本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光表面硬化通過高光束質(zhì)量的激光束迅速且精準(zhǔn)地加熱工件表面，使作用區(qū)域表面溫度迅速上升，而其余大部分材料處于低溫并將熱量傳導(dǎo)至表面其它部分。通過極短的冷卻時間形成高硬度的細(xì)晶粒組織(馬氏體)，可以顯著提高金屬材料及零件的表面硬度、耐磨性、抗腐蝕性。由于作用周期短，幾乎沒有熱變形，可以有效的保持基體材料的性能。半導(dǎo)體激光束的功率連續(xù)可調(diào)，并沒有慣性，配合數(shù)控系統(tǒng)或機(jī)器人系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)柔性加工，對形狀復(fù)雜的零件進(jìn)行硬化處理，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于齒輪、發(fā)動機(jī)缸套、模具表面硬化等行業(yè)。但是高功率半導(dǎo)體激光器因其固有的結(jié)構(gòu)特征，導(dǎo)致其快慢軸方向上的光束質(zhì)量存在著嚴(yán)重的不對稱，使得其輸出光束質(zhì)量極差，嚴(yán)重制約了半導(dǎo)體激光器在激光加工中的應(yīng)用。因此，如何提高半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量，得到形狀和大小可控的均勻輸出光斑是半導(dǎo)體激光表面硬化行業(yè)現(xiàn)在急需解決的難題。

通過聚焦系統(tǒng)改善半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量是較為常用的方法。傳統(tǒng)的聚焦系統(tǒng)設(shè)計方案主要有球面鏡組、柱面鏡組、球柱面鏡組。采用球面鏡組，如三分離物鏡，能夠很好地消除系統(tǒng)的球差和彗差，但由于進(jìn)入聚焦系統(tǒng)前光束的慢軸方向的非均勻分布導(dǎo)致聚焦光斑在快軸方向上始終是非均勻的。另外，球面鏡組的一個顯著缺陷就是無法靈活的控制輸出光斑的形狀。柱面鏡組可以通過兩片相互正交的柱面鏡對快慢軸分別進(jìn)行聚焦，可以實(shí)現(xiàn)任意長寬比的矩形光斑輸出。但是柱面鏡僅僅是對快慢軸分別進(jìn)行簡單的聚焦，而無法使得輸出光斑均勻一致。若采用球柱面鏡組，雖可以在一定范圍內(nèi)調(diào)整輸出光斑形狀，但其輸出光斑的均勻性無法得到實(shí)質(zhì)性的提高?？傊瑐鹘y(tǒng)的聚焦系統(tǒng)無法兼顧光斑尺寸和光斑均勻性，輸出光束質(zhì)量較差，一定程度上制約了半導(dǎo)體激光器在激光表面硬化行業(yè)的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置，旨在解決現(xiàn)有聚焦裝置不能兼顧的激光束均勻性和光斑尺寸的技術(shù)問題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置，包括：

菲涅爾透鏡，其一面為平行排列的楞，楞關(guān)于中心面對稱，中心面與楞的排列方向垂直，楞的排列方向與激光束的慢軸方向相同，射入的激光束經(jīng)多個楞面對激光束的波前進(jìn)行分割并聚焦，輸出在慢軸方向聚焦均勻的激光束；

柱面鏡，與菲涅爾透鏡正交放置，用于將由菲涅爾透鏡輸出的激光束在快軸方向聚焦；

激光束為經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束。

經(jīng)過準(zhǔn)直后的光場，快軸發(fā)散角通常要小于慢軸發(fā)散角。當(dāng)經(jīng)過準(zhǔn)直后的光場入射至菲涅爾透鏡，每個楞面將經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束的波前分割為多個小波面，每個楞控制每個小波面在焦平面上的聚焦位置，光斑疊加，實(shí)現(xiàn)光斑均勻化，由于菲涅爾透鏡的楞的排列方向與經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束的慢軸方向相同，光斑在慢軸方向聚焦。由菲涅爾透鏡輸出的激光束射入柱面鏡，由于柱面鏡與菲涅爾透鏡正交，柱面鏡通過直接改變射入柱面鏡的激光束的光路，光斑在快軸方向聚焦，實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光束光斑均勻性和光斑尺寸的控制。

進(jìn)一步地，經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束射入菲涅爾透鏡，多個相鄰的楞讓不同區(qū)域的半導(dǎo)體激光束聚焦到同一區(qū)域，實(shí)現(xiàn)菲涅爾透鏡輸出在半導(dǎo)體激光束慢軸方向聚焦的均勻激光束，在半導(dǎo)體激光束慢軸方向聚焦的均勻激光束經(jīng)過柱面鏡在半導(dǎo)體激光束快軸方向聚焦輸出矩形均勻的激光束。

