[發明專利]一種對面陣半導體激光光束進行勻化處理的光學系統

有效

• 申請號: 201310184817.4
• 申請日: 2013-05-17
• 公開（公告）號: CN103246066A
• 公開（公告）日: 2013-08-14
• 發明（設計）人: 周崇喜;劉志輝;楊歡;邱傳凱
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 梁愛榮

技術領域

本發明涉及激光技術領域，特別是涉及一種利用多個柱型菲涅耳微透鏡組成的陣列對面陣半導體激光光束進行勻化的光學系統。

背景技術

半導體激光器廣泛地應用于焊接、退火、切割、打孔、微細加工以及軍事、醫療等各個領域，對激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及穩定性有著很高的要求。因此，對半導體激光光束進行勻化處理已成為了一種必要的技術手段。

目前，半導體激光光束勻化的方法主要有兩種：一種是波導方法，另一種是微透鏡陣列法。前者不受入射光束的能量分布及隨時波動的影響，但勻化后光束的光亮度低，且系統部件多，體積大，不容易集成組裝。后者主要由準直透鏡，非球面微透鏡陣列，傅里葉透鏡組成，系統部件少，體積小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透鏡陣列非常困難，且生產成本很高。此外普通的折射型非球面微透鏡由于工藝限制，其口徑單元很難實現微型化且存在過渡區域，因而導致能量利用率較低，均勻性較差。在保證光束均勻性的前提下，若能降低制造微透鏡陣列的工藝難度及生產成本，則微透鏡陣列激光光束勻化系統更加具有實用性。

發明內容

本發明的目的是為了提高面陣半導體激光光束的均勻性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工藝難度及生產成本，提高微透鏡陣列激光勻化系統的實用性。為了解決上述問題，提出了一種利用柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列對面陣半導體激光光束進行勻化的光學系統。

所述光學系統主要構成有：面陣半導體激光器、準直透鏡陣列、第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡、快軸場鏡；面陣半導體激光器位于微準直透鏡陣列的前焦面上，并以面陣半導體激光器輸出激光束為系統光軸；第一微透鏡陣列、第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡依序位于光軸上并垂直于光軸；半導體激光器發出的多模激光光束經準直透鏡陣列準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列將激光光束均勻地分割成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列、慢軸場鏡和快軸場鏡將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。

本發明的有益效果：本發明采用柱型菲涅耳衍射微透鏡組成的陣列對面陣半導體激光光束進行勻化，使焦平面上的光斑均勻性達到了8.3％，衍射效率達到了94.4％，有效地實現了對激光光束的勻化，相對波導勻化系統和非球面微透鏡陣列勻化系統，縮小了分割微透鏡的口徑，對入射激光光束的分割次數增多，每次分割的面積減小，從而提高了勻化光束的均勻性；柱型菲涅耳微透鏡陣列沒有過渡區，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透鏡陣列制作簡單精確，降低了制作微透鏡陣列的工藝難度及生產成本，很大程度上提高了微透鏡陣列勻化系統的實用性。

附圖說明

圖1a和圖1b是含有第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列的面陣半導體激光光束勻化系統原理圖；

圖2是一個柱型菲涅耳衍射微透鏡y-z面視圖；

圖3是柱型菲涅耳衍射微透鏡結構參數示意圖；

圖4a-圖4c是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統ZEMAX模擬結果；

圖5是第一微透鏡陣列和第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統MATLAB數值模擬結果；

圖6a和圖6b是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構成的面陣半導體激光光束勻化系統原理圖；

圖7a-圖7c是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列構成的面陣半導體激光光束勻化系統ZEMAX模擬結果；

圖8是第一微透鏡陣列或第二微透鏡陣列組成的面陣半導體激光光束勻化系統MATLAB數值模擬結果。

具體實施方式

下面將結合本發明實例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

如圖1a、圖1b所示柱型菲涅耳衍射微透鏡陣列激光光束勻化系統設計。系統含有：面陣半導體激光器1、準直鏡陣列2、第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場鏡5和快軸場鏡6。面陣半導體激光器1位于微準直鏡陣列2的前焦面上，并以面陣半導體激光器1輸出激光束為系統光軸。第一微透鏡陣列3、第二微透鏡陣列4、慢軸場鏡5和快軸場鏡6依序位于光軸上并垂直于光軸；面陣半導體激光器1發出的多模激光光束經準直透鏡陣列2準直后平行入射，再經第一微透鏡陣列3將激光光束均勻地分成多個子光束并聚焦于后焦面上，再經第二微透鏡陣列4和慢軸場鏡5和快軸場鏡6將每一子光束疊加于場鏡的后焦面，即照明面上。