CN106772968A - 一种偏折式激光回返光二次利用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种偏折式激光回返光二次利用装置，旨在提升半导体激光器应用系统的能效比。该装置包括在激光光源附近设置的棱镜组，在棱镜组的后方并避开激光光源设置有反射组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过棱镜组发生趋向光轴的折射、再入射至反射组，反射组将激光反射后从棱镜组出射至被照射元件表面。本发明有效实现了二次利用反射能量，提升系统的能效比；结构模块化，便于拆卸安装和移植；体积小，重量轻。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器光源系统的结构设计。
背景技术
目前半导体激光器已广泛应用于泵浦、工业加工、医疗等领域，在半导体激光器的应用过程中，被照射元件表面接收激光时会产生不同程度的回返光。低功率半导体激光器回返光微弱，应用上可进行忽略。大功率的半导体激光器回返光较强，为了避免回返光损伤光源，目前仅采取了回返光的规避措施。但采用规避措施的方式处理回返光属于能量损失，导致整个系统能效比低，未充分考虑回返光的再次利用问题。
发明内容
为了提升半导体激光器应用系统的能效比，本发明提出一种偏折式激光回返光二次利用装置。
本发明的技术方案如下：
一种偏折式激光回返光二次利用装置，包括在激光光源附近设置的棱镜组，在棱镜组的后方并避开激光光源设置有反射组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过棱镜组发生趋向光轴的折射、再入射至反射组，反射组将激光反射后从棱镜组出射至被照射元件表面。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：
上述激光光源位于棱镜组的后方；具体位置是：激光光源在棱镜组后端面覆盖范围内(即激光光源发出的光经过楔形镜组出射)，或者激光光源在棱镜组的外围。
在反射组与棱镜组之间还设置有透射整形组。在光束质量较好的情况下，无透射整形组，也是可行的。上述透射整形组与所述反射组一一配对，或者一对多(一个透射整形组对应多个反射组组成的阵列)，或者多对一(多个透射整形组组成的阵列对应一个反射组)。
上述棱镜组选用截面为梯形的圆台式棱镜或者截面为三角形的锥形棱镜。
具体的位置、结构匹配设置，可分为以下三种优化模式：
一：激光光源设置在棱镜组后端面覆盖范围内
激光光源和透射整形组以及反射组均处于棱镜组后端面覆盖范围内，其中：
激光光源居中，对应于接收回返光的棱镜组两侧斜面、在激光光源的外围平行设置一组或分布多组透射整形组以及反射组；
或者，激光光源的位置对应于接收回返光的棱镜组的其中一侧斜面，透射整形组以及反射组的位置对应于接收回返光的棱镜组的另一侧斜面，与激光光源平行。
进一步举例：
激光光源可对应于接收回返光的圆台式棱镜的其中一侧斜面且靠近圆台面的位置，在圆台式棱镜后端面对应激光光源出光位置设置有二分之一波片，激光光源发出的激光偏振模式为TE，经过所述二分之一波片后为TM，圆台式棱镜的圆台面上镀有偏振反射膜，能够将该处接收的TM模式的回返光反射回去。
激光光源可居中并对应于接收回返光的圆台式棱镜的圆台面，在该圆台面上镀有反射膜，能够将该处接收的回返光反射回去。
二：激光光源设置在棱镜组外围
在棱镜组后端面覆盖范围内、对应于接收回返光的棱镜组两侧斜面分布多组透射整形组以及反射组；所述激光光源设置于所述多组透射整形组以及反射组整体的外围。
三：对激光光源单独设置镜组
激光光源位于棱镜组的外围，在激光光源前设置有独立的楔形镜组；所述棱镜组至少有一组，每一组棱镜组后方在对应于接收回返光的棱镜组斜面的位置设置一组或者分布多组透射整形组以及反射组。
进一步的，所述棱镜组有多组，在所述激光光源及其楔形镜组的外围环绕分布。
上述反射组根据需要设置可为偏心或非偏心，所述透射整形组选用负镜组或正镜组或棱镜组或阵列镜组；所述反射组的反射面为抛物面、双曲面、椭球面、球面或者其他形式的非球面。具体来说：
考虑到系统体积长度不能过长时，需要将发射组设计为偏心装置，降低系统长度。
当入射光为斜射状态，且无整形组状态下，需要将反射组设计为偏心。