進(jìn)一步的，菲涅爾透鏡入射面為平面，菲涅爾透鏡的出射面為有多個楞平行排列的平面，相較于其他類型的菲涅爾透鏡，光學(xué)效率最高，而且易于安裝和維護(hù)。

進(jìn)一步地，菲涅爾透鏡的楞距在0.5mm～1.5mm，能夠提高輸出激光束的均勻性。

進(jìn)一步地，根據(jù)公式確定第i個楞的楞高度角θ_i，式中，m_i為第i個楞出射光與光軸的夾角的余角，n₁₂為相對折射率，n₁＝1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣折射率，n₂為菲涅爾透鏡材料的折射率。

進(jìn)一步地，菲涅爾透鏡和柱面鏡材料均為鑭火石玻璃，具有較大的折射率，實(shí)現(xiàn)更好的聚焦效果。

通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得以下有益效果：

1、菲涅耳透鏡的每個楞對半導(dǎo)體激光束進(jìn)行波前分割為多個小波面，由于每個楞的角度不同，使得經(jīng)過每個楞射出的光束角度不同，通過控制每個楞的角度，實(shí)現(xiàn)對不同區(qū)域的光束聚焦到同一個區(qū)域，即光斑的疊加，實(shí)現(xiàn)輸出均勻且在慢軸方向聚焦的光斑，柱面鏡對均勻且在慢軸方向聚焦的光斑進(jìn)行聚焦，由于柱面鏡與菲涅爾透鏡正交，柱面鏡將激光束在快軸方向聚焦，輸出均勻的矩形光斑。

2、本發(fā)明提供的菲涅爾聚焦裝置采用菲涅爾透鏡，有效降低了聚焦系統(tǒng)的鏡片厚度，很大程度上提高了光能利用率。

3、采用本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置，通過設(shè)計菲涅耳透鏡各楞高度角和柱面鏡焦距，能根據(jù)需要靈活地控制輸出光斑的形狀和大小，同時有效的提高光斑的均勻性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置在慢軸方向的光束聚焦示意圖；

圖2是本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置在快軸方向的光束聚焦示意圖；

圖3是平板型楞朝內(nèi)菲涅爾透鏡勻化聚焦原理圖；

圖4是菲涅爾透鏡的楞距對光斑均勻性的影響圖；

圖5是入射至菲涅爾透鏡的激光束發(fā)散角對焦斑均勻性的影響圖；

圖6是在距離半導(dǎo)體陣列360mm處的光斑實(shí)測光場分布圖，其中，(a)為在距離半導(dǎo)體陣列360mm處的光斑光場的三維分布圖,(b)為在距離半導(dǎo)體陣列360mm處的光斑光場快軸方向的分布圖,(c)為在距離半導(dǎo)體陣列360mm處的光斑光場慢軸方向的分布圖,(d)為在距離半導(dǎo)體陣列360mm處的光斑光場的二維分布圖；

圖7是在距離半導(dǎo)體陣列410mm處的光斑實(shí)測光場分布圖，其中，(a)為在距離半導(dǎo)體陣列410mm處的光斑光場的三維分布圖,(b)為在距離半導(dǎo)體陣列410mm處的光斑光場快軸方向的分布圖,(c)為在距離半導(dǎo)體陣列410mm處的光斑光場軸慢方向的分布圖,(d)為在距離半導(dǎo)體陣列410mm處的光斑光場的二維分布圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置，包括菲涅爾透鏡，該菲涅爾透鏡，一面有平行排列的楞，楞關(guān)于中心面對稱，中心面與楞的排列方向垂直，楞的排列方向與激光束的慢軸方向相同。還包括柱面鏡，與菲涅爾透鏡正交放置。輸入菲涅爾聚焦裝置的光束是經(jīng)過準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后輸出的光束。半導(dǎo)體激光器的本征特性使得其輸出光場的快軸發(fā)散角較大，慢軸發(fā)散角較小，輸出光場呈橢圓分布。一般都會先對半導(dǎo)體激光器的快慢軸分別進(jìn)行準(zhǔn)直。準(zhǔn)直后的光場，快軸發(fā)散角通常要小于慢軸發(fā)散角。經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束射入菲涅爾透鏡，由于菲涅爾透鏡的楞的排列方向與經(jīng)過準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光束的慢軸方向相同，經(jīng)多個楞面對激光束的波前分割為多個小波面，每個楞控制每個小波面在焦平面上的聚焦位置，在縮小慢軸方向的光斑尺寸的同時進(jìn)行光斑疊加均化，輸出均勻性良好且在慢軸方向聚焦光束，由菲涅爾透鏡輸出的激光束入射到柱面鏡上，由于柱面鏡與菲涅爾透鏡正交，柱面鏡直接對入射的激光束直接改變其光路，縮小菲涅爾透鏡輸出的激光束快軸方向的光斑尺寸，輸出均勻矩形光斑。由于慢軸方向上的光束發(fā)散角較大，需通過菲涅爾透鏡分割重排進(jìn)行聚焦，而快軸方向上的光束發(fā)散角較小，僅通過一個柱面鏡就能很好的聚焦。

