專利名稱：用于對半導體激光光束整形的勻光透鏡、勻光激光光源及光學系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光光學，尤其涉及一種用于對半導體激光光束整形的勻光透鏡、勻光激光光源及光學系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前，半導體激光器LD作為光源所輸出的光束，其截面光斑在水平和豎直兩個方向上形成不同發(fā)散角，即水平方向上的水平發(fā)散角Θ //和垂直方向上的垂直發(fā)散角Θ丄，在使用時通常只是截取中心光斑，光能量損耗比較大。由于半導體激光呈高斯曲線分布，經(jīng)過一般光學準直或擴束，其光斑光能量分布不均勻，影響了對半導體激光勻光場要求的領(lǐng)域的應用，尤其是光電檢測等產(chǎn)品對勻光場的要求。針對現(xiàn)有半導體激光光源，通常采用通用球面透鏡或透鏡組進行光學處理，其缺陷在于:1)普通球面透鏡對半導體激光光源的處理，用于擴束，其光場勻均性差；用于準直，點光源成像質(zhì)量只適用于一般標識性應用產(chǎn)品，達不到精密測量類儀器的應用要求。2)為了達到一定的成像效果，采用多片球面透鏡組合使用，不僅光功率損耗比較大，而且難于消除像差。3)傳統(tǒng)的球面玻璃鏡片雖易于批量加工，但加工工序長，如粗磨、細磨、拋光等，工序多、材料多，成本高，且組裝積累誤差大，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性也較差。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的一是調(diào)整半導體激光器LD的輸出激光光束的發(fā)散角(即對其輸出激光的光斑進行整形，這里的光斑是指激光的截面形狀，也可以理解為激光束的投影)，使其發(fā)散角接近一致，為后續(xù)光學處理提供一個較高質(zhì)量的激光光源，并提高光能量的利用
率。 目的二是提供具有勻光和消象差性能的激光光源或模組。目的三是提供具有勻光和消象差性能的光學系統(tǒng)。為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種用于對半導體激光光束整形的勻光透鏡，包括具有相對設置的接收所述激光射入的入射面和該激光射出的出射面，其特殊之處在于，所述入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)所述入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。上述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。上述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向外拱起的凸面。上述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。上述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面,所述出射面為向外拱起的凸面。上述勻光透鏡，包括第一透鏡和第二透鏡，該第一透鏡具有半柱形曲面和與該半柱形曲面相對的第一平面；該第二透鏡具有非球面和與該非球面相對的第二平面，該第一平面與第二平面相對設置，該半柱形曲面與該非球面分別構(gòu)成所述入射面和出射面。[0013]上述第一透鏡和第二透鏡分別包含一相對的平面。上述相對的平面彼此粘合在一起或間距不超過50mm。一種含有上述勻光透鏡的勻光激光光源，包括透鏡座、設置在透鏡座內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導體激光器LD芯片的激光器座，其特殊之處在于，所述勻光透鏡設置在所述半導體激光器LD芯片的光軸上,其入射面與該半導體激光器LD芯片的激光輸出面之間的間距在O IOOmm范圍內(nèi)，該入射面的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 IOmm內(nèi)，入射面的軸線與所述半導體激光器LD芯片的出射激光的水平截面或垂直截面垂直。一種含有上述勻光激光光源的激光擴束光學系統(tǒng)，包括置于激光光源與透鏡或透鏡組之間的擴束透鏡或擴束透鏡組，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述擴束透鏡是球面或非球面擴束透鏡；所述擴束透鏡組是球面或非球面擴束透鏡組。一種含有上述勻光激光光源的激光準直光學系統(tǒng)，包括激光光源和設置在該激光光源的出射光路上的準直透鏡或準直透鏡組，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源，所述準直透鏡是球面或非球面準直透鏡；所述準直透鏡組是球面或非球面準直透鏡組。