CN211238806U - 一种基于组合柱面镜的线式激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于组合柱面镜的线式激光器，属于光电技术领域。一种基于组合柱面镜的线式激光器，包括激光器外壳，激光器外壳的腔体内设有激光二极管、非球面聚焦镜、柱面镜和第一平凸柱面透镜；柱面镜和第一平凸柱面透镜同轴设置，第一平凸柱面透镜的凸面朝柱面镜；当激光二极管发射激光时，激光能够依次穿过非球面聚焦镜、柱面镜和第一平凸柱面透镜。本实用新型的激光器生成的线激光具有光密度均匀、稳定性好、直线性好的特点；另一方面，对入射光束尺寸、直径和厚度要求较低，同样规格的器件通过调整达到不同的目标要求。

Description

一种基于组合柱面镜的线式激光器

技术领域

本实用新型属于光电技术领域，尤其是一种基于组合柱面镜的线式激光器。

背景技术

半导体激光器是以半导体材料作为激光工作物质的一类激光器的总称，它具有体积小，重量轻，波长范围广，相干性高等特性，并且适宜大量生产。半导体激光器在20世纪80年代初期，其主要应用领域是在光纤通信技术方面，并且至今仍是光通信领域不可或缺的存在。20世纪90年代开始，由于光电子技术的不断成熟，各个领域对于光电子技术的需求越来越高，使得光电子技术的实用领域不断扩大，半导体激光器在各个领域里的用武之地也越来越多，随着半导体激光器研究的不断深入，使得它成为了军事，医疗，材料加工，印刷业，光通信等等领域不可或缺的存在。

线激光是点激光通过光学透镜变换而来，可用于钉扣机、铆钉机、开袋机、裁床、套结机、拉布机等，具有方便快捷、直观实用的特点，能较大幅度的提高工作效率。一字线激光器线条清晰，小巧，易于安装，可为各种服装设备生产厂家提供配套产品和技术支持。激光标线器的安装机使用简单方便，可安装在使用机械的垂直或水平面上，提供一条可见的激光标线，使得在整个生产过程中有一条可见的、非接触的定位线指导操作过程，具有方便生产操作和提高生产效率的优点，激光线可在三维空间任意微调，已达到最佳使用效果。目前市场上线激光主要通过柱面镜和鲍威尔棱镜这两种方法来获得。普通球面柱面镜可使激光束通过后变为线激光，生产工艺较为简单，可以大规模量产，但因为激光二极管光源的光斑基本上为高斯分布，所以用普通球面柱面镜得到的线激光，光斑仍然近似为高斯分布，能量分布不均匀。而由于3D结构光和机器视觉的发展，对激光一维投线的精度要求越来越高，主要体现在投线的直线度、中心对称度以及投线能量的均匀度上，直线度和对称度可以通过透镜精调达到相当高的精度，而能量均匀度受制于半导体激光二极管的光束特性，难以改变中心能量远高于边缘能量的缺点。

鲍威尔棱镜(Powell Lenses)是一种光学划线棱镜(非球面柱面镜)，它使激光束通过后可以最优化地划成光密度均匀、稳定性好、直线性好的一条直线。鲍威尔棱镜投线均匀度优于柱面透镜的划线模式，能消除高斯光束的中心热点和褪色边缘分布。但鲍威尔棱镜对入射光束的尺寸有严格要求，或大或小都会影响出射光线在目标位置的均匀性，而且一般要求入射光束的尺寸比较小，工作距离较远时小出口尺寸会极大的影响投线宽度；同时轴心的对准度也有影响，所以实际生产中工艺上很不方便。厚度虽然不会影响出射光线的角度，但也会影响目标位置的均匀性。因此，鲍威尔棱镜的产品指标都会指明入射光束尺寸的要求，标注直径和厚度等参数。并且，鲍威尔棱镜的顶部是复杂的二维非球面曲面，也正是由于这些特性，使得鲍威尔棱镜无法大规模量产，并且价格昂贵。

特殊DOE衍射镜片也能实现光束一维化，而且可以实现更复杂的光束投影，但DOE对激光波长和谱宽要求严格，形成的难以达到微米级的线宽精度，杂散光严重，DOE衍射镜片加工成本高，仍然限制了它的应用范围。

