專利名稱：線形光束整形器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種透射元件組成的線形光束整形器。主要應用于半導體激光器線狀發(fā)光裝置的光束整形，通過改變光束的形狀和空間分布改善光束的聚焦和耦合性能，屬光學元件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著半導體集成及組裝技術(shù)的發(fā)展，半導體激光器的功率在最近的幾年里得到了很大的提高，大功率半導體激光器主要有兩大用途一是直接作為激光源應用，如在美容、醫(yī)療、材料處理上的應用；二是作為泵浦源泵浦固體激光器或光纖激光器，來取代燈泵固體激光器，在工業(yè)加工、材料處理、醫(yī)療美容以及軍用行業(yè)都得到了廣泛的應用。由于半導體激光器具有極不對稱的光場分布，不論那種應用都需要對光束進行準直、整形、聚焦處理。
目前國外普遍采用的是兩步反射的“階梯鏡”法，是德國夫朗和費激光技術(shù)所Keming Du等提出，專利號為US5887096A。如圖1所示，線形光束先經(jīng)過數(shù)個微小鏡片分割并反射，實現(xiàn)第一次光束重排；重排后的光束再經(jīng)過第二次反射，實現(xiàn)第二次重排。第一次重排的結(jié)果是分割后的數(shù)節(jié)光束在一個方向上實現(xiàn)不同量的平移；第二次重排的結(jié)果是實現(xiàn)另一個方向上不同量的平移。圖1中1為經(jīng)過準直后的線形光束，2為二個階梯反射鏡，3為整形后的光束。這種“階梯鏡”反射法雖然可以得到整形光束，但是為了提高反射效率，在梯形鏡上鍍反射膜工藝復雜，即使鍍膜每一次反射也要損失一定的光能量，限制了整形效率的提高。而且光路偏轉(zhuǎn)了90度，不利于系統(tǒng)裝配。
國外另外一種光束整形方法是由Apollo Instruments公司提出的棱鏡組整形方法，專利號為US6377410B1，其整形思想是在慢方向按照棱鏡的厚度將光束分成許多段后在快軸方向重排，整形器件由一組或者兩組棱鏡組組成。其中一種典型的整形光路如圖2、3、4所示，其中22和23為兩棱鏡組，線形光束24通過棱鏡組22側(cè)面厚度分割，通過棱鏡組22后，26為分割后的光束，通過兩組棱鏡的錯位排列實現(xiàn)兩個方向的重排，經(jīng)過了四次全內(nèi)反射，光束整形后為25。這種整形方法因為全內(nèi)反射克服了“階梯鏡”法反射損失的缺點，但光束通過棱鏡的厚度分割，光束分割受到了棱鏡厚度的限制，限制了整形光束亮度的進一步提高，而且通常棱鏡加工厚度要在0.7mm以上，棱鏡越薄，將大大增加加工和側(cè)面鍍膜的難度，而且也增加了光束損耗。分割光束的排列距離也受到棱鏡厚度的限制，不能調(diào)整分割光束間的距離。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明線形光束整形器是由兩片以上棱鏡錯位緊密排列構(gòu)成。本光束整形裝置光束分割排列的示意圖如圖5所示，其中5、6、7對應經(jīng)過棱鏡分割的光束，4為入射線形光束，8為出射光束。
本線形光束整形器由兩片以上棱鏡構(gòu)成。其中每片棱鏡為七面體棱鏡(見圖6、7、8)。七面體棱鏡的兩平行面為正面，規(guī)定其中一平行面為第一透射面9，另外一平行面為第二透射面13.其余五面為側(cè)面.其中與第一透射面9成45度的側(cè)面為第一反射面10，與兩透射面垂直的側(cè)面為第二反射面11，與第二透射面13成45度的側(cè)面為第三反射面12，其余兩側(cè)面為非工作側(cè)面。七面體棱鏡形狀圖6、7、8所示，每片棱鏡的工作面包括兩平行的透射面9，13和三個全反射面10，11，12。其中第一反射面10與第一透射面9成45度，第二反射面11與兩透射面垂直且與側(cè)面14和15成45度，第三反射面12與第二透射面13成45度。
圖9和圖10有助于解釋本整形器及其整形原理，在圖9中，棱鏡中兩透射面面9和面13平行，且都與面14與面15垂直，第一反射面10與面9成45度并垂直面14，第二反射面11與面15和面14成45度，第三反射面12與面13成45度并垂直面15，線形光束16垂直第一透射面9入射，與第一反射面10成45度，經(jīng)過第一反射面10全內(nèi)反射后，光束與第二反射面11成45度，經(jīng)過第二反射面11全內(nèi)反射后，光束與第三反射面12成45度，經(jīng)過第三反射面12反射后，光束垂直第二透射面13出射，這樣水平光束16的空間位置就變成了豎直光束17。
