一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括菲涅尔透镜和柱面镜，菲涅尔透镜的一面有多个平行排列的楞，多个楞对半导体激光束的波前进行分割，经过每个楞输出的激光束角度不同，实现不同区域的光束经过菲涅尔透镜后在同一处叠加，使菲涅尔透镜输出均匀且在慢轴方向聚焦的光斑，柱面镜对入射光进行快轴方向聚焦，输出均匀的矩形光斑，解决了传统聚焦装置无法兼顾光斑尺寸和光斑均匀性的问题。在激光表面改性过程中，由本发明专利技术提供的菲涅尔聚焦装置输出的激光光斑的尺寸能够更好的跟工件作用区域相匹配，可以有效降低温度梯度所带来的受热不均匀性问题，提高加工质量和效率。

A Finel focusing device for a semiconductor laser beam

The invention discloses a semiconductor laser device focusing Finel beam, including Finel lens and a cylindrical mirror, Finel lens side has a plurality of parallel multi Leng Leng, wavefront of semiconductor laser beam segmentation after laser beam angle of each output is not the same for corrugated, different regions of the beam through the Finel lens later in the same place to stack, Finel lens and uniform output in the slow axis direction of the cylindrical lens focused beam incident light fast axis direction focusing, rectangular beam output uniform, to solve the traditional focusing device can not take into account the spot size and beam uniformity problem. In the laser surface modification process provided by the invention output Finel focusing device of the laser spot size can be better with the workpiece area matching, can effectively reduce the heat caused by the temperature gradient inhomogeneity problem, improve machining quality and efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置
本专利技术涉及大功率半导体激光器领域，更具体地，涉及一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置。
技术介绍
半导体激光表面硬化通过高光束质量的激光束迅速且精准地加热工件表面，使作用区域表面温度迅速上升，而其余大部分材料处于低温并将热量传导至表面其它部分。通过极短的冷却时间形成高硬度的细晶粒组织(马氏体)，可以显著提高金属材料及零件的表面硬度、耐磨性、抗腐蚀性。由于作用周期短，几乎没有热变形，可以有效的保持基体材料的性能。半导体激光束的功率连续可调，并没有惯性，配合数控系统或机器人系统，可以实现柔性加工，对形状复杂的零件进行硬化处理，现已被广泛应用于齿轮、发动机缸套、模具表面硬化等行业。但是高功率半导体激光器因其固有的结构特征，导致其快慢轴方向上的光束质量存在着严重的不对称，使得其输出光束质量极差，严重制约了半导体激光器在激光加工中的应用。因此，如何提高半导体激光器光束质量，得到形状和大小可控的均匀输出光斑是半导体激光表面硬化行业现在急需解决的难题。通过聚焦系统改善半导体激光器光束质量是较为常用的方法。传统的聚焦系统设计方案主要有球面镜组、柱面镜组、球柱面镜组。采用球面镜组，如三分离物镜，能够很好地消除系统的球差和彗差，但由于进入聚焦系统前光束的慢轴方向的非均匀分布导致聚焦光斑在快轴方向上始终是非均匀的。另外，球面镜组的一个显著缺陷就是无法灵活的控制输出光斑的形状。柱面镜组可以通过两片相互正交的柱面镜对快慢轴分别进行聚焦，可以实现任意长宽比的矩形光斑输出。但是柱面镜仅仅是对快慢轴分别进行简单的聚焦，而无法使得输出光斑均匀一致。若采用球柱面镜组，虽可以在一定范围内调整输出光斑形状，但其输出光斑的均匀性无法得到实质性的提高。总之，传统的聚焦系统无法兼顾光斑尺寸和光斑均匀性，输出光束质量较差，一定程度上制约了半导体激光器在激光表面硬化行业的应用。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，旨在解决现有聚焦装置不能兼顾的激光束均匀性和光斑尺寸的技术问题。为实现上述目的，本专利技术提供了一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括：菲涅尔透镜，其一面为平行排列的楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同，射入的激光束经多个楞面对激光束的波前进行分割并聚焦，输出在慢轴方向聚焦均匀的激光束；柱面镜，与菲涅尔透镜正交放置，用于将由菲涅尔透镜输出的激光束在快轴方向聚焦；激光束为经过准直后的半导体激光束。经过准直后的光场，快轴发散角通常要小于慢轴发散角。当经过准直后的光场入射至菲涅尔透镜，每个楞面将经过准直后的半导体激光束的波前分割为多个小波面，每个楞控制每个小波面在焦平面上的聚焦位置，光斑叠加，实现光斑均匀化，由于菲涅尔透镜的楞的排列方向与经过准直后的半导体激光束的慢轴方向相同，光斑在慢轴方向聚焦。由菲涅尔透镜输出的激光束射入柱面镜，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜通过直接改变射入柱面镜的激光束的光路，光斑在快轴方向聚焦，实现对半导体激光束光斑均匀性和光斑尺寸的控制。