一種含有上述勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴束模組光學系統(tǒng)，包括擴束模組殼體、設置在擴束模組殼體內(nèi)的激光光源、滑座與變焦擴束透鏡、勻光準直透鏡，激光光源設置在滑座上，勻光準直透鏡設置在擴束模組殼體的出光孔處，變焦擴束透鏡設置在激光光源與勻光準直透鏡之間，該擴束模組殼體的一側(cè)設置有調(diào)焦輪，該調(diào)焦輪通過設置在滑座外的滑銷與該滑座通過齒輪嚙合，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源，所述變焦擴束透鏡為球面或非球面透鏡；所述勻光準直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。 一種含有上述勻光激光光源的激光準直模組光學系統(tǒng)，包括準直模組殼體、設置于準直模組殼體內(nèi)的激光光源和設置在該激光光源的出射光路上的長焦準直透鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述長焦準直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。一種含有上述勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和錐面反射鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源；所述準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。一種含有上述勻光激光光源的五棱鏡光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和五棱鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是所述勻光激光光源，所述的準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述五棱鏡是反射式或透反式五棱鏡，該反射式五棱透鏡為單體五棱鏡，透反式五棱透鏡為膠合五棱透鏡。一種含有上述勻光激光光源的傳導式聚焦光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和光束傳導介質(zhì)，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源；所述準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述光束傳導介質(zhì)為光纖或自聚焦透鏡?！N含有上述勻光激光光源的高速掃描振鏡光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和振鏡，其特殊之處在于，所述激光光源是勻光激光光源；所述準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。本實用新型的優(yōu)點是:結(jié)構(gòu)簡單，制作容易，成本低廉。尤其是提供了一個對半導體激光器輸出激光光束的水平發(fā)散Θ //和垂直發(fā)散角Θ丄，進行整形、勻光和消除像差處理的勻光激光光源。對激光精密測量、掃描等半導體激光應用提供了一個充分利用激光光能的、光束能量分布均勻的基礎(chǔ)光源。適用于各種場合的激光照明探測、測量測繪、建筑裝修、大地測量、光電掃描及激光醫(yī)療等領(lǐng)域應用產(chǎn)品的基礎(chǔ)光源。能很好的實現(xiàn)對各種波長的半導體激光器輸出激光光束發(fā)散角的調(diào)整和激光輸出光能量高斯曲線分布進行均勻化調(diào)整，提高激光光能量的利用率的同時，具有很好的勻光和消象差性能。

圖1是入射面為凸面，出射面為凹面的勻光透鏡的剖面示意圖。圖2是圖1的立體示意圖。圖3是入射面為凸面，出射面為凸面的勻光透鏡的剖面示意圖。。圖4是圖3的立體示意圖。圖5是入射面為凹面，出射面為凹面的勻光透鏡的剖面示意圖。圖6是圖5的立 體示意圖。圖7是入射面為凹面，出射面為凸面的勻光透鏡的剖面示意圖。圖8是圖7的立體示意圖。圖9是入射面為凸面的半柱形曲面、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。圖10是圖9的立體示意圖。圖11是入射面為凹面的半柱形曲面、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。圖12是圖11的立體示意圖。圖13是入射面為凸面的半柱形曲面且該半柱形曲面為半圓、出射面為第一平面的第一透鏡的剖面示意圖。圖14是圖13的立體示意圖。圖15是入射面為第二平面、出射面為非球面(凸面)的第二透鏡的剖面示意圖。圖16是圖15的立體示意圖。圖17是入射面為第二平面、出射面為非球面(凹面)的第二透鏡的剖面示意圖。圖18是圖17的立體示意圖。圖19是圖13所示第一透鏡與圖17所示第二透鏡膠合而成的組合式勻光透鏡的剖面示意圖。圖20是圖19的立體示意圖。
