CN113655624A - 一种大面积方光斑激光输出装置及光学整形方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大面积方光斑激光输出装置及光学整形方法，其特征在于：包括激光器、方形芯光纤、光纤准直镜组、扫描振镜、聚焦镜组及变焦镜组；整形方法为①激光器输出的光斑耦合进入方形芯光纤输出，输出为正方形光斑；②利用准直镜组将方形光纤输出的正方形光斑进行压缩准直，使其压缩准直为a:1的小长方形光斑输出；③将小长方形光斑作为光斑源，经过扫描振镜扫描后，扫描成a:na比例的大长方形光斑输出；④扫描振镜扫描的大长方形光斑经过聚焦镜组，将大长方形光斑进行聚焦缩束，减小光斑大小；⑤将聚焦缩束后的光斑送入至变焦镜组内，经过变焦镜组进行变焦扩束，实现大面积方形光斑输出。本发明实现了大面积光斑激光输出，节约了能耗。

Description

一种大面积方光斑激光输出装置及光学整形方法
技术领域
本发明涉及一种激光应用领域，尤其涉及一种大面积方光斑激光输出装置及光学整形方法。
背景技术
激光眩目器通常是采用绿光激光器、光束整形器件和扩束镜头实现准直激光输出，实现昡目功能，从而实现区域拒止功能。
从应用上，由于目前市场上相对成熟的眩目设备主要是激光眩目枪，其作用距离较近，通常在几米至百米量级，且光斑为小面积的圆形光斑，对于远距离(≥500m)的场合，且要求实现方形光斑输出的技术指标，这一类激光眩目设备无法满足使用。从技术上，实现大面积方光斑，通常是采用小孔光阑进行遮挡拦光，构造出方形光斑，而大面积光斑理论上可以通过扩大扩束镜头焦距或扩束倍数实现，但随着作用距离增大，为了维持激光眩目所要求的最低功率密度达到0.2mW/cm2，光斑面积增大，激光功率就得增加，以500m作用距离，如果要实现激光面积8m2，且保持功率密度在0.2mW/cm2以上，再考虑激光大气传输衰减，理论可计算需要激光的输出功率为32W以上，这对于激光器而言，不论采用固体激光器还是半导体激光器，都是个大成本、大体积的设备，且存在热管理问题，这对于实际手持式或地基式设备的应用是不现实的。
发明内容
本发明目的是提供一种大面积方光斑激光输出装置及光学整形方法，通过使用该结构，实现大面积方光斑的输出，同时降低了激光输出功率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种大面积方光斑激光输出装置，包括激光器、方形芯光纤、光纤准直镜组、扫描振镜、聚焦镜组及变焦镜组；
所述激光器射出的光斑耦合进入所述方形芯光纤，并输出为正方形光斑；
所述光纤准直镜组将所述正方形光斑在X轴、Y轴方向进行压缩准直，准直为小长方形光斑输出；
所述扫描振镜将所述准直镜组输出的小长方形光斑扫描成大长方形光斑；
所述聚焦镜组将扫描振镜扫描的光斑聚焦缩束，缩小光斑尺寸；
所述变焦镜组将聚焦缩束的光斑进行变焦扩束，实现大面积光斑输出。
上述技术方案中，所述光纤准直镜组包括两组正交放置的柱透镜，分别对正方形光斑在X轴和Y轴方向进行准直。
上述技术方案中，两组所述柱透镜为焦距不同的两组柱透镜。
上述技术方案中，所述扫描振镜是由高速驱动电机驱动的高速扫描振镜。
为达到上述目的，本发明采用乐乐一种大面积方光斑激光输出的光学整形方法，
①激光器输出的光斑耦合进入方形芯光纤输出，方形芯光纤输出的光斑为正方形光斑；
