專利名稱:一種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，包括光源，所述光源的發(fā)光端依次設(shè)置有光楔組、曲面鏡組和棱鏡組；其中，所述光楔組由多對偏轉(zhuǎn)角不同的光楔組成，光楔組呈直線且沿豎直方向排布，光楔組的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直；所述曲面鏡組由依次排列的凹透鏡和凸透鏡組成；所述棱鏡組由多個在水平方向呈直線排布的單曲面棱鏡組成，單曲面棱鏡的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直。本實用新型的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、光學(xué)器件數(shù)量少、成本低、組裝方便以及能量傳輸效率高等優(yōu)點，并且通過該整形系統(tǒng)整形后的激光光束的光強均勻度非常好。
【專利說明】
-種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實用新型設(shè)及一種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，屬于光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 現(xiàn)有技術(shù)中常用的幾種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)有波導(dǎo)管整形系統(tǒng)、微透鏡陣 列整形系統(tǒng)W及多曲面透鏡組整形系統(tǒng)，但是上述幾種線陣半導(dǎo)體光束整形系統(tǒng)都有各自 的缺點:波導(dǎo)管整形系統(tǒng)雖然價格便宜，組裝方便，但裝置體積較大，光學(xué)器件過多;微透鏡 陣列整形系統(tǒng)雖然結(jié)構(gòu)較為簡單，但對激光束的能量耗散較大；多曲面透鏡組整形系統(tǒng)雖 然結(jié)構(gòu)簡單，能量透過率也較為理想，但制作價格高。因此一種光學(xué)器件數(shù)量少、組裝方便、 能量傳輸效率高的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)的開發(fā)很有必要。 【實用新型內(nèi)容】
[0003] 實用新型目的：本實用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種光學(xué)器件數(shù)量少、組 裝方便、能量傳輸效率高的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，該整形系統(tǒng)整形后的激光光束的 光強均勻度非常好。
[0004] 為解決上述技術(shù)問題，本實用新型所采用的技術(shù)方案為：
[0005] -種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，包括光源，所述光源的發(fā)光端依次設(shè)置有光模 組、曲面鏡組和棱鏡組;其中，所述光模組由多對偏轉(zhuǎn)角不同的光模組成，光模組呈直線且 沿豎直方向排布，光模組的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直;所述曲面鏡組由依次 排列的凹透鏡和凸透鏡組成；所述棱鏡組由多個在水平方向呈直線排布的單曲面棱鏡組 成，單曲面棱鏡的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直。
[0006] 所述光模組的多對光模從外緣向中屯、，偏轉(zhuǎn)角側(cè)依次遞減。
[0007] 所述光模組由偏轉(zhuǎn)角依次遞減的第一光模組、第二光模組、第=光模組、第四光模 組、第五光模組、第六光模組、第屯光模組和第八光模組組成，其中，第八光模組對稱設(shè)置于 整個光模組的中間，第屯光模組對稱設(shè)置在第八光模組的兩側(cè)，第六光模組對稱設(shè)置在第 屯光模組的兩側(cè)，第五光模組對稱設(shè)置在第六光模組的兩側(cè)，第四光模組對稱設(shè)置在第五 光模組的兩側(cè)，第=光模組對稱設(shè)置在第四光模組的兩側(cè)，第二光模組對稱設(shè)置在第=光 模組的兩側(cè)，第一光模組對稱設(shè)置在第二光模組的兩側(cè)。
