CN205720904U - 一种线阵半导体激光束整形系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种线阵半导体激光束整形系统，包括光源，所述光源的发光端依次设置有光楔组、曲面镜组和棱镜组；其中，所述光楔组由多对偏转角不同的光楔组成，光楔组呈直线且沿竖直方向排布，光楔组的排布方向与光源发出的激光束方向垂直；所述曲面镜组由依次排列的凹透镜和凸透镜组成；所述棱镜组由多个在水平方向呈直线排布的单曲面棱镜组成，单曲面棱镜的排布方向与光源发出的激光束方向垂直。本实用新型的线阵半导体激光束整形系统具有结构简单、光学器件数量少、成本低、组装方便以及能量传输效率高等优点，并且通过该整形系统整形后的激光光束的光强均匀度非常好。

Description

一种线阵半导体激光束整形系统

技术领域

本实用新型涉及一种线阵半导体激光束整形系统，属于光学仪器技术领域。

背景技术

现有技术中常用的几种线阵半导体激光束整形系统有波导管整形系统、微透镜阵列整形系统以及多曲面透镜组整形系统，但是上述几种线阵半导体光束整形系统都有各自的缺点：波导管整形系统虽然价格便宜，组装方便，但装置体积较大，光学器件过多；微透镜阵列整形系统虽然结构较为简单，但对激光束的能量耗散较大；多曲面透镜组整形系统虽然结构简单，能量透过率也较为理想，但制作价格高。因此一种光学器件数量少、组装方便、能量传输效率高的线阵半导体激光束整形系统的开发很有必要。

实用新型内容

实用新型目的：本实用新型所要解决的技术问题是提供一种光学器件数量少、组装方便、能量传输效率高的线阵半导体激光束整形系统，该整形系统整形后的激光光束的光强均匀度非常好。

为解决上述技术问题，本实用新型所采用的技术方案为：

一种线阵半导体激光束整形系统，包括光源，所述光源的发光端依次设置有光楔组、曲面镜组和棱镜组；其中，所述光楔组由多对偏转角不同的光楔组成，光楔组呈直线且沿竖直方向排布，光楔组的排布方向与光源发 出的激光束方向垂直；所述曲面镜组由依次排列的凹透镜和凸透镜组成；所述棱镜组由多个在水平方向呈直线排布的单曲面棱镜组成，单曲面棱镜的排布方向与光源发出的激光束方向垂直。

所述光楔组的多对光楔从外缘向中心，偏转角侧依次递减。

所述光楔组由偏转角依次递减的第一光楔组、第二光楔组、第三光楔组、第四光楔组、第五光楔组、第六光楔组、第七光楔组和第八光楔组组成，其中，第八光楔组对称设置于整个光楔组的中间，第七光楔组对称设置在第八光楔组的两侧，第六光楔组对称设置在第七光楔组的两侧，第五光楔组对称设置在第六光楔组的两侧，第四光楔组对称设置在第五光楔组的两侧，第三光楔组对称设置在第四光楔组的两侧，第二光楔组对称设置在第三光楔组的两侧，第一光楔组对称设置在第二光楔组的两侧。

所述光楔组与光源的距离为0.5m，所述光楔组与凹透镜的距离为0.55m，所述凹透镜与凸透镜的距离为0.805m，所述凹透镜与棱镜组的距离为1m。所述第一光楔组的偏转角为8.25°，第二光楔组的偏转角为7.15°，第三光楔组的偏转角为6.05°，第四光楔组的偏转角为4.95°，第五光楔组的偏转角为3.85°，第六光楔组的偏转角为2.75°，第七光楔组的偏转角为1.65°，第八光楔组的偏转角为0.55°。

所述曲面镜组中，凹透镜的长度为160mm、高度为50mm，中心厚度为5m，边缘厚度为10mm，凹面曲率为66mm；凸透镜的长度为160mm、高度为160mm，中心厚度为20m，边缘厚度为3mm，凸面曲率为197mm。

所述棱镜组中，单曲面棱镜的长度为160mm，高度为9.5，中心厚度为 5mm，边缘厚度为545mm。

有益效果：相比于现有技术，本实用新型的线阵半导体激光束整形系统具有结构简单、光学器件数量少、成本低、组装方便以及能量传输效率高等优点，并且通过该整形系统整形后的激光光束的光强均匀度非常好。

