CN108535805B - 导光管及应用其的光束整形系统 - Google Patents

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Abstract

一种导光管，该导光管为条状，具有一入射端面和一出射端面，该导光管由依次连接的n个立体结构相对一固定轴扭转而形成，形成的导光管的侧面满足导光光束的全反射条件，其中，n为自然数。导光管的入射端面的大小与聚焦到导光管的导光光束的光斑大小相匹配。另外，本发明还公开了一种光束整形系统，采用上述的导光管实现光束整形。本发明提出的导光管的入射端面较大，因此无需对导光光束进行高精度调节即可高效耦合进导光管内；其通过全反射原理对光束进行传导整形，因此适用范围广、无需定制和使用成本低；光束整形系统可应用于多个半导体激光器模块的耦合输出，且输出光斑近似圆形。

Description

导光管及应用其的光束整形系统
技术领域
本发明属于光束整形领域，更具体地涉及一种导光管及应用其的光束整形系统。
背景技术
半导体激光器(LD)通常由多个半导体激光发光单元通过一维阵列(bar)或多维阵列(stack)叠加而成。每个bar条由十几或几十个发光单元组成，bar条的长度一般为10mm。发光区域在快轴方向仅有1μm，慢轴方向上发光尺寸为100μm，发光点在空间分布上较稀疏，输出光能量不集中。而且其发出的激光在水平和竖直方向上光束质量相差悬殊。快慢轴两个方向有较大的且不对称的发散角，快轴方向为基模高斯分布，光束接近衍射极限(M2＝1)，慢轴方向为多模高斯分布，光束质量极差(M2＞1000)。因此，半导体激光阵列远场呈现出的是一组间距较大的平行光斑，不利于光束聚焦。在使用LD时必须采用光束整形方法，解决其光束在快、慢轴两个方向上光束质量不一致和光斑分布不均匀的问题，才能有效的工作。
目前，对高功率半导体激光器的整形方法主要采用微透镜阵列法。该方法如图1所示，以单bar条半导体激光器为例，将光束扭转微透镜阵列架设在经快慢轴准直的半导体激光器前。在未经光束扭转微透镜阵列整形之前，出射的光束在远场以线条形状光斑呈现，在通过光束扭转微透镜阵列后可将每个发光源发出的激光扭转90°，转变成类似正方形的形状。但光束扭转微透镜阵列的参数需与激光器参数匹配才能获得较好的整形效果，因此使用时需要根据具体激光器进行定制，不仅适应性不强而且成本高，再者为实现较好的光束整形效果，光束扭转微透镜阵列需要精确的调节台，且调节精度要求较高，这极大的增加了系统的复杂程度。
发明内容
基于以上问题，本发明的目的在于提出一种导光管及应用其的光束整形系统，用于解决以上技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明公开了一种导光管，该导光管为条状，具有一入射端面和一出射端面，其特征在于，该导光管由依次连接的n个立体结构相对一固定轴扭转而形成，形成的导光管的侧面满足导光光束的全反射条件，其中，n为自然数。
进一步地，上述导光管的入射端面的大小与聚焦到导光管的导光光束的光斑大小相匹配。
进一步地，上述n个立体结构为n个全等、相似或不同的柱体或空心柱体。
进一步地，上述导光管的入射端面和出射端面为圆形或多边形。
进一步地，上述导光管的主体采用对导光光束的吸收率低于2％、损伤阈值高于1000W/mm2的材料。
进一步地，上述导光管的侧面镀有与导光光束的波长相匹配的增反膜，导光管的入射端面和出射端面镀有与导光光束的波长相匹配的增透膜。
进一步地，上述导光管为螺旋结构或弯折结构。
进一步地，上述导光光束为激光光束。
为了达到上述目的，本发明还公开了一种光束整形系统，该光束整形系统采用上述导光管实现光束整形。
本发明提出的导光管及应用其的光束整形系统具有以下有益效果：
1、本发明提出的导光管的耦合入射端面较大，因此无需对导光光束进行高精度调节即可将光束高效耦合进导光管内；
2、本发明提出的光束整形系统可适用于不同规格的半导体激光器，由于其通过全反射原理对光束进行传导整形，因此具有适用范围广、无需定制和使用成本低的特点；
3、本发明提出的光束整形系统可应用于多个半导体激光器模块的耦合输出，且输出光斑近似圆形，便于半导体激光器的应用。
附图说明
图1是现有技术中光束整形采用的光束扭转微透镜阵列及其使用方法示意图；
图2是本发明一实施例提出的导光管的结构示意图；
图3是本发明一实施例提出的导光管的侧面截面图；
图4是本发明一实施例提出的导光管的使用状态示意图；
图5(a)是半导体激光器未经本发明一实施例提出的导光管整形前快慢轴光束的强度分布曲线；
图5(b)是半导体激光器经本发明一实施例提出的导光管整形后快慢轴光束的强度分布曲线；
图6(a)～图6(c)分别是半导体激光器未经本发明一实施例提出的导光管整形前，距离激光器端面1mm、5mm和20mm处的光斑图；
图7(a)～图7(c)分别是半导体激光器经本发明一实施例提出的导光管整形后，距离导光管出射端面1mm、5mm和20mm处的光斑图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出了一种导光管，所述导光管为条状，具有一入射端面和一出射端面，该导光管由依次连接的n个立体结构相对一固定轴扭转而形成，形成的导光管的侧面满足导光光束的全反射条件，其中，n为自然数。
