本发明专利技术涉及一种线性光束的全反射法整形器，属于二极管激光器的光束整形技术。该发明专利技术由在线性光束传播方向上依次设置的三个透明介质和整形后的光束组成。其特征是三个介质的折射率相同。每二个介质之间相互无缝隙拼接，介质２９与介质３０的平行面具有一定倾角，介质３０的平行面与Ｚ轴成夹角，介质２９与介质３１的平行面相互垂直，介质２９的通光入射面和介质３１的出射面相互平行，且线性光束的传播方向与该两通光面垂直。经整形的光束变成设定形状的光束。该发明专利技术具有构思新颖、设计合理、工艺规范、无污染、易于工业化大生产；具有结构紧凑、模块化、小型化、制造方便、价格适宜等特点；使用本发明专利技术可以大大减少光能损失，整形效率高，进一步改善二极管激光器的聚焦性能等优点。本发明专利技术可广泛地用于军事、科研、院校及工矿企业等领域。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及二极管激光器等线状发光器的光束整形装置，特别是涉及 一种线性光束的全^^射法整形器。
技术介绍
二极管激光器的应用，目前主要有两大用途其一，直接用作激光源， 如在光纤通讯、照明和材料加工等领域；其二，用作固体激光器的泵浦源。 二极管激光器的光束质量很差，其在两个方向上的发散性差异很大，很难 用普通的光学系统得到高亮度激光，因此，无论何种应用，光束都必须经 过准直、整形、聚焦等手段的处理。图1所示为一^:的准直后的激光二极管的输出光束形状，1为线阵二 极管激光器，2为准直模块，3为准直后的光束。可见，准直后的光束形 状一般是线形。为了改善聚焦性能，往往把线形光束截成多节，重新排列 成一定的形状如矩形、方形、圓形、椭圓形等，叫做光束的整形。如图2 所示，4为线形光束，5为整形模块，6为整形后的光束分布。目前普遍采用的整形方案有两步重排法和一步重排法。一、 两步重排整形法图3所示为两步重排整形法一般的技术路线，第一步，先把线形光束 7截成相互有一定位移的多个节8,光束8的节数和位移根据具体需 要设定，称为第一次重排；第二步，对光束8进行第二次重排，使光 束8的各个节在另 一个方向上产生不同的位移量，形成具有一定形状 的矩形光束9。亦可形成圓形、椭圆形或其他预先设计的图形光束9。 典型的两步重排整形法是梯形镜法。如图4所示，线形光束IO 先由数个微小镜片ll分割并反射，实现第一次光束重排。重排后的 光束再经过第二次反射，实现第二次重排。第一次重排的结果是分割 后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移；第二次重排的结果是 在另一个方向上实现不同量的平移。最终得到如图4所示的整形后的输出图案12。 JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜。另外，属于两次重排整形法的还有棱镜组法，如图5所示，采 用三块直角棱角镜叠加在一起组成的重排模块实现一个方向上的重 排，两个这样的模块即可实现所需的光束整形。图中13表示整形之 前的线形光束，14表示第一次重排以后的光束分布，15表示第二次 重排之后的光束分布。 二、 一步重排整形法上述的两步重排法， 一方面结构复杂，不利于小型化和模块化；另一 方面，由于每一次反射都损失一些光能量，致使整形后的效率受到影响。 近期发展起来的一步重排整形法与之相比很有特色。 (A) 45°倾斜柱透镜阵列旋转整形法倾斜柱透镜成象可以实现旋转功能，如图6所示。可以证明，如果柱 透镜的旋转角为①，则象的旋转的角度为2①。使用45°放置的柱透镜 16, —个水平的线状物17所成的象的旋转角为90°即象为一个垂直的线 状物18。在此思路的启示下，Limo公司设计制造了 45°倾斜的柱透镜阵列。 如图7中所示。条形半导体激光器发射的水平线形光束19,在快轴准直 后，每个发光元对应45°倾斜柱透镜阵列20中的一个柱透镜。在光经过 柱透镜阵列之后，就会出现和发光元数目相等的、已经实现重排了的矩形 光分布21。和梯形镜法相比较而言，倾斜柱透镜阵列旋转整形法只用 一步就实现 了光束的整形重排，但排列出的光不再是准直光，而是在垂直方向上发散 的一个矩形分布。在Limo的实际产品中，首先使用一个柱透镜在垂直方 向上进行准直，然后，还须使用两个柱透镜分别在水平和垂直方向上聚焦， 这使得系统的结构仍显得较为复杂。(B)折射整形法本申请人的产品釆用另 一种整形原理，即折射整形法。根据折射原理， 如图8所示，光束22以一定的角度入射到透明介质23 (如玻璃等)中， 方向将发生改变。如果此介质23是平行介质，光束22穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动，成为图8所示光束24。不同的移动 量可以通过不同的入射角和介质长度来控制。采用多层透明介质即可实现 光束的重排。图9所示为一个整形模块的剖面图。图中25为线形光束， 26为折射整形器，27为整形后的光束分布。折射整形法虽能克服反射损失光能的问题，并且结构相对简单，易于 小型化，但是当需要截成的光束节数增大时，结构亦将变得复杂，因此仍 限制了激光器聚焦性能的进一步改善。