附图说明

图1为本实用新型线阵半导体激光束整形系统的系统原理图；

图2为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中光楔的右视图；

图3为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中光楔的正视图；

图4为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中凹透镜的右视图；

图5为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中凹透镜的正视图；

图6为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中凸透镜的右视图；

图7为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中凸透镜的正视图；。

图8为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中单曲面棱镜的侧视图；

图9为本实用新型线阵半导体激光束整形系统中单曲面棱镜的正视图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案进行详细说明。

本实用新型线阵半导体激光束整形系统所采用的光学元件均为BK7玻璃。

如图1～9所示，本实用新型的线阵半导体激光束整形系统包括光源1，光源1的发光端依次设置有光楔组3、曲面镜组和棱镜组5；光源1发出的激光束2依次穿过光楔组3、曲面镜组和棱镜组5；其中，光楔组3由8对 偏转角不同的光楔组成，光楔组3呈直线沿竖直方向排布，光楔组3的排布方向与激光束方向垂直，曲面镜组依次由凹透镜4和凸透镜6组成，棱镜组5由16个相同的呈直线排布的单曲面棱镜组成，单曲面棱镜的排布方向与激光束方向垂直。

其中，光楔组3由偏转角依次递减的第一光楔组、第二光楔组、第三光楔组、第四光楔组、第五光楔组、第六光楔组、第七光楔组和第八光楔组组成，第八光楔组对称设置于整个光楔组3的中间，第七光楔组对称设置在第八光楔组的两侧，第六光楔组对称设置在第七光楔组的两侧，第五光楔组对称设置在第六光楔组的两侧，第四光楔组对称设置在第五光楔组的两侧，第三光楔组对称设置在第四光楔组的两侧，第二光楔组对称设置在第三光楔组的两侧，第一光楔组对称设置在第二光楔组的两侧。

第一光楔组的偏转角为8.25°，第二光楔组的偏转角为7.15°，第三光楔组的偏转角为6.05°，第四光楔组的偏转角为4.95°，第五光楔组的偏转角为3.85°，第六光楔组的偏转角为2.75°，第七光楔组的偏转角为1.65°，第八光楔组的偏转角为0.55°。

曲面镜组中，凹透镜的长度为160mm、高度为50mm，中心厚度为5m，边缘厚度为10mm，凹面曲率为66mm；凸透镜的长度为160mm、高度为160mm，中心厚度为20m，边缘厚度为3mm，凸面曲率为197mm。

棱镜组中，单曲面棱镜的长度为160mm，高度为9.5，中心厚度为5mm，边缘厚度为545mm。

本实用新型线阵半导体激光束整形系统的工作原理：

光楔对每束光的传播方向进行调节，使其中心轴线全部平行于光轴方向。设光楔顶角为a，当激光束以角度i入射到光楔表面时，根据折射定律，可知其出射角b与a的关系为式(1)所示：

$a=\frac{b}{n-1}---\left(1\right);$

其中，a为光楔的顶角(偏转角)，b为光束经过光楔后传播方向变化的角度。通过选择合适的光楔顶角a，可使出射光束沿水平方向；同时，由于各激光束在水平方向均为发散的，故当达到某个距离后各发光单元间的无光区会消失。所以，当光楔放置在特定位置上时，可以将16个发光单元发出的光束调整为沿一束光轴方向的平行光。

本实用新型线阵半导体激光束整形系统中光楔组的数据如表1所示：

表1

平凹透镜4与平凸透镜5组成的曲面镜组对光束的慢轴发散角进行准直。对于低功率半导体激光器，由于其发光单元的填充因子小于0.3，慢轴 发散角较小，可直接利用在快轴准直透镜后叠加慢轴方向微柱透镜的方式进行光束准直，但对于半导体线阵激光器，为了获得高输出功率，其发光单元的宽度明显增大，填充因子达到0.5，因此入射光束在慢轴方向上的总发散角比低功率激光器要大得多，本实用新型系统曲面镜组由一个平凹透镜和一个平凸透镜按光学间隔Δ＝0的方式组合而成。

