全文摘要
本实用新型提供一种基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统，包括依次排列的半导体激光二极管、准直透镜、第一棱镜对、第二棱镜对、偏振元件、功率反馈片、柱面透镜和物镜；第一棱镜对包含两个用于在竖直方向上对光束进行整形的第一棱镜，第二棱镜对包含两个用于在水平方向上对光束进行整形的第二棱镜；第二棱镜对的出射光路上依次设置偏振元件、功率反馈片、用于在竖直方向上或水平方向上调整光束的束腰位置的柱面透镜、和用于聚焦并射出光束的物镜。本实用新型通过第一棱镜对和第二棱镜对分别对激光束进行竖直和水平方向的整形，获得大光斑比例的聚焦光斑，通过柱面透镜消除竖直和水平方向的像散，使系统稳定可靠。
主设计要求
1.一种基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统，其特征在于，所述光束整形系统包括依次排列的半导体激光二极管、准直透镜、第一棱镜对、第二棱镜对、偏振元件、功率反馈片、柱面透镜和物镜；所述准直透镜位于所述半导体激光二极管的出射光路上，所述第一棱镜对包含两个用于在竖直方向上对光束进行整形的第一棱镜，依次位于所述准直透镜的出射光路上，所述第二棱镜对包含两个用于在水平方向上对光束进行整形的第二棱镜，依次位于所述第一棱镜对的出射光路上；所述第二棱镜对的出射光路上依次设置所述偏振元件、所述功率反馈片、用于在竖直方向上或水平方向上调整光束的束腰位置的所述柱面透镜、和用于聚焦并射出光束的所述物镜。
设计方案
1.一种基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统，其特征在于，所述光束整形系统包括依次排列的半导体激光二极管、准直透镜、第一棱镜对、第二棱镜对、偏振元件、功率反馈片、柱面透镜和物镜；
所述准直透镜位于所述半导体激光二极管的出射光路上，所述第一棱镜对包含两个用于在竖直方向上对光束进行整形的第一棱镜，依次位于所述准直透镜的出射光路上，所述第二棱镜对包含两个用于在水平方向上对光束进行整形的第二棱镜，依次位于所述第一棱镜对的出射光路上；
所述第二棱镜对的出射光路上依次设置所述偏振元件、所述功率反馈片、用于在竖直方向上或水平方向上调整光束的束腰位置的所述柱面透镜、和用于聚焦并射出光束的所述物镜。
2.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，光束经所述第一棱镜整形后沿竖直方向的光斑尺寸为H1<\/sub>，经所述第二棱镜对整形后沿水平方向的光斑尺寸为H2<\/sub>，H1<\/sub>:H2<\/sub>>10:1。
3.如权利要求2所述的光束整形系统，其特征在于，H1<\/sub>和H2<\/sub>的范围均是0.3mm～10mm。
4.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述柱面透镜用于在水平方向上调整光束的束腰位置，使光束水平方向的束腰和竖直方向的束腰重合。
5.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述准直透镜具有正光焦度，且所述准直透镜的有效焦距为2mm～10mm。
6.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述偏振元件是布儒斯特偏振元件或镀偏振膜的双面抛光平板玻璃片，光束经所述偏振元件后偏振消光比大于100:1。
7.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述功率反馈片将部分光束反馈至光电二极管，形成反馈回路，所述光电二极管沿竖直方向设于所述功率反馈片的上方；
反馈的部分光束占全部光束的0.5％～2％。
8.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述功率反馈片与光轴呈45°，且所述功率反馈片的通光面双面抛光，入射面不镀膜，出射面镀增透膜。
9.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述偏振元件和所述功率反馈片用于补偿光束的光轴偏移。
