基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置及方法与应用与流程

本发明涉及光学设备，尤其涉及基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置及方法与应用。

背景技术：

1、目前，商业化的半导体激光器均采用全反射波导结构，该结构的激光谐振腔狭小、有源层模截面的不对称，同时其尺寸也很小，由于衍射效应造成其远场光斑既不对称，又具有很大的光束发散角，形成截面为椭圆形的光锥，导致其快轴发散角高达50-60°，慢轴发散角30-40°左右。为了修正半导体激光器水平和垂直方向远场发散角不对称的现象，《optical beam-shaping design based on aspherical lenses for circularization,collimation,and expansion of elliptical laser beams》(appl opt.2008jan 10；47(2)：230-41mert serkan,hulya kirkici)中，serkan等人提出从像散点光源发出的基模高斯光束进行双镜准直系统设计。《大功率半导体激光束变发散角整形系统设计方法-激光与光电子学进展》(49,071401(2012)中，费冰等提出提出了非球面柱透镜以及长焦平凸柱透镜对hpld光束整形的设计方法，实现了光束发散角在一定范围内连续改变的目的。

2、中红外激光光源如qcl激光器在高灵敏气体检测中有很大优势，当把中红外激光应用在小型化激光气体传感器中，就需要将激光光源的输出发散光束变成平行光束，现有的主流技术是通过选取合适与激光波长相匹配的光学材料设计出适当的准直透镜可以部分解决小型激光器封装的准直问题，虽然通过镀膜可以减少透镜的镜面反射，但是由于透镜的表面总会有一定量的反射光反射到激光器的谐振腔中，因而产生干涉纹波，在精密测量仪器中形成干涉噪音，这种噪音不但降低了测量精度，还影响了测量仪器的长期稳定性。

3、利用抛物凹面反射镜可以将激光光源准直成为平行光束是常规的光学设计之一。在设计中，可以将激光光源设置在抛物线焦点处，从激光器发出的光束经过抛物面反射镜的反射，就可以形成平行光束。与透镜相比，使用轴抛物面反射镜不会在激光光源中产生干涉，且不会产生透镜的吸收损耗。常规的抛物面反射镜可以按照其形状可以区分为回转抛物面反射镜、环形回转抛物面反射镜和柱状抛物面反射镜，这些回转抛物面反射镜可以应用于不同类型的光源，如手电筒的灯泡、led的灯珠、以及一些仪器仪表应用中需要汇聚光束能量的应用。

4、众所周知，一般f-p激光器发出的光束的截面是椭圆形，即，在快轴和慢轴方向的发散角是不一样的。因此，在设计中，既需要考虑如何把发散光通过回转抛物凹面反射镜反射成平行光束，又要考虑怎样将光束椭圆截面调整成圆形截面，或近似圆形截面，也就是，尽量将快轴方向的光束能量通过反射准直汇入到平行光束中，形成比较理想的平行光束。

5、因此，本发明的主要目的在于解决如何利用抛物面反射镜和平面反射镜的组合将激光椭圆形发散光束调整成为和激光器光轴平行的准直光束的问题，从而可以在多种不同的实际应用中起到减少干涉噪音的作用。

技术实现思路

1、为解决上述现有技术中存在于由于使用透镜带来的难以避免的干涉噪音等技术问题，本发明的目的之一在于提供一种基于回转抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置，通过在一个基座上设置回转抛物凹面反射镜，搭配平面透射斜窗和/或45°平面反射镜，以及可调整所述发散光束光源发出的发散光束的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角小于90°；这样即可对发散光束进行准直整形，形成与发散光束的光轴垂直或平行的准直光束出射，也可以将横截面为椭圆的发散光束整形为近似圆形横截面的平行光束；而根据光路可逆原理，本发明也可以对接收的平行光束进行汇聚整形，因此本发明通过简单的结构就可直接取代现有技术中的准直透镜或探测器的汇聚透镜，因此在光束的准直整形或汇聚整形过程中直接避免了由于使用准直透镜或汇聚透镜带来的由光学元件表面反射引起的干涉噪音，从而极大地提高了测量的精度，同时避免了准直透镜安装过程中为确保精度进行的一系列对位操作，大大降低了安装难度。