圖1為本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置在慢軸方向的光束聚焦示意圖，如圖1所示，半導(dǎo)體激光陣列3射入菲涅爾透鏡1，由于菲涅爾透鏡1上楞的排列方向與半導(dǎo)體激光陣列3的慢軸方向相同，菲涅爾透鏡1對半導(dǎo)體激光陣列3的波前進(jìn)行分割并聚焦后輸出均勻且在慢軸方向聚焦的光斑。圖2為本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置在快軸方向的光束聚焦示意圖。如圖2所示，半導(dǎo)體激光陣列3經(jīng)過菲涅爾透鏡1射入柱面鏡2，柱面鏡2與菲涅爾透鏡1正交，將由菲涅爾透鏡1輸出的激光束的慢軸方向進(jìn)行聚焦。先將半導(dǎo)體激光陣列3均化且在慢軸方向聚焦，后將均化且在慢軸方向聚焦的激光束在快軸方向聚焦，實(shí)現(xiàn)輸出均勻的矩形光斑。

采用本發(fā)明提供的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置，通過設(shè)計菲涅耳透鏡各楞高度角和柱面鏡焦距，能根據(jù)需要靈活地控制輸出光斑的形狀和大小，同時有效的提高光斑的均勻性，解決了傳統(tǒng)聚焦系統(tǒng)無法兼顧光斑尺寸和光斑均勻性的問題。這樣在激光表面改性過程中，光斑尺寸能夠更好的跟工件作用區(qū)域相匹配，可以有效降低溫度梯度所帶來的受熱不均勻性問題，提高加工質(zhì)量和效率。同時通過菲涅爾透鏡的使用，有效降低了聚焦系統(tǒng)的鏡片厚度，提高了光能利用率。

本發(fā)明中的菲涅爾透鏡的楞高度角為每個楞面與光軸的夾角的余角，楞高度角θ_i：

其中，n₁＝1為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下的空氣折射率，n₂為菲涅爾透鏡材料的折射率，m_i為第i楞出射光與光軸夾角的余角。

圖3為平板型楞朝內(nèi)菲涅爾透鏡均勻化聚焦原理圖，n個楞將區(qū)域R_i的光束分割，光束A₁至光束B₁經(jīng)過第i₁個楞折射后輸出，第i₁個楞的楞高度角θ_i1為楞面與光軸夾角的余角，出射光與光軸夾角的余角為m_i1，出射光在平面上的區(qū)域?yàn)閞_i，光束A₂至光束B₂經(jīng)過第i₂個楞折射后輸出，出射光與光軸夾角的余角為m_i2，出射光在平面上的區(qū)域仍為r_i，依此類推，光束A_n至光束B_n經(jīng)過第i_n個楞折射后輸出，出射光與光軸夾角的余角為m_in，出射光在平面上的區(qū)域仍為r_i，由于每個楞的出射光與光軸夾角的余角跟每個楞的高度角有關(guān)，通過設(shè)計菲涅耳透鏡的上述n個楞的楞高度角，讓經(jīng)過每個楞出射的光聚焦在區(qū)域r_i。對于區(qū)域R_i+1的光束也是經(jīng)過m個楞進(jìn)行分割，通過控制m個楞的楞高度角，使得區(qū)域R_i+1經(jīng)過m個楞射出的光束在同一個區(qū)域上，通過光斑的疊加，實(shí)現(xiàn)光斑均勻化，同時控制輸出光斑尺寸。