[000引所述光模組與光源的距離為0.5m，所述光模組與凹透鏡的距離為0.55m，所述凹透 鏡與凸透鏡的距離為0.805m，所述凹透鏡與棱鏡組的距離為Im。所述第一光模組的偏轉(zhuǎn)角 為8.25°，第二光模組的偏轉(zhuǎn)角為7.15°，第=光模組的偏轉(zhuǎn)角為6.05°，第四光模組的偏轉(zhuǎn) 角為4.95°，第五光模組的偏轉(zhuǎn)角為3.85°，第六光模組的偏轉(zhuǎn)角為2.75°，第屯光模組的偏 轉(zhuǎn)角為1.65°，第八光模組的偏轉(zhuǎn)角為0.55°。
[0009] 所述曲面鏡組中，凹透鏡的長度為160mm、高度為50mm，中屯、厚度為5m，邊緣厚度為 10mm，凹面曲率為66mm;凸透鏡的長度為160mm、高度為160mm，中屯、厚度為20m，邊緣厚度為 3mm，凸面曲率為197mm。
[0010] 所述棱鏡組中，單曲面棱鏡的長度為160mm，高度為9.5,中屯、厚度為5mm，邊緣厚 度為545mm。
[0011] 有益效果：相比于現(xiàn)有技術(shù)，本實用新型的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu) 簡單、光學(xué)器件數(shù)量少、成本低、組裝方便W及能量傳輸效率高等優(yōu)點，并且通過該整形系 統(tǒng)整形后的激光光束的光強均勻度非常好。
【附圖說明】

[0012] 圖1為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)的系統(tǒng)原理圖；
[0013] 圖2為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中光模的右視圖；
[0014] 圖3為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中光模的正視圖；
[0015] 圖4為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中凹透鏡的右視圖；
[0016] 圖5為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中凹透鏡的正視圖；
[0017] 圖6為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中凸透鏡的右視圖；
[0018] 圖7為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中凸透鏡的正視圖；。
[0019] 圖8為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中單曲面棱鏡的側(cè)視圖；
[0020] 圖9為本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中單曲面棱鏡的正視圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結(jié)合附圖和實施例，對本實用新型的技術(shù)方案進行詳細說明。
[0022] 本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)所采用的光學(xué)元件均為服7玻璃。
[0023] 如圖1~9所示，本實用新型的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)包括光源1，光源1的發(fā) 光端依次設(shè)置有光模組3、曲面鏡組和棱鏡組5;光源1發(fā)出的激光束2依次穿過光模組3、曲 面鏡組和棱鏡組5;其中，光模組3由8對偏轉(zhuǎn)角不同的光模組成，光模組3呈直線沿豎直方 向排布，光模組3的排布方向與激光束方向垂直，曲面鏡組依次由凹透鏡4和凸透鏡6組成， 棱鏡組5由16個相同的呈直線排布的單曲面棱鏡組成，單曲面棱鏡的排布方向與激光束方 向垂直。
[0024] 其中，光模組3由偏轉(zhuǎn)角依次遞減的第一光模組、第二光模組、第=光模組、第四光 模組、第五光模組、第六光模組、第屯光模組和第八光模組組成，第八光模組對稱設(shè)置于整 個光模組3的中間，第屯光模組對稱設(shè)置在第八光模組的兩側(cè)，第六光模組對稱設(shè)置在第屯 光模組的兩側(cè)，第五光模組對稱設(shè)置在第六光模組的兩側(cè)，第四光模組對稱設(shè)置在第五光 模組的兩側(cè)，第=光模組對稱設(shè)置在第四光模組的兩側(cè)，第二光模組對稱設(shè)置在第=光模 組的兩側(cè)，第一光模組對稱設(shè)置在第二光模組的兩側(cè)。