10.如权利要求1所述的光束整形系统，其特征在于，所述物镜是平凸透镜或双胶合透镜，所述物镜的凸面迎向光束。
设计说明书
技术领域
本实用新型涉及激光设备领域，具体地说，涉及一种基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统。
背景技术
半导体激光器有着成本低、寿命长、体积小、可靠性高等优点，在工业加工、泵浦、医疗、通信、测量等领域有着广泛的应用前景。但半导体激光器也有极其明显的内在缺陷，即光束发散角大，快慢轴光束发散角不对称，快、慢轴存在像散，光束质量差，受温度影响大，这使得半导体激光器的应用受到极大挑战，能否实现光束发散角小、光束质量好、消像散和功率稳定成为半导体激光器能够被广泛应用的关键因素。
以半导体激光器用于流式细胞仪等血液分析仪器的光源为例，流式细胞仪是对细胞进行自动分析和分选的装置，可以快速测量、显示细胞悬浮液中细胞的一系列重要的物理、生化特性，并能对细胞亚群进行分选。流式细胞仪的基本原理是：将需要分析的细胞制备成细胞悬浮液，悬浮液中的细胞被荧光标记物标记，细胞悬浮液通过鞘流室喷嘴时，细胞排成队列逐个通过，细胞下落过程中被聚焦的激光束照射，荧光标记物吸收激光后被激发出上转换荧光，荧光波长大于激发激光波长。与此同时，激光照射在细胞上被细胞及其内部结构散射，向周围发出散射光，通过光路中滤波片和探测器，分析荧光、前向散射光、侧向散射光，从而通过软件分析细胞的物理、生化特性，并显示其分析结果。
流式细胞仪等医疗分析仪器对激光光源提出很高要求，需要光束质量好，功率稳定，噪声低，水平和竖直方向光斑比例大于6:1，甚至超过10:1。国内外大型流式细胞仪及类似医疗分析仪器采用准直透镜将激光准直，利用棱镜对将椭圆光斑整成圆形光斑，利用两片柱面镜将激光束聚焦成光斑比例一定比例的椭圆光斑。该方法的缺点是：第一、很难提供大光斑比例的聚焦光斑，同时当光斑比例过大时，要求用于聚焦光斑的柱面透镜焦距比例大，光路增长，由激光指向性变化导致激光聚焦点不稳定，从而影响仪器的稳定性和可靠性；第二、采用两片柱面镜聚焦获得椭圆光斑，竖直方向和水平方向聚焦光斑束腰位置很难重合，甚至相差很远，因此，将小聚焦光斑束腰与细胞位置重合，大聚焦光斑离焦，当细胞处于瑞利距离之外时，系统微小变化，将会使光斑尺寸变化很大，造成仪器性能下降或者失去正确分析能力。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种基本双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统，克服大光斑比例难获得的难题，并解决水平方向和竖直方向光束不重合带来的系统不稳定的问题。
本实用新型的实施例提供一种基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统，所述光束整形系统包括依次排列的半导体激光二极管、准直透镜、第一棱镜对、第二棱镜对、偏振元件、功率反馈片、柱面透镜和物镜；所述准直透镜位于所述半导体激光二极管的出射光路上，所述第一棱镜对包含两个用于在竖直方向上对光束进行整形的第一棱镜，依次位于所述准直透镜的出射光路上，所述第二棱镜对包含两个用于在水平方向上对光束进行整形的第二棱镜，依次位于所述第一棱镜对的出射光路上；所述第二棱镜对的出射光路上依次设置所述偏振元件、所述功率反馈片、用于在竖直方向上或水平方向上调整光束的束腰位置的所述柱面透镜、和用于聚焦并射出光束的所述物镜。
优选地，上述的光束整形系统中，光束经所述第一棱镜整形后沿竖直方向的光斑尺寸为H1<\/sub>，经所述第二棱镜对整形后沿水平方向的光斑尺寸为H2<\/sub>，H1<\/sub>:H2<\/sub>>10:1。
优选地，上述的光束整形系统中，H1<\/sub>和H2<\/sub>的范围均是0.3mm～10mm。
优选地，上述的光束整形系统中，所述柱面透镜用于在水平方向上调整光束的束腰位置，使光束水平方向的束腰和竖直方向的束腰重合。
优选地，上述的光束整形系统中，所述准直透镜具有正光焦度，且所述准直透镜的有效焦距为2mm～10mm。
