CN108549157B - 一种激光光束的高倍率扩束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光光束的高倍率扩束系统，它为无中心遮拦的共轴四反系统结构，按光线入射方向，与主光轴平行的入射激光光束通过抛物面反射镜的中心孔入射到组合圆锥反射镜的圆锥反射镜上，再经内圆锥面反射镜反射，输出与入射激光光束平行的环形光；球面反射镜将组合圆锥反射镜输出的环形光反射至抛物面反射镜，得到大环形光斑、小发散角的扩束激光。由于组合圆锥镜产生的环形光不仅避免中心遮拦，还能不改变激光发散角、无能量损失传输激光，因此该系统能够在无中心能量损失，无中心遮拦情况下，满足大倍率扩束设计要求，且扩束系统紧凑，易于单点金刚石车床加工和调装，可应用于激光测距仪领域。

Description

一种激光光束的高倍率扩束系统
技术领域
本发明涉及一种激光光束的扩束系统，特别涉及一种采用共轴四反结构实现激光光束的高倍率扩束，属于激光应用技术领域。
背景技术
激光扩束系统是激光测距仪等诸多激光仪器设备中的重要部分，其主要作用是压缩激光的空间发散角，并使激光束满足孔径要求，实现远距离测距。现有的扩束系统设计方法主要分为折射型和反射型，折射型扩束器的设计、加工和调节都较简单，中国发明专利CN101762878A公开了一种激光扩束系统，采用两块透镜组合实现， 但扩束光斑的孔径较小，倍率较低，难以满足出射光斑大口径要求。反射型扩束器虽能够增大扩束倍率，压缩系统长度，但存在中心遮拦问题，导致高斯型激光中心光束能量损失严重，难以实现远距离测距；离轴型系统虽能够有效避免中心遮拦，但其装调难度很高。因此，在如何避免中心遮拦的同时，满足高倍率扩束设计要求成为激光扩束系统设计的关键问题。
发明内容
本发明针对现有激光光束的扩束系统存在的不足，提供一种扩束倍率达到50倍及以上，且小型化、轻量化、易于加工和调装的激光光束的扩束系统。
实现本发明目的的技术方案是提供一种激光光束的高倍率扩束系统，它为无中心遮拦的共轴四反系统结构，包括组合圆锥反射镜、球面反射镜和抛物面反射镜；所述的组合圆锥反射镜由共轴的圆锥反射镜和内圆锥面反射镜组成，它们的顶角相同，所述抛物面反射镜的中心处开孔；按光线入射方向，与主光轴平行的入射激光光束通过抛物面反射镜的中心孔入射到组合圆锥反射镜的圆锥反射镜上，再经内圆锥面反射镜反射，输出与入射激光光束平行的环形光；球面反射镜将组合圆锥反射镜输出的环形光反射至抛物面反射镜，得到大环形光斑、小发散角的扩束激光。
本发明技术方案提供的一种激光光束的高倍率扩束系统，它的扩束倍率为50及以上。
本发明技术方案所述的球面反射镜、抛物面反射镜、圆锥反射镜和内圆锥面反射镜的材料均为铝；球面反射镜和抛物面反射镜的表面镀有厚度为1.54um的高反射膜。
本发明的一个优选技术方案是：入射激光的发散角θ1为12.5mrad，光束的直径D1为0.25mm；组合圆锥反射镜中，圆锥反射镜的底面直径D2为3.5mm，内圆锥面反射镜的底面直径D3为7mm，它们的顶角为45°；球面反射镜的顶点曲率半径R1为10.2mm，口径D4为6mm，与组合圆锥反射镜的距离d1为23.48mm；抛物面反射镜的二次曲面系数K1为1，顶点曲率半径R2为45.134mm，口径D5为13.2mm，与球面反射镜的距离d2为18.3mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：由于采用了组合圆锥反射镜和球面反射镜、抛物面反射镜的共轴四反结构，在实现无中心遮拦情况下，达到扩束50倍率及以上的高倍率扩束，视场范围内的MTF及波像差达到衍射极限，能量传输率达90%以上；且系统紧凑，具有小型化、轻量化的特点；四片反射镜均可用单点金刚石车床加工，且装调方便，有利于生产成本的降低。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种共轴四反扩束系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种共轴四反扩束系统的组合圆锥反射镜的结构示意图；
图3为用探测器对本发明实施例提供的共轴四反扩束系统的出射光进行探测得到的能量分布图；
图4为本发明实施例提供的一种共轴四反扩束系统不同视场下的点列图；
图中，1.组合圆锥反射镜；101.圆锥反射镜； 102.内圆锥面反射镜；103.圆锥反射镜顶角；2. 球面反射镜；3. 抛物面反射镜；4.主光轴；5.入射激光光束。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的一种激光光束的高倍率共轴四反扩束系统的结构示意图；该系统包括组合圆锥反射镜1、球面反射镜2和抛物面反射镜3，它们共轴于主光轴4，且材料均为铝；抛物面反射镜3的中心开有入射激光光束5通过的通孔，球面反射镜2和抛物面反射镜3表面镀有1.54um高反膜。
参见附图2，它是本实施例提供的组合圆锥反射镜的结构示意图；组合圆锥反射镜由圆锥反射镜101和内圆锥面反射镜102组成，它们共轴；圆锥反射镜101的底面直径为3.5mm，内圆锥面反射镜102的底面直径为7mm，它们的顶角相同，均为45°。
参见附图1图和2，入射的激光光束5与主光轴4平行，穿过抛物面反射镜3的中心孔，入射到组合圆锥反射镜1的圆锥反射镜101，再经内圆锥面反射镜102反射，转换为与入射激光光束平行的环形光输出。
在本实施例中，入射激光为高斯型激光光束，其发散角为12.5mrad，光束直径为0.25mm；组合圆锥反射镜1输出的环形光经球面反射镜2反射至抛物面反射镜3，得到大环形光斑、小发散角的激光。环形光与入射激光5平行，球面反射镜2的顶点曲率半径为10.2mm，与反射镜1的距离为23.48mm，口径尺寸为6mm；抛物面反射镜3采用的二次曲面系数为-1，顶点曲率为45.134mm，与反射镜2的距离为18.3mm，口径尺寸为13.2 mm。
系统总体放大倍数为：出射光斑直径/入射光斑直径=13.2/0.25=52.8。
参见附图3，它是用探测器对本实施例提供的共轴四反扩束系统的出射光进行探测得到的能量分布图；探测器探测出射光束的能量，其总追迹光束为850000条，峰值照度为1.123W，探测到1.000W，能量传输率超过90%，有效避免中心遮拦导致的能量损失。
参见附图4，它是本实施例提供的共轴四反扩束系统不同视场下的点列图；由图可见，在5个不同视场下(入射激光发散角内)，像点均小于艾里斑，达到衍射极限。
本发明提供的技术方案在无中心遮拦情况下，满足扩束50倍率设计要求，系统紧凑；同时，共轴系统不仅易于装调，还易于单点金刚石车床加工，有效降低了生产成本，将在激光测距仪领域得到应用。