[0025] 第一光模組的偏轉(zhuǎn)角為8.25°，第二光模組的偏轉(zhuǎn)角為7.15°，第=光模組的偏轉(zhuǎn) 角為6.05°，第四光模組的偏轉(zhuǎn)角為4.95°，第五光模組的偏轉(zhuǎn)角為3.85°，第六光模組的偏 轉(zhuǎn)角為2.75°，第屯光模組的偏轉(zhuǎn)角為1.65°，第八光模組的偏轉(zhuǎn)角為0.55°。
[0026] 曲面鏡組中，凹透鏡的長度為160mm、高度為50mm，中屯、厚度為5m，邊緣厚度為 10mm，凹面曲率為66mm;凸透鏡的長度為160mm、高度為160mm，中屯、厚度為20m，邊緣厚度為 3mm，凸面曲率為197mm。
[0027] 棱鏡組中，單曲面棱鏡的長度為160mm，高度為9.5,中屯、厚度為5mm，邊緣厚度為 545mm〇
[0028] 本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)的工作原理：
[0029] 光模對每束光的傳播方向進行調(diào)節(jié)，使其中屯、軸線全部平行于光軸方向。設(shè)光模 頂角為a,當激光束W角度i入射到光模表面時，根據(jù)折射定律，可知其出射角b與a的關(guān)系為 式(1)所示： 閨
(1)
[0031] 其中，a為光模的頂角(偏轉(zhuǎn)角），b為光束經(jīng)過光模后傳播方向變化的角度。通過選 擇合適的光模頂角a,可使出射光束沿水平方向；同時，由于各激光束在水平方向均為發(fā)散 的，故當達到某個距離后各發(fā)光單元間的無光區(qū)會消失。所W，當光模放置在特定位置上 時，可W將16個發(fā)光單元發(fā)出的光束調(diào)整為沿一束光軸方向的平行光。
[0032] 本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中光模組的數(shù)據(jù)如表1所示：
[0033] 表 1
[0034]
[0035] 平凹透鏡4與平凸透鏡5組成的曲面鏡組對光束的慢軸發(fā)散角進行準直。對于低功 率半導(dǎo)體激光器，由于其發(fā)光單元的填充因子小于0.3,慢軸發(fā)散角較小，可直接利用在快 軸準直透鏡后疊加慢軸方向微柱透鏡的方式進行光束準直，但對于半導(dǎo)體線陣激光器，為 了獲得高輸出功率，其發(fā)光單元的寬度明顯增大，填充因子達到0.5,因此入射光束在慢軸 方向上的總發(fā)散角比低功率激光器要大得多，本實用新型系統(tǒng)曲面鏡組由一個平凹透鏡和 一個平凸透鏡按光學(xué)間隔A =0的方式組合而成。
[0036] 垂軸放大率為： 陶]
。）；
[0038] 式（2)中，f2為平凸透鏡的焦距，fi為平凹透鏡的焦距，化為出瞳直徑，Di為入瞳直 徑，擴束倍數(shù)與兩柱透鏡的焦距比有關(guān)。
[0039] 經(jīng)慢軸準直后，光束在慢軸方向的發(fā)散角可W認為只由平凸透鏡的焦距f2和平凹 透鏡的焦距fi決定。
[0042]
[0040] 本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中曲面鏡組的數(shù)據(jù)如表2和表3所示：[0041] 表 2
[0043]
[0044]
[0045] 其中，平凹透鏡的第一面為凹面;平凸透鏡的第二面為凸面。
[0046] 棱鏡組對光束進行光強均勻化W及對光束的快軸發(fā)散角進行準直。當入射光經(jīng) 過平-凸棱鏡組時，由于棱鏡單元的光學(xué)作用形成彼此獨立傳播的光通道，每束光通道內(nèi)光 能量的均勻度會優(yōu)于入射光，經(jīng)過棱鏡后，光通道內(nèi)的能量疊加于光屏的同一區(qū)域，疊加后 重新生成的光斑其能量均勻度會遠高于初始入射光斑。最終截面光斑的均勻度與棱鏡曲面 的弧度值扣及光束入射到棱鏡的位置，角度等情況相關(guān);而當光束通過平-凸棱鏡后，快軸 方向的發(fā)散角也會被準直。最終快軸方向的發(fā)散角可W認為只與激光器本身的性能參數(shù)， 棱鏡距離光源的位置d，W及棱鏡曲面的弧度值0R有關(guān)。故可W通過合理選擇棱鏡的曲面弧 度值W及距離廣元的位置，可W極大提高激光光束的光強均勻度，且將光束的慢軸發(fā)散角 準直到實驗需求的范圍內(nèi)。
[0047] 本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中棱鏡采用的數(shù)據(jù)如表4所示：
[004引表4
[0049]
[0化0]本實用新型線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)中光模組3與光源1的距離設(shè)置為0.5m，光 模組3與凹透鏡4的距離設(shè)置為0.55m，凹透鏡4與凸透鏡6的距離設(shè)置為0.805m，凹透鏡4與 棱鏡組5的距離設(shè)置為Im。
