CN106681010A - 一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括菲涅尔透镜和柱面镜，菲涅尔透镜的一面有多个平行排列的楞，多个楞对半导体激光束的波前进行分割，经过每个楞输出的激光束角度不同，实现不同区域的光束经过菲涅尔透镜后在同一处叠加，使菲涅尔透镜输出均匀且在慢轴方向聚焦的光斑，柱面镜对入射光进行快轴方向聚焦，输出均匀的矩形光斑，解决了传统聚焦装置无法兼顾光斑尺寸和光斑均匀性的问题。在激光表面改性过程中，由本发明提供的菲涅尔聚焦装置输出的激光光斑的尺寸能够更好的跟工件作用区域相匹配，可以有效降低温度梯度所带来的受热不均匀性问题，提高加工质量和效率。

Description

一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置
技术领域
本发明涉及大功率半导体激光器领域，更具体地，涉及一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置。
背景技术
半导体激光表面硬化通过高光束质量的激光束迅速且精准地加热工件表面，使作用区域表面温度迅速上升，而其余大部分材料处于低温并将热量传导至表面其它部分。通过极短的冷却时间形成高硬度的细晶粒组织(马氏体)，可以显著提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性。由于作用周期短，几乎没有热变形，可以有效的保持基体材料的性能。半导体激光束的功率连续可调，并没有惯性，配合数控系统或机器人系统，可以实现柔性加工，对形状复杂的零件进行硬化处理，现已被广泛应用于齿轮、发动机缸套、模具表面硬化等行业。但是高功率半导体激光器因其固有的结构特征，导致其快慢轴方向上的光束质量存在着严重的不对称，使得其输出光束质量极差，严重制约了半导体激光器在激光加工中的应用。因此，如何提高半导体激光器光束质量，得到形状和大小可控的均匀输出光斑是半导体激光表面硬化行业现在急需解决的难题。
通过聚焦系统改善半导体激光器光束质量是较为常用的方法。传统的聚焦系统设计方案主要有球面镜组、柱面镜组、球柱面镜组。采用球面镜组，如三分离物镜，能够很好地消除系统的球差和彗差，但由于进入聚焦系统前光束的慢轴方向的非均匀分布导致聚焦光斑在快轴方向上始终是非均匀的。另外，球面镜组的一个显著缺陷就是无法灵活的控制输出光斑的形状。柱面镜组可以通过两片相互正交的柱面镜对快慢轴分别进行聚焦，可以实现任意长宽比的矩形光斑输出。但是柱面镜仅仅是对快慢轴分别进行简单的聚焦，而无法使得输出光斑均匀一致。若采用球柱面镜组，虽可以在一定范围内调整输出光斑形状，但其输出光斑的均匀性无法得到实质性的提高。总之，传统的聚焦系统无法兼顾光斑尺寸和光斑均匀性，输出光束质量较差，一定程度上制约了半导体激光器在激光表面硬化行业的应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，旨在解决现有聚焦装置不能兼顾的激光束均匀性和光斑尺寸的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括：
菲涅尔透镜，其一面为平行排列的楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同，射入的激光束经多个楞面对激光束的波前进行分割并聚焦，输出在慢轴方向聚焦均匀的激光束；
柱面镜，与菲涅尔透镜正交放置，用于将由菲涅尔透镜输出的激光束在快轴方向聚焦；
激光束为经过准直后的半导体激光束。
经过准直后的光场，快轴发散角通常要小于慢轴发散角。当经过准直后的光场入射至菲涅尔透镜，每个楞面将经过准直后的半导体激光束的波前分割为多个小波面，每个楞控制每个小波面在焦平面上的聚焦位置，光斑叠加，实现光斑均匀化，由于菲涅尔透镜的楞的排列方向与经过准直后的半导体激光束的慢轴方向相同，光斑在慢轴方向聚焦。由菲涅尔透镜输出的激光束射入柱面镜，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜通过直接改变射入柱面镜的激光束的光路，光斑在快轴方向聚焦，实现对半导体激光束光斑均匀性和光斑尺寸的控制。