实用新型内容

本实用新型的目的在于现有的激光一维投线设备对入射线要求高的缺点，提供一种基于组合柱面镜的线式激光器。

为达到上述目的，本实用新型采用以下技术方案予以实现：

一种基于组合柱面镜的线式激光器，包括激光器外壳，激光器外壳的腔体内设有激光二极管、非球面聚焦镜、柱面镜和第一平凸柱面透镜；

所述柱面镜和第一平凸柱面透镜同轴设置，第一平凸柱面透镜的凸面朝柱面镜；

当激光二极管发射激光时，激光能够依次穿过非球面聚焦镜、柱面镜和第一平凸柱面透镜。

进一步的，还包括第二平凸柱面透镜；

所述第二平凸柱面透镜设在第一平凸柱面透镜与非球面聚焦镜之间的固定架上，第二平凸柱面透镜的凸面朝柱面镜。

进一步的，所述非球面聚焦镜的材质为D-ZK3。

进一步的，柱面镜和第一平凸柱面透镜的材质均为BK7。

进一步的，第二平凸柱面透镜的材质均为BK7。

进一步的，所述激光器外壳由表面经阳极氧化发黑处理的铝合金材料制成。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的基于组合柱面镜的线式激光器，激光器发射激光时，非球面聚焦镜将激光二极管发出的发散光束进行准直，柱面镜将激光束分散为线激光，第一平凸柱面透镜将把线光源两端发散的光向中间聚焦，使整个线光源能量分布均匀；通过调节柱面镜与非球面聚焦镜或第一平凸柱面透镜的距离，能够控制输出激光的线宽；本实用新型的激光器生成的线激光具有光密度均匀、稳定性好、直线性好的特点；另一方面，对入射光束尺寸、直径和厚度要求较低，同样规格的器件通过调整达到不同的目标要求；本实用新型的基于组合柱面镜的线式激光器，结构简单，能够实现大规模量产。

进一步的，使用双平凸柱面镜，扩大了线式激光器的出口尺寸，满足大尺寸准直投线的应用；相比于单柱面镜匀化结构，双平凸柱面镜能够使高斯分布激光中心能量向边沿偏移，增强了投线均匀度。

进一步的，DK3和BK7这两种材质具有易加工、加工工艺成熟、成本低的优势。

进一步的，激光器外壳由低形变的铝合金材料制成，其表面经阳极氧化发黑处理，以减少散射杂光影响。

附图说明

图1为基于组合柱面镜的线式激光器的结构示意图；

图2为激光器外壳剖面图；

图3为激光器外壳的三维图；

图4为本实用新型的光学结构总成示意图；

图5为组合透镜示意图，其中，图5(a)为柱面镜的结构示意图，图5(b)为平凸柱面透镜的结构示意图；

图6为线长光路示意图；

图7为线宽光路示意图；

图8为光束横向分布图；

图9为光束纵向分布图。

其中：1-激光二极管，2-非球面聚焦镜，3-组合透镜，4-探测器，5-激光器外壳，3-1-柱面镜，3-2-平凸柱面透镜；5-1-激光二极管安装槽；5-2-非球面聚焦镜安装槽；5-3-柱面镜安装槽；5-4-平凸柱面透镜安装槽。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本实用新型的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本实用新型做进一步详细描述：

参见图1，图1为基于组合柱面镜的线式激光器的结构示意图；本实用新型的由激光器外壳5和位于其内的激光二极管1、非球面聚焦镜2、柱面镜3-1、平凸柱面透镜3-2组成；激光二极管1为激光光源，处于光学结构最右端，发射光路中心轴向左；非球面聚焦镜2位于激光二极管1左侧3-3.5mm位置，凸面向左，将激光二极管1发出的发散光束进行准直，光束束腰位置处于激光器的投线工作面上；柱面镜3-1处于非球面聚焦镜2和平凸柱面镜组之间，边沿距离非球面聚焦镜2曲面顶点约1mm，将点式激光光束沿柱面弧度方形一维展开，产生线式激光；平凸柱面镜组为激光器的光学输出窗口，处于光学结构的最左端，平凸柱面镜组包含有两块完全一样的透镜，第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜3-2，两片平凸柱面镜安装间隔0.5-2mm范围以内。