当出射光有一定角度要求时，在不增加整形组的状态下，需要将反射组设计为偏心。
除以上外，均可设计为非偏心状态。
当鱼眼镜组接收广角散射的回返光时，需要正镜组，所述正透镜组在鱼眼镜组后端有一定聚光能力，控制入射到反射面的光束角度，使回返光能匹配反射面的面型。
当鱼眼镜组接受大斜角入射的回返光时，鱼眼镜组后端设置负镜组，使回返束能入射到反射面，并控制入射到反射面的入射角度，使其与反射面面型相匹配。
当鱼眼镜组接受光场复杂的回返光时，鱼眼透镜后端设置正镜组和负镜组，均不能更好的对该回返光进行光束整形，不能更好的控制入射到反射面的光束角度，与反射面的面型不能更好匹配。这时需要在鱼眼镜组后端设置阵列镜组。对回返光进行分解微分处理，使回返光入射到反射面的角度能与反射面的面型更好匹配，并使光束均匀可用。
当考虑到回返光为斜射光束，或反射面设计为偏向形式时，或出射光束要求为斜射状时。在鱼眼镜组后端设置棱镜组，对回返光进行偏折处理。
抛物面、双曲面、椭球面、球面或者其他形式的非球面，是反射面的基础面型。面型的选择是由入射与出射光束的角度与分布决定，而入射与出射均和透镜整形组设计有关。反过来说透镜整形组的设计决定反射面面型的选择。
本发明的技术效果如下：
1、有效实现了二次利用反射能量，提升系统的能效比；
2、结构模块化，便于拆卸安装和移植；
3、体积小，重量轻。
附图说明
图1为实施例一的示意图。
图2为实施例二的示意图。
图3为实施例三的示意图。
图4为实施例四的示意图。
图5为实施例五的示意图。
图6为实施例六的示意图。
图7为基于实施例三的一种系统级应用方案示意图。
图8为基于实施例一或实施例四的一种系统级应用方案示意图。
图9为以激光光源为轴心环绕布局的示意图(面向光源的视角)。
图10为基于实施例一进一步避免回返光损伤影响的优化方案示意图。
附图标号说明：
1-棱镜组；101-棱镜组接收回返光的斜面；2-透射整形组；3-反射组；4-激光光源；5-封装壳体；6-被照射元件；A-棱镜组+透射整形组+反射组共同构成的回返光利用单元；7-二分之一波片；8-偏振反射膜。
具体实施方式
本发明的回返光利用装置核心组成部分：棱镜组+透射整形组+反射组。回返光进入棱镜组(单个或多个)，进入透射整形组(单个或多个)进行整形，整形后的激光再入射到反射组(单个或多个)上，反射组将激光反射后再次进入透射整形组进行整形，然后从棱镜组出射，完成回返光的二次利用。
具体结构及作用：
棱镜组：一种楔形镜；利用棱镜组吸收大角度的回返光，最大吸收角度为120°左右。
另外，将激光光源(出光端)对应于棱镜组接收回返光的斜面时，还可以使光源发出的激光光路发生偏折，以避免回返光损伤光源。为了进一步减少光源面对的回返光，还可如图10所示(以圆台式棱镜为例)，激光光源发出的激光偏振模式为TE，经过二分之一波片后为TM，圆台式棱镜的外侧中心面(台面)上镀有偏振反射膜，能够将TM模式的回返光反射出去。这里，激光光源的出光孔最好与圆台棱镜的外侧中心面错开，避免光路发生干涉。
不过，即便将激光光源(出光端)对应于棱镜组中心位置，也仍然可采用其他措施来避免回返光损伤光源，如直接在圆台式棱镜的外侧中心面处镀反射膜，将沿光轴返回的回返光反射。
而且，考虑到实际的被照射元件表面通常有一定粗糙度，回返光沿光轴返回的部分较少，对光源的损伤已经很小。
透射整形组：负镜组或正镜组；将棱镜组吸收的回返光进行整形。
反射组：反射面为抛物面/双曲面/椭球面/球面/非球面；将整形后的回返光再次反射至透射整形组，反射组可根据需要设计为偏心或非偏心。
通过合理匹配透射整形组以及反射组，可使尽可能多的光线在二次反射后成为准直光束(发散角小)，从而尽可能提高再次照射至被加工元件表面的能量，即提高二次利用效能。
如图1所示，棱镜组选用截面为梯形的圆台式棱镜；在数量上一组棱镜可对应多组透射整形组和反射组(透射整形组和反射组构成阵列，激光光源位于阵列中间)。
如图2所示，棱镜组选用截面为三角形的锥形棱镜；在数量上一组棱镜可对应多组透射整形组和反射组(透射整形组和反射组构成阵列，激光光源位于阵列外侧)。
如图3所示，棱镜组选用截面为三角形的锥形棱镜；棱镜组、反射组和整形组数量可以一一对应(数量相等)。
如图4所示，还可以将图3所示结构中的棱镜组分为两个独立的棱镜，即一个棱镜(普通的楔形镜也可)用于使激光光源发生偏折，另一个棱镜用于吸收回返光。还可如图5、图6所示方案利用普通的楔形镜。
