一种半导体激光均匀光束线产生器.pdf

本发明公开了一种半导体激光均匀光束线产生器。它的入射面具有左凹圆柱面、右凹圆柱面，以及与左凹圆柱面相连接的左平面和与右凹圆柱面相连接的右平面，左凹圆柱面、右凹圆柱面中心轴平行并互相连接构成尖角，出射面为一凸圆柱面，左凹圆柱面、右凹圆柱面的中心轴与凸圆柱面中心轴相互垂直，与凸圆柱面相连接的上表面和下表面垂直于左凹圆柱面、右凹圆柱面并相互平行。本发明与半导体激光器组成可以产生半导体激光光束线的系统有成本低、光束线光强分布均匀性好、工作距离可以任意改变、结构紧凑、系统简单的优点。可以广泛用于工业加工中的校准，光学照排，光学数据记录等领域。

1.  一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于：它的入射面具有左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)，以及与左凹圆柱面(1)相连接的左平面(3)和与右凹圆柱面(2)相连接的右平面(4)，左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)中心轴平行并互相连接构成尖角(10)，出射面为一凸圆柱面(5)，左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)的中心轴与凸圆柱面(5)中心轴相互垂直，与凸圆柱面(5)相连接的上表面(9)和下表面(8)垂直于左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)并相互平行。

2.  根据权利要求1所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)的圆心角为10°-180°，左凹圆柱面(1)、右凹圆柱面(2)的圆柱面半径为1mm-10mm。

3.  根据权利要求1所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的出射面的凸圆柱面(5)的圆心角为0°-180°，圆柱面半径为0.5mm-10mm。

4.  根据权利要求1所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的上表面(9)和下表面(8)的距离为1mm-20mm。

5.  根据权利要求1所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的尖角(10)的夹角α为0°-180°。

6.  一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于：它的入射面具有左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)，与左凹圆柱面(11)相连接的左平面(13)和与右凹圆柱面(12)相连接的右平面(14)，以及与左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)连接的过渡圆柱面(20)，出射面为一凸圆柱面(15)，左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)的中心轴与凸圆柱面(15)中心轴相互垂直，与凸圆柱面(15)相连接的上表面(19)和下表面(18)垂直于左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)并相互平行。

7.  根据权利要求6所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)的圆心角为10°-180°，左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)的圆柱面半径为1mm-10mm。

8.  根据权利要求6所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的出射面的凸圆柱面(15)的圆心角为0°-180°，圆柱面半径为0.5mm-10mm。

9.  根据权利要求6所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的上表面(19)和下表面(18)的距离为1mm-20mm。

10.  根据权利要求6所述的一种半导体激光均匀光束线产生器，其特征在于所说的过渡圆柱面(20)与入射面左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)相切，其圆心角为0°-180°，圆柱面半径为0mm-5mm。