2、本发明的目的之二在于提供一种基于回转抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置的整形方法。

3、本发明的目的之三在于提供一种基于回转抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置的应用。

4、本发明的目的之一通过以下技术方案实现：

5、一种基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置，用于对发散光束的准直整形或对平行光束的汇聚整形；光束整形装置包括发散光束光源或平行光束光源、用于调整光束光路方向的光束整形组件、用于安装所述光束整形组件的基座；所述光束整形组件包括回转抛物凹面反射镜，所述回转抛物凹面反射镜内凹设置在所述基座上；所述发散光束光源出射点或平行光束光源发出的平行光束的汇聚点位于所述回转抛物凹面反射镜的焦点处；所述发散光束光源发出的发散光束的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角小于或等于90°；

6、所述光束整形组件还包括设置在基座上的平面透射斜窗和/或平面反射镜；所述平面透射斜窗和/或平面反射镜位于光束的反射光路上；平面反射镜的反射面与所述发散光束或平行光束入射的中心线的夹角为45°；所述平面透射斜窗与平行光束之间形成夹角；

7、所述发散光束光源发出的发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束可由所述平面透射斜窗出射，或其经过平面反射镜的反射后形成与发散光束的中心线平行的准直光束出射；或根据光路可逆原理，所述平行光束光源发出的与回转抛物凹面反射镜主轴平行的平行光束入射后经所述平面透射斜窗或平面反射镜反射后再经回转抛物凹面反射镜汇聚到汇聚点上。

8、进一步地，所述基座为长长方体基座；所述回转抛物凹面反射镜为以抛物线中心轴旋转180°一体成型于所述长长方体基座上的内凹回转体。

9、进一步地，所述发散光束光源发出的发散光束的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角为80-90°；所述发散光束光源的快轴与所述回转抛物凹面反射镜的主轴平行。

10、进一步地，所述回转抛物凹面反射镜和/或平面反射镜由镜面钢或其他金属制备而成，且反射面镀有金属反光膜。

11、进一步地，所述反射面的金属反光膜表面镀有二氧化硅保护膜。

12、本发明的目的之二可以通过以下技术方案实现：

13、一种如上述的基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置的光束整形方法，包括以下步骤：

14、s1：将待准直整形的发散光束的光源出射点设置在所述回转抛物凹面反射镜的焦点处；

15、s2：调整发散光束光源的发散光束中心线相对于回转抛物凹面反射镜的主轴之间的角度，使所述发散光束光源发出的发散光束的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角小于90°；

16、s3：所述发散光束光源的快轴与所述回转抛物凹面反射镜的主轴平行，发散光束光源发出发散光束并入射至回转抛物凹面反射镜上，所述发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束可由所述平面透射斜窗出射，或其再经过45°平面反射镜的反射后形成与发散光束的光轴平行的准直光束出射。

17、进一步地，所述s2中，所述发散光束光源发出的发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束与所述发散光束的中心线的离轴角为80-90°。

18、本发明的目的之二还可以通过以下技术方案实现：

19、一种如上述的基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置的光束整形方法，包括以下步骤：

20、s1：将平行光束光源发出的待汇聚整形的平行光束的汇聚点设置在所述回转抛物凹面反射镜的焦点处；

21、s2：调整平行光束与所述回转抛物凹面反射镜的主轴平行，使所述平行光束光源发出的平行光束经回转抛物凹面反射镜反射后的汇聚光束的中心线与原入射平行光束的离轴角小于或等于90°；

22、s3：平行光束光源发出的平行光束入射后经所述平面透射斜窗或平面反射镜反射后再经回转抛物凹面反射镜反射并汇聚到汇聚点上。

23、进一步地，所述s2中，所述平行光束光源发出的平行光束经回转抛物凹面反射镜反射后的汇聚光束的中心线与原入射平行光束或经平面反射镜反射后的平行光束的中心线的离轴角为80-90°。