圖24是未經(jīng)調(diào)整的半導體激光器LD的出射激光的發(fā)散角示意圖。圖25是整形后的半導體激光器LD的出射激光的發(fā)散角示意圖。圖26是沿Z方向傳播的基膜高斯光束的電矢量示意圖。圖27是未經(jīng)調(diào)整的半導體激光器LD輸出激光的垂直發(fā)散角的高斯分布曲線圖。圖28是未經(jīng)調(diào)整的半導體激光器LD輸出激光的水平發(fā)散角的高斯分布曲線圖。圖29是半導體激光光束經(jīng)第一曲面或第一透鏡整形后輸出激光的水平發(fā)散角高斯分布示意圖。圖30是半導體激光光束經(jīng)第一曲面或第一透鏡整形后輸出激光的垂直發(fā)散角高斯分布示意圖。圖31是勻光激光光源的水平發(fā)散角高斯分布曲線圖。圖32是勻光激光光源的垂直發(fā)散角高斯分布曲線圖。圖33是勻光激光光源的光束截面高斯分布曲線圖。圖34是含有勻光激光光源的組合透鏡準直的激光擴束光學系統(tǒng)示意圖。圖35是含有勻光 激光光源的單透鏡準直的激光擴束光學系統(tǒng)示意圖。圖36是含有勻光激光光源的組合透鏡準直的激光準直光學系統(tǒng)示意圖。圖37是含有勻光激光光源的單透鏡準直的激光準直光學系統(tǒng)示意圖。圖38是含有勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴束模組光學系統(tǒng)示意圖。圖39是含有勻光激光光源的激光準直模組光學系統(tǒng)示意圖。圖40是含有勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光學系統(tǒng)示意圖。圖41是含有勻光激光光源的五棱鏡反射式光學系統(tǒng)不意圖。圖42是含有勻光激光光源的五棱鏡透反式光學系統(tǒng)不意圖。圖43是含有勻光激光光源的傳導式聚焦光學系統(tǒng)示意圖。圖44是含有勻光激光光源的高速掃描振鏡光學系統(tǒng)不意圖。圖中:1、入射面；2、出射面；3、勻光激光光源；4、激光器座；5、半導體激光器LD芯片；6、勻光透鏡或組合式勻光透鏡；7、透鏡座；8、半柱形曲面；9、第一平面；10、非球面；
11、第二平面；12、激光輸出面；13、擴束透鏡；14、擴束組合透鏡；15、擴束單透鏡；16匯聚組合或膠合透鏡；17、匯聚單透鏡；18、勻光準直透鏡；19、變焦擴束透鏡；20、滑座；21、滑銷；22擴束模組殼體；23、調(diào)焦輪；24、準直模組殼體；25、長焦準直透鏡；26、準直透鏡；27、錐面反射鏡；28、反射式五棱鏡；29、透反式五棱鏡；30、光束傳導介質(zhì)；31、振鏡。
具體實施方式
為了克服半導體激光器發(fā)射的激光的垂直發(fā)散角Θ丄與水平發(fā)散角Θ //的比值過大，光能量利用率低及高斯分布所形成的光場能量分布不均勻的現(xiàn)象，以提高光功率利用率和提供一個相對均勻的光源光場，本實施例提供了一種圖1至圖22所示的用于對半導體激光器輸出激光光斑整形的勻光透鏡，包括具有相對設置的接收所述激光射入的入射面I和該激光射出的出射面2，且該入射面I是半柱形曲面，出射面2為非球面，該非球面的母線兩端距離大于該半柱形曲面的母線的兩端距離，以確保經(jīng)入射面I射入的激光全部入射到出射面2上，如此可極大程度的減少激光的浪費，從而有利于提高激光的利用率。其中，圖1至圖8所示，為同一種介質(zhì)材料制作的單體勻光透鏡，而圖1、2所示的勻光透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I為向外拱起的凸面，出射面2為向內(nèi)凹陷的凹面。圖3、4所示的勻光透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是，其入射面I為向外拱起的凸面，出射面2也為向外拱起的凸面。圖5、6所示的勻光透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I和出射面2均為向內(nèi)凹陷的凹面。圖7、8所示的勻光透鏡的具體結(jié)構(gòu)形式是其入射面I為向內(nèi)凹陷的凹面，出射面2為向外拱起的凸面?？紤]到由于激光波長不同、調(diào)整發(fā)散角和勻光對介質(zhì)的折射率等技術(shù)參數(shù)的要求不同等因素，還提供了由同一介質(zhì)材料或不同介質(zhì)材料制作的組合式勻光透鏡，即上述的勻光透鏡可以由不同的單體透鏡組合而成，本實施例提供的組合式勻光透鏡可以由圖9至圖14所示的單體透鏡即第一透鏡(具有一半柱形曲面8及與該半柱形曲面8相對的第一平面9作為入射面I的承載鏡體及圖15至圖18所示的單體透鏡即第二透鏡(具有非球面10和與該非球面10相對的第二平面11)作為出射面2的承載鏡體構(gòu)成，具體構(gòu)成方式可采用彼此具有的第一平面9和第二平面11相對并間距不超過50mm的方式相對排列在一起，也可以采用圖19至圖22所示的方式即通過粘合第一平面9和第二平面11形成由第一透鏡和第二透鏡組成的勻光透鏡。以上所述的勻光透鏡均為光學玻璃透鏡，組合式勻光透鏡由相同或不同介質(zhì)材料的光學玻璃透鏡組合而成。本實施例還提供了一種圖23所示的勻光激光光源3，包括透鏡座7、設置在透鏡座7內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導體激光器LD芯片5的激光器座4，勻光透鏡6設置在半導體激光器LD芯片5的光軸上,其入射面I與該半導體激光器LD芯片5的激光輸出面12之間的間距在O IOOmm 范圍內(nèi)，該入射面I的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 IOmm內(nèi)。圖25所示為半導體激光器LD芯片5輸出激光光束的水平截面的水平發(fā)散為Θ //，豎直方向的垂直發(fā)散角為Θ丄的原始光斑形狀及發(fā)散角。結(jié)合圖26，可見沿Z方向傳播的基膜高斯光束的電矢量表達式如下:E (x, y, z) =A0/ff (z) exp [- (x2+y2) /w2 (z) ] gexp {-1k [z+ (x2+y2) /2R(z) ] +i Φ (z) }