圖10是三片棱鏡錯位緊密排列的示意圖，每片棱鏡的正面緊密排列，相互等距錯位，線光束垂直棱鏡正面入射，經(jīng)過棱鏡組后，線光束被錯位的棱鏡分割，通過三次全反射后轉(zhuǎn)成豎直方向的的小線光束組，每片棱鏡的第一反射面和第二反射面間的距離可以相等，也可以不等。光束排列的間距由相鄰兩棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束的光程差決定，當每片棱鏡第一反射面和第二反射面間的距離相等時，第一反射面和第二反射面間光束的光程差為零，光束排列的間距就是棱鏡錯位的距離。當相鄰兩棱鏡第一反射面和第二反射面間的距離不相等時，光束排列的間距由各棱鏡第一反射面和第二反射面間光束的光程差來調(diào)整。
設準直后的線光束長D，寬為W，在水平方向(慢軸)的發(fā)散角為θs，在豎直方向(快軸)的發(fā)散角為θf，在水平方向和豎直方向上的拉格朗日量分別為Ls＝D×θs，Lf＝W×θf。典型的大功率半導體激光器在水平方向上長10mm，慢軸發(fā)散角10°，在豎直方向上長1μm，快軸發(fā)散角60°～90°，兩個方向上拉格朗日量相差1千多倍，經(jīng)過快慢軸準直后，兩方向上的拉格朗日量不變，依然相差1千多倍，經(jīng)過圖10所示由三片棱鏡(18)組成的整形器(19)后，線光束20被分割和轉(zhuǎn)成豎直方向的的小線光束組21，分割的光束長度由錯位距離決定，棱鏡數(shù)越多，錯位的距離越小，分割的段數(shù)也越多，每份段數(shù)的長度為D/N，在豎直方向的發(fā)散角就是原來慢軸的發(fā)散角θs。在水平方向上這些小線光束排列的總寬度由相鄰兩棱鏡的第一反射面(10)和第二反射面(11)間光束的光程差決定，設光程差為Δd，則每段光束距離d＝D/N±Δd，出射光束的總長度為N×d，在水平方向的發(fā)散角就是原來快軸的發(fā)散角θf，則出射光束的新拉格朗日量分別是Ls＝N×d×θf，Lf＝D/N×θs，當出射光束滿足兩個方向的拉格朗日量相等時，達到整形的效果，得D/N×θs＝N×d×θf，選擇適當?shù)睦忡R片數(shù)N和光程差Δd即可滿足要求。
本發(fā)明提供了一種新型的線形光束整形器，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，使線形光束經(jīng)過本發(fā)明整形后，變成快慢軸方向光束質(zhì)量一致，空間分布均勻的光束，而且本整形器加工容易，裝卡簡便。光束垂直經(jīng)過入射面和出射面，經(jīng)過三次全內(nèi)反射，無需鍍反射膜，也沒有反射損耗，整形效率高。因為垂直入射透射率很高，可以不鍍增透膜也有很高的透射效率，也可以鍍增透膜，進一步提高透射效率。
本整形器棱鏡錯位既可以依次向右錯位也可以向左錯位。本整形器底面保持水平，方便裝卡。
本整形器與其它棱鏡組整形器相比優(yōu)勢之處在于光束分割不受棱鏡厚度的限制，是通過棱鏡正面錯位將光束分割，分割光束的長度可由錯位的距離控制，分割光束經(jīng)過三次全內(nèi)反射輸出，輸出光束組間的距離可以由相鄰兩棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束光程差控制，可以實現(xiàn)輸出光束組的緊密排列，而以往棱鏡組整形器光束分割受到棱鏡厚度的限制，而且輸出光束組的排列間距也受到棱鏡厚度的限制，很難達到密排列，這樣可以通過本整形器極大的提高整形光束的亮度。本整形器輸入輸出光束都垂直對應棱鏡的正面，而以往的棱鏡組整形器輸入輸出光束對應棱鏡的側(cè)面，甚至光束不與入射面垂直，而本整形器光束垂直入射出射棱鏡的正面，降低了棱鏡鍍增透膜難度，提高了透射效率。棱鏡兩正面可以鍍增透膜，也可以不鍍增透膜。本整形器的底面保持水平，而以往棱鏡組整形器至少有一個棱鏡組底面與水平面有一定角度，通過本整形器方便了整形裝置的裝卡和調(diào)試。
本線形光束整形器的優(yōu)點是可針對不同的光束質(zhì)量要求，選擇棱鏡片數(shù)N和相鄰兩棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束的光程差來設計，可達到最優(yōu)的光束質(zhì)量。
本線形光束整形器可用普通的光學玻璃制作，只需要一般的光學加工、粘合工藝和鍍膜技術(shù)，比“階梯鏡”法整形器制作簡單，而且沒有反射損耗，更容易裝卡。本線形光束整形器比以往棱鏡整形器優(yōu)勢之處是不依賴棱鏡厚度對光束進行分割，對棱鏡厚度沒有特殊要求，棱鏡加工方便，而且通過棱鏡錯位排列可以實現(xiàn)整形光束的密排列，達到最優(yōu)的整形效果。