菲涅爾透鏡的楞距對聚焦光斑均勻性有影響。當(dāng)入射光快軸發(fā)散角θ_快軸＝2.5mrad，慢軸發(fā)散角θ_慢軸＝15mrad，在菲涅耳透鏡聚焦裝置焦距f＝380mm處，輸出光斑尺寸為2×10mm²時，研究不同菲涅耳透鏡楞間距對聚焦光斑均勻性的影響，其ZEMAX仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖4可以發(fā)現(xiàn)：菲涅耳透鏡楞距由0.5mm增大到1mm過程中，其光斑均勻性變化不大，均維持在94.90％左右。而隨著楞距的繼續(xù)增大，輸出光斑均勻性會逐漸降低。當(dāng)楞距增大到2.5mm后，光斑的均勻性不再隨楞距的增大而變化，基本穩(wěn)定在93.85％左右。所以當(dāng)楞距為1mm時，聚焦光斑的均勻性較好。

入射光發(fā)散角對光斑均勻性也有影響。選擇楞距為1mm的菲涅耳聚焦系統(tǒng)，分析入射光發(fā)散角對聚焦光斑均勻性的影響。由于快軸方向上經(jīng)準(zhǔn)直后發(fā)散角較小，θ_快軸≤2.5mrad，僅通過一個柱面鏡就能很好的聚焦。因此只需分析不同入射光發(fā)散角在慢軸方向上對菲涅耳聚焦裝置的聚焦效果的影響，其ZEMAX仿真結(jié)果如圖4所示。

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：起初隨著入射光慢軸發(fā)散角的增大，菲涅耳聚焦系統(tǒng)輸出光斑的均勻性會逐漸提高。當(dāng)發(fā)散角增加到12.5mrad后，會出現(xiàn)一個12.5mrad-20mrad的平坦區(qū)，在此區(qū)域內(nèi)光斑的均勻性較高，基本維持在95.22％附近波動。隨著發(fā)散角的進(jìn)一步增加，輸出光斑均勻性又逐漸降低。所以，該菲涅爾聚焦裝置對慢軸發(fā)散角介于12.5mrad-20mrad的入射光束的聚焦效果最好。

下面以輸出2×10mm²的均勻光斑為例，即光斑在快軸方向尺寸為2mm，在慢軸方向尺寸為10mm，給出最優(yōu)的半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置的參數(shù)。半導(dǎo)體激光束的菲涅爾聚焦裝置包括菲涅爾透鏡和柱面鏡。菲涅爾透鏡采用平板楞朝內(nèi)型菲涅爾透鏡，即輸入面為平面，輸出面為由多個平行排列的楞面，選用平板楞朝內(nèi)型菲涅爾透鏡，相較于其他類型的菲涅爾透鏡，光學(xué)效率最高，而且易于安裝和維護(hù)。菲涅爾透鏡的尺寸為40×40mm²，材料為鑭火石玻璃LAFN21，其折射率n＝1.77。而在本例中，菲涅爾透鏡為中心軸對稱，當(dāng)菲涅耳楞數(shù)為40，楞距為1mm時，根據(jù)關(guān)系式，可計算出從中心到邊緣，每一楞的楞高度角，表1給出了第一個楞到第二十個楞的楞高度角。

表1楞高度角

柱面鏡2與菲涅爾透鏡1相距20mm相互正交放置，焦距f＝380mm為距柱面鏡后表面距離，尺寸為40×40mm²，材料為鑭火石玻璃LAFN21。

菲涅爾透鏡主要作用是對慢軸光束進(jìn)行聚焦。每個楞將入射激光束的波前進(jìn)行分割，在將每個小波面進(jìn)行疊加聚焦，即先微分后積分的過程，過合理設(shè)計菲涅耳透鏡的每一楞的楞高度角，我們可以控制每一個小波面在焦平面上的聚焦位置，可在控制輸出光斑尺寸的同時，進(jìn)行疊加勻化。柱面鏡2主要作用是對快軸光束進(jìn)行聚焦，從而實(shí)現(xiàn)均勻的矩形光斑輸出。

圖6(a)給出了距離半導(dǎo)體激光陣列360mm處的光斑光場的三維分布，圖6(b)至圖6(d)給出了距離半導(dǎo)體激光陣列360mm處的光斑光場的二維分布，從圖6(a)可以看出光斑均勻且呈矩形狀，從圖6(b)和圖6(d)中可以看出，在兩個方向上的光場均勻分布，從圖6(c)中看出，光斑為矩形。圖7(a)給出了距離半導(dǎo)體激光陣列410mm處的光斑光場的三維分布，圖7(b)至圖7(d)給出了距離半導(dǎo)體激光陣列410mm處的光斑光場的二維分布，從圖7(b)和圖7(d)中可以看出，在兩個方向上的光場均勻分布，從圖7(c)中看出，光斑為矩形。綜合圖6和圖7可以看出焦深大于50mm，可較好的滿足工業(yè)加工需求。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。