进一步地，经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，多个相邻的楞让不同区域的半导体激光束聚焦到同一区域，实现菲涅尔透镜输出在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束，在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束经过柱面镜在半导体激光束快轴方向聚焦输出矩形均匀的激光束。
进一步的，菲涅尔透镜入射面为平面，菲涅尔透镜的出射面为有多个楞平行排列的平面，相较于其他类型的菲涅尔透镜，光学效率最高，而且易于安装和维护。
进一步地，菲涅尔透镜的楞距在0.5mm～1.5mm，能够提高输出激光束的均匀性。
进一步地，根据公式确定第i个楞的楞高度角θi，式中，mi为第i个楞出射光与光轴的夹角的余角，n12为相对折射率，n1＝1为标准大气压下的空气折射率，n2为菲涅尔透镜材料的折射率。
进一步地，菲涅尔透镜和柱面镜材料均为镧火石玻璃，具有较大的折射率，实现更好的聚焦效果。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
1、菲涅耳透镜的每个楞对半导体激光束进行波前分割为多个小波面，由于每个楞的角度不同，使得经过每个楞射出的光束角度不同，通过控制每个楞的角度，实现对不同区域的光束聚焦到同一个区域，即光斑的叠加，实现输出均匀且在慢轴方向聚焦的光斑，柱面镜对均匀且在慢轴方向聚焦的光斑进行聚焦，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜将激光束在快轴方向聚焦，输出均匀的矩形光斑。
2、本发明提供的菲涅尔聚焦装置采用菲涅尔透镜，有效降低了聚焦系统的镜片厚度，很大程度上提高了光能利用率。
3、采用本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，通过设计菲涅耳透镜各楞高度角和柱面镜焦距，能根据需要灵活地控制输出光斑的形状和大小，同时有效的提高光斑的均匀性。
附图说明
图1是本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在慢轴方向的光束聚焦示意图；
图2是本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在快轴方向的光束聚焦示意图；
图3是平板型楞朝内菲涅尔透镜匀化聚焦原理图；
图4是菲涅尔透镜的楞距对光斑均匀性的影响图；
图5是入射至菲涅尔透镜的激光束发散角对焦斑均匀性的影响图；
图6是在距离半导体阵列360mm处的光斑实测光场分布图，其中，(a)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场的三维分布图,(b)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场快轴方向的分布图,(c)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场慢轴方向的分布图,(d)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场的二维分布图；
图7是在距离半导体阵列410mm处的光斑实测光场分布图，其中，(a)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场的三维分布图,(b)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场快轴方向的分布图,(c)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场轴慢方向的分布图,(d)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场的二维分布图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜，一面有平行排列的楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同。还包括柱面镜，与菲涅尔透镜正交放置。输入菲涅尔聚焦装置的光束是经过准直系统准直后输出的光束。半导体激光器的本征特性使得其输出光场的快轴发散角较大，慢轴发散角较小，输出光场呈椭圆分布。一般都会先对半导体激光器的快慢轴分别进行准直。准直后的光场，快轴发散角通常要小于慢轴发散角。