(I)其中:E—電場強度A0-Z=O時的振幅W(z) — z點的光斑尺寸R(Z) — z點波陣面的曲率半徑φ (z) — Z點的相位A0/ff (z) exp [_ (x2+y2)/w2 (z)]—振幅部分exp {-1k [z+ (x2+y2) /2R(z) ]+i Φ (z) } 一位相部分當z=0時電矢量表達式:E (X，y) =A0/ff0exp [- (x2+y2) /W20] (2 )(2)式的圖形見圖34，由(2)式可以看出:1)與X、y有關(guān)的位相部分消失，即z=0的平面是等相面，它與平面波的波陣面一樣。2)振幅部分是一指數(shù)表達式，這種指數(shù)函數(shù)叫高斯函數(shù)，通常稱振幅的這種分布為高斯分布。以上內(nèi)容可參見:《激光在精密計量中的應用》天津大學葉聲華主編機械工業(yè)出版社第一版。為了調(diào)整激光光束在截面X軸和Y軸方向的發(fā)散角基本一致，如圖25所示，通過勻光激光光源的勻光透鏡或組合式勻光透鏡6的入射面I (半柱形曲面)縮小Y軸發(fā)散角Θ丄，或擴大X軸發(fā)散角Θ //。其中，勻光透鏡或組合式勻光透鏡6的入射面I為半柱形曲面的柱形軸線與輸出激光的截面Y軸垂直，以達到縮小Y軸發(fā)散角Θ丄的目的。調(diào)整激光發(fā)散角Θ //和Θ丄，預期的激光光束截面的水平發(fā)散角與其垂直發(fā)散角基本相等。由圖25可見，本實施例通過勻光透鏡或組合式勻光透鏡6的入射面I的半柱形曲面的柱形軸線與輸出激光截面Y軸垂直設置，入射面I半柱形曲面縮小Y軸發(fā)散角Θ丄，由圖29、30可以明顯看到，經(jīng)整形的后的激光光束截面的邊緣激光光能量增加。使圖27、28所示的半導體激光器LD輸出激光的高斯分布曲線，經(jīng)整形后，其激光能量即高斯分布曲線如圖29、30所示，可以看出:1)振幅部分不再是從中心向外平滑地降落，而是在邊緣部分有一突起。2)當孔徑光闌為圓形或?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)時，邊緣突起部分也是對稱分布。
如圖33、圖34所不,上述的勻光激光光源3,為了達到輸出激光在截面光場光能量分布均勻的目的，其設置于半導體激光器LD芯片5的輸出激光光路上的勻光透鏡或組合式勻光透鏡6的出射面2為非球面，調(diào)整圖27所示的半導體激光器LD輸出激光的高斯分布曲線和調(diào)整發(fā)散角Θ丄形成邊緣光能量，以達到圖31、32所示的勻光激光光源能量分布曲線圖和圖33所示的勻光激光光源截面能量分布圖，進而實現(xiàn)預期的輸出激光截面光場光能量勻均分布，可以看出:1)振幅部分成為近似矩形或中間稍微凹兩邊凸。2)能量分布比較均勻。同時，本實施例還提供了圖34至圖37所示的幾種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的典型擴束和準直光學系統(tǒng)。圖34所示是含有勻光激光光源3的一種激光擴束光學系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、擴束透鏡13、擴束組合透鏡14，其中，擴束透鏡13設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；擴束組合透鏡14設置于擴束透鏡13的輸出光路上，擴束透鏡13為球面或非球面透鏡；擴束組合透鏡14為球面或非球面的膠合透鏡或透鏡組。圖35所示是含有勻光激光光源3的激光擴束光學系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、擴束透鏡13和擴束單透鏡15。其中:擴束透鏡13設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；擴束單透鏡15設置于擴束透鏡13的輸出光路上。擴束透鏡13為球面或非球面透鏡；擴束單透鏡15為非球面或球面透鏡。圖36所示是含有勻光激光光源3的激光準直光學系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、匯聚組合或膠合透鏡16，匯聚組合或膠合透鏡16設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；匯聚組合或膠合透鏡16為球面或非球面的組合或膠合透鏡。圖37所示是含有勻光激光光源3的激光準直光學系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、匯聚單透鏡17，匯聚單透鏡17設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；匯聚單透鏡17為非球面或非球面的單透鏡。