②利用准直镜组将方形光纤输出的正方形光斑进行压缩准直，使其压缩准直为a:1的小长方形光斑输出；
③将步骤②中的小长方形光斑作为光斑源，经过扫描振镜扫描后，扫描成a:na比例的大长方形光斑输出；
④扫描振镜扫描的大长方形光斑经过聚焦镜组，将大长方形光斑进行聚焦缩束，减小光斑大小；
⑤将聚焦缩束后的光斑入射至变焦镜组内，经过变焦镜组进行变焦扩束，实现大面积方形光斑输出。
上述技术方案中，所述方形芯光纤两个方向的NA相同。
上述技术方案中，所述步骤③中，扫描振镜利用高速驱动电机驱动，将小长方形光斑扫描成大长方形光斑。
上述技术方案中，所述聚焦镜组包括两组大口径的正透镜。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明中通过采用方形芯光纤输出，这样可获得近场方形光斑，再利用光纤准直镜组进行准直，实现小长方形光斑输出，扫描振镜能够将小长方形光斑扫描为大长方形光斑，为了在小空间内使得扫描振镜扫描的光斑能够顺利的经过变焦镜组输出大面积光斑，通过聚焦镜组缩小光斑尺寸，这样能够在小尺寸的空间内，使得光斑能够顺利的进入到变焦镜组内变焦扩束，实现大面积光斑输出，同时激光器的输出功率不会增加；
2.本发明中方形芯光纤两个方向NA相同，这样能够便于后续扫描、聚焦后扩束，保证出射光斑的均匀性。
附图说明
图1是本发明实施例一中的结构示意图。
其中：1、激光器；2、方形芯光纤；3、光纤准直镜组；4、扫描振镜；5、聚焦镜组；6、变焦镜组；7、正透镜；8、柱透镜；9、高速驱动电机。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1所示，一种大面积方光斑激光输出装置，包括激光器1、方形芯光纤2、光纤准直镜组3、扫描振镜4、聚焦镜组5及变焦镜组6；
所述激光器射出的光斑耦合进入所述方形芯光纤，并输出为正方形光斑；
所述光纤准直镜组将所述正方形光斑在X轴、Y轴方向进行压缩准直，准直为小长方形光斑输出；
所述扫描振镜将所述准直镜组输出的小长方形光斑扫描成大长方形光斑；
所述聚焦镜组将扫描振镜扫描的光斑聚焦缩束，缩小光斑尺寸；
所述变焦镜组将聚焦缩束的光斑进行变焦扩束，实现大面积光斑输出。
为达到上述目的，本发明采用了一种大面积方光斑激光输出的光学整形方法，
①激光器输出的光斑耦合进入方形芯光纤输出，方形芯光纤输出的光斑为正方形光斑；
②利用准直镜组将方形光纤输出的正方形光斑进行压缩准直，使其压缩准直为a:1的小长方形光斑输出；
③将步骤②中的小长方形光斑作为光斑源，经过扫描振镜扫描后，扫描成a:na比例的大长方形光斑输出；
④扫描振镜扫描的大长方形光斑经过聚焦镜组，将大长方形光斑进行聚焦缩束，减小光斑大小；
⑤将聚焦缩束后的光斑入射至变焦镜组内，经过变焦镜组进行变焦扩束，实现大面积方形光斑输出。
在本发明中，如果说不设置聚焦缩束镜组的话，经过扫描振镜扫描之后的大长方形光斑的尺寸较大，而变焦镜组内的入射口径相对较小，如果要将其入瞳设计更大，其设计难度大，而且成本高昂，因此，通过设置聚焦镜组，将其进行缩束，使其顺利的进入到变焦镜组内，进行变焦扩束，实现大面积光斑输出。