24、本发明的目的之三可以通过以下几种技术方案实现：

25、(1)基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置在准直后的激光光束与原发散光束光轴平行的激光传感器中的应用：

26、所述激光传感器还包括封装装置及设置在封装装置内的激光器芯片、热沉；所述光束整形装置适配安装在所述激光器芯片与封装装置的出光口之间；所述基座底面到所述回转抛物凹面反射镜焦点的垂直距离与所述热沉底面到所述激光器芯片的激光光束出射点的垂直距离相同；所述平面反射镜设置在所述回转抛物凹面反射镜的平行光束出光处，所述平面透射斜窗与封装装置的出光口对应设置；

27、所述激光器芯片发出的激光发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束再经过45°平面反射镜的反射后形成与原发散光束的光轴平行的准直光束由所述平面透射斜窗出射。

28、(2)基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置在准直后的激光光束与原发散光束光轴垂直的激光传感器中的应用：

29、所述激光传感器还包括封装装置及设置在封装装置内的激光器芯片、热沉；所述光束整形装置适配安装在所述激光器芯片与封装装置的出光口之间；所述基座底面到所述回转抛物凹面反射镜焦点的垂直距离与所述热沉底面到所述激光器芯片的激光光束出射点的垂直距离相同；所述平面透射斜窗设置在所述回转抛物凹面反射镜的平行光束出光处；

30、所述激光器芯片发出的激光发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后形成与回转抛物凹面反射镜主轴平行的准直光束由所述平面透射斜窗及出光口出射。

31、(3)基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置在准直后的激光光束与原发散光束光轴垂直的激光传感器中的应用：

32、所述激光传感器还包括封装装置及设置在封装装置内的激光器芯片、热沉；所述封装装置为to-can封装装置，包括用于安装所述激光器芯片、热沉的圆形或长方形的to底座；所述基座设置在所述to底座上，所述平面透射斜窗设置在所述回转抛物凹面反射镜的平行光束出光处，与所述to-can封装装置的出光口对应；

33、所述激光器芯片发出的激光发散光束经回转抛物凹面反射镜反射后形成与所述to底座平行的准直光束由所述平面透射斜窗及出光口出射。

34、(4)基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置在接收平行光束并进行汇聚整形的探测器中的应用：

35、所述探测器光敏面设置在所述回转抛物凹面反射镜的焦点处；所述平面反射镜设置在所述回转抛物凹面反射镜的平行光束入光处；所述平行光束入射后经所述平面反射镜反射后再经所述回转抛物凹面反射镜反射并汇聚到所述探测器光敏面上。

36、(5)基于抛物凹面反射镜的无透镜光束整形装置在接收平行光束并进行汇聚整形的to-can封装的探测器中的应用：

37、所述to-can封装装置包括圆形或长方形to底座，所述基座设置在所述to底座上，所述探测器光敏面设置在所述回转抛物凹面反射镜的焦点处，所述平面透射斜窗设置在所述回转抛物凹面反射镜的平行光束入光处，并与所述to-can封装装置的进光口对应；所述平行光束入射后经所述平面透射斜窗再经所述回转抛物凹面反射镜反射并汇聚到所述探测器光敏面上。

38、相比现有技术，本发明至少具备以下有益效果：

39、1、本发明通过在一个基座上设置回转抛物凹面反射镜，搭配平面透射斜窗和/或45°平面反射镜，以及可调整的发散光束光源发散光束中心线与回转抛物凹面反射镜主轴的角度，所述发散光束光源发出的发散光束的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角小于90°；这样即可对发散光束进行准直整形，通过不使用或使用45°反射镜，就可以形成与发散光束的光轴垂直或平行的准直光束出射；而根据光路可逆原理，本发明也可以对接收的平行光束进行汇聚整形，因此本发明通过简单的结构即可直接取代现有技术中的准直透镜或探测器的汇聚透镜，因此在光束的准直整形或汇聚整形过程中直接避免了由于使用准直透镜或汇聚透镜带来的由光学元件表面反射引起的干涉噪音，从而极大地提高了测量的精度，同时避免了准直透镜安装过程中为确保精度进行的一系列对位操作，大大降低了安装难度；