经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，由于菲涅尔透镜的楞的排列方向与经过准直后的半导体激光束的慢轴方向相同，经多个楞面对激光束的波前分割为多个小波面，每个楞控制每个小波面在焦平面上的聚焦位置，在缩小慢轴方向的光斑尺寸的同时进行光斑叠加均化，输出均匀性良好且在慢轴方向聚焦光束，由菲涅尔透镜输出的激光束入射到柱面镜上，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜直接对入射的激光束直接改变其光路，缩小菲涅尔透镜输出的激光束快轴方向的光斑尺寸，输出均匀矩形光斑。由于慢轴方向上的光束发散角较大，需通过菲涅尔透镜分割重排进行聚焦，而快轴方向上的光束发散角较小，仅通过一个柱面镜就能很好的聚焦。
图1为本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在慢轴方向的光束聚焦示意图，如图1所示，半导体激光阵列3射入菲涅尔透镜1，由于菲涅尔透镜1上楞的排列方向与半导体激光阵列3的慢轴方向相同，菲涅尔透镜1对半导体激光阵列3的波前进行分割并聚焦后输出均匀且在慢轴方向聚焦的光斑。图2为本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在快轴方向的光束聚焦示意图。如图2所示，半导体激光阵列3经过菲涅尔透镜1射入柱面镜2，柱面镜2与菲涅尔透镜1正交，将由菲涅尔透镜1输出的激光束的慢轴方向进行聚焦。先将半导体激光阵列3均化且在慢轴方向聚焦，后将均化且在慢轴方向聚焦的激光束在快轴方向聚焦，实现输出均匀的矩形光斑。
采用本发明提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，通过设计菲涅耳透镜各楞高度角和柱面镜焦距，能根据需要灵活地控制输出光斑的形状和大小，同时有效的提高光斑的均匀性，解决了传统聚焦系统无法兼顾光斑尺寸和光斑均匀性的问题。这样在激光表面改性过程中，光斑尺寸能够更好的跟工件作用区域相匹配，可以有效降低温度梯度所带来的受热不均匀性问题，提高加工质量和效率。同时通过菲涅尔透镜的使用，有效降低了聚焦系统的镜片厚度，提高了光能利用率。
本发明中的菲涅尔透镜的楞高度角为每个楞面与光轴的夹角的余角，楞高度角θi：
其中，n1＝1为标准大气压下的空气折射率，n2为菲涅尔透镜材料的折射率，mi为第i楞出射光与光轴夹角的余角。
图3为平板型楞朝内菲涅尔透镜均匀化聚焦原理图，n个楞将区域Ri的光束分割，光束A1至光束B1经过第i1个楞折射后输出，第i1个楞的楞高度角θi1为楞面与光轴夹角的余角，出射光与光轴夹角的余角为mi1，出射光在平面上的区域为ri，光束A2至光束B2经过第i2个楞折射后输出，出射光与光轴夹角的余角为mi2，出射光在平面上的区域仍为ri，依此类推，光束An至光束Bn经过第in个楞折射后输出，出射光与光轴夹角的余角为min，出射光在平面上的区域仍为ri，由于每个楞的出射光与光轴夹角的余角跟每个楞的高度角有关，通过设计菲涅耳透镜的上述n个楞的楞高度角，让经过每个楞出射的光聚焦在区域ri。对于区域Ri+1的光束也是经过m个楞进行分割，通过控制m个楞的楞高度角，使得区域Ri+1经过m个楞射出的光束在同一个区域上，通过光斑的叠加，实现光斑均匀化，同时控制输出光斑尺寸。
菲涅尔透镜的楞距对聚焦光斑均匀性有影响。当入射光快轴发散角θ快轴＝2.5mrad，慢轴发散角θ慢轴＝15mrad，在菲涅耳透镜聚焦装置焦距f＝380mm处，输出光斑尺寸为2×10mm2时，研究不同菲涅耳透镜楞间距对聚焦光斑均匀性的影响，其ZEMAX仿真结果如图3所示。
从图4可以发现：菲涅耳透镜楞距由0.5mm增大到1mm过程中，其光斑均匀性变化不大，均维持在94.90％左右。而随着楞距的继续增大，输出光斑均匀性会逐渐降低。当楞距增大到2.5mm后，光斑的均匀性不再随楞距的增大而变化，基本稳定在93.85％左右。所以当楞距为1mm时，聚焦光斑的均匀性较好。
入射光发散角对光斑均匀性也有影响。选择楞距为1mm的菲涅耳聚焦系统，分析入射光发散角对聚焦光斑均匀性的影响。由于快轴方向上经准直后发散角较小，θ快轴≤2.5mrad，仅通过一个柱面镜就能很好的聚焦。因此只需分析不同入射光发散角在慢轴方向上对菲涅耳聚焦装置的聚焦效果的影响，其ZEMAX仿真结果如图4所示。
从图5可以发现：起初随着入射光慢轴发散角的增大，菲涅耳聚焦系统输出光斑的均匀性会逐渐提高。当发散角增加到12.5mrad后，会出现一个12.5mrad-20mrad的平坦区，在此区域内光斑的均匀性较高，基本维持在95.22％附近波动。随着发散角的进一步增加，输出光斑均匀性又逐渐降低。所以，该菲涅尔聚焦装置对慢轴发散角介于12.5mrad-20mrad的入射光束的聚焦效果最好。