圖38、圖39所示，是本實施例提供的兩種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的典型的擴束和準直激光模組光學系統(tǒng)。圖38所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的調(diào)焦式激光擴束模組光學系統(tǒng)，為激光輸出在不同距離上可調(diào)節(jié)為相同大小光斑的均勻光場。該調(diào)焦式激光擴束模組主要包括擴束模組殼體22、調(diào)焦輪23、滑銷21和設置在擴束模組殼體22內(nèi)的勻光激光光源3、滑座20與變焦擴束透鏡19、勻光準直透鏡18。該調(diào)焦式激光擴束模組還包括有驅(qū)動電路、供電電源及操作控制等支持系統(tǒng)。其中:變焦擴束透鏡19設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；勻光準直透鏡18設置于變焦擴束透鏡19的輸出光路上具體是設置在擴束模組殼體23內(nèi)的出光孔處。這里的變焦擴束透鏡19為球面或非球面透鏡；勻光準直透鏡18為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。調(diào)焦式激光擴束模組光學系統(tǒng)的工作原理是安裝在置于擴束模組殼體22內(nèi)的滑座20內(nèi)的變焦擴束透鏡10，通過滑座20外部設置的滑銷21，與模組殼體22外部設置的調(diào)焦輪23的內(nèi)側(cè)導槽相嚙合。轉(zhuǎn)動調(diào)焦輪23，通過滑銷21帶動滑座20及滑座20內(nèi)的變焦擴束透鏡19沿光軸往復移動，以改變變焦擴束透鏡20的位置，從而使輸出激光在不同工作距離保持相同的勻光場光斑。調(diào)焦輪23的驅(qū)動為手動驅(qū)動或電動驅(qū)動。圖39所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的激光準直模組光學系統(tǒng)，包括準直模組殼體24和設置于準直模組殼體24內(nèi)的勻光激光光源3和長焦準直透鏡25。該激光準直模組還包括有驅(qū)動電路、供電電源及操作控制等支持系統(tǒng)。其中，長焦準直透鏡25設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上。一般情況下，勻光激光光源3設置于準直模組殼體25的一端，而長焦準直透鏡25相對設置于準直模組殼體24的另一端(即出光孔處)，其間隔距離取決于長焦準直透鏡25的焦距長度。以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的激光準直模組，可以通過一般的準直透鏡輸出光形比較好的圓形光斑，或通過長焦準直透鏡25形成在一定距離范圍內(nèi)直徑尺寸基本一致的圓形光斑。這里的長焦準直透鏡25為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
同時，本實施例還提供了圖36、圖37、圖38、圖39、圖40所示的幾種以勻光激光光源3為基礎(chǔ)的應用實例的典型光學系統(tǒng)。圖40所不是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的錐鏡反射式線狀光束光學系統(tǒng),包括勻光激光光源3、準直透鏡26和錐面反射鏡27。其中，準直透鏡26設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；錐面反射鏡27設置于準直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光，通過準直透鏡26形成準直激光，經(jīng)過錐面反射鏡27反射，形成與光軸垂直的360°的線狀光束。這里涉及的準直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。圖41、42所不是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的五棱鏡光學系統(tǒng),包括勻光激光光源3、準直透鏡26和反射式五棱鏡28或透反式五棱鏡29。其中，準直透鏡26設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上。如圖41所不，反射式五棱鏡28設置于準直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準直透鏡26形成準直激光,經(jīng)過反射式五棱鏡28將準直激光改變90°方向輸出。在圖42中，透反式五棱鏡29同樣設置于準直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準直透鏡26形成準直激光,經(jīng)過透反式五棱鏡29將一部分準直激光沿輸出光軸透射輸出，一部分準直激光改變90°方向輸出。