优选地，上述的光束整形系统中，所述偏振元件是布儒斯特偏振元件或镀偏振膜的双面抛光平板玻璃片，光束经所述偏振元件后偏振消光比大于100:1。
优选地，上述的光束整形系统中，所述功率反馈片将部分光束反馈至光电二极管，形成反馈回路，所述光电二极管沿竖直方向设于所述功率反馈片的上方；反馈的部分光束占全部光束的0.5％～2％。
优选地，上述的光束整形系统中，所述功率反馈片与光轴呈45°，且所述功率反馈片的通光面双面抛光，入射面不镀膜，出射面镀增透膜。
优选地，上述的光束整形系统中，所述偏振元件和所述功率反馈片用于补偿光束的光轴偏移。
优选地，上述的光束整形系统中，所述物镜是平凸透镜或双胶合透镜，所述物镜的凸面迎向光束。
本实用新型通过第一棱镜对和第二棱镜对分别对竖直方向和水平方向的光束整形，实现竖直方向的光斑尺寸和水平方向的光斑尺寸比例大于10:1；通过偏振元件提高光束的线偏振特性，通过功率反馈片反馈部分光束，实现光功率稳定；并通过柱面透镜实现光束竖直方向的束腰和水平方向的束腰重合，消除竖直方向和水平方向的像散，使光束整形系统更稳定可靠。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是实施例中光束整形系统在Y-Z平面的结构示意图；
图2是实施例中光束整形系统在X-Z平面的结构示意图；
图3是实施例中经物镜聚焦后射出的激光束的光斑尺寸随距离的变化曲线图。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
图1示出实施例中光束整形系统在Y-Z平面的结构示意图，图2示出光束整形系统在X-Z平面的结构示意图。其中，水平方向和竖直方向是光束整形系统在使用时的水平方向和竖直方向，从光学角度来说，水平方向是光束的慢轴方向，竖直方向是快轴方向，Z方向是光路传播方向。图中的X方向即水平方向，Y方向即竖直方向。
结合图1和图2所示，在一些实施例中，本实用新型的基于双棱镜对和柱面透镜的光束整形系统包括依次排列的半导体激光二极管1、准直透镜2、第一棱镜对3、第二棱镜对4、偏振元件5、功率反馈片6、柱面透镜7和物镜8。
其中半导体激光二极管1作为光束整形系统的光源，包含单个或多个发射单元，用于发出激光束。在优选的实施例中，半导体激光二极管1是单模二极管，其发出的光束质量高。
准直透镜2包括至少一片光学透镜，位于半导体激光二极管1的出射光路上，用于对半导体激光二极管1发出的激光束进行准直。在优选的实施例中，准直透镜2具有正光焦度，其有效焦距为2mm～10mm。
半导体激光二极管1发出的激光束经准直透镜2准直后即入射至第一棱镜对3。第一棱镜对3包含两个第一棱镜，依次位于准直透镜2的出射光路上，用于在竖直方向上对激光束进行整形；第二棱镜对4包含两个第二棱镜，依次位于第一棱镜对3的出射光路上，用于在水平方向上对激光束进行整形。
第二棱镜对4的出射光路上依次设置偏振元件5、功率反馈片6、用于在竖直方向上或水平方向上调整光束的束腰位置的柱面透镜7、和用于聚焦并射出光束的物镜8。经第一棱镜对3和第二棱镜对4分别整形后的激光束入射至偏振元件5，经偏振元件5调整偏振消光比，经功率反馈片6反馈部分光束至光电二极管形成反馈回路，并经柱面透镜7调整束腰位置至竖直方向的束腰和水平方向的束腰重合，最后经物镜8聚焦后射出。其中，光电二极管沿竖直方向设于功率反馈片6的上方，以图1所示图纸方向，光电二极管设于功率反馈片6的上方(图中未具体展示)，功率反馈片6和光电二极管的Z轴坐标一致；以图2所示图纸方向，光电二极管大致设于功率反馈片6的左前方(图中未具体展示)。功率反馈片6将部分光束反馈至光电二极管，光电二极管接受光照后将光能转化成光电流，供电路采集，并通过监测所采集的电流，维持光束整形系统的光功率稳定。
本实用新型通过准直透镜2对半导体激光二极管1发出的激光束进行准直；通过第一棱镜对3和第二棱镜对4分别对准直后的激光束进行竖直方向和水平方向的整形，实现竖直方向的光斑尺寸和水平方向的光斑尺寸比例大于预定值，获得大光斑比例的聚焦光斑；通过偏振元件5提高激光束的线偏振特性；通过功率反馈片6反馈部分光束，实现光功率稳定；通过柱面透镜7在竖直方向或水平方向调整激光束的束腰位置，如柱面透镜7的光焦度为水平光焦度，则在水平方向对激光束聚焦光斑的束腰进行调整，使聚焦光束的水平方向的束腰与竖直方向的束腰重合，消除因竖直方向的光斑尺寸和水平方向的光斑尺寸不同引起的像散；最后通过物镜8聚焦激光束，获得高光束质量的聚焦激光。