本发明的系统级应用方案如图7、图8所示：
(1)激光光源发出激光，作用到激光接收装置的被作用面上，该被作用面可以为端泵晶体、工件表面、待治疗表面等；
(2)被作用面产生回返光，回返光发射到回返光利用装置中；
(3)回返光利用装置对回返光进行反射、整形后，再次入射到被作用面上，从而实现回返光的再次利用。
回返光利用装置可单一使用，也可以将n个回返光利用装置对激光器进行环绕式捆绑使用，每个回返光利用装置独立工作。
Claims (10)
1.一种偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：包括在激光光源附近设置的棱镜组，在棱镜组的后方并避开激光光源设置有反射组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过棱镜组发生趋向光轴的折射、再入射至反射组，反射组将激光反射后从棱镜组出射至被照射元件表面。
2.根据权利要求1所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述激光光源位于棱镜组的后方；具体位置是：激光光源在棱镜组后端面覆盖范围内，或者激光光源在棱镜组的外围。
3.根据权利要求1或2所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：在反射组与棱镜组之间还设置有透射整形组；所述透射整形组与所述反射组一一配对，或者一对多，或者多对一。
4.根据权利要求3所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述棱镜组选用截面为梯形的圆台式棱镜或者截面为三角形的锥形棱镜。
5.根据权利要求4所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：
所述激光光源和透射整形组以及反射组均处于棱镜组后端面覆盖范围内，其中：
激光光源居中，对应于接收回返光的棱镜组两侧斜面、在激光光源的外围平行设置一组或分布多组透射整形组以及反射组；
或者，激光光源的位置对应于接收回返光的棱镜组的其中一侧斜面，透射整形组以及反射组的位置对应于接收回返光的棱镜组的另一侧斜面，与激光光源平行。
6.根据权利要求5所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：
激光光源对应于接收回返光的圆台式棱镜的其中一侧斜面且靠近圆台面的位置，在圆台式棱镜后端面对应激光光源出光位置设置有二分之一波片，激光光源发出的激光偏振模式为TE，经过所述二分之一波片后为TM，圆台式棱镜的圆台面上镀有偏振反射膜，将该处接收的TM模式的回返光反射回去；
或者，激光光源居中并对应于接收回返光的圆台式棱镜的圆台面，在该圆台面上镀有反射膜，将该处接收的回返光反射回去。
7.根据权利要求4所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：在棱镜组后端面覆盖范围内、对应于接收回返光的棱镜组两侧斜面分布多组透射整形组以及反射组；所述激光光源设置于所述多组透射整形组以及反射组整体的外围。
8.根据权利要求3或4所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述激光光源位于棱镜组的外围，在激光光源前设置有独立的楔形镜组；所述棱镜组至少有一组，每一组棱镜组后方在对应于接收回返光的棱镜组斜面的位置设置一组或者分布多组透射整形组以及反射组。
9.根据权利要求8所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述棱镜组有多组，在所述激光光源及其楔形镜组的外围环绕分布。
10.根据权利要求1所述的偏折式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述反射组根据需要设置为偏心或非偏心，所述透射整形组选用负镜组或正镜组或棱镜组或阵列镜组；所述反射组的反射面为抛物面、双曲面、椭球面、球面或者其他形式的非球面。
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