40、2、本发明由于采用了回转抛物凹面反射镜准直，整个光束准直系统对激光光源的波长不敏感，同一个反射准直系统可以适用于不同波长的激光光源，因此本发明可以用于不同的激光波长的准直，从而实现对不同的气体检测，极大地扩大了气体检测的应用范围，减少应用限制；

41、3、进一步地，由于回转抛物凹面反射镜及平面反射镜的镜面吸收光束的能量极小，可以无色差地聚焦准直光束，消除了由透射性光学元件引起的相位延迟和吸收损失，因此本发明的光束整形装置也可以应用于大功率甚至超大功率激光器的准直应用中，进一步扩大了应用范围及降低应用限制；

42、4、另一方面，本发明安装极其便利；以激光传感器应用为例，在传感器的激光器芯片、热沉、tec等光学元件安装好后，确定了热沉底面(或封装装置内侧底面等其他可以确定激光器芯片光束出射点位置的元件)到激光器芯片的激光光束出射点的垂直距离，即可按需设计所述基座底面到所述回转抛物凹面反射镜焦点的垂直距离，只要确保上述两者距离相等，即可快速完成本发明的光束整形装置安装，同步确保所述发散光束光源出射点位于所述回转抛物凹面反射镜的焦点处，避免了现有技术在透镜安装过程中焦点和轴心线对准的误差，极大地降低了准直系统的安装难度及制造成本；

43、同理，本发明应用在探测器中时，也可以快速完成探测器光敏面与所述回转抛物凹面反射镜的焦点准确对位，从而快速完成光束汇聚整形装置的安装；

44、5、本发明的无透镜式光束整形装置还有一个突出的优势在于可以调整激光光束在快轴方向光斑的大小：由于本发明的所述回转抛物凹面反射镜是一个以抛物线的主轴作为中心轴线，将该抛物线围绕主轴回转180度而形成一个半圆形的抛物面镜，激光发散光束的快轴设置成和回转抛物凹面反射镜的主轴平行，而将发散光束(光锥)的中心线与经回转抛物凹面反射镜反射后的平行光束的离轴角设置成略小于90°，这样设置是由于具有同样大小的发散角的光锥，如果光锥中心线与经反射后的平行光束平行的夹角(离轴角)不同，经回转抛物凹面反射镜反射时所形成的反射光斑在快轴方向的直径就会不同，当该离轴角从90°逐渐减小时，反射光斑直径也逐渐减小，利用回转抛物凹面反射镜的这一个物理特性，通过调整激光器的光锥的中心线和准直光束形成一个小于90°的夹角，就可以减小在快轴方向的光斑直径，从而达到将截面是椭圆形的激光发散光束准直成截面近似圆形的平行光束，然后，再利用一个45°的平面反射镜将平行光束反射到激光器的同轴方向，便于激光器的安装和调；即，本发明可以同时起到光束准直以及调整光斑大小的作用，一举多得；

45、6、更进一步地，本发明的光束整形装置在to-can封装的激光器或探测器中的应用将极大地提高了to-can封装的便利性，避免现有技术中使用准直透镜或汇聚透镜时要求焦点和轴心线精密对准的严苛封装限制，大大提高了封装效率及精度；

46、7、在精密检测传感器领域的小型化，微型化的发展过程中，本发明的无透镜式光束整形装置是对传统的透镜光束准直或光束汇聚的技术突破，可以极大提高光学准直系统的应用范围，只要符合准直后的激光光束与原发散光束光轴平行或垂直的准直要求的激光器均可适配应用，根据光路可逆原理，本发明作为光束汇聚系统也可以广泛应用于各种探测器中，精度可以得到大幅提高，制造成本可以大幅度降低，经济效益好，适合大规模推广。