這里涉及的準直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。反射式五棱透鏡28為單體五棱鏡；透反式五棱透鏡29為膠合五棱透鏡。圖43所示是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的傳導式聚焦光學系統(tǒng)，包括勻光激光光源3、準直透鏡26和光束傳導介質(zhì)30(這里實際為光纖)。其中，準直透鏡26設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；光束傳導介質(zhì)30設置于準直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光，通過準直透鏡26形成準直激光聚焦后，進入光束傳導介質(zhì)30進行遠距離傳導(如光纖)或其他變焦應用。該光路系統(tǒng)中涉及的準直透鏡26也為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。光束傳導介質(zhì)30可以為光纖、自聚焦透鏡等光束傳導物質(zhì)。圖44所不是以勻光激光光源3作為基礎(chǔ)光源的高速掃描振鏡光學系統(tǒng),包括勻光激光光源3、準直透鏡26和振鏡31。其中，準直透鏡26設置于勻光激光光源3的激光輸出光路上；振鏡31設置于準直透鏡26的輸出光路上。勻光激光光源3的輸出激光,通過準直透鏡26形成準直激光，經(jīng)過振鏡31適用于激光掃描。該光路系統(tǒng)中涉及的準直透鏡26為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；振鏡31為適用于高速掃描的振鏡。綜上所述，本實施例提供的適用于半導體激光器的透鏡或組合透鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于制作，使用方式多樣靈活，可以應用于多種光路系統(tǒng)中，克服了普通球面透鏡無法調(diào)整激光發(fā)散角的光能量損耗，并針對不同波長通過專門的非球面設計，不僅有利于消除像差，而且可將光能量分布均勻化處理。以透鏡或組合透鏡與半導體激光器封裝的勻光激光光源可以作為半導體激光的基礎(chǔ)光源，適用于各類半導體激光的準直、擴束、調(diào)制光路系統(tǒng)的應用，也適用于激光指示、標識、探測、測量、照明、醫(yī)療、掃描等各領(lǐng)域相關(guān)激光儀器的應用。以上例舉僅僅是對本實用新型的舉例說明，并不構(gòu)成對本實用新型的保護范圍的限制，凡是與本實用新型相同或相似 的設計均屬于本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種用于對半導體激光光束整形的勻光透鏡，包括具有相對設置的接收所述激光射入的入射面和該激光射出的出射面，其特征在于:所述入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)所述入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。
2.如權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。
3.如權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述入射面為向外拱起的凸面，所述出射面為向外拱起的凸面。
4.如權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為向內(nèi)凹陷的凹面。
5.如權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:所述入射面為向內(nèi)凹陷的凹面，所述出射面為向外拱起的凸面。
6.如權(quán)利要求1所述的勻光透鏡，其特征在于:該勻光透鏡包括第一透鏡和第二透鏡，該第一透鏡具有半柱形曲面和與該半柱形曲面相對的第一平面；該第二透鏡具有非球面和與該非球面相對的第二平面，該第一平面與第二平面相對設置，該半柱形曲面與該非球面分別構(gòu)成所述入射面和出射面。
7.如權(quán)利要求6所述的勻光透鏡，其特征在于:所述第一透鏡和第二透鏡分別包含一相對的平面。
8.如權(quán)利要求7所述的勻光透鏡，其特征在于:所述相對的平面彼此粘合在一起或間距不超過50mm。
9.一種含有權(quán)利要求1至8中任一權(quán)利要求所述的勻光透鏡的勻光激光光源，包括透鏡座、設置在透鏡座內(nèi)一端的固定用于產(chǎn)生激光的半導體激光器LD芯片的激光器座，其特征在于:所述勻光透鏡設置在所述半導體激光器LD芯片的光軸上，其入射面與該半導體激光器LD芯片的激光輸出面之間的間距在O IOOmm范圍內(nèi)，該入射面的半柱形曲面的柱形直徑在0.005 IOmm內(nèi)，入射面的軸線與所述半導體激光器LD芯片的出射激光的水平截面或垂直截面垂直。
