CN103792616A - 激光传输双曲聚光棒 - Google Patents

Abstract

一种激光传输双曲聚光棒，在无机透明固体光学材料制成聚光段的光入射端连为一体有激光传输段、光出射端连为一体有整光段构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段、聚光段、整光段的外表面为光滑表面，激光传输段的光入射端面和整光段的光出射端面与激光传输双曲聚光棒的中心线垂直，激光传输段的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段的几何形状是直径为d的圆柱体，d＜D,其中0.3mm≤d≤0.6mm、7d≤D≤10d，聚光段的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段光入射端面的直径与激光传输段的直径相同、光出射端面的直径与整光段的直径相同。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点，可用于激光束的传输。

Description

激光传输双曲聚光棒

技术领域

本发明属于激光的设备或装置技术领域，具体涉及激光传输聚集的零部件。

背景技术

激光束的聚焦是激光应用中的关键技术之一。激光束聚焦效果的优劣对激光能量的利用效率有着重要的影响。传统的激光束聚焦方法分为利用普通球面透镜作为聚焦元件的透射式聚焦和利用反射镜作为聚焦元件的反射式聚焦，但其成本高、光路复杂且占用空间较大，无法构成紧奏形结构且与光纤耦合难度大，影响了其应用范围。上世纪60年代发明的自聚焦棒式透镜，由于其独特的光学特性以及可与半导体激光器和光纤完美结合的特点，在光纤通信、光纤传感、光学仪器、医疗仪器等光信息的传输与检测方面获得了广泛应用，但制造成本高，特别是用于较大功率激光束的聚焦效果较差，使其在应用上存在一定的局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述技术的不足，提供一种结构简单、制造工艺简单、生产成本低、聚光效果好的激光传输双曲聚光棒。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在无机透明固体光学材料制成聚光段的光入射端连为一体有激光传输段、光出射端连为一体有整光段构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段、聚光段、整光段的外表面为光滑表面，激光传输段的光入射端面和整光段的光出射端面与激光传输双曲聚光棒的中心线垂直。本发明的激光传输段1的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段的几何形状是直径为d的圆柱体，d＜D,聚光段的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段光入射端面的直径与激光传输段的直径相同、光出射端面的直径与整光段的直径相同。

本发明的聚光段侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{{4x}^2}{d^2}-\frac{y^2}{{64d}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以聚光段输出端面的直径及其延长线为x轴，聚光段的中心线为y轴，x为聚光段的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的聚光段高度，y≥0。

本发明的整光段直径d的取值范围为0.3mm≤d≤0.6mm，激光传输段直径D的取值范围为7d≤D≤10d。

由于本发明采用了以双曲线围绕中心轴旋转构成的聚光段，聚光段的光入射端连为一体有激光传输段、光出射端连为一体有整光段，垂直入射于激光传输段光入射端面的激光束，通过激光传输段传输进入聚光段，其中以聚光段中心线为中心轴、聚光段输出端为横截面范围内的光线，沿聚光段中心线直行通过聚光段进入整光段，其余的光线以大入射角入射到聚光段侧面的双曲面上，通过多次全反射会聚在聚光段的光出射端面进入整光段，由整光段的光出射端面射出。本发明具有结构简单、成型容易、体积小、成本低、使用方便、聚光效率高等优点，可用于激光束的传输。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

以整光段3的直径d为0.5mm为例，激光传输双曲聚光棒的结构如下：

在图1中，本实施例的激光传输双曲聚光棒由激光传输段1、聚光段2、整光段3连为一体构成。

在聚光段2的光入射端连为一体有激光传输段1、聚光段2的光出射端连为一体有整光段3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输双曲聚光棒采用无色透明的冕玻璃（H-K9）制成，激光传输段1、聚光段2、整光段3的外表面为光滑表面，激光传输段1的光入射端面和整光段3的光出射端面与激光传输双曲聚光棒的中心线垂直，激光传输段1的光入射端面与激光器出光端联接，激光束垂直入射激光传输段1的光入射端面。激光传输段1的几何形状是直径D为4mm的圆柱体，整光段3的几何形状是直径d为0.5mm的圆柱体，即D等于8d，聚光段2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段2侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{{4x}^2}{d^2}-\frac{y^2}{{64d}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以聚光段2输出端面的直径及其延长线为x轴，聚光段2的中心线为y轴，x为聚光段2的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的聚光段2高度，y≥0。聚光段2光入射端面的直径D为4mm，聚光段2光出射端面的直径d为0.5mm。

实施例2

以整光段3的直径d为0.5mm为例，激光传输双曲聚光棒的结构如下：

本实施例中，在聚光段2的光入射端连为一体有激光传输段1,聚光段2的光出射端连为一体有整光段3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段1的几何形状是直径D为3.5mm的圆柱体，整光段3的几何形状是直径d为0.5mm的圆柱体，即D等于7d，聚光段2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段2侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程中，x为聚光段2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段2光入射端面的直径为3.5mm，聚光段2光出射端面的直径为0.5mm。制备激光传输双曲聚光棒的材料与实施例1相同，激光传输段1、聚光段2、整光段3的外表面为光滑表面，激光传输段1、聚光段2、整光段3的其它几何特征与实施例1相同。