本線性光束整形器不僅可以用于單條線狀二極管激光器的整形，也可以用于高功率二極管激光器陣列的整形。整形光束前進方向雖有平移，但不改變前進方向。
圖1“階梯鏡”法線形光束整形的光路示意圖；圖2Apollo Instruments公司兩組棱鏡光束整形正視圖；圖3Apollo Instruments公司兩組棱鏡光束整形側(cè)視圖；圖4Apollo Instruments公司兩組棱鏡光束整形俯視圖；圖5本發(fā)明線形光束整形器的光路示意圖；圖6本發(fā)明整形器中單個棱鏡形狀正視圖；圖7本發(fā)明整形器中單個棱鏡形狀側(cè)視圖；圖8本發(fā)明整形器中單個棱鏡形狀俯視圖；圖9本發(fā)明整形器中單個棱鏡整形構(gòu)成示意圖；圖10本發(fā)明線形光束整形器棱鏡組整形的結(jié)構(gòu)示意圖；具體實施方式
本發(fā)明線形光束整形器，結(jié)合附圖9和10，其具體實施方式
如下實施例1如圖10所示的整形器，由圖9所示的棱鏡錯位緊密排列而成。設經(jīng)過快軸準直后的線形光束長D＝12mm，慢軸發(fā)散角θs＝10°，快軸發(fā)散角θf＝0.5°，取N=θsθf=20,]]>則棱鏡間的錯位距離為1220=0.6mm,]]>出射光束要滿足兩個方向的拉格朗日量相等，達到整形的效果D/N×θs＝N×d×θf，可求得d＝0.6mm，則各棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束的光程差Δd＝0，將每片棱鏡做成長度完全一致即可達到光束整形的要求。
實施例2設被整形的光源為由兩二極管組成的二極管陣列，經(jīng)過快軸準直后的光束為二條平行的線性光束，每條線性光束長D＝12mm，慢軸發(fā)散角θs＝10°，快軸發(fā)散角θf＝0.5°，設線性光束間隔0.3mm，同實例1一樣，棱鏡的錯位距離為0.6mm，得到整形光束在兩個方向上的拉格朗日量與實例1一樣，因為兩條光束，功率提高了一倍，整形后的光束亮度也提高了一倍。
權(quán)利要求
1.一種線形光束整形器，其特征是由兩片以上棱鏡錯位緊密排列構(gòu)成，棱鏡為一七面體棱鏡，每片棱鏡的工作面包括兩平行透射面(9，13)和三個全反射面(10，11，12)，其中第一反射面(10)與第一透射面(9)成45度，第二反射面(11)與兩透射面垂直，且與側(cè)面(14、15)成45度，第三反射面(12)與第二透射面(13)成45度，入射光束垂直第一透射面(9)入射，經(jīng)過第一反射面(10)全內(nèi)反射，再經(jīng)第二反射面(11)全內(nèi)反射，再經(jīng)第三反射面(12)全內(nèi)反射后經(jīng)第二透射面(13)射出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線形光束整形器，其特征是棱鏡兩透射面可以鍍增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線形光束整形器，其特征是經(jīng)整形后的光束一個方向上的拉格朗日量由棱鏡數(shù)N決定，另外一個方向上的拉格朗日量由相鄰兩棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束的光程差決定，整形后光束在兩個方向的拉格朗日量可以相等，也可以不相等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性光束整形器，其特征是棱鏡間錯位是依次向左錯位。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的線性光束整形器，其特征是棱鏡間錯位是依次向右錯位。
全文摘要
一種線形光束整形器，屬光學元件領(lǐng)域。本整形器是由兩片以上棱鏡錯位緊密排列構(gòu)成，每片微棱鏡有三個全反射面，N片棱鏡使得光束變成N個垂直緊密排列的光束組，光束間的距離可由相鄰兩棱鏡的第一反射面和第二反射面間光束光程差控制，并且整形后光束不改變前進方向。本整形器具有結(jié)構(gòu)緊湊，加工鍍膜方便，裝卡簡便，整形效率高的特點。
文檔編號H01S3/00GK1544971SQ200310115319
公開日2004年11月10日 申請日期2003年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2003年11月19日
發(fā)明者鞏馬理, 肖力敏, 閻平, 歐攀 申請人:清華大學