述指示光发生器121发出的光束经第二快慢轴准直透镜122进行快慢准直后入射到所述聚焦透镜13。其中，经过快慢轴准直的光束的光轴与所述聚焦透镜13的光轴平行。

在本发明的一个实施例中，所述指示光发生器121为半导体激光器；所述主激光发生器111为半导体激光器。由于半导体激光器发出的激光束具有快慢轴发散角的极端不对称性，因此需要通过快慢轴准直透镜对半导体激光器发出的激光束进行快慢轴准直，使其成为近似准直光束。该光束入射到聚焦透镜13表面形成的光斑示意图如图3所示，所述光斑为近似线光斑，其中，光斑的长方向为慢轴方向，宽方向为快轴方向。另外，可以了解的是，图3中虚线所示小圆的半径为该光斑到所述聚焦透镜13中心的最小距离，而虚线所示大圆的半径为该光斑到所述聚焦透镜13中心的最大距离。

在本发明的一个实施例中，所述主激光发生器111为多个半导体激光器芯片，所述多个半导体激光器芯片错开排列，例如，可以在垂直方向空间上错开排列，并将每个半导体激光器芯片发出的激光束经快慢准直透镜进行快慢准直，使其成为近似准直光束。图4为主激光发生器111的多个半导体激光器芯片发出的激光束与指示光发生器121发出的激光束分别经快慢准直后入射到聚焦透镜13表面形成的光斑示意图。其中，图4上方的光斑为指示光发生器121发出的激光束经快慢准直后入射到聚焦透镜13表面形成的光斑，下方的五个光斑为主激光发生器111的多个半导体激光器芯片发出的激光束经快慢准直后入射到聚焦透镜13表面形成的光斑。

在本发明的一个实施例中，所述光纤耦合激光器还包括耦合光纤14；如图5所示，所述耦合光纤14用于传输所述聚焦透镜13聚焦的光束；所述指示光源12发出的光束为非子午光束；其中，所述主激光源11、指示光源12以及聚焦透镜13的功能与图1或图2的功能一致，此处将不再赘述。

如图6所示为一常见的单包层耦合光纤模型，由于起到导光作用的为纤芯141和包层142，因此图中略去其他的涂覆层等结构。纤芯141和包层142一般都采用熔融石英材料，假设纤芯141的折射率为n1、包层折射率为n2，NA为耦合光纤的数值孔径，那么

此时，只有入射到纤芯141且入射角小于θ的光才能成为导波模而沿着纤芯141传输，即入射角θ需满足θ≤arcSinNA。一般来说，如果耦合光纤没有受到过度的应力和应变，则入射光线以α₁的入射角进入纤芯141，经耦合光纤14传输后的出射光线的发散角α₂应该约等于α₁，即耦合光纤14的出射光线的发散角约等于对应的入射光线的发散角。因此，在图7中，当虚线描述的某一立体角范围内的光71入射到纤芯141后，经耦合光纤14传输后的出射光应该为一光环72，且光环的立体角约等于入射光的立体角。非子午光线在耦合光纤中的传播路径示意图如图8所示，本发明中，由于指示光源11发出的可见光束在耦合光,14中为非子午光束，则可以保证即使在入射到耦合光纤14的可见光不是环形光的情况下，经耦合光纤14传输后的出射的可见光能够为环形光，从而在照射位置形成环形的光斑。

另外，由于入射角满足光纤数值孔径的光才可以沿着耦合光纤14传输，假设光纤的纤芯141的直径为d，数值孔径为NA，聚焦透镜13的焦距为f，则入射到聚焦透镜13的平行光束距离其中心轴的距离需要不大于

根据上述分析，当主激光发生器111发出的激光束与指示光发生器121发出的激光束分别经快慢准直后入射到聚焦透镜13表面形成的近似线光斑，其对应边角到聚焦透镜13的距离为

时，若所述近似线光斑的长为a，宽为b，则该光斑经过聚焦透镜13聚焦到耦合光纤14的纤芯141端面的角度θ₁范围为：

$\arctan \[\frac{\sqrt{[\frac{d}{2}+f\tan {\left(\arcsin \mathrm{NA}\right)]}^2-{\left(\frac{a}{2}\right)}^2}-b}{f}\]\≤{\mathrm{\θ}}_1\≤\arcsin \mathrm{NA}.$

