CN1223876C - 线形光束整形器 - Google Patents

Abstract

一种线形光束整形器，属光学元件领域。本整形器是由两片以上棱镜错位紧密排列构成，每片微棱镜有三个全反射面，N片棱镜使得光束变成N个垂直紧密排列的光束组，光束间的距离可由相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束光程差控制，并且整形后光束不改变前进方向。本整形器具有结构紧凑，加工镀膜方便，装卡简便，整形效率高的特点。

Description

线形光束整形器

技术领域

本发明涉及一种透射元件组成的线形光束整形器。主要应用于半导体激光器线状发光装置的光束整形，通过改变光束的形状和空间分布改善光束的聚焦和耦合性能，属光学元件领域。

背景技术

随着半导体集成及组装技术的发展，半导体激光器的功率在最近的几年里得到了很大的提高，大功率半导体激光器主要有两大用途：一是直接作为激光源应用，如在美容、医疗、材料处理上的应用；二是作为泵浦源泵浦固体激光器或光纤激光器，来取代灯泵固体激光器，在工业加工、材料处理、医疗美容以及军用行业都得到了广泛的应用。由于半导体激光器具有极不对称的光场分布，不论那种应用都需要对光束进行准直、整形、聚焦处理。

目前国外普遍采用的是两步反射的“阶梯镜”法，是德国夫朗和费激光技术所Keming Du等提出，专利号为US5887096A。如图1所示，线形光束先经过数个微小镜片分割并反射，实现第一次光束重排；重排后的光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移；第二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移。图1中1为经过准直后的线形光束，2为二个阶梯反射镜，3为整形后的光束。这种“阶梯镜”反射法虽然可以得到整形光束，但是为了提高反射效率，在梯形镜上镀反射膜工艺复杂，即使镀膜每一次反射也要损失一定的光能量，限制了整形效率的提高。而且光路偏转了90度，不利于系统装配。

国外另外一种光束整形方法是由Apollo Instruments公司提出的棱镜组整形方法，专利号为US6377410B1，其整形思想是在慢方向按照棱镜的厚度将光束分成许多段后在快轴方向重排，整形器件由一组或者两组棱镜组组成。其中一种典型的整形光路如图2、3、4所示，其中22和23为两棱镜组，线形光束24通过棱镜组22侧面厚度分割，通过棱镜组22后，26为分割后的光束，通过两组棱镜的错位排列实现两个方向的重排，经过了四次全内反射，光束整形后为25。这种整形方法因为全内反射克服了“阶梯镜”法反射损失的缺点，但光束通过棱镜的厚度分割，光束分割受到了棱镜厚度的限制，限制了整形光束亮度的进一步提高，而且通常棱镜加工厚度要在0.7mm以上，棱镜越薄，将大大增加加工和侧面镀膜的难度，而且也增加了光束损耗。分割光束的排列距离也受到棱镜厚度的限制，不能调整分割光束间的距离。

发明内容

本发明线形光束整形器是由两片以上棱镜错位紧密排列构成。本光束整形装置光束分割排列的示意图如图5所示，其中5、6、7对应经过棱镜分割的光束，4为入射线形光束，8为出射光束。

本线形光束整形器由两片以上棱镜构成。其中每片棱镜为七面体棱镜(见图6、7、8)。七面体棱镜的两平行面为正面，规定其中一平行面为第一透射面9，另外一平行面为第二透射面13.其余五面为侧面。其中与第一透射面9成45度的侧面为第一反射面10，与两透射面垂直的侧面为第二反射面11，与第二透射面13成45度的侧面为第三反射面12，其余两侧面为非工作侧面。七面体棱镜形状图6、7、8所示，每片棱镜的工作面包括两平行的透射面9，13和三个全反射面10，11，12。其中第一反射面10与第一透射面9成45度，第二反射面11与两透射面垂直且与侧面14和15成45度，第三反射面12与第二透射面13成45度。经整形后的光束一个方向上的拉格朗日量由棱镜数N决定，另外一个方向上的拉格朗日量由相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束的光程差决定。