上述n个立体结构为n个全等、相似或不同的柱体或空心柱体。
优选地，上述形成导光管的柱体或空心柱体的大小可根据整形效果进行优化。
上述导光管的入射端面的大小与聚焦到导光管的导光光束的光斑大小相匹配。
优选地，上述导光管的入射端面和出射端面为圆形或多边形。
上述导光管采用对导光光束的吸收率低于2％的材料，优选地，其材料的损伤阈值高于1000W/mm2。
上述导光管的侧面镀有与导光光束的波长相匹配的增反膜，且入射端面镀和出射端面镀有与导光光束的波长相匹配的增透膜。
优选地，上述导光管为螺旋结构或弯折结构。
优选地，上述导光光束为激光光束。
本发明提出的导光管，由于相比于光纤，入射端面大小较大，因此无需对导光光束进行高精度调节即可直接将光束高效耦合进导光管内，耦合效率高。
由于导光管通过全反射原理对光束进行传导整形，整个光束整形系统简单便捷，易调节；因此具有适用范围广、无需定制和使用成本低的特点。
由于经本发明提出的导光管进行光束整形后，出射光斑近似圆形，因此采用此导光管作为光束整形系统的半导体激光器，可直接应用于激光切割、焊接等工业领域，利于半导体激光器应用中后期的光束聚焦等。
以下通过具体实施例对本发明提出的导光管及应用其的光束整形系统进行详细描述。
实施例
本实施例以经矩形体扭转形成的导光管作为示范例进行介绍，并佐以仿真结果证明其对半导体激光器光束的整形作用。
如图2所示，本实施例提出一种导光管，该导光管是由损伤阈值高的玻璃制成，该导光管为条状，具有一入射端面101、一出射端面102，该导光管由一矩形体相对一固定轴扭转而形成，形成的导光管的侧面103满足导光光束的全反射条件，其中，n为自然数。
如图3所示，本实施例的导光管由长宽均为2mm，高为60mm的矩形体以中心轴为旋转轴扭转形成，该扭转为沿光轴方向每20mm沿同一方向旋转90°，共旋转270°。则该导光管的输入端面101和输出端面102均为边长2mm的正方形，该导光管总长为60mm，侧面103镀有对激光的增反膜，反射率为＞99％，输入端面101和输出端面102镀有对激光的增透膜，透射率为＞99％。
使用时直接将半导体激光器出射激光聚焦耦合进入导光管内。如图4所示。本实施例使用的半导体激光器为有19个发光单元的bar条，每个发光单元在慢轴方向发光尺寸为100μm，在快轴方向发光尺寸为1μm，由图5(a)所示的光斑强度分布可知，在经过快慢轴准直后在距光源10mm处的光斑在快慢轴两个方向上的光斑尺寸相差很大，光束质量相差较大。未经整形的半导体激光器在激光器端面1mm，5mm和20mm处的光斑图如图6(a)～图6(c)所示；而使用透镜将半导体激光器出射激光耦合进入导光管可以实现对入射激光的整形，从导光管输出的激光光斑呈近似圆形，且快慢轴方向的光束质量近似。如图5(b)所示的光斑强度分布表示的是将半导体激光器出射激光聚焦耦合进入导光管后，导光管输出端面后10mm处的快慢两轴的光强分布，可以看到快慢两轴光强分布一致。导光管后端面1mm，5mm和20mm处的光斑图如图7(a)～图7(c)所示。由图6(a)～图6(c)与图7(a)～图7(c)的对比可以看出，在未经导光管整形前，半导体激光器出射的激光光斑呈长条形，快慢两轴光斑尺寸相差悬殊，慢轴光斑尺寸约20mm，而快轴光斑尺寸仅为2～3mm，同时快慢轴发散角相差悬殊，慢轴发散角一般在准直后可达40mrad，而快轴发散角在准直后仅为约8mrad。通过导光管整形后的光斑在原快慢轴两方向的光斑尺寸相当，且具有相似的发散角，可在远场仍保持类似圆形的光斑。由此可见本发明可对半导体激光器出射激光的光束整形方面具有良好的效果。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种导光管，所述导光管为条状，具有一入射端面和一出射端面，其特征在于，所述导光管由依次连接的n个立体结构相对同一固定轴沿同一方向扭转而形成，形成的所述导光管的侧面满足导光光束的全反射条件，其中，n为自然数。
2.如权利要求1所述的导光管，其特征在于，所述导光管的入射端面的大小与聚焦到所述导光管的导光光束的光斑大小相匹配。
3.如权利要求2所述的导光管，其特征在于，所述n个立体结构为n个全等、相似或不同的柱体或空心柱体。
4.如权利要求2所述的导光管，其特征在于，所述导光管的入射端面和出射端面为圆形或多边形。
5.如权利要求1所述的导光管，其特征在于，所述导光管的主体采用对导光光束的吸收率低于2％、损伤阈值高于1000W/mm2的材料。
6.如权利要求1所述的导光管，其特征在于，所述导光管的侧面镀有与导光光束的波长相匹配的增反膜，所述导光管的入射端面和出射端面镀有与导光光束的波长相匹配的增透膜。
7.如权利要求1所述的导光管，其特征在于，所述导光管为螺旋结构或弯折结构。
8.如权利要求1所述的导光管，其特征在于，所述导光光束为激光光束。
9.一种光束整形系统，其特征在于，所述光束整形系统采用如权利要求1～8中任一项所述的导光管。
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