[0051] 本實用新型系統(tǒng)的仿真結(jié)果為:整形后截面光斑的形狀為邊長IOcm的正方形，光 束發(fā)散角為6mrad，光強均勻度達到了82%，系統(tǒng)的能量傳輸效率為86% ;本實用新型系統(tǒng) 系統(tǒng)的實驗結(jié)果為:光束發(fā)散角為7. ImracU系統(tǒng)的能量傳輸效率為81.3%，光強均勻度為 78.9%。
[0052] 顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明本實用新型所作的舉例，而并非是對本實 用新型的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可 W做出其它不同形式的變化或變動，運里無需也無法對所有的實施方式予W窮舉，運些引 伸出的變化或變動也處于本實用新型的保護范圍之中。
【主權(quán)項】
1. 一種線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:包括光源，所述光源的發(fā)光端依次設(shè) 置有光楔組、曲面鏡組和棱鏡組;其中，所述光楔組由多對偏轉(zhuǎn)角不同的光楔組成，光楔組 呈直線且沿豎直方向排布，光楔組的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直;所述曲面鏡 組由依次排列的凹透鏡和凸透鏡組成;所述棱鏡組由多個在水平方向呈直線排布的單曲面 棱鏡組成，單曲面棱鏡的排布方向與光源發(fā)出的激光束方向垂直。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述光楔組的多對 光楔從外緣向中心，偏轉(zhuǎn)角側(cè)依次遞減。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述光楔組由 偏轉(zhuǎn)角依次遞減的第一光楔組、第二光楔組、第三光楔組、第四光楔組、第五光楔組、第六光 楔組、第七光楔組和第八光楔組組成，其中，第八光楔組對稱設(shè)置于整個光楔組的中間，第 七光楔組對稱設(shè)置在第八光楔組的兩側(cè)，第六光楔組對稱設(shè)置在第七光楔組的兩側(cè)，第五 光楔組對稱設(shè)置在第六光楔組的兩側(cè)，第四光楔組對稱設(shè)置在第五光楔組的兩側(cè)，第三光 楔組對稱設(shè)置在第四光楔組的兩側(cè)，第二光楔組對稱設(shè)置在第三光楔組的兩側(cè)，第一光楔 組對稱設(shè)置在第二光楔組的兩側(cè)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述光楔組與光源 的距離為0.5m，所述光楔組與凹透鏡的距離為0.55m，所述凹透鏡與凸透鏡的距離為 0.805m，所述凹透鏡與棱鏡組的距離為lm。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:該線陣半導(dǎo)體激光 束整形系統(tǒng)所采用的光學(xué)元件的材質(zhì)均為BK7玻璃。6. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述第一光楔組的 偏轉(zhuǎn)角為8.25°，第二光楔組的偏轉(zhuǎn)角為7.15°，第三光楔組的偏轉(zhuǎn)角為6.05°，第四光楔組 的偏轉(zhuǎn)角為4.95°，第五光楔組的偏轉(zhuǎn)角為3.85°，第六光楔組的偏轉(zhuǎn)角為2.75°，第七光楔 組的偏轉(zhuǎn)角為1.65°，第八光楔組的偏轉(zhuǎn)角為0.55°。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述曲面鏡組中， 凹透鏡的長度為160mm、高度為50mm，中心厚度為5m，邊緣厚度為10mm，凹面曲率為66mm;凸 透鏡的長度為160_、高度為160mm，中心厚度為20m，邊緣厚度為3mm，凸面曲率為197_。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的線陣半導(dǎo)體激光束整形系統(tǒng)，其特征在于:所述棱鏡組中，單 曲面棱鏡的長度為160mm，高度為9.5,中心厚度為5mm，邊緣厚度為545mm。
【文檔編號】G02B27/09GK205720904SQ201620257372
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年3月30日
【發(fā)明人】吳政南, 謝江容, 楊雁南
【申請人】南京航空航天大學(xué)