参见图1所示，所述聚焦镜组包括两组大口径的正透镜7。其中，两组正透镜组合而成的聚焦镜组的等效焦距会小于原来的焦距，这样就能够解决小焦距透镜与口径小的矛盾，实现了大口径、小焦距聚焦缩束功能，保证扫描振镜扫描后的光斑能够入射进入到后端的变焦镜组内，从而实现大面积光斑的输出，而且不会增加激光器的输出功率，能够维持激光昡目所需的最低功率密度，降低能耗及产热问题，适用于小尺寸手持式或地基式设备的应用。
参见图1所示，所述光纤准直镜组包括两组正交放置的柱透镜8，分别对正方形光斑在X轴和Y轴方向进行准直。
两组所述柱透镜为焦距不同的两组柱透镜。
这样不同焦距的两组柱透镜能够在X轴与Y轴方向构成a:1的小长方形光斑输出。
所述步骤③中，扫描振镜利用高速驱动电机驱动，将小长方形光斑扫描成大长方形光斑。
所述扫描振镜是由高速驱动电机9驱动的高速扫描振镜。其中，扫描振镜的扫描频率最大可以达到kHz量级，在不增加激光输出功率较低的情况下也能够满足激光昡目需求，这样激光功率在几瓦的情况下，激光功率密度也可以达到0.2mW/cm2以上，即可实现500m远距离的激光昡目作用。
所述方形芯光纤两个方向的NA相同。
在本实施例中，方形芯光纤端面尺寸为100μm×100μm，NA为0.22，由于两个方向的NA相同，这样能够利于后续扫描、聚焦及后端扩束，保证输出光斑的均匀。

Claims (8)

1.一种大面积方光斑激光输出装置，其特征在于：包括激光器、方形芯光纤、光纤准直镜组、扫描振镜、聚焦镜组及变焦镜组；
所述激光器射出的光斑耦合进入所述方形芯光纤，并输出为正方形光斑；
所述光纤准直镜组将所述正方形光斑在X轴、Y轴方向进行压缩准直，准直为小长方形光斑输出；
所述扫描振镜将所述准直镜组输出的小长方形光斑扫描成大长方形光斑；
所述聚焦镜组将扫描振镜扫描的光斑聚焦缩束，缩小光斑尺寸；
所述变焦镜组将聚焦缩束的光斑进行变焦扩束，实现大面积光斑输出。
2.根据权利要求1所述的大面积方光斑激光输出装置，其特征在于：所述光纤准直镜组包括两组正交放置的柱透镜，分别对正方形光斑在X轴和Y轴方向进行准直。
3.根据权利要求2所述的大面积方光斑激光输出装置，其特征在于：两组所述柱透镜为焦距不同的两组柱透镜。
4.根据权利要求1所述的大面积方光斑激光输出装置，其特征在于：所述扫描振镜是由高速驱动电机驱动的高速扫描振镜。
5.一种大面积方光斑激光输出的光学整形方法，其特征在于：
①激光器输出的光斑耦合进入方形芯光纤输出，方形芯光纤输出的光斑为正方形光斑；
②利用准直镜组将方形光纤输出的正方形光斑进行压缩准直，使其压缩准直为a:1的小长方形光斑输出；
③将步骤②中的小长方形光斑作为光斑源，经过扫描振镜扫描后，扫描成a:na比例的大长方形光斑输出；
④扫描振镜扫描的大长方形光斑经过聚焦镜组，将大长方形光斑进行聚焦缩束，减小光斑大小；
⑤将聚焦缩束后的光斑入射至变焦镜组内，经过变焦镜组进行变焦扩束，实现大面积方形光斑输出。
6.根据权利要求5所述的大面积方光斑激光输出的光学整形方法，其特征在于：所述方形芯光纤两个方向的NA相同。
7.根据权利要求5所述的大面积方光斑激光输出的光学整形方法，其特征在于：所述步骤③中，扫描振镜利用高速驱动电机驱动，将小长方形光斑扫描成大长方形光斑。
8.根据权利要求5所述的大面积方光斑激光输出的光学整形方法，其特征在于：所述聚焦镜组包括两组大口径的正透镜。
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