下面以输出2×10mm2的均匀光斑为例，即光斑在快轴方向尺寸为2mm，在慢轴方向尺寸为10mm，给出最优的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置的参数。半导体激光束的菲涅尔聚焦装置包括菲涅尔透镜和柱面镜。菲涅尔透镜采用平板楞朝内型菲涅尔透镜，即输入面为平面，输出面为由多个平行排列的楞面，选用平板楞朝内型菲涅尔透镜，相较于其他类型的菲涅尔透镜，光学效率最高，而且易于安装和维护。菲涅尔透镜的尺寸为40×40mm2，材料为镧火石玻璃LAFN21，其折射率n＝1.77。而在本例中，菲涅尔透镜为中心轴对称，当菲涅耳楞数为40，楞距为1mm时，根据关系式，可计算出从中心到边缘，每一楞的楞高度角，表1给出了第一个楞到第二十个楞的楞高度角。
表1楞高度角
柱面镜2与菲涅尔透镜1相距20mm相互正交放置，焦距f＝380mm为距柱面镜后表面距离，尺寸为40×40mm2，材料为镧火石玻璃LAFN21。
菲涅尔透镜主要作用是对慢轴光束进行聚焦。每个楞将入射激光束的波前进行分割，在将每个小波面进行叠加聚焦，即先微分后积分的过程，过合理设计菲涅耳透镜的每一楞的楞高度角，我们可以控制每一个小波面在焦平面上的聚焦位置，可在控制输出光斑尺寸的同时，进行叠加匀化。柱面镜2主要作用是对快轴光束进行聚焦，从而实现均匀的矩形光斑输出。
图6(a)给出了距离半导体激光阵列360mm处的光斑光场的三维分布，图6(b)至图6(d)给出了距离半导体激光阵列360mm处的光斑光场的二维分布，从图6(a)可以看出光斑均匀且呈矩形状，从图6(b)和图6(d)中可以看出，在两个方向上的光场均匀分布，从图6(c)中看出，光斑为矩形。图7(a)给出了距离半导体激光阵列410mm处的光斑光场的三维分布，图7(b)至图7(d)给出了距离半导体激光阵列410mm处的光斑光场的二维分布，从图7(b)和图7(d)中可以看出，在两个方向上的光场均匀分布，从图7(c)中看出，光斑为矩形。综合图6和图7可以看出焦深大于50mm，可较好的满足工业加工需求。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，包括：
菲涅尔透镜，其一面为平行排列的多个楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同，射入的激光束经多个楞面对激光束的波前进行分割并聚焦，输出在慢轴方向聚焦的均匀激光束；
柱面镜，与所述菲涅尔透镜正交放置，用于将由所述菲涅尔透镜输出的激光束在快轴方向聚焦；
所述激光束为经过准直后的半导体激光束。
2.根据权利要求1所述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，多个相邻的楞让不同区域的半导体激光束聚焦到同一区域，实现菲涅尔透镜输出在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束，在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束经过柱面镜在半导体激光束快轴方向聚焦输出矩形均匀的激光束。
3.根据权利要求1所述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜入射面为平面，菲涅尔透镜的出射面为有多个楞平行排列的平面。
4.根据权利要求1-3所任意一项述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜的楞距为0.5mm～1.5mm。
5.根据权利要求1-4任意一项所述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，根据公式确定第i个楞的楞高度角θi；
式中，mi为第i个楞出射光与光轴的夹角的余角，n12为相对折射率，n1＝1为标准大气压下的空气折射率，n2为透镜材料的折射率。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，菲涅尔透镜的材料和柱面镜的材料均为镧火石玻璃。
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