CN209148981U - 一种用于产生空心光束的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种用于产生空心光束的光学系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直透镜、棱镜组、激光散斑衰减器、锥面透镜组和CCD光束分析仪，棱镜组包括第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，用于将准直后的激光光束在Y方向进行压缩或扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出，锥面透镜组包括凹面锥面镜和凸面锥面镜，凹面锥面镜和凸面锥面镜间隙设置，经激光散斑衰减器后的激光光束正入射凹面锥面镜和凸面锥面镜形成环形面包圈空心光束，CCD光束分析仪对环形面包圈空心光束进行测量分析。该系统使用激光二极管做为光源，大大缩小整个系统的体积和成本，同时该系统结构简单，光束能量利用率高，适用于低成本便携式小型设备或仪器。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种用于产生空心光束的光学系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
近年来，随着激光技术的发展及其应用领域的拓展，人们采用各种方法产生了一系列具有中心光强为零的新颖激光束：如拉盖尔高斯光束、高阶贝塞尔光束，面包圈空心光束和LP01模输出空心光束等，形成了一个特殊的称之为空心激光束(HLB)的光束大家族。由于空心光束具有一系列新颖独特的物理性质：如桶状强度分布、较小的暗斑尺寸和传播不变性，并且具有自旋与轨道角动量等，空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手，目前已成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。因此，空心光束在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的光学囚禁、材料科学、生物医学等方面有着广泛的应用前景。
激光二极管也称为半导体激光器，包括单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是目前市场应用的主流产品。同气体激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出光束质量较差，光束发散角大，且快轴和慢轴发散角不一致，直接输出的光斑为椭圆形光斑，限制了激光二极管在一些需要高光束质量领域的应用，比如光镊系统、生命科学领域等。为了解决这些问题，通常会使用复杂的光学元件对激光二极管光束进行整形，或者用昂贵的气体激光器代替激光二极管。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种用于产生空心光束的光学系统。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种用于产生空心光束的光学系统，该系统包括激光器、准直透镜、棱镜组、激光散斑衰减器、锥面透镜组和CCD光束分析仪，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述激光器、准直透镜、棱镜组、激光散斑衰减器和锥面透镜组在同一光路上依次设置，所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直透镜间隙设置，所述准直透镜用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出，在所述准直透镜与棱镜组之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑，所述棱镜组包括第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，用于将准直后的激光光束在Y方向进行压缩或扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出，所述锥面透镜组包括凹面锥面镜和凸面锥面镜，所述凹面锥面镜和凸面锥面镜间隙设置，经所述激光散斑衰减器后的激光光束正入射凹面锥面镜和凸面锥面镜形成环形面包圈空心光束，CCD光束分析仪对环形面包圈空心光束进行测量分析。
优选地，第一楔形棱镜较长直角边与竖直方向所成角度为α1，第二楔形棱镜较长直角边与竖直方向所成角度为α2，在竖直方向，入射棱镜组的光束宽度为D1，出射棱镜组的光束宽度为D2，棱镜组竖直方向放大率为D2/D1，棱镜组出射光束与入射光束的横向偏移为V。
优选地，所述准直透镜为非球面平凸透镜。
优选地，所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm。
优选地，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的放大倍率为2X到6X。
优选地，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜对称放置。
优选地，所述凹面锥面镜和凸面锥面镜的锥角相等。
优选地，所述光阑为小孔或狭缝，所述光阑孔直径可调。
优选地，所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm。
优选地，所述激光散斑衰减器为旋转毛玻璃。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：该系统使用激光二极管做为光源，大大地缩小整个系统的体积和成本，同时光学整形系统结构简单，光束能量利用率高，适用于低成本便携式小型设备或仪器。该光学系统中各光学元件都可用玻璃材质制造，具有透过率高，抗强激光损伤的优点。
该系统在使用过程中安装方便，装调容易，易于实现，结构紧凑，成本较低，光转换效率高，可应用于对光束质量要求高的仪器设备中。可以有效地实现激光的整形、扩束和匀光效果，整形后的光束质量高，可用于光镊系统和生命科学系统，适合在产业上推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型的一种用于产生空心光束的光学系统的结构示意图。
图2为本实用新型的一种用于产生空心光束的光学系统的棱镜对示意图。
图3为本实用新型的一种用于产生空心光束的光学系统的光斑示意图。
图4为本实用新型的棱镜对放大率与角度关系曲线图。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
本实用新型揭示了一种用于产生空心光束的光学系统，如图1所示，该系统包括激光器1、准直透镜2、棱镜组3、激光散斑衰减器4、锥面透镜组5和CCD光束分析仪6。在本技术方案中，所述准直透镜、棱镜组、锥面透镜组表面均镀有带宽增透(BBAR)膜。
所述激光器1沿光轴Z方向放置，所述激光器的波长范围为600–1050nm，在本技术方案中，所述激光器优选为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm。所述半导体激光器体积小、寿命长，可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
所述激光器1、准直透镜2、棱镜组3、激光散斑衰减器4和锥面透镜组5在同一光路上依次设置，具体地，所述激光器1用于产生激光，所述激光器1和准直透镜2间隙设置，所述准直透镜2用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出。