具体的，如图9所示，主激光发生器111由多个半导体激光器芯片组成，且该多个半导体激光器芯片错开一定的距离，所述多个半导体激光器芯片发出的光束经第一快慢准直透镜112后，形成主激光准直光束，所述准直光束入射到聚焦透镜13的表面，形成主光斑；指示光发生器121发出的光束经第二快慢准直透镜122后，形成指示光准直光束，所述指示光准直光束入射到聚焦透镜13的表面，形成指示光斑，此处也可以利用反射镜将主激光准直光束与指示光准直光束反射入聚焦透镜13；将主激光准直光束与指示光准直光束经过聚焦透镜13聚焦后入射到耦合光纤14中；根据上述分析，经耦合光纤14传输后的主光斑为圆形，经耦合光纤14传输后的指示光斑为环形，且该环形的中心为圆形的中心，所述环形将所述圆形包围；其中，若指示光源12发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的最小距离，不小于所述主激光源11发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的距离，则经耦合光纤14传输后的环形包围的内部为主激光范围，若指示光源12发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的最大距离，不小于所述主激光源11发出的光束在所述聚焦透镜13表面形成的光斑到所述聚焦透镜13中心的距离，则经耦合光纤14传输后的环形覆盖的范围以及环形包围的内部为主激光范围。

在本发明的一个实施例中，所述聚焦透镜为自聚焦透镜、球面聚焦镜或非球面透镜中的任一种。

在本发明的一个实施例中，所述光纤耦合激光器还包括一个电源，由该电源对所述主激光源与所述指示光源供电；或所述光纤耦合激光器还包括两个电源，由所述电源中的一个对所述主激光源供电，由所述电源中的另一个对所述指示光源供电；即本发明可以对所述主激光源与所述指示光源供电集中供电，也可以对所述主激光源与所述指示光源供电分开独立供电。

本发明实施例的有益效果是：通过分别控制指示光在聚焦透镜上的光斑和主激光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的距离，使得指示光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的最大距离不小于主激光在聚焦透镜上的光斑到聚焦透镜中心的距离，这样经过聚焦透镜聚焦后，主激光被环形的指示光包围，从而给定了主激光的范围，实现了对工作区域和非工作区域的明确划分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种产生环形指示光的激光器，包括主激光源、指示光源以及聚焦透镜，其中： 

所述主激光源发出的光束与指示光源发出的光束分别入射到所述聚焦透镜，并由所述聚焦透镜聚焦； 

所述指示光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的最大距离，不小于所述主激光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的距离。 

2.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于， 

所述指示光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的最小距离，不小于所述主激光源发出的光束在所述聚焦透镜表面形成的光斑到所述聚焦透镜中心的距离。 

3.如权利要求1或2所述的光纤耦合激光器，其特征在于， 

所述主激光源包括主激光发生器和第一快慢轴准直透镜；第一快慢轴准直透镜，用于对所述主激光发生器发出的光束进行快慢轴准直。 

所述指示光源包括指示光发生器和第二快慢轴准直透镜；第二快慢轴准直透镜，用于对所述指示光发生器发出的光束进行快慢轴准直。 

4.如权利要求3所述的光纤耦合激光器，其特征在于， 

所述指示光发生器为半导体激光器；所述主激光发生器为半导体激光器。 

5.如权利要求4所述的光纤耦合激光器，其特征在于， 

所述主激光发生器为多个半导体激光器芯片，所述多个半导体激光器芯片错开排列。 

6.如权利要求1或2所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述光纤耦合激光器还包括耦合光纤；所述耦合光纤用于传输所述聚焦透镜聚焦的光束； 

所述指示光源发出的光束为非子午光束。 

7.如权利要求1或2所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述聚焦透镜为自聚焦透镜、球面聚焦镜或非球面透镜中的任一种。 

8.如权利要求1或2所述的光纤耦合激光器，其特征在于， 

所述光纤耦合激光器还包括一个电源，由该电源对所述主激光源与所述 指示光源供电；或 

所述光纤耦合激光器还包括两个电源，由所述电源中的一个对所述主激光源供电，由所述电源中的另一个对所述指示光源供电。 

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