实施例3

以整光段3的直径d为0.5mm为例，激光传输双曲聚光棒的结构如下：

本实施例中，在聚光段2的光入射端连为一体有激光传输段1,聚光段2的光出射端连为一体有整光段3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段1的几何形状是直径D为5mm的圆柱体，整光段3的几何形状是直径d为0.5mm的圆柱体，即D等于10d，聚光段2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段2侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程中，x为聚光段2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段2光入射端面的直径为5mm，聚光段2光出射端面的直径为0.5mm。制备激光传输双曲聚光棒的材料与实施例1相同，激光传输段1、聚光段2、整光段3的外表面为光滑表面，激光传输段1、聚光段2、整光段3的其它几何特征与实施例1相同。

实施例4

以整光段3的直径d为0.3mm为例，激光传输双曲聚光棒的结构如下：

在以上的实施例1～3中，在聚光段2的光入射端连为一体有激光传输段1,聚光段2的光出射端连为一体有整光段3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段1的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段3的几何形状是直径d为0.3mm的圆柱体，聚光段2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段2侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程中，x为聚光段2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段2光入射端面的直径D与聚光段2光出射端面的直径d比值与相应的实施例相同，聚光段2光出射端面的直径为0.3mm。制备激光传输双曲聚光棒的材料与实施例1相同，激光传输段1、聚光段2、整光段3的外表面为光滑表面，激光传输段1、聚光段2、整光段3的其它几何特征与实施例1相同。

实施例5

以整光段3的直径d为0.6mm为例，激光传输双曲聚光棒的结构如下：

在以上的实施例1～3中，在聚光段2的光入射端连为一体有激光传输段1,聚光段2的光出射端连为一体有整光段3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段1的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段3的几何形状是直径d为0.6mm的圆柱体，聚光段2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段2侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，双曲线方程与实施例1的双曲线方程（1）相同，在双曲线方程中，x为聚光段2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段2光入射端面的直径D与聚光段2光出射端面的直径d比值与相应的实施例相同，聚光段2光出射端面的直径d为0.6mm。制备激光传输双曲聚光棒的材料与实施例1相同，激光传输段1、聚光段2、整光段3的外表面为光滑表面，激光传输段1、聚光段2、整光段3的其它几何特征与实施例1相同。

本发明的工作原理如下：

垂直入射于激光传输双曲聚光棒激光传输段1输入端面的激光束，通过激光传输段1传输进入聚光段2，其中以聚光段2中心线为中心轴、聚光段2输出端直径d为横截面范围内的光线，沿聚光段2中心线直行通过聚光段2进入整光段3，其余的光线，以大的入射角入射到聚光段2侧面的双曲面上，即由玻璃到空气的界面上并形成全反射，反射光又作为下一个反射点的入射光入射到更靠近聚光段2输出端的双曲面上，以多次全反射形成的折线形式传输到聚光段2的输出端，由于从聚光段2的输入端到输出端间双曲面的法线与聚光段2中心线的夹角逐渐增大到90°，因此同一束光在折线传输过程中的反射角逐次加大，反射光的方向在双曲面旋转体的“腰部”（聚光段2的输出端即y为0处）趋于一致，并以小的发散角聚集在聚光段2的输出端进入整光段3，由整光段3的光出射端面输出。

Claims (3)

1.一种激光传输双曲聚光棒，在无机透明固体光学材料制成聚光段（2）的光入射端连为一体有激光传输段（1）、光出射端连为一体有整光段（3）构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段（1）、聚光段（2）、整光段（3）的外表面为光滑表面，激光传输段（1）的光入射端面和整光段（3）的光出射端面与激光传输双曲聚光棒的中心线垂直，其特征在于：所述的激光传输段（1）的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段（3）的几何形状是直径为d的圆柱体，d＜D,聚光段（2）的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段（2）光入射端面的直径与激光传输段（1）的直径相同、光出射端面的直径与整光段（3）的直径相同。

2.根据权利要求1所述的激光传输双曲聚光棒，其特征在于：所述的聚光段（2）侧面的双曲旋转曲面是以直角坐标系中双曲线方程

$\frac{{4x}^2}{d^2}-\frac{y^2}{{64d}^2}=1---\left(1\right)$

为母线，y轴为中心轴旋转形成的双曲旋转曲面，方程（1）以聚光段（2）输出端面的直径及其延长线为x轴，聚光段（2）的中心线为y轴，x为聚光段（2）的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的聚光段（2）高度，y≥0。

3.根据权利要求1或2所述的激光传输双曲聚光棒，其特征在于：所述的整光段（3）直径d的取值范围为0.3mm≤d≤0.6mm，激光传输段（1）直径D的取值范围为7d≤D≤10d。

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