图9和图10有助于解释本整形器及其整形原理，在图9中，棱镜中两透射面面9和面13平行，且都与面14与面15垂直，第一反射面10与面9成45度并垂直面14，第二反射面11与面15和面14成45度，第三反射面12与面13成45度并垂直面15，线形光束16垂直第一透射面9入射，与第一反射面10成45度，经过第一反射面10全内反射后，光束与第二反射面11成45度，经过第二反射面11全内反射后，光束与第三反射面12成45度，经过第三反射面12反射后，光束垂直第二透射面13出射，这样水平光束16的空间位置就变成了竖直光束17。

图10是三片棱镜错位紧密排列的示意图。每片棱镜的正面紧密排列，相互等距错位。线光束垂直棱镜正面入射。经过棱镜组后，线光束被错位的棱镜分割，通过三次全反射后转成竖直方向的的小线光束组，每片棱镜的第一反射面和第二反射面间的距离可以相等，也可以不等。光束排列的间距由相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束的光程差决定。当每片棱镜第一反射面和第二反射面间的距离相等时，第一反射面和第二反射面间光束的光程差为零，光束排列的间距就是棱镜错位的距离。当相邻两棱镜第一反射面和第二反射面间的距离不相等时，光束排列的间距由各棱镜第一反射面和第二反射面间光束的光程差来调整。

设准直后的线光束长D，宽为W，在水平方向(慢轴)的发散角为θ_s，在竖直方向(快轴)的发散角为θ_f，在水平方向和竖直方向上的拉格朗日量分别为L_s＝D×θ_s，L_f＝W×θ_f。典型的大功率半导体激光器在水平方向上长10mm，慢轴发散角10°，在竖直方向上长1μm，快轴发散角60°～90°，两个方向上拉格朗日量相差1千多倍，经过快慢轴准直后，两方向上的拉格朗日量不变，依然相差1千多倍，经过图10所示由三片棱镜(18)组成的整形器(19)后，线光束20被分割和转成竖直方向的的小线光束组21，分割的光束长度由错位距离决定，棱镜数越多，错位的距离越小，分割的段数也越多，每份段数的长度为D/N，在竖直方向的发散角就是原来慢轴的发散角θ_s。在水平方向上这些小线光束排列的总宽度由相邻两棱镜的第一反射面(10)和第二反射面(11)间光束的光程差决定，设光程差为Δd，则每段光束距离d＝D/N±Δd，出射光束的总长度为N×d，在水平方向的发散角就是原来快轴的发散角θ_f，则出射光束的新拉格朗日量分别是L_s＝N×d×θ_f，L_f＝D/N×θ_s，当出射光束满足两个方向的拉格朗日量相等时，达到整形的效果，得D/N×θ_s＝N×d×θ_f，选择适当的棱镜片数N和光程差Δd即可满足要求。

本发明提供了一种新型的线形光束整形器，克服现有技术的缺陷，使线形光束经过本发明整形后，变成快慢轴方向光束质量一致，空间分布均匀的光束，而且本整形器加工容易，装卡简便。光束垂直经过入射面和出射面，经过三次全内反射，无需镀反射膜，也没有反射损耗，整形效率高。因为垂直入射透射率很高，可以不镀增透膜也有很高的透射效率，也可以镀增透膜，进一步提高透射效率。

本整形器棱镜错位既可以依次向右错位也可以向左错位。本整形器底面保持水平，方便装卡。

本整形器与其它棱镜组整形器相比优势之处在于光束分割不受棱镜厚度的限制，是通过棱镜正面错位将光束分割，分割光束的长度可由错位的距离控制，分割光束经过三次全内反射输出，输出光束组间的距离可以由相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束光程差控制，可以实现输出光束组的紧密排列，而以往棱镜组整形器光束分割受到棱镜厚度的限制，而且输出光束组的排列间距也受到棱镜厚度的限制，很难达到密排列，这样可以通过本整形器极大的提高整形光束的亮度。本整形器输入输出光束都垂直对应棱镜的正面，而以往的棱镜组整形器输入输出光束对应棱镜的侧面，甚至光束不与入射面垂直，而本整形器光束垂直入射出射棱镜的距面，降低了棱镜镀增透膜难度，提高了透射效率。棱镜两正面可以镀增透膜，也可以不镀增透膜。本整形器的底面保持水平，而以往棱镜组整形器至少有一个棱镜组底面与水平面有一定角度，通过本整形器方便了整形装置的装卡和调试。