在优选的实施例中，激光束经第一棱镜对3整形后沿竖直方向的光斑尺寸为H1<\/sub>，经第二棱镜对4整形后沿水平方向的光斑尺寸为H2<\/sub>，H1<\/sub>:H2<\/sub>>10:1。例如，第一棱镜对3可以对激光束竖直方向光斑压缩或扩束，获得竖直方向上0.3mm～10mm的光斑尺寸H1<\/sub>；第二棱镜对4可以对激光束水平方向光斑压缩或扩束，获得水平方向上0.3mm～10mm的光斑尺寸H2<\/sub>；并使H1<\/sub>:H2<\/sub>>10:1，实现竖直方向光斑尺寸和水平方向光斑尺寸比例大于10:1。在一个具体的实施例中，半导体激光二极管1发出的激光束经准直透镜2准直后，由第一棱镜对3将竖直方向的激光光斑扩束1.6倍，得到竖直方向光斑尺寸2.0mm，由第二棱镜对4将水平方向的激光光斑压缩2.56倍，得到水平方向光斑尺寸0.14mm。
进一步的，在优选的实施例中，偏振元件5是布儒斯特偏振元件或镀偏振膜的双面抛光平板玻璃片，以布儒斯特偏振元件为例，激光束以布儒斯特角入射到偏振元件5，使激光束的偏振消光比大于100:1。
进一步的，偏振元件5与柱面透镜7之间设有功率反馈片6，激光束经功率反馈片6后部分反馈至光电二极管，形成反馈回路，提高光束整形系统的功率稳定性。例如，在一个具体的实施例中，从偏振元件5射出的激光束经功率反馈片6分出0.5％～2％的功率反馈至光电二极管，形成光功率反馈回路，用于光功率闭环控制，实现光功率稳定。在优选的实施例中，功率反馈片6与光轴成45°，即与第二棱镜对4的出射光路方向呈45°，且功率反馈片6的通光面双面抛光，入射面不镀膜，出射面镀增透膜。通过调整偏振元件5和功率反馈片6沿光轴方向的厚度，补偿激光束的光轴偏移，使激光束的光轴偏移为零，或者使光轴偏移达到预定数值。
物镜8可以是单片平凸透镜，或双胶合透镜，或者消像差的多片物镜，物镜8的凸面迎向激光束。物镜8将激光束聚焦成椭圆形光斑，参照图3所示经物镜8聚焦后射出的激光束的光斑尺寸随距离的变化曲线，所述的距离是指物镜8的后表面中心至聚焦面中心的距离，参照图2所标示的L。随距离L变化，射出的激光束的沿X方向的光斑尺寸变化较小，沿Y方向的光斑尺寸随之变化。所述的光斑尺寸是指光斑的半径，通过物镜8的后表面相对聚焦面前后移动，可以获得需要的光斑尺寸。
综上，本实用新型通过准直透镜2对半导体激光二极管1发出的激光束进行准直；通过第一棱镜对3和第二棱镜对4分别对准直后的激光束进行竖直方向和水平方向的整形，实现竖直方向的光斑尺寸和水平方向的光斑尺寸比例大于10:1，获得大光斑比例的聚焦光斑；通过偏振元件5提高激光束的线偏振特性，利用功率反馈片6实现光束整形系统光功率稳定；通过柱面透镜7在竖直方向或水平方向调整激光束的束腰位置，使激光束水平方向的束腰与竖直方向的束腰重合，消除竖直方向和水平方向的像散，使光束整形系统稳定可靠；最后通过物镜8聚焦，获得高光束质量的聚焦激光。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。
设计图
相关信息详情
申请码:申请号:CN201920022489.0
申请日:2019-01-07
公开号:公开日:国家:CN
国家/省市:31(上海)
授权编号:CN209388050U
授权时间:20190913
主分类号:G02B 27/09
专利分类号:G02B27/09
范畴分类:30A;
申请人:上海高意激光技术有限公司
第一申请人:上海高意激光技术有限公司
申请人地址:200233 上海市徐汇区虹漕路421号65号楼2楼
发明人:易昌申;孙晓斌;丁永奎;顾小红;罗远颉;王令武
第一发明人:易昌申
当前权利人:福州高意光学有限公司
代理人:臧云霄;钟宗
代理机构:31282
代理机构编号:上海隆天律师事务所
优先权:关键词:当前状态:审核中
类型名称:外观设计