CN107167928B - 光斑形状转换装置及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光斑形状转换装置及系统，涉及激光光斑形状转换领域。所述光斑形状转换装置包括激光器、双包层光纤和反射罩，所述激光器和所述双包层光纤耦合，所述双包层光纤的中间设置有包层光剥离器，所述包层光剥离器的外侧设置有反射罩，由所述激光器输出的激光经所述双包层光纤进入所述包层光剥离器，进入所述包层光剥离器的激光部分以不同的角度发散到自由空间中，其中，以不同角度入射到所述反射罩上的激光经所述反射罩反射收集形成面光源，未发散到自由空间中的激光通过所述包层光剥离器并经所述双包层光纤出射。和现有技术相比，本发明提供的装置及系统的结构简单、可靠性高，能够实现功率损耗小且输出稳定的全光纤结构。

Description

光斑形状转换装置及系统

技术领域

本发明涉及激光光斑形状转换领域，具体而言，涉及一种光斑形状转换装置及系统。

背景技术

随着科学技术的不断发展，例如生物医疗、工业生产、地质勘测、农业养殖等领域对于特殊照明光源的需求越来越高。例如传统的医疗照明灯具基本以卤素灯和卤钨灯作为光源，存在寿命不长、光源发散、高热辐射等缺点，达不到当今医疗行业对照明定点、定向、高可靠性的要求。

激光具有高亮度、高单色性、高方向性和高单色性的优点，激光光源广泛应用于当今各行各业。对于高光束质量的激光器，其近场光斑为面积非常小的圆形，光斑亮度更是可以达到1000W/(cm²sr)，光密度非常高。但是对于生物医疗、工业生产等特定的激光应用领域，要求较大的激光近场光斑面积及较低光密度，现在多使用组合透镜来实现激光光斑形状的转换，其光学系统的结构复杂且难以保证稳定的光功率输出。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光斑形状转换装置及系统，其能够有效改善上述问题。

本发明的实施例是这样实现的：

第一方面，本发明实施例提供了一种光斑形状转换装置，其包括激光器、双包层光纤和反射罩，所述激光器和所述双包层光纤耦合，所述双包层光纤的中间设置有包层光剥离器，所述包层光剥离器的外侧设置有反射罩，由所述激光器输出的激光经所述双包层光纤进入所述包层光剥离器，进入所述包层光剥离器的激光部分以不同的角度发散到自由空间中，其中，以不同角度入射到所述反射罩上的激光经所述反射罩反射收集形成面光源，未发散到自由空间中的激光通过所述包层光剥离器并经所述双包层光纤出射。

在本发明较佳的实施例中，所述包层光剥离器设置在所述反射罩的中心位置。

在本发明较佳的实施例中，所述反射罩为弧面反射罩。

在本发明较佳的实施例中，所述反射罩为空心半圆柱形反射罩。

在本发明较佳的实施例中，所述包层光剥离器为棒状结构，所述包层光剥离器面向所述反射罩的一侧可透光，所述包层光剥离器背向所述反射罩的一侧不透光。

在本发明较佳的实施例中，所述光斑形状转换装置还包括激光吸收池，所述激光吸收池和所述双包层光纤远离所述激光器的一端耦合，未发散到自由空间中的激光通过所述包层光剥离器并经所述双包层光纤进入所述激光吸收池被吸收。

在本发明较佳的实施例中，所述包层光剥离器的激光剥离比大于或等于99.5％。

在本发明较佳的实施例中，所述激光器为半导体激光器。

在本发明较佳的实施例中，所述双包层光纤为双包层石英光纤。

第二方面，本发明实施例还提供了一种光斑形状转换系统，其包括如上所述的光斑形状转换装置及灯罩，所述灯罩与所述光斑形状转换装置中的反射罩相对设置，经所述反射罩反射收集形成的面光源通过所述灯罩出射。