垂轴放大率为：

$\mathrm{\β}=-\frac{f_2}{f_1}=\frac{D_2}{D_1}---\left(2\right);$

式(2)中，f₂为平凸透镜的焦距，f₁为平凹透镜的焦距，D₂为出瞳直径，D₁为入瞳直径，扩束倍数与两柱透镜的焦距比有关。

经慢轴准直后，光束在慢轴方向的发散角可以认为只由平凸透镜的焦距f₂和平凹透镜的焦距f₁决定。

本实用新型线阵半导体激光束整形系统中曲面镜组的数据如表2和表3所示：

表2

表3

其中，平凹透镜的第一面为凹面；平凸透镜的第二面为凸面。

棱镜组对光束进行光强均匀化以及对光束的快轴发散角进行准直。当入 射光经过平-凸棱镜组时，由于棱镜单元的光学作用形成彼此独立传播的光通道，每束光通道内光能量的均匀度会优于入射光，经过棱镜后，光通道内的能量叠加于光屏的同一区域，叠加后重新生成的光斑其能量均匀度会远高于初始入射光斑。最终截面光斑的均匀度与棱镜曲面的弧度值θ_R及光束入射到棱镜的位置，角度等情况相关；而当光束通过平-凸棱镜后，快轴方向的发散角也会被准直。最终快轴方向的发散角可以认为只与激光器本身的性能参数，棱镜距离光源的位置d，以及棱镜曲面的弧度值θ_R有关。故可以通过合理选择棱镜的曲面弧度值以及距离广元的位置，可以极大提高激光光束的光强均匀度，且将光束的慢轴发散角准直到实验需求的范围内。

本实用新型线阵半导体激光束整形系统中棱镜采用的数据如表4所示：

表4

本实用新型线阵半导体激光束整形系统中光楔组3与光源1的距离设置为0.5m，光楔组3与凹透镜4的距离设置为0.55m，凹透镜4与凸透镜6的距离设置为0.805m，凹透镜4与棱镜组5的距离设置为1m。

本实用新型系统的仿真结果为：整形后截面光斑的形状为边长10cm的正方形，光束发散角为6mrad，光强均匀度达到了82％，系统的能量传输效率为86％；本实用新型系统系统的实验结果为：光束发散角为7.1mrad，系统的能量传输效率为81.3％，光强均匀度为78.9％。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属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，这些引伸出的变化或变动也处于本实用新型的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：包括光源，所述光源的发光端依次设置有光楔组、曲面镜组和棱镜组；其中，所述光楔组由多对偏转角不同的光楔组成，光楔组呈直线且沿竖直方向排布，光楔组的排布方向与光源发出的激光束方向垂直；所述曲面镜组由依次排列的凹透镜和凸透镜组成；所述棱镜组由多个在水平方向呈直线排布的单曲面棱镜组成，单曲面棱镜的排布方向与光源发出的激光束方向垂直。

2.根据权利要求1所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述光楔组的多对光楔从外缘向中心，偏转角侧依次递减。

3.根据权利要求1或2所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述光楔组由偏转角依次递减的第一光楔组、第二光楔组、第三光楔组、第四光楔组、第五光楔组、第六光楔组、第七光楔组和第八光楔组组成，其中，第八光楔组对称设置于整个光楔组的中间，第七光楔组对称设置在第八光楔组的两侧，第六光楔组对称设置在第七光楔组的两侧，第五光楔组对称设置在第六光楔组的两侧，第四光楔组对称设置在第五光楔组的两侧，第三光楔组对称设置在第四光楔组的两侧，第二光楔组对称设置在第三光楔组的两侧，第一光楔组对称设置在第二光楔组的两侧。

4.根据权利要求1所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述光楔组与光源的距离为0.5m，所述光楔组与凹透镜的距离为0.55m，所述凹透镜与凸透镜的距离为0.805m，所述凹透镜与棱镜组的距离为1m。

5.根据权利要求1所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：该线阵半导体激光束整形系统所采用的光学元件的材质均为BK7玻璃。

6.根据权利要求3所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述第一光楔组的偏转角为8.25°，第二光楔组的偏转角为7.15°，第三光楔组的偏转角为6.05°，第四光楔组的偏转角为4.95°，第五光楔组的偏转角为3.85°，第六光楔组的偏转角为2.75°，第七光楔组的偏转角为1.65°，第八光楔组的偏转角为0.55°。

7.根据权利要求1所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述曲面镜组中，凹透镜的长度为160mm、高度为50mm，中心厚度为5m，边缘厚度为10mm，凹面曲率为66mm；凸透镜的长度为160mm、高度为160mm，中心厚度为20m，边缘厚度为3mm，凸面曲率为197mm。

8.根据权利要求1所述的线阵半导体激光束整形系统，其特征在于：所述棱镜组中，单曲面棱镜的长度为160mm，高度为9.5，中心厚度为5mm，边缘厚度为545mm。