CN103792653A - 多束激光聚光传输装置 - Google Patents

Abstract

一种多束激光聚光传输装置，反射棱锥的锥尖设置在支柱的中心位置，支柱的另一端设置在激光传输聚光棒光入射端面的中心位置，反射棱锥的锥的中心线与激光传输聚光棒的中心线相重合。这种结构的多束激光聚光传输装置，入射到反射棱锥侧面上的激光束，通过反射棱锥反射垂直入射于激光传输聚光棒输入端面的多束激光束，通过激光传输段进入聚光段，沿聚光段中心线直行通过聚光段进入整光段；其它的光线，入射到聚光段侧面的双曲面形成全反射，多次全反射形成的折线形式传输到聚光段的输出端，并以小的发散角聚集在聚光段的输出端进入整光段，实现多激光束在传输过程中光能量集中。本发明具有结构简单、体积小、成本低、聚光效率高等优点。

Description

多束激光聚光传输装置

技术领域

本发明属于激光传输设备或装置技术领域，具体涉及多束激光在同一个光学器件上传输聚集的光学器件。

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方法和利用不同反射镜作为聚焦元件的反射式聚焦方法，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，同时与光纤耦合难度大，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。但其制造成本高，特别是用于多激光束的聚焦效果较差，无法满足实际工程需要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种制造工艺简单、生产成本低、聚光效果好的多束激光聚光传输装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：反射棱锥的锥尖设置在支柱的中心位置，支柱的另一端设置在激光传输聚光棒光入射端面的中心位置，反射棱锥的锥的中心线与激光传输聚光棒的中心线相重合。

本发明的反射棱锥为正3～6棱锥，反射棱锥的侧面为光滑表面，反射棱锥的侧面上有反射膜。

本发明的激光传输聚光棒为：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0.8mm≤d≤2.5mm，激光传输段直径D的取值范围为7d≤D≤10d。

由于本发明采用了反射棱锥的锥尖与支柱粘接，支柱的另一端用光学胶粘接在激光传输聚光棒光入射端面的中心位置，入射到反射棱锥侧面上的激光束，通过反射棱锥反射垂直入射于激光传输聚光棒输入端面的多束激光束，通过激光传输段进入聚光段，沿聚光段中心线直行通过聚光段进入整光段；其它的光线，以大的入射角入射到聚光段侧面的双曲面形成全反射，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输出端的双曲面上，多次全反射形成的折线形式传输到聚光段的输出端，并以小的发散角聚集在聚光段的输出端进入整光段，实现了多激光束在传输过程中的光能量集中。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。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中激光传输聚光棒3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

在图1中，本实施例的多束激光聚光传输装置由反射棱锥1、支柱2、激光传输聚光棒3联接构成。

反射棱锥1的锥尖用光学胶粘接在支柱2的中心位置，支柱2的另一端用光学胶粘接在激光传输聚光棒3光入射端面的中心位置，反射棱锥1的锥的中心线与激光传输聚光棒3的中心线相重合，反射棱锥1用冕玻璃（H-K9）制成，本实施例的反射棱锥1为正四锥，正四棱锥每一个侧面的顶角为45°，反射棱锥1的侧面为激光反射面，侧面上镀有铝反射膜，反射棱锥1用于将不同方向的激光束反射垂直入射于激光传输聚光棒3的入射端面。

本实施例的激光传输聚光棒3的几何形状为：

在聚光段3-2的光入射端连为一体有激光传输段3-1、聚光段3-2的光出射端连为一体有整光段3-3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3-1、聚光段3-2、整光段3-3的外表面为光滑表面，激光传输段3-1的光入射端面和整光段3-3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3-1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3-1的光入射端面。激光传输段3-1的几何形状是直径D为12mm的圆柱体，整光段3-3的几何形状是直径d为1.5mm的圆柱体，即D等于8d，聚光段3-2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段3-2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3-2输出端面的直径及其延长线为x轴，聚光段3-2的中心线为y轴，x为聚光段3-2的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的聚光段3-2高度，y≥0。聚光段3-2光入射端面的直径D为12mm，聚光段3-2光出射端面的直径d为1.5mm。

实施例2

本实施例激光传输聚光棒3的几何形状为：在聚光段3-2的光入射端连为一体有激光传输段3-1,聚光段3-2的光出射端连为一体有整光段3-3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段3-1的几何形状是直径D为10.5mm的圆柱体，整光段3-3的几何形状是直径d为1.5mm的圆柱体，即D等于7d，聚光段3-2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段3-2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3-2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段3-2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段3-2光入射端面的直径为10.5mm，聚光段3-2光出射端面的直径为1.5mm。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3-1、聚光段3-2、整光段3-3的外表面为光滑表面，激光传输段3-1、聚光段3-2、整光段3-3的其它几何特征与实施例1相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

本实施例激光传输聚光棒3几何形状为：在聚光段3-2的光入射端连为一体有激光传输段3-1,聚光段3-2的光出射端连为一体有整光段3-3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段3-1的几何形状是直径D为15mm的圆柱体，整光段3-3的几何形状是直径d为1.5mm的圆柱体，即D等于10d，聚光段3-2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段3-2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3-2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段3-2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段3-2光入射端面的直径为15mm，聚光段3-2光出射端面的直径为1.5mm。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3-1、聚光段3-2、整光段3-3的外表面为光滑表面，激光传输段3-1、聚光段3-2、整光段3-3的其它几何特征与实施例1相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上的实施例1～3中，激光传输聚光棒3为：在聚光段3-2的光入射端连为一体有激光传输段3-1,聚光段3-2的光出射端连为一体有整光段3-3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段3-1的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段3-3的几何形状是直径d为0.8mm的圆柱体，聚光段3-2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段3-2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3-2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段3-2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段3-2光入射端面的直径D与聚光段3-2光出射端面的直径d的比值与相应的实施例相同，聚光段3-2光出射端面的直径d为0.8mm。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3-1、聚光段3-2、整光段3-3的外表面为光滑表面，激光传输段3-1、聚光段3-2、整光段3-3的其它几何特征与实施例1相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例5

