专利名称：线性光束的全反射法整形器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种光束整形装置，特别是涉及一种线性光束的全反射法整形器。
背景技术：
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。目前普遍采用的整形方案有两步重排法和一步重排法。典型的两步重排整形法是梯形镜法。JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜法。另外，属于两次重排整形法的还有棱镜组法。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。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。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。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。
实用新型内容本实用新型的目的，就是为了弥补现有技术的不足，经潜心研究，反复实践验证，提供一种线性光束经本实用新型的整形后，变成一定形状、分布均匀、效果理想光束的线性光束的全反射法整形器。本实用新型所称的线性光束的全反射法整形器的技术方案是这样实现的它包括在被整形线光源输出的线性光束传播方向上，依次设置的第一透明介质、第二透明介质、第三透明介质和整形后光束32。其特征在于作为整形第一透明介质、第二透明介质和第三透明介质均具有相同的折射率，第二透明介质厚度为d，第一透明介质和第二透明介质以及第二透明介质和第三透明介质之间相互无缝隙拼接，第一透明介质和第二透明介质的平行面之间具有一定倾角(90° -a )，第二透明介质的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成夹角3，第一透明介质和第三透明介质的平行面之间相互垂直，且第一透明介质的通光入射面和第三透明介质的通光出射面相互平行，并且线性光束的传播方向与所述的第一透明介质的通光入射面垂直。线性光束由第一透明介质入射至第二透明介质，经过多次全反射实现整形，经整形后的光束变成设定形状的光束。[0010]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。设第一透明介质的入射通光面为ZOY面，同时，Y为竖直方向，故线性光束的传播方向即为X轴方向。厚度为d的第二透明介质，其两平行面与Y轴形成a夹角，同时该平行面与水平面(X0Z面，即第一透明介质的平行面)的交线与Z轴形成P夹角。平行于OZ轴的线性光束沿X轴方向入射，由第一透明介质导入第二透明介质，到第二透明介质的后平行面后，发生反射(通过角度设计可实现全反射)。由于a和3角的存在，反射光将向x、y方向发生倾斜，在第二透明介质前一个平行面上同样发生反射之后，重新沿X轴方向到达第二透明介质后平行面。此时的线性光束和第一次入射的线性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。由于在第二透明介质一侧的边界上拼接的同样折射率的第三透明介质破坏了全反射条件，故线性光束一侧的沿OZ轴长度为a的部分光线将得以出射，剩余的继续反射，经过第二透明介质前平行面后到达后平行面，同时发生和上次相等的位移，线性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的光束，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，并且考虑到线性光束本身仍存在一定的发散角，本实用新型所称的整形器中，第一透明介质和第二透明介质在Z轴方向上的宽度应大于分割整形前线性光束的总长度L，第三透明介质在Z轴方向上厚度则应大于线性光束被分割后的每小节的长度a。第二透明介质和第三透明介质在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 Cn-Db0另外，如
图1所示，a、^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性光束的全反射整形法阐述参数的设计和计算思路。I)切割份数n的确定设二极管激光器输出的经准直后的线性光束在慢轴方向的长度为Lci,其在快轴和
慢轴方向的M2因子分别为，和，则其在慢轴方向可被切割的最大份数为I!' #。
M； M:,2)每小节光束长度a确定考虑到准直后线性光束在慢轴方向仍具有一定发散角，设线性光束到达整形模块
后沿慢轴方向的长度为L ^ U。可得，线性光束被分割后，每小节光束的长度为a-1。
3)整形后光斑线度m的确定图2所示为线性光束整形后耦合聚焦的原理示意，33为线性光束整形后的分布，m表示其横向线度；34为聚焦镜，f表示其焦距；35为整形后光束预耦合进入的光纤，0表示
其入射孔径半角(光纤的数值孔径NA=Sin 0 )。故有m必须满足g Stgl即[0020]4)每小节光束间距b的确定如图3所示，36为被整形后光束的矩形分布，有a2+ (n_l)2b2=m2，由2)、3)可得
权利要求1.一种线性光束的全反射法整形器，包括在被整形线光源输出的线性光束(28)传播方向上，依次设置的第一透明介质(29)、第二透明介质(30)、第三透明介质(31)和整形后光束(32)，其特征在于作为整形第一透明介质(29)、第二透明介质(30)和第三透明介质(31)均具有相同的折射率，第二透明介质(30)厚度为d，第一透明介质(29)和第二透明介质(30)的平行面之间具有一定倾角为90° -a，所述的a为第二透明介质(30)的平行面与y轴的夹角，第二透明介质(30)的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成夹角P，第一透明介质(29)和第三透明介质(31)的平行面之间相互垂直，第一透明介质(29)的通光入射面和第三透明介质(31)的通光出射面相互平行，且线性光束(28)的传播方向与所述的第一透明介质(29)的通光入射面垂直，线性光束(28)由第一透明介质(29)入射至第二透明介质(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 )。
2.根据权利要求1所述的线性光束的全反射法整形器，其特征在于第一透明介质(29)和第二透明介质(30)在Z轴方向上宽度应大于分割整形前线性光束(28)的总长度L，第三透明介质(31)在Z轴方向上的厚度应大于线性光束(28)被分割后的每小节的长度a，第二透明介质(30)和第三透明介质(31)在Y轴方向的高度大于整形后光束(32)分布在Y轴方向的高度(n-l)b，所述的b为分割后每小节线性光束之间沿y轴的间距所述的n为不小于2的自然数。
3.根据权利要求1所述的线性光束的全反射法整形器，其特征在于每组设计参数a即第二透明介质(30)的平行面与Y轴的夹角、P即第二透明介质(30)的平行面与XOZ面的交线与Z轴形成的夹角和d即第二透明介质(30)的厚度唯一对应于一组设计目标参数a即分割后每小节线性光束的长度、b即分割后每小节线性光束之间沿Y轴的间距和Y即满足第二透明介质(30)的全反射条件的入射角。
4.根据权利要求1所述的线性光束的全反射法整形器，其特征在于经整形后的光束(32)设定形状为矩形的光束(32)。
专利摘要本实用新型公开了一种线性光束的全反射法整形器，所述的整形器包括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，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，第一透明介质与第二透明介质的平行面具有一定倾角，第二介质的平行面与Z轴成夹角，第一透明介质与第三透明介质的平行面相互垂直，第一透明介质的通光入射面和第三透明介质的出射面相互平行，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。使用本实用新型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。本实用新型可广泛地用于军事、科研、院校及工矿企业等领域。
文档编号G02B27/09GK202904125SQ20122023511
公开日2013年4月24日 申请日期2012年5月23日 优先权日2012年5月23日
发明者王 锋 申请人:武汉凌云光电科技有限责任公司