技术实现思路
本专利技术的目的，就是为了弥补现有技术的不足，经潜心研究，反复实践 -睑证，提供一种线性光束经本专利技术的整形后，变成一定形状、分布均勻、效 果理想光束的线性光束的全反射法整形器。本专利技术所称的线形光束的全反射法整形器的技术方案是这样实现的如 图IO所示，它由在被整形线光源输出的线形光束28传播方向上，依次设置 的透明介质29、透明介质30、透明介质31和整形后光束32组成。其特征 是作为整形关键部位的光学透明介质29、 30和31均具有相同的折射率， 介质30厚度为d，介质29和介质30以及介质30和介质31之间相互无缝 隙拼接，介质29和30的平行面之间具有一定倾角(90。 -a ),介质30的 平行面与XOZ面的交线与Z轴形成夹角P ，介质29和介质31的平行面之间 相互垂直，且介质29的通光入射面和介质31的通光出射面相互平行，并且 线形光束28的传播方向与该两通光面垂直。经整形后的光束32变成设定形 状的光束32。根据全反射原理，光从光密介质入射至光疏介质，当入射角Y大于全反 射的零界角时，光在介质交界面发生全反射。如图IO所示装置以及直角坐 标系，设介质29的入射通光面为Z0Y面，同时，Y为竖直方向，故线形光 束的传播方向即为X轴方向。厚度为d的透明光学介质30,其两平行面与Y 轴形成a夹角，同时该平行面与水平面(XOZ面，即介质29的平行面)的 交线与z轴形成p夹角。平行于OZ轴的线形光束沿X轴方向入射，由介质 29导入介质30,到介质30的后平行面后，发生反射(通过角度设计可实现 全反射)。由于a和P角的存在，反射光将向x、 y方向发生倾斜，在介质30前一个平行面上同样发生反射之后，重新沿X轴方向到达介质30后平行面。 此时的线形光束和第一次入射的线形光束的每一个光点在x和y方向上都发 生了位移但方向平行。由于在介质30—侧的边界上拼接的同样折射率的介 质31破坏了全反射条件，故线形光束一侧的沿OZ轴长度为a的部分光线将 得以出射，剩余的继续反射，经过介质30前平行面后到达后平行面，同时 发生和上次相等的位移，线形光束一侧的部分光线又将得以出射，和上次出 射出去的光束长短相同、方向平行，且在y轴方向产生b的位移。此过程一 直继续下去，直至所有光线被切割后得以出射，形成n节长度a相同、方向 平行且在y方向相邻间隔为b的图形32，从而实现了切割和重排，即实现 了光束整形。依据上述全反射分割整形的原理，并且考虑到线形光束本身仍存在一定 的发散角，本专利技术所称的整形器中，透明介质29和30在Z轴方向上的宽度 应大于分割整形前线形光束的总长度L，透明介质31在Z轴方向上厚度则 应大于线形光束被分割后的每小节的长度a。透明介质30和31在Y轴方向 的高度应大于整形后光束分布在Y轴方向的高度b (n-l) b。。另外，如图 10所示，cc、 P和d可以通过选取满足全反射条件的入射角y，以及需要 的切割后每小节光线的长度a和这些小节光线之间在Y轴方向上的间距b计 算而设计出来。以下结合二极管激光器输出线形光束的全反射整形法阐述参数的设计 和计算思路。1) 切割份数n的确定设本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种线形光束的全反射法整形器，由在被整形线光源输出的线形光束（２８）传播方向上，依次设置的透明介质（２９）、透明介质（３０）、透明介质（３１）和整形后光束（３２）组成，其特征在于，作为整形关键部位的光学透明介质（２９）、（３０）和（３１）均具有相同的折射率，介质（３０）厚度为ｄ，介质（２９）和（３０）的平行面之间具有一定倾角为９０°－α，并且介质（３０）的平行面与ＸＯＺ面的交线与Ｚ轴形成夹角β，介质（２９）和介质（３１）的平行面之间相互垂直，介质（２９）的通光入射面和介质（３１）的通光出射面相互平行，且线形光束（２８）的传播方向与该两通光面垂直，线形光束（２８）由光学透明介质（２９）入射至介质（３０），经过多次全反射实现整形，经整形后的光束（３２）变成设定形状的光束（３２）。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王锋，李杨，
申请(专利权)人：武汉凌云光电科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]
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