CN113366347A - 用于发射光的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于发射光的装置(1)、一种光束准直透镜(3)以及一种用于制造光束准直透镜(3)的方法。装置(1)包括至少一个激光光源(2)和光束准直透镜(3)，特别地用于快轴准直，光束准直透镜(3)包括至少一个双凸面准直元件(4)并且由石英玻璃制成，优选地在纤维拉制工艺中。激光光源(2)发射可见激光，特别地在400‑550nm的波长范围内。

Description

用于发射光的装置
技术领域
本发明涉及一种用于发射光的装置、一种光束准直透镜以及一种制造光束准直透镜的方法。
背景技术
用于发射光的装置可用作高功率二极管激光器。通常，这种装置用于具有非对称光束场的光发射器，其具有所谓的“快轴”和所谓的“慢轴”。
快轴是指垂直于慢轴(平行于半导体晶片的正面)的垂直轴(垂直于半导体晶片)。慢轴和快轴相互垂直并与光束传播方向(z轴)正交。沿着传播方向，具有例如1微米量级尺寸的单个发射器在快轴具有0.5-0.7的数值孔径并且在慢轴具有0.05-0.2的数值孔径。
用于快轴的最常见的准直器是平柱透镜。这些用于为具有高数值孔径的快轴提供低像差准直。
这种准直器通常由高质量玻璃制成。高折射率材料最大限度地减少了透镜的最大垂度和实现所需折射所需的表面倾斜度。对于非关键性能要求，也可以使用均质圆柱棒透镜，即光纤。
GB2510401 A公开了一种与激光二极管堆叠一起使用的微光学元件，该元件包括形成为单片阵列的多个双凸面快轴准直器元件。在这点上，入射透镜的布置被提供在元件的第一表面上并且出射透镜的布置被提供在元件的与第一表面相对的第二表面上。入射透镜和出射透镜的布置可以适于以行或以二维阵列布置的多个单独发射器的布置。单片元件可以使用激光微加工由熔融石英制成。
具有高透射率值的玻璃的准直元件主要用于波长范围在800到1000nm之间的二极管激光器。
在小于550nm的波长范围内，特别地在400-500nm范围内，也可以使用具有高功率的光发射器。对于该波长范围，具有高透射率值的玻璃材料的选择受到限制。
此外，这些加工方法复杂，因此非常昂贵。
发明内容
本发明的任务是消除现有技术的缺点，特别地提供一种用于发射光的装置、一种光束准直透镜以及一种用于制造光束准直透镜的方法，利用它们可以以低成本提供良好的光学准直质量。
该任务通过一种用于发射光的装置来解决，该装置包括至少一个激光光源和至少一个或恰好一个光束准直透镜，特别地用于快轴准直。
光束准直透镜包括至少一个双凸面准直元件并由石英玻璃制成。
激光光源发射可见激光，特别地波长小于或等于550nm，特别地波长范围为300nm至550nm，进一步特别地400-500nm。
在较小的波长下，工业上可用的功率急剧增加，光束准直透镜中对最小吸收的要求也随之增加。高功率会导致严重发热，并存在散焦风险，从而降低光束质量。
折射率n约为1.80的传统快轴准直元件在低功率下已经显现出强烈的温度增加。
由折射率约为1.45的熔融石英制成的准直元件在功率超过200W时显示很小的温度增加。因此可以在大功率范围内保证光束质量。
在优选实施例中，该装置具有多个激光光源。激光光源可以以二维阵列布置。优选地，激光光源彼此相邻地布置成一排。
优选地，光束准直透镜具有与激光光源的布置相对应的双凸面准直元件的阵列。有利地，光束准直透镜是单片的。
熔融石英折射率较小的缺点可以通过相应形状的入射面和出射面来补偿。双凸面准直元件可以在出射侧具有近圆柱形(acylindrical)形状并且在入射侧具有圆柱形形状或近圆柱形形状。
“圆柱形”形状是指准直元件的横截面具有圆形形状，而在近圆柱形形状中存在与圆形段的偏差，例如多段式的形状。
优选地，双凸面准直元件的整个入射面凸出弯曲和/或双凸面准直元件的整个出射面也凸出弯曲。因此，准直元件的表面具有简单的形状，没有凹入或平坦的部分表面。这有利于制造过程。
特别优选地，整个光束准直透镜的入射面凸出弯曲和/或整个光束准直透镜的出射面也凸出弯曲，特别地当用于发射光的装置包括多个发射器并且光束准直透镜用于这些多个发射器时也是如此。