进一步地，经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，多个相邻的楞让不同区域的半导体激光束聚焦到同一区域，实现菲涅尔透镜输出在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束，在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束经过柱面镜在半导体激光束快轴方向聚焦输出矩形均匀的激光束。进一步的，菲涅尔透镜入射面为平面，菲涅尔透镜的出射面为有多个楞平行排列的平面，相较于其他类型的菲涅尔透镜，光学效率最高，而且易于安装和维护。进一步地，菲涅尔透镜的楞距在0.5mm～1.5mm，能够提高输出激光束的均匀性。进一步地，根据公式确定第i个楞的楞高度角θi，式中，mi为第i个楞出射光与光轴的夹角的余角，n12为相对折射率，n1＝1为标准大气压下的空气折射率，n2为菲涅尔透镜材料的折射率。进一步地，菲涅尔透镜和柱面镜材料均为镧火石玻璃，具有较大的折射率，实现更好的聚焦效果。通过本专利技术所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：1、菲涅耳透镜的每个楞对半导体激光束进行波前分割为多个小波面，由于每个楞的角度不同，使得经过每个楞射出的光束角度不同，通过控制每个楞的角度，实现对不同区域的光束聚焦到同一个区域，即光斑的叠加，实现输出均匀且在慢轴方向聚焦的光斑，柱面镜对均匀且在慢轴方向聚焦的光斑进行聚焦，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜将激光束在快轴方向聚焦，输出均匀的矩形光斑。2、本专利技术提供的菲涅尔聚焦装置采用菲涅尔透镜，有效降低了聚焦系统的镜片厚度，很大程度上提高了光能利用率。3、采用本专利技术提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，通过设计菲涅耳透镜各楞高度角和柱面镜焦距，能根据需要灵活地控制输出光斑的形状和大小，同时有效的提高光斑的均匀性。附图说明图1是本专利技术提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在慢轴方向的光束聚焦示意图；图2是本专利技术提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置在快轴方向的光束聚焦示意图；图3是平板型楞朝内菲涅尔透镜匀化聚焦原理图；图4是菲涅尔透镜的楞距对光斑均匀性的影响图；图5是入射至菲涅尔透镜的激光束发散角对焦斑均匀性的影响图；图6是在距离半导体阵列360mm处的光斑实测光场分布图，其中，(a)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场的三维分布图,(b)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场快轴方向的分布图,(c)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场慢轴方向的分布图,(d)为在距离半导体阵列360mm处的光斑光场的二维分布图；图7是在距离半导体阵列410mm处的光斑实测光场分布图，其中，(a)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场的三维分布图,(b)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场快轴方向的分布图,(c)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场轴慢方向的分布图,(d)为在距离半导体阵列410mm处的光斑光场的二维分布图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。本专利技术提供的半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，包括菲涅尔透镜，该菲涅尔透镜，一面有平行排列的楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同。还包括柱面镜，与菲涅尔透镜正交放置。输入菲涅尔聚焦装置的光束是经过准直系统准直后输出的光束。半导体激光器的本征特性使得其输出光场的快轴发散角较大，慢轴发散角较小，输出光场呈椭圆分布。一般都会先对半导体激光器的快慢轴分别进行准直。准直后的光场，快轴发散角通常要小于慢轴发散角。经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，由于菲涅尔透镜的楞的排列方向与经过准直后的半导体激光束的慢轴方向相同，经多个楞面对激光束的波前分割为多个小波面，每个楞控制每个小波面在焦平面上的聚焦位置，在缩小慢轴方向的光斑尺寸的同时进行光斑叠加均化，输出均匀性良好且在慢轴方向聚焦光束，由菲涅尔透镜输出的激光束入射到柱面镜上，由于柱面镜与菲涅尔透镜正交，柱面镜直接对入射的激光束直接改变其光路，缩小菲涅尔透镜输出的激光束快轴方向的光斑尺寸，输出均匀矩形光斑。由于本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，包括：菲涅尔透镜，其一面为平行排列的多个楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同，射入的激光束经多个楞面对激光束的波前进行分割并聚焦，输出在慢轴方向聚焦的均匀激光束；柱面镜，与所述菲涅尔透镜正交放置，用于将由所述菲涅尔透镜输出的激光束在快轴方向聚焦；所述激光束为经过准直后的半导体激光束。

【技术特征摘要】
1.一种半导体激光束的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，包括：菲涅尔透镜，其一面为平行排列的多个楞，楞关于中心面对称，中心面与楞的排列方向垂直，楞的排列方向与激光束的慢轴方向相同，射入的激光束经多个楞面对激光束的波前进行分割并聚焦，输出在慢轴方向聚焦的均匀激光束；柱面镜，与所述菲涅尔透镜正交放置，用于将由所述菲涅尔透镜输出的激光束在快轴方向聚焦；所述激光束为经过准直后的半导体激光束。2.根据权利要求1所述的菲涅尔聚焦装置，其特征在于，经过准直后的半导体激光束射入菲涅尔透镜，多个相邻的楞让不同区域的半导体激光束聚焦到同一区域，实现菲涅尔透镜输出在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束，在半导体激光束慢轴方向聚焦的均匀激光束经过...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐霞辉，胡千，许成文，汪菲，钟理京，秦应雄，彭浩，姚巍，
申请(专利权)人：华中科技大学，深圳华中科技大学研究院，
类型：发明
国别省市：湖北,42