Claims (3)

1.一种激光光束的高倍率扩束系统，其特征在于它为无中心遮拦的共轴四反系统结构，包括组合圆锥反射镜（1）、球面反射镜（2）和抛物面反射镜（3）；所述的组合圆锥反射镜（1）由共轴的圆锥反射镜（101）和内圆锥面反射镜（102）组成，它们的顶角相同，所述抛物面反射镜（3）的中心处开孔；按光线入射方向，与主光轴（4）平行的入射激光光束（5）通过抛物面反射镜（3）的中心孔入射到组合圆锥反射镜（1）的圆锥反射镜（101）上，再经内圆锥面反射镜（102）反射，输出与入射激光光束（5）平行的环形光；球面反射镜（2）将组合圆锥反射镜（1）输出的环形光反射至抛物面反射镜（3），得到大环形光斑、小发散角的扩束激光；
其中，入射激光的发散角θ1为12.5mrad，光束的直径D1为0.25mm；组合圆锥反射镜（1）中，圆锥反射镜（101）的底面直径D2为3.5mm，内圆锥面反射镜（102）的底面直径D3为7mm，它们的顶角为45°；球面反射镜（2）的顶点曲率半径R1为10.2mm，口径D4为6mm，与组合圆锥反射镜（1）的距离d1为23.48mm；抛物面反射镜（3）的二次曲面系数K1为-1，顶点曲率半径R2为45.134mm，口径D5为13.2mm，与球面反射镜（2）的距离d2为18.3mm；
高倍率扩束系统的扩束倍率为50及以上。
2. 根据权利要求 1 所述的一种激光光束的高倍率扩束系统，其特征在于：所述的球面反射镜（2）、抛物面反射镜（3）、圆锥反射镜（101）和内圆锥面反射镜（102）的材料均为铝。
3. 根据权利要求 1 所述的一种激光光束的高倍率扩束系统，其特征在于：所述的球面反射镜（2）和抛物面反射镜（3）的表面镀有厚度为 1.54um 的高反射膜。
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