所述激光器1和准直透镜2安装好后，调节所述激光器1和准直透镜2之间的距离，使得所述准直透镜2的出射光束准直，所述准直透镜2将所述激光器1发出的发散光束准直，所述激光器1位于所述准直透镜2前焦面附近。所述准直透镜2为非球面平凸透镜，非球面平凸透镜具有正的光焦度，所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm，在本技术方案中，所述非球面平凸透镜的焦距优选为2.5mm。
在所述准直透镜2与棱镜组3之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑7，所述光阑为小孔或狭缝，所述光阑孔直径可调，当所述光阑为狭缝时，所述狭缝方向作用于所述激光器的快轴方向。
所述棱镜组3在所述光阑孔后方设置，所述棱镜组3包括第一楔形棱镜31和第二楔形棱镜32，用于将准直后的激光光束在Y方向进行压缩或扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出，Y方向即快轴方向。所述棱镜组的个数可为一对或多对，在本技术方案中，所述棱镜组的个数优选为一对，所述棱镜组的倍数可调，在实际使用过程中，可根据实际需要选择不同倍数的棱镜组。所述第一楔形棱镜31和第二楔形棱镜32对称放置，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的放大倍率为2X到6X，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜均具有正的光焦度。
如图2所示，第一楔形棱镜较长直角边与竖直方向所成角度为α1，第二楔形棱镜较长直角边与竖直方向所成角度为α2，在竖直方向，入射棱镜组的光束宽度为D1，出射棱镜组的光束宽度为D2，棱镜组竖直方向的放大率为D2/D1，棱镜组出射光束与入射光束的横向偏移为V。
如图3所示，为棱镜对放大率与角度关系的曲线图，图中，横坐标表示放大率，纵坐标表示角度，蓝色线条表示角度α1，红色线条表示角度α2。
棱镜对放大率与角度关系图如下表所示：
| α<sub>1</sub> | α<sub>2</sub> | 放大率(D2/D1) | 棱镜竖直偏移(V) | 光束竖直偏移(D) |
| -20.6° | -6.5° | 2X | 1.75mm | 4.50mm |
| -29.7° | -0.9° | 3X | 2.56mm | 5.45mm |
| -34.1° | 2.1° | 4X | 3.01mm | 5.74mm |
| -37.4° | 3.2° | 5X | 3.33mm | 6.15mm |
| -39.7° | 4.0° | 6X | 3.51mm | 6.42mm |
表1
所述锥面透镜组5包括凹面锥面镜51和凸面锥面镜52，所述凹面锥面镜51和凸面锥面镜52间隙设置，所述凹面锥面镜51和凸面锥面镜52的锥角相等。所述棱镜对后方设置有一激光散斑衰减器，经所述激光散斑衰减器后的激光光束正入射凹面锥面镜和凸面锥面镜形成环形面包圈空心光束，CCD光束分析仪对环形面包圈空心光束进行测量分析，在本技术方案中，所述激光散斑衰减器为旋转毛玻璃。
经所述准直透镜准直后的光束变为准直的椭圆光束，所述准直后的椭圆光束经过对光束进行限制的光阑孔，所述棱镜组在光束的快轴方向对光束进行扩束，使所述椭圆准直光束变换为圆形准直光束，经所述激光散斑衰减器后的光束变换为低散斑准直激光束，所述低散斑激光束正入射一凹面锥面镜，变为发散的环形空心光束，再经过一凸面锥面镜，变为准直的环形空心面包圈光束，入射CCD光束分析仪，光束分析仪拍摄到的环形面包圈空心光束光斑8，如图4所示。
该系统使用激光二极管做为光源，大大地缩小整个系统的体积和成本，同时光学整形系统结构简单，光束能量利用率高，适用于低成本便携式小型设备或仪器。该光学系统中各光学元件都可用玻璃材质制造，具有透过率高，抗强激光损伤的优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：该系统包括激光器、准直透镜、棱镜组、激光散斑衰减器、锥面透镜组和CCD光束分析仪，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述激光器、准直透镜、棱镜组、激光散斑衰减器和锥面透镜组在同一光路上依次设置，
所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直透镜间隙设置，
所述准直透镜用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出，在所述准直透镜与棱镜组之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑，
所述棱镜组包括第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，用于将准直后的激光光束在Y方向进行扩束并使所述激光光束沿光轴方向准直输出，
所述锥面透镜组包括凹面锥面镜和凸面锥面镜，所述凹面锥面镜和凸面锥面镜间隙设置，经所述激光散斑衰减器后的激光光束正入射凹面锥面镜和凸面锥面镜形成环形面包圈空心光束，CCD光束分析仪对环形面包圈空心光束进行测量分析。
2.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：第一楔形棱镜的较长直角边与竖直方向所成角度为α1，第二楔形棱镜的较长直角边与竖直方向所成角度为α2，在竖直方向，入射棱镜组的光束宽度为D1，出射棱镜组的光束宽度为D2，棱镜组竖直方向放大率为D2/D1，棱镜组出射光束与入射光束的横向偏移为V。
3.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述准直透镜为非球面平凸透镜。
4.根据权利要求3所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜的放大倍率为2X到6X。
6.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜对称放置。
7.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述凹面锥面镜和凸面锥面镜的锥角相等。
8.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述光阑为小孔或狭缝，所述光阑孔直径可调。
9.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm。
10.根据权利要求1所述的一种用于产生空心光束的光学系统，其特征在于：所述激光散斑衰减器为旋转毛玻璃。
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|---|---|---|---|---|
| CN113649690A (zh) * | 2020-05-12 | 2021-11-16 | 深圳市联赢激光股份有限公司 | 一种具有圆形和环形光斑切变功能的光学系统 |
| CN114217447A (zh) * | 2021-11-22 | 2022-03-22 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种激光束整形变换装置 |
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