参见图2和图3，图2和图3分别为激光器外壳剖面图和三维图，激光器外壳5为异形结构件，内部设有激光二极管安装槽5-1、非球面聚焦镜安装槽5-2、柱面镜安装槽5-3和平凸柱面透镜安装槽5-4，分别用于安装激光二极管1、非球面聚焦镜2、柱面镜3-1和平凸柱面透镜；激光器外壳5由低形变的铝合金材料制成，其表面经阳极氧化发黑处理，以减少散射杂光影响。

参见图4，图4为本实用新型的光学结构总成示意图，包括激光二极管1、非球面聚焦镜2和组合透镜3；激光二极管1发出的光经过非球面聚焦镜2聚焦后，再经过组合透镜3将光束分散为均匀的线激光；激光二极管1是标准光电器件，电-光转化效率高；非球面聚焦镜2其中一端面为非球面，材质是D-ZK3；组合透镜3由柱面镜3-1和平凸柱面透镜3-2构成，材质均为BK7。

参见图5，图5(a)为柱面镜的结构示意图，图5(b)为平凸柱面透镜的结构示意图，组合透镜3由柱面镜3-1、第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜构成，第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜，柱面镜3-1与第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜均同轴，第一平凸柱面透镜3-2的凸面朝柱面镜3-1；柱面镜3-1将激光束分散为线激光，第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜可以把线光源两端发散的光向中间聚焦，使整个线光源能量分布均匀，柱面镜3-1、第一平凸柱面透镜3-2和第二平凸柱面透镜可按整个光学系统的要求来确定距离，遵循以下规律：柱面镜3-1与非球面聚焦镜2距离越近，线宽越窄；柱面镜3-1据第一平凸柱面透镜3-2或第二平凸柱面透越近，线宽越宽；第一平凸柱面透镜3-2或第二平凸柱面透镜据探测器4越近，线宽越窄。

参见图6，图6为线长光路示意图。激光二极管1发出激光经过非球面聚焦镜2聚焦激光后，经过组合透镜3，其中，柱面镜3-1把激光束发散成线激光，由平凸柱面透镜3-2将能量分布不均匀的线激光均匀化，最后照射在探测器4上。

参见图7，图7为线宽光路示意图。整个光学系统的线宽分布基本上由非球面聚焦镜2决定，激光二极管1发出的激光束由非球面聚焦镜2聚焦，经组合透镜3，到达探测器4，这期间光束光路改变不明显。整个光学系统焦距处线宽最细，离焦距越远，线宽越宽。

参见图8，图8为光束横向分布图，由探测器4分析得出，光束除两端些许距离能量特别高外，其余各处能量分布基本均匀。

参见图9，图9为光束纵向分布图，由探测器4分析得出。光束能量分布集中，且仅有一个波峰，光束质量优良。

以上内容仅为说明本实用新型的技术思想，不能以此限定本实用新型的保护范围，凡是按照本实用新型提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本实用新型权利要求书的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，包括激光器外壳(5)，激光器外壳(5)的腔体内设有激光二极管(1)、非球面聚焦镜(2)、柱面镜(3-1)和第一平凸柱面透镜(3-2)；

所述柱面镜(3-1)和第一平凸柱面透镜(3-2)同轴设置，第一平凸柱面透镜(3-2)的凸面朝柱面镜(3-1)；

当激光二极管(1)发射激光时，激光能够依次穿过非球面聚焦镜(2)、柱面镜(3-1)和第一平凸柱面透镜(3-2)。

2.根据权利要求1所述的基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，还包括第二平凸柱面透镜；

所述第二平凸柱面透镜设在第一平凸柱面透镜(3-2)与非球面聚焦镜(2)之间的固定架上，第二平凸柱面透镜的凸面朝柱面镜(3-1)。

3.根据权利要求1所述的基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，所述非球面聚焦镜(2)由D-ZK3玻璃制成。

4.根据权利要求1所述的基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，柱面镜(3-1)和第一平凸柱面透镜(3-2)均由BK7玻璃制成。

5.根据权利要求2所述的基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，第二平凸柱面透镜的材质均为BK7。

6.根据权利要求1所述的基于组合柱面镜的线式激光器，其特征在于，所述激光器外壳(5)由表面经阳极氧化发黑处理的铝合金材料制成。

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