10.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光擴束光學系統(tǒng)，包括置于激光光源與透鏡或透鏡組之間的擴束透鏡或擴束透鏡組，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述擴束透鏡是球面或非球面擴束透鏡；所述擴束透鏡組是球面或非球面擴束透鏡組。
11.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光準直光學系統(tǒng)，包括激光光源和設置在該激光光源的出射光路上的準直透鏡或準直透鏡組，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源，所述準直透鏡是球面或非球面準直透鏡；所述準直透鏡組是球面或非球面準直透鏡組。
12.—種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的調(diào)焦式激光擴束模組光學系統(tǒng)，包括擴束模組殼體、設置在擴束模組殼體內(nèi)的激光光源、滑座與變焦擴束透鏡、勻光準直透鏡，激光光源設置在滑座上，勻光準直透鏡設置在擴束模組殼體的出光孔處，變焦擴束透鏡設置在激光光源與勻光準直透鏡之間，該擴束模組殼體的一側(cè)設置有調(diào)焦輪，該調(diào)焦輪通過設置在滑座外的滑銷與該滑座通過齒輪嚙合，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源，所述變焦擴束透鏡為球面或非球面透鏡；所述勻光準直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
13.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的激光準直模組光學系統(tǒng)，包括準直模組殼體、設置于準直模組殼體內(nèi)的激光光源和設置在該激光光源的出射光路上的長焦準直透鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述長焦準直透鏡為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
14.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的錐鏡反射式線狀光束光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和錐面反射鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源；所述準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
15.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的五棱鏡光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和五棱鏡，其特征在于:所述激光光源是所述勻光激光光源，所述的準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述五棱鏡是反射式或透反式五棱鏡，該反射式五棱透鏡為單體五棱鏡，透反式五棱透鏡為膠合五棱透鏡。
16.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的傳導式聚焦光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和光束傳導介質(zhì)，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源；所述準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組；所述光束傳導介質(zhì)為光纖或自聚焦透鏡。
17.一種含有權(quán)利要求9所述的勻光激光光源的高速掃描振鏡光學系統(tǒng)，包括激光光源、依次設置在該激光光源的出射光路上的準直光學元器件和振鏡，其特征在于:所述激光光源是勻光激光光源；所述 準直光學元器件為球面或非球面的單透鏡、膠合透鏡或透鏡組。
專利摘要本實用新型提供的用于對半導體激光光束整形的勻光透鏡、勻光激光光源及光學系統(tǒng)，包括具有相對設置的接收激光射入的入射面和該激光射出的出射面，入射面是半柱形曲面，出射面為非球面；且該非球面的母線兩端距離大于所述半柱形曲面母線的兩端距離，以確保經(jīng)入射面射入的激光全部入射到所述出射面上。該勻光透鏡結(jié)構(gòu)簡單，易于批量加工，成本低廉，尤其是能很好的實現(xiàn)對各種波長的半導體激光器輸出激光光束發(fā)散角的調(diào)整和激光輸出光能量高斯曲線分布進行均勻化調(diào)整，提高激光光能量的利用率的同時，具有很好的勻光和消象差性能。
文檔編號G02B26/10GK203101668SQ20132008517
公開日2013年7月31日 申請日期2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日2013年2月26日
發(fā)明者孫建華, 盧長信, 張哲子, 楊英姿 申請人:西安華科光電有限公司