CN106772969B - 一种鱼眼式激光回返光二次利用装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种鱼眼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的附近外围设置的鱼眼镜，在鱼眼镜的后方沿其中心轴设置有反射组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过鱼眼镜及其中心空腔发生趋向光轴的偏折、再入射至反射组，反射组将激光反射后从鱼眼镜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

一种鱼眼式激光回返光二次利用装置

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，本发明提出一种鱼眼式激光回返光二次利用装置。

本发明的技术方案如下：

一种鱼眼式激光回返光二次利用装置,包括在激光光源的附近外围设置的鱼眼镜，在鱼眼镜的后方沿其中心轴设置有反射组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过鱼眼镜及其中心空腔发生趋向光轴的偏折、再入射至反射组，反射组将激光反射后从鱼眼镜出射至被照射元件表面。

这里，一组鱼眼镜可以对应一组透射整形组以及反射组，也可以对应多组透射整形组以及反射组(阵列)。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：

上述鱼眼镜前部的中心通道可以为空，即与鱼眼镜的中心空腔贯通；也可以(与鱼眼镜本体)为透明的实心一体结构，或者采用透镜填充封闭所述中心通道。其中：

如果采用透镜填充封闭所述中心通道，根据需要可以选择平面镜、楔形镜、正透镜或负透镜。如果采用透明的实心一体结构：可以将对应于中心通道位置的鱼眼镜内侧表面设置为凹面，在鱼眼透镜与反射组之间再设置一组凸透镜；或者，对应于中心通道位置的鱼眼镜内、外侧均为端直平面(类似于平面镜填充)。

在鱼眼镜与反射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。

上述透射整形组根据需要可选用负镜组或正镜组或棱镜组或阵列镜组；反射组根据需要设置为偏心或非偏心，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：

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。

上述鱼眼镜可以有多组，在所述激光光源外围环绕分布或并列分布。

上述鱼眼镜可以相对激光光源靠前，透射整形组与激光光源平齐，即光轴方向上鱼眼镜的位置相对于激光光源更靠近被照射元件(相当于激光光源凹陷于环绕的鱼眼镜中心)，这样充分利用鱼眼镜的广角特性，提高回返光的能量利用率。

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为系统级应用方案示意图(无外部壳体)。

图6为系统级应用方案示意图(有外部壳体)。

图7为以激光光源为轴心环绕布局的示意图(面向光源的视角)。

附图标号说明：

1-鱼眼镜组；101-鱼眼镜的中心空腔；102-鱼眼镜前部的中心通道；103-用于填充封闭的透镜；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-鱼眼镜组+透射整形组+反射组共同构成的回返光利用单元。

具体实施方式

本发明的回返光利用装置核心组成部分：鱼眼镜组+透射整形组+反射组。回返光进入鱼眼镜组接收范围(鱼眼镜接收视场宽广)，进入透射组进行整形，整形后的激光再入射到反射组上，反射组将激光反射后，激光再次进入透射整形组进行整形，然后激光从鱼眼镜组前部的中心通道(中空填充组)出射，完成回返光的二次利用。

具体结构及作用：

鱼眼镜组：一种凸面式广角负透镜(也可为非球面)；鱼眼镜组的曲面曲率可根据实际需要设计，最大可达到200°以上，也就是说，在曲率条件满足的情况下，鱼眼镜组甚至可以吸收其后方的回返光。利用中心空腔的空气隙与鱼眼镜自身材质折射率的差异，使回返光通过鱼眼镜后发生趋向光轴的汇聚，二次反射后光束相对准直地从鱼眼镜的中心轴部分透射至被照射元件。

透射整形组：负镜组、正镜组、棱镜组或阵列镜组；将鱼眼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至图3所示，对于鱼眼镜的结构，其前部的中心通道可以为空，也可以设计填充组。其中，图1所示为无填充，激光直接由此出口出射；图2所示为填充平面镜，激光经平面镜出射，平面镜可以起到防止灰尘杂质等进入的作用；图3为填充楔形镜，激光经楔形镜以一定的角度出射。

对于鱼眼镜的结构，还可以将其前部的中心通道设计为一体实心件，由于此时鱼眼镜组的中心通道上的前部内侧表面为凹面，对激光可进行发散。为了避免回返光经鱼眼透镜出射时被发散，可根据需要在鱼眼透镜和透射整形组之间设置一组凸透镜，对激光进行汇聚，这样可以保证出射的回返光满足要求。或者，中心通道此处的内外两面均为端直平面，抛光、磨平，类似于在该处采用平面镜填充封闭。

如图4所示，反射组的反射面可以为非球面。

本发明的系统级应用方案如图5、图6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 (8)

1.一种鱼眼式激光回返光二次利用装置,其特征在于：包括在激光光源的附近外围设置的鱼眼镜，在鱼眼镜的后方沿其中心轴设置有反射组，在鱼眼镜与反射组之间还设置有透射整形组，使得激光光源在被照射元件表面产生的回返光经过鱼眼镜及其中心空腔发生趋向光轴的偏折、经透射整形组后再入射至反射组，反射组将激光反射后经透射整形组后从鱼眼镜出射至被照射元件表面。

2.根据权利要求1所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述鱼眼镜前部的中心通道为空。

3.根据权利要求1所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述鱼眼镜前部的中心通道为透明的实心一体结构，或者采用透镜填充封闭所述中心通道。

4.根据权利要求3所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：用于填充封闭的透镜为平面镜、楔形镜、正透镜或负透镜。

5.根据权利要求3所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：作为透明的实心一体结构：对应于中心通道位置的鱼眼镜内侧表面为凹面，则在鱼眼透镜与反射组之间还设置一组凸透镜；或者，对应于中心通道位置的鱼眼镜内、外侧均为端直平面。

6.根据权利要求5所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：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；所述反射组根据需要设置为偏心或非偏心，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。

7.根据权利要求5所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述鱼眼镜有多组，在所述激光光源外围环绕分布或并列分布。

8.根据权利要求7所述的鱼眼式激光回返光二次利用装置，其特征在于：所述鱼眼镜相对激光光源靠前，透射整形组与激光光源平齐。