本发明实施例提供的光斑形状转换装置及系统，通过激光器输出光斑较小、光密度较高的激光点光源，通过双包层光纤将激光器输出的激光耦合进包层光剥离器，使进入所述包层光剥离器的激光部分以不同的角度发散到自由空间中，再通过反射罩将以不同角度入射到所述反射罩上的激光反射并收集形成面光源，最后通过所述双包层光纤的另一端将通过所述包层光剥离器的未发散到自由空间中的激光接收并出射。相对于现有技术中使用组合透镜进行光斑形状转换的方法，本发明提供的光斑形状转换装置及系统的点光源向面光源功率转换的效率高，其结构简单、可靠性高，能够实现功率损耗小且输出稳定的全光纤结构。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明第一实施例提供的光斑形状转换装置的结构示意图；

图2为本发明第一实施例提供的加入激光吸收池的光斑形状转换装置的结构示意图；

图3为本发明第一实施例中的进行光斑形状转换的结构示意图；

图4为本发明第一实施例中光斑形状转换的光路示意图；

图5为本发明第一实施例提供的光斑形状转换系统的结构示意图；

图6为本发明第二实施例提供的光斑形状转换装置的结构示意图。

图标：100-激光器；200-双包层光纤；300-包层光剥离器；400-反射罩；500-激光吸收池；1000-光斑形状转换装置；1500-灯罩；2000-光斑形状转换系统。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，“输入”、“输出”、“反馈”、“形成”等术语应理解为是描述一种光学、电学变化或光学、电学处理。如“形成”仅仅是指光信号或电信号通过该元件、仪器或装置之后发生了光学上或电学上的变化，使得所述光信号或所述电信号受到处理，进而获得实施技术方案或解决技术问题所需要的信号。

在本发明的具体实施例附图中，为了更好、更清楚的描述该光斑形状转换装置及系统中各元件的工作原理，表现所述装置中各部分的连接关系，只是明显区分了各元件之间的相对位置关系，并不能构成对元件或结构内的光路方向、连接顺序及各部分结构大小、尺寸、形状的限定。

第一实施例

请参照图1，本实施例提供了一种光斑形状转换装置1000，其包括激光器100、双包层光纤200和反射罩400。所述激光器100和所述双包层光纤200耦合，所述双包层光纤200的中间设置有包层光剥离器300，所述包层光剥离器300的外侧设置有反射罩400。

作为一种激光的传播方式，由所述激光器100输出的激光点光源经所述双包层光纤200耦合进入所述包层光剥离器300，进入所述包层光剥离器300的激光中的一部分以不同的角度发散到自由空间中。其中，以不同角度入射到所述反射罩400上的激光，经所述反射罩400反射，形成的反射光束的传播方向相同，且光斑面积相对于激光器100发出的激光点光源有了显著的增加，因此实现了点光源到面光源的光斑形状转换。而剩下极少部分未发散到自由空间中的激光，直接通过所述包层光剥离器300进入所述双包层光纤200的后段，最终经所述双包层光纤200出射。

请参照图2，本实施例中，所述光斑形状转换装置1000还可以包含激光吸收池500，所述激光吸收池500和所述双包层光纤200远离所述激光器100的一端耦合。直接穿过所述包层光剥离器300，进入双包层光纤200后段的那极少部分未发散到自由空间中的激光，经所述双包层光纤200的后段耦合进入所述激光吸收池500被吸收。

根据具体实施领域的不同以及对光源要求的不同，本实施例中的激光器100的输出功率选择，可以从毫瓦级到千瓦级甚至更高。

本实施例中，所述包层光剥离器300的激光剥离比可以大于或等于99.5％，即达到25dB及以上的剥离比。尽管光光转换效率如此之高，如果作为光源的激光功率达到了1kW，直接通过包层光剥离器300而并未发散到自由空间中的激光功率仍然有大约5W，这部分激光若通过双包层光纤200出射直接或经反射进入人眼，将对人眼造成极大的损害。