在该装置的一个特别有利的实施例中，光束准直透镜是棒状的。棒状意味着透镜是圆柱形的并且优选地在横向于光传播的方向上(即在快轴方向上)比在光传播方向上更长。
光束准直透镜可以被设计成双凸面圆柱体，使得它可以用于布置成一排的多个激光光源。
双凸面圆柱体可以设置有在入射侧具有圆形段的横截面。
这种光束准直透镜具有简单的几何形状，因此可以廉价地制造，例如在光纤拉制工艺中。
棒状光束准直透镜也可以容易地组合以形成用于以二维阵列布置的激光光源的光束准直透镜阵列，例如通过在长边上相互粘合光束准直透镜。
该任务由光束准直透镜解决，特别地用于快轴准直，用于如上所述的用于发射光的装置。
光束准直透镜包括至少一个双凸面准直元件并由石英玻璃制成。双凸面准直元件的入射面凸出弯曲，并且双凸面准直元件的出射面也凸出弯曲，因此尽管石英玻璃的折射率较低，但仍可实现足够的折射。
在有利的实施例中，双凸面准直元件具有面积为0.2mm2-10mm2、和/或长度为2mm-12mm和/或高度为0.1mm-0.85mm的入射面。
入射面是指双凸面准直元件的面向光源的表面。
在有利的实施例中，双凸面准直元件具有面积为0.6mm2-30mm2、和/或长度为2mm-12mm和/或高度为0.3mm-2.5mm的出射面。
出射面是指双凸面准直元件的背离光源的表面。
双凸面准直元件可以在入射侧具有0.1mm的最大曲率深度和/或在出射侧具有0.5mm的最大曲率深度。
双凸面准直元件可以具有0.2mm至1.8mm的焦距。
高度数据涉及光学有效区域。由于入射靠近发射器并且发散很大，因此入射侧的光学有效高度小于出射侧的光学有效高度。然而，准直元件可以被制造成使得入射侧和出射侧具有大致相等的高度。
在每种情况下，上述尺寸也适用于整个光束准直透镜。
在优选实施例中，光束准直透镜通过光纤拉制工艺制造。光束准直透镜然后优选地具有双凸面圆柱体的整体形状。
光束准直透镜的圆周表面(即圆柱壳上的表面)是光滑的且形状精确。光束准直透镜在圆周上没有钝的局部表面，包括非光学的向上和向下的圆周表面。在圆周表面上看不到锯痕或压制工具的痕迹。
横向于圆柱体轴线的非光学侧表面可以由于分离步骤而变钝，并且可以具有例如锯痕。
在一个优选实施例中，光束准直透镜是棒状的。
该问题通过具有以下步骤的如上所述的用于制造光束准直透镜的方法进一步解决。
首先，提供由石英玻璃制成的双凸面预制件。其横截面积比待制造的光束准直透镜的准直元件的横截面积大，特别地大100至10000倍。
预制件是使用传统的玻璃制造工艺制造的，例如研磨和抛光。透镜所需的形状精度可以通过以合理的努力通过常规制造大型预制件进行缩放来实现。
预制件被加热，特别地加热到2000-2200℃的温度。预制件被引入相应的熔炉中。为此目的，将具有与待生产的准直元件一致的形状的预制件引入相应的熔炉中。
加热后，光束准直透镜被拉出，从而发生缩放，即横截面积减小。这通常使用包括滚轮的拉拔装置来完成。拉拔力被调整到所需的比例。
在拉拔期间，在离开熔炉之后，光束准直透镜可能仍处于几百度的温度，其远低于玻璃化转变温度，并具有最终的横截面。
冷却可以在空气中进行。
然后可以将棒状透镜切割成所需的长度。
由于从预制件到最终部件的大规模缩放，可以成本有效地大批量生产各个组件。
如果需要，可以将棒状光束准直透镜粘合在一起以形成二维准直场。
通过使用如上所述的用于加工有色金属的用于发射光的装置进一步解决了该任务。
短波长适用于有色金属的加工，以实现高效加工。
可以使用如上所述的光束准直透镜以简单且成本有效的方式提供具有较短波长的高功率二极管激光器。
附图说明
参考以下附图解释本发明。
图1以横截面示出根据本发明的装置；
图2示出根据本发明的光束准直透镜的透视图；
图3示出光束准直透镜的制造示意图。
具体实施方式
图1以横截面示出用于发射光的装置1。装置1包括布置成一排的多个激光光源2、以及用于快轴准直的光束准直透镜3。
光束准直透镜3包括双凸面准直元件4，并且由石英玻璃制成。
激光光源1发射波长小于550nm，特别地波长范围为300-500nm的可见激光。
双凸面准直元件4在入射侧6上具有0.1mm的最大曲率深度13。
双凸面准直元件4在出射侧5上具有0.5mm的最大曲率深度14。
入射面7具有0.1mm-0.85mm的高度10，出射面8具有0.3mm-2.5mm的高度12。