在以上的实施例1～3中，激光传输聚光棒3为：在聚光段3-2的光入射端连为一体有激光传输段3-1,聚光段3-2的光出射端连为一体有整光段3-3构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段3-1的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段3-3的几何形状是直径d为2.5mm的圆柱体，聚光段3-2的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段3-2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3-2的半径变量，y为半径变量x所对应的聚光段3-2高度，其中d/2≤︱x︱≤D/2，y≥0。聚光段3-2光入射端面的直径D与聚光段3-2光出射端面的直径d的比值与相应的实施例相同，聚光段3-2光出射端面的直径d为2.5mm。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3-1、聚光段3-2、整光段3-3的外表面为光滑表面，激光传输段3-1、聚光段3-2、整光段3-3的其它几何特征与实施例1相同。其他零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例6

在以上实施例1～5中，反射棱锥1的锥尖用光学胶粘接在支柱2的中心位置，支柱2的另一端设置用光学胶粘接在激光传输聚光棒3光入射端面的中心位置，反射棱锥1的锥的中心线与激光传输聚光棒3的中心线相重合，反射棱锥1用冕玻璃（H-K9）制成，本实施例的反射棱锥1为正三锥，正三棱锥每一个侧面的顶角为60°，反射棱锥1的侧面为激光反射面，侧面上镀有铝反射膜，反射棱锥1用于将不同方向的激光束反射垂直入射于激光传输聚光棒3的入射端面。

本实施例的激光传输聚光棒3的几何形状与相应的实施例相同。

实施例7

在以上实施例1～5中，反射棱锥1的锥尖用光学胶粘接在支柱2的中心位置，支柱2的另一端设置用光学胶粘接在激光传输聚光棒3光入射端面的中心位置，反射棱锥1的锥的中心线与激光传输聚光棒3的中心线相重合，反射棱锥1用冕玻璃（H-K9）制成，本实施例的反射棱锥1为正六锥，正六棱锥每一个侧面的顶角为30°，反射棱锥1的侧面为激光反射面，侧面上镀有铝反射膜，反射棱锥1用于将不同方向的激光束反射垂直入射于激光传输聚光棒3的入射端面。

本实施例的激光传输聚光棒3的几何形状与相应的实施例相同。

本发明的工作原理如下：

入射到反射棱锥1侧面上的激光束，通过反射棱锥1反射垂直入射于激光传输聚光棒3输入端面的多束激光束，进入聚光段3-2，以聚光段3-2中心线为中心轴、聚光段3-2输出端面为横截面范围内的光线，沿聚光段3-2中心线直行通过聚光段3-2进入整光段3-3；其它的激光束，以大的入射角入射到聚光段3-2侧面的双曲面（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3-2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3-2的光出射端，由于从聚光段3-2的光入射端到光出射端间双曲面的法线与聚光段3-2中心线的夹角逐渐增大到900，同一束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”趋于一致，并以极小的发散角会聚在聚光段3-2的光出射端进入整光段3-3，实现了多激光束在传输过程中的能量集中。

Claims (5)

1.一种多束激光聚光传输装置，其特征在于：反射棱锥（1）的锥尖设置在支柱（2）的中心位置，支柱（2）的另一端设置在激光传输聚光棒（3）光入射端面的中心位置，反射棱锥（1）的锥的中心线与激光传输聚光棒（3）的中心线相重合。

2.根据权利要求1所述的多束激光聚光传输装置，其特征在于：所述的反射棱锥（1）为正3～6棱锥，反射棱锥（1）的侧面为光滑表面，反射棱锥（1）的侧面上有反射膜。

3.根据权利要求1所述的多束激光聚光传输装置，其特征在于所述的激光传输聚光棒（3）为：在无机透明固体光学材料制成聚光段（3-2）的光入射端连为一体有激光传输段（3-1）、光出射端连为一体有整光段（3-3）构成激光传输双曲聚光棒，激光传输段（3-1）、聚光段（3-2）、整光段（3-3）的外表面为光滑表面，激光传输段（3-1）的光入射端面和整光段（3-3）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（3-1）的几何形状是直径为D的圆柱体，整光段（3-3）的几何形状是直径为d的圆柱体，d＜D,聚光段（3-2）的几何形状是侧面为双曲面的旋转体，聚光段（3-2）光入射端面的直径与激光传输段（3-1）的直径相同、光出射端面的直径与整光段（3-3）的直径相同。

4.根据权利要求3所述的多束激光聚光传输装置，其特征在于：所述的聚光段（3-2）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（3-2）输出端面的直径及其延长线为x轴，聚光段（3-2）的中心线为y轴，x为聚光段（3-2）的半径变量，d/2≤︱x︱≤D/2，y为半径变量x所对应的聚光段（3-2）高度，y≥0。

5.根据权利要求3或4所述的多束激光聚光传输装置，其特征在于：所述的整光段（3-3）直径d的取值范围为0.8mm≤d≤2.5mm，激光传输段（3-1）直径D的取值范围为7d≤D≤10d。

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