因此，通过设置激光吸收池500，对直接穿过包层光剥离器300而没有形成面光源的激光进行收集，大大提升了该装置在使用上的安全性，使装置的可操作性更强。

可以理解的是，所述激光吸收池500还可以替换为其他器件，例如将双包层光纤200的后段直接与其他光学系统耦合，可将在该光斑形状转换装置1000中不需要的由双包层光纤200后段输出的激光作为其他光学系统的光源，可以提高能量的利用率。

请参照图3，本实施例中，所述包层光剥离器300为棒状结构，所述反射罩400为空心半圆柱形反射罩400，所述包层光剥离器300设置在所述空心半圆柱形反射罩400的中心轴线上。本实施例中，所述包层光剥离器300面向所述反射罩400的一侧可透光，所述包层光剥离器300背向所述反射罩400的一侧不透光。

本实施例中，所述包层光剥离器300是通过在所述双包层光纤200的中段，对双包层光纤200的外包层进行部分的剥除来实现的，其剥除的部分外包层所对应的圆心角与所述反射罩400的圆心角是对应的。可以理解的是，双包层光纤200上被剥除外包层的那段光纤可作为包层光剥离器300，其被剥除外包层的一侧可透光，而另一侧不透光。进入所述包层光剥离器300的激光，透过被剥除的部分发散到自由空间中，其发散角度可以是任意的。

本实施例中，所述空心半圆柱形反射罩400的圆心角是180°，此时，为使从所述包层光剥离器300中发散到自由空间中的光全部被所述反射罩400所收集，所述包层光剥离器300的可透光区域对应的圆心角可以小于或等于180°。

请参照图4，本实施例中，经所述包层光剥离器300发散到自由空间中的激光，分别以不同的角度入射到所述反射罩400的反射面上的各个位置。由于在每个垂直于包层光剥离器300中激光直线传输方向的平面上，激光从所述包层光剥离器300上出射的位置都正好位于该截面上反射罩400的中心，由几何光学可知，从反射罩400的中心以不同角度入射到反射罩400上的光经过所述反射罩400的反射，各反射光均会以同一方向平行出射至与所述反射罩400相对的另一侧。此时，本来由激光器100输出的光密度较大、光斑较小的激光点光源，经所述反射罩400反射输出形成了光斑面积较大、光密度小而均匀的面光源，从而完成了激光点光源到面光源的光斑形状转换。

可以理解的是，本实施例提供的所述反射罩400还可以是任意满足点光源向面光源转换要求的形状，例如可以是单一的弧面或平面，也可以是由多个角度、面积不同的弧面或平面拼接而成。不同形状的反射罩400，对应的包层光剥离器300的位置、发散角度是不同的。

本实施例中，所述激光器100选用的是半导体激光器100，所述双包层光纤200为双包层石英光纤。可以理解的是，所述激光器100还可以选用二氧化碳激光器100等常用的输出激光为点光源的激光器100，所述双包层光纤200还可以选用其他材料制作的光纤。

本实施例中，所述激光器100的输出波长可以是任意的。由于包层光剥离器300本身的结构优势，选用恰当的双包层光纤200，对于任意波长的激光都可以做到非常高的光转换效率。例如在生物医疗等领域，有时需要均匀面光源的紫外光来进行大范围消毒，此时通过使用本实施例提供的装置即可实现不错的效果。

请参照图5，为使本实施例提供的装置应用更加方便，本实施例还提供了一种光斑形状转换系统2000，其包括如上所述的光斑形状转换装置1000及灯罩1500。所述灯罩1500与所述光斑形状转换装置1000中的反射罩400相对设置，经所述反射罩400反射收集形成的面光源通过所述灯罩1500出射。