本线形光束整形器的优点是可针对不同的光束质量要求，选择棱镜片数N和相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束的光程差来设计，可达到最优的光束质量。

本线形光束整形器可用普通的光学玻璃制作，只需要一般的光学加工、粘合工艺和镀膜技术，比“阶梯镜”法整形器制作简单，而且没有反射损耗，更容易装卡。本线形光束整形器比以往棱镜整形器优势之处是不依赖棱镜厚度对光束进行分割，对棱镜厚度没有特殊要求，棱镜加工方便，而且通过棱镜错位排列可以实现整形光束的密排列，达到最优的整形效果。

本线性光束整形器不仅可以用于单条线状二极管激光器的整形，也可以用于高功率二极管激光器阵列的整形。整形光束前进方向虽有平移，但不改变前进方向。

附图说明：

图1：“阶梯镜”法线形光束整形的光路示意图；

图2：Apollo Instruments公司两组棱镜光束整形正视图；

图3：Apollo Instruments公司两组棱镜光束整形侧视图；

图4：Apollo Instruments公司两组棱镜光束整形俯视图；

图5：本发明线形光束整形器的光路示意图；

图6：本发明整形器中单个棱镜形状正视图；

图7：本发明整形器中单个棱镜形状侧视图；

图8：本发明整形器中单个棱镜形状俯视图；

图9：本发明整形器中单个棱镜整形构成示意图；

图10：本发明线形光束整形器棱镜组整形的结构示意图；

具体实施方式

本发明线形光束整形器，结合附图9和10，其具体实施方式如下：

实施例1：

如图10所示的整形器，由图9所示的棱镜错位紧密排列而成。设经过快轴准直后的线形光束长D＝12mm，慢轴发散角θ_s＝10°，快轴发散角θ_f＝0.5°，取 $N=\frac{{\mathrm{\θ}}_s}{{\mathrm{\θ}}_f}=20,$ 则棱镜间的错位距离为 $\frac{12}{20}=0.6\mathrm{mm},$ 出射光束要满足两个方向的拉格朗日量相等，达到整形的效果D/N×θ_s＝N×d×θ_f，可求得d＝0.6mm，则各棱镜的第一反射面和第二反射面间光束的光程差Δd＝0，将每片棱镜做成长度完全一致即可达到光束整形的要求。

实施例2：

设被整形的光源为由两二极管组成的二极管阵列，经过快轴准直后的光束为二条平行的线性光束，每条线性光束长D＝12mm，慢轴发散角θ_s＝10°，快轴发散角θ_f＝0.5°，设线性光束间隔0.3mm，同实例1一样，棱镜的错位距离为0.6mm，

得到整形光束在两个方向上的拉格朗日量与实例1一样，因为两条光束，功率提高了一倍，整形后的光束亮度也提高了一倍。

Claims (4)

1、一种线形光束整形器，其特征是由两片以上棱镜错位紧密排列构成，棱镜为一七面体棱镜，每片棱镜的工作面包括两平行透射面(9，13)和三个全反射面(10，11，12)，其中第一反射面(10)与第一透射面(9)成45度，第二反射面(11)与两透射面垂直，且与侧面(14、15)成45度，第三反射面(12)与第二透射面(13)成45度，入射光束垂直第一透射面(9)入射，经过第一反射面(10)全内反射，再经第二反射面(11)全内反射，再经第三反射面(12)全内反射后经第二透射面(13)射出，经整形后的光束一个方向上的拉格朗日量由棱镜数N决定，另外一个方向上的拉格朗日量由相邻两棱镜的第一反射面和第二反射面间光束的光程差决定。

2、根据权利要求1所述的线形光束整形器，其特征是棱镜两透射面镀增透膜。

3、根据权利要求1所述的线性光束整形器，其特征是棱镜间错位是依次向左错位。

4、根据权利要求1所述的线性光束整形器，其特征是棱镜间错位是依次向右错位。

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