光束准直透镜3被优选地制造成使得入射侧和出射侧之间的区域19的大部分具有恒定的高度20。
出射侧5的轮廓可以遵循以下多项式。
Figure BDA0003184019470000051
优选地，该形状遵循十阶多项式。系数是例如
R＝-0.3mm；
k＝-1；
A4＝-3.2812mm-3，
A6＝16.414mm-5，
A8＝-241.567mm-7，以及
A10＝822.595mm-9。
图2以透视图示出了根据本发明的光束准直透镜3。光束准直透镜3是棒状的，使得相邻的双凸面准直元件4彼此合并，并形成共同的入射面7和出射面8。
入射面7和出射面8具有2mm-12mm的长度11。
图3示出了光束准直透镜3的制造示意图。
首先，提供由石英玻璃制成的双凸面预制件15。
在熔炉16中，预制件15被加热到2000-2200℃的温度。
在加热之后，光束准直透镜3用滚轮拉拔装置17拉拔，减小了横截面积。
在离开熔炉16之后，通过测量系统18检查横截面。
冷却在空气中进行。
随后，将棒状光束准直透镜3切割成所需长度。

Claims (11)

1.一种用于发射光的装置，包括至少一个激光光源(2)和至少一个光束准直透镜(3)，特别地用于快轴准直，所述光束准直透镜(3)包括至少一个双凸面准直元件(4)并且由石英玻璃制成，其特征在于
所述激光光源(2)发射可见激光，特别地波长小于550nm，进一步特别地波长范围为300-500nm。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述装置(1)包括多个激光光源(2)并且所述光束准直透镜(3)优选地包括双凸面准直元件(4)的阵列，
特别地，所述激光光源(2)并排布置。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中，所述双凸面准直元件(4)在出射侧(5)具有近圆柱形形状并且在入射侧(6)具有圆柱形形状或近圆柱形形状。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述双凸面准直元件(4)的入射面(7)凸出弯曲并且所述双凸面准直元件(4)的出射面(8)凸出弯曲。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中，所述光束准直透镜(3)是棒状的。
6.一种用于用于发射光的装置的光束准直透镜，特别地根据权利要求1-5中任一项所述的装置，特别地用于快轴准直，其中所述光束准直元件包括至少一个双凸面准直元件并且由石英玻璃制成，其特征在于，所述双凸面准直元件的入射面凸出弯曲，并且所述双凸面准直元件的出射面凸出弯曲。
7.根据权利要求6所述的光束准直透镜，其中，所述双凸面准直元件
-包括面积为0.2mm2-10mm2的入射面(7)和/或长度(9)为2mm-12mm的入射面(7)和/或高度(10)为0.1mm-0.85mm的入射面(7)和/或
-包括面积为0.6mm2-30mm2的出射面(8)和/或长度(11)为2mm-12mm的出射面(8)和/或高度(12)为0.3mm-2.5mm的出射面(8)和/或
-在入射侧(6)的最大曲率深度(13)为0.1mm和/或
-在出射侧(5)的最大曲率深度(14)为0.5mm和/或
-焦距为0.2mm至2mm，优选为0.2-1.8mm。
8.根据权利要求6或7所述的光束准直透镜，其中，所述光束准直透镜(3)在光纤拉制工艺中制造。
9.根据权利要求6至8所述的光束准直透镜，其中，所述光束准直透镜(3)是棒状的。
10.一种用于制造具有至少一个双凸面准直元件(4)的根据权利要求6至9所述的光束准直透镜(3)的方法，包括以下步骤
-提供石英玻璃的双凸面预制件(15)，其横截面积比要制造的光束准直透镜(3)的准直元件(4)的横截面积大，特别地大100到10000倍；
-加热所述预制件(15)，特别地加热到2000-2200℃的温度；
-拉拔所述光束准直透镜(3)；
-冷却；
-特别地切割所需的长度。
11.根据权利要求1-5中任一项所述的用于发射光的装置(1)的用于加工有色金属的用途。
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