一种半导体激光均匀光束线产生器
技术领域
本发明涉及一种用于产生半导体激光均匀光束线的光学器件；用于将半导体激光器发出的光束，在远场任意工作距离的工作面上整形为一条均匀光强分布的激光光束线。特别适用于工业加工中的校准，光学照排，光学数据记录中的关键技术—激光光束线产生器。
背景技术
在工业加工中，为了降低加工误差，需要一种有效的校准机制。随着半导体激光器成本的不断降低、质量不断提高，采用半导体激光器产生激光光束线做为校准手段已经很成熟地应用在工业加工之中。此外，在激光照排和激光数据存储当中，半导体激光光束线也有广泛的应用。
早期的技术采用一个多面棱镜，将激光束投射在棱镜上，通过棱镜的高速旋转，在工作平面上投射出激光光束线。但是这种技术的缺点在于系统非常复杂，成本很高。另外一种技术是直接将准直的激光束(如He-Ne激光)用柱状微透镜在一个方向上分散，在工作平面上产生光束线，如图1；但是，这样产生的光束线的光强分布是不均匀的高斯分布，如图2。日本人Ozaki的专利(美国专利号：4589738，1986年5月20日)公布了一种利用一片柱状凹反射镜和一片凸反射镜来产生激光光束线，这种系统也存在着结构复杂、装配困难、光束线能量分布不均匀的缺点。光束线的能量分布不均匀将会限制它的使用范围。所以，对光束线能量分布的均匀化是必需的。加拿大的Powell在1989年公布的专利中(美国专利号：4866299，1989年5月2日)公开了一种特殊的棱镜，通过对激光束中心部分光束的分散，在远场得到一条均匀的激光光束线。这种棱镜很好地解决了激光光束线不均匀的问题，也成为后来被广泛使用的技术。但是，这种技术的缺陷在于，由于需要把激光束中心的光进行分散，所以要在棱镜相应于光束中心的位置上加工出二次曲面。由于激光光束本身就很小，这样的加工就显得非常的困难。另外，在这种技术中，工作距离是无法改变的，必须为事先计算好的固定值。这些都限制了这种技术的使用。此后的研究集中在衍射光学和二元光学器件上，也取得了比较好的效果；但是衍射光学器件的主要缺点是能量损失很大。在2002年，美国Coherent公司公布了一种通过具有多片透镜的光学系统来在远场产生光束线的方法(美国专利号：6478452，2002年11月12日)，如图3。但是，系统复杂、工作距离无法改变的缺点仍然存在。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种半导体激光均匀光束线产生器。
一种半导体激光均匀光束线产生器的入射面具有左凹圆柱面、右凹圆柱面，以及与左凹圆柱面相连接的左平面和与右凹圆柱面相连接的右平面，左凹圆柱面、右凹圆柱面中心轴平行并互相连接构成尖角，出射面为一凸圆柱面，左凹圆柱面、右凹圆柱面的中心轴与凸圆柱面中心轴相互垂直，与凸圆柱面相连接的上表面和下表面垂直于左凹圆柱面、右凹圆柱面并相互平行。
另一种半导体激光均匀光束线产生器的入射面具有左凹圆柱面、右凹圆柱面，与左凹圆柱面相连接的左平面和与右凹圆柱面相连接的右平面，以及与左凹圆柱面、右凹圆柱面连接的过渡圆柱面，出射面为一凸圆柱面，左凹圆柱面、右凹圆柱面的中心轴与凸圆柱面中心轴相互垂直，与凸圆柱面相连接的上表面和下表面垂直于左凹圆柱面、右凹圆柱面并相互平行。
本发明的优点是：通过对光学介质的简单加工，可以制造出直接对半导体激光器出射光束进行整形，进而在远场任意工作距离的工作面上产生均匀光强分布的激光光束线的光学器件。与半导体激光器组成可以产生半导体激光光束线的系统有成本低、光束线光强分布均匀性好、工作距离可以任意改变、结构紧凑、系统简单的优点。可以广泛用于工业加工中的校准，光学照排，光学数据记录等领域。
附图说明
图1是产生激光光束线的系统示意图；
图2是产生激光光束线的系统产生的光束线光强沿光束线方向的分布示意图；
图3是产生半导体激光光束线的系统示意图；
图4是一种半导体激光均匀光束线产生器的结构示意图；
图5是另一种半导体激光均匀光束线产生器的结构示意图；
图6是另一种半导体激光均匀光束线产生器侧视图及局部放大图；
图7是本发明与半导体激光器组成产生均匀光强分布地半导体激光光束线系统以及光线追迹图。
具体实施方式
通过对光学介质的加工，使其入射面由两凹圆柱面，以及与两圆柱面相连接的平面组成；出射面为一凸圆柱面；入射面两凹圆柱面中心轴，与出射面凸圆柱面中心轴相互垂直。两凹圆柱面中心轴平行并两凹圆柱面互相连接构成尖角或由过渡圆柱面相连接。通过对入射半导体激光束分割为多部分，然后在远场叠加，产生均匀激光光束线。
如图4所示，首先根据具体半导体激光光束性质，确定外形参数。然后通过对光学介质如光学玻璃，光学塑料等加工而成；其入射面具有左凹圆柱面1、右凹圆柱面2，以及与左凹圆柱面1相连接的左平面3和与右凹圆柱面2相连接的右平面4，入射面左凹圆柱面1、右凹圆柱面2中心轴平行并互相连接构成尖角10，出射面为一凸圆柱面5，左凹圆柱面1、右凹圆柱面2的中心轴与凸圆柱面5中心轴相互垂直。与凸圆柱面5相连接的上表面9和下表面8垂直于左凹圆柱面1、右凹圆柱面2并相互平行。左凹圆柱面1、右凹圆柱面2的圆心角为10°-180°，左凹圆柱面1、右凹圆柱面2的圆柱面半径为1mm-10mm。出射面的凸圆柱面5的圆心角为0°-180°，圆柱面半径为0.5mm-10mm。上表面9和下表面8的距离为1mm-20mm。尖角10的夹角α为0°-180°。
与半导体激光器21组成用于产生均匀光强分布的半导体激光光束线的系统时，首先固定半导体激光器21位置，再通过对本发明半导体激光均匀光束线产生器的精确定位，使其入射面左凹圆柱面1、右凹圆柱面2的中心轴平行于半导体激光束的慢轴方向(平行于半导体激光器p-n结)；出射面凸圆柱面平行于半导体激光束的快轴方向(垂直于半导体激光器p-n结)。尖角10对准于半导体激光光束中心。
半导体激光束在快轴方向上，被本发明半导体激光均匀光束线产生器的入射面左凹圆柱面1和右凹圆柱面2平均分成两部分；通过本发明用于产生均匀半导体激光光束线的光学器件后，两部分光束分别被投射到远场工作平面的近似完全相同位置，叠加后产生均匀的半导体激光光束线，如图7所示。
如图5所示，首先根据具体半导体激光光束性质，确定外形参数。然后通过对光学介质如光学玻璃，光学塑料等加工而成；其入射面具有左凹圆柱面11、右凹圆柱面12，与左凹圆柱面11相连接的左平面13和与右凹圆柱面12相连接的右平面14，以及与左凹圆柱面11、右凹圆柱面12的过渡圆柱面20，出射面为一凸圆柱面15，左凹圆柱面11、右凹圆柱面12的中心轴与凸圆柱面15中心轴相互垂直。与凸圆柱面15相连接的上表面19和下表面18垂直于左凹圆柱面11、右凹圆柱面12并相互平行。左凹圆柱面11、右凹圆柱面12的圆心角为10°-180°，左凹圆柱面(11)、右凹圆柱面(12)的圆柱面半径为1mm-10mm。入射面左凹圆柱面11、右凹圆柱面12中心轴与过渡圆柱面20相切。入射面左凹圆柱面11、右凹圆柱面12的圆心角、半径相同。出射面的凸圆柱面15的圆心角为0°-180°，圆柱面半径为0.5mm-10mm。上表面19和下表面18的距离为1mm-20mm。过渡圆柱面20与入射面左凹圆柱面11、右凹圆柱面12相切，其圆心角为0°-180°，半径为0mm-5mm。
图6是本发明用于产生均匀半导体激光光束线的光学器件的另一种实施例的侧视图。过渡圆柱面20的作用在于与入射面左凹圆柱面11、右凹圆柱面12一起，将半导体激光束在快轴方向上分割为三部分，然后这三部分光束被分别投射到远场工作平面的近似完全相同位置，叠加后产生均匀光强分布的半导体激光光束线。此方法产生的半导体激光光束线有更加均匀的光强分布。