特别的，所述灯罩1500可以和所述反射罩400拼接固定，以防止漏光或杂散光的影响。

相对于现有的采用组合透镜实现光斑形状转换的光学系统，本实施例提供的装置及系统的光学结构简单且可全光纤化，其光光转化效率非常高，而且耐受光程度高，能够实现千瓦级的功率输出。

第二实施例

请参照图6，本实施例提供了一种光斑形状转换装置1000，和上述第一实施例相比最大的不同在于，本实施例提供的光斑形状转换装置1000中的反射罩400为部分球面形状，而包层光剥离器300设置在所述球面反射罩400的中心位置。

和上述第一实施例相比，本实施例中，所述包层光剥离器300的激光发散角度可以是任意的，其透光区域可作为具有一定发散球面度的激光点光源。此时，从该包层光剥离器300出射到自由空间内的激光均可看作从球面反射罩400的球心入射到球面上。

相对于第一实施例中经过光斑形状转换形成的矩形面光源，本实施例经过球面反射罩400的反射能够形成大面积的圆形光斑。

综上所述，本发明实施例提供的光斑形状转换装置及系统，通过激光器输出光斑较小、光密度较高的激光点光源，通过双包层光纤将激光器输出的激光耦合进包层光剥离器，使进入所述包层光剥离器的激光部分以不同的角度发散到自由空间中，再通过反射罩将以不同角度入射到所述反射罩上的激光反射并收集形成面光源，最后通过所述双包层光纤的另一端将通过所述包层光剥离器的未发散到自由空间中的激光接收并出射。相对于现有技术中使用组合透镜进行光斑形状转换的方法，本发明提供的光斑形状转换装置及系统的点光源向面光源功率转换的效率高，其结构简单、可靠性高，能够实现功率损耗小且输出稳定的全光纤结构。以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光斑形状转换装置，其特征在于，包括激光器、双包层光纤和反射罩，所述激光器和所述双包层光纤耦合，所述双包层光纤的中间设置有包层光剥离器，所述包层光剥离器的外侧设置有反射罩，

所述包层光剥离器设置在所述反射罩的中心位置，反射罩为空心半圆柱形反射罩，反射光均会以同一方向平行出射至与所述反射罩相对的另一侧，空心半圆柱形反射罩的圆心角是180°，包层光剥离器的可透光区域对应的圆心角小于或等于180°，将包层光剥离器中发散到自由空间中的光全部被反射罩所收集；

由所述激光器输出的激光经所述双包层光纤进入所述包层光剥离器，进入所述包层光剥离器的激光部分以不同的角度发散到自由空间中，

其中，以不同角度入射到所述反射罩上的激光经所述反射罩反射收集形成面光源，

未发散到自由空间中的激光通过所述包层光剥离器并经所述双包层光纤出射；

所述光斑形状转换装置还包括激光吸收池，所述激光吸收池和所述双包层光纤远离所述激光器的一端耦合，

未发散到自由空间中的激光通过所述包层光剥离器并经所述双包层光纤进入所述激光吸收池被吸收。

2.根据权利要求1所述的光斑形状转换装置，其特征在于，所述反射罩为弧面反射罩。

3.根据权利要求1所述的光斑形状转换装置，其特征在于，所述包层光剥离器为棒状结构，所述包层光剥离器面向所述反射罩的一侧可透光，所述包层光剥离器背向所述反射罩的一侧不透光。

4.根据权利要求1所述的光斑形状转换装置，其特征在于，所述包层光剥离器的激光剥离比大于或等于99.5％。

5.根据权利要求1所述的光斑形状转换装置，其特征在于，所述激光器为半导体激光器。

6.根据权利要求1所述的光斑形状转换装置，其特征在于，所述双包层光纤为双包层石英光纤。

7.一种光斑形状转换系统，其特征在于，包括如权利要求1至6任一项所述的光斑形状转换装置及灯罩，所述灯罩与所述光斑形状转换装置中的反射罩相对设置，

经所述反射罩反射收集形成的面光源通过所述灯罩出射。

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