一种激光光源耦合装置及方法与流程

【技术领域】

本发明涉及激光加工领域，特别涉及一种用于激光投影机、激光焊接和激光切割用的激光光源耦合装置及方法。

背景技术：

作为激光显示的三基色之一的蓝色激光一直是激光加工领域的关键技术。蓝色激光除了应用于激光显示外，还可以应用于激光焊接、激光投影机、激光切割、高密度光存储、数字视频技术和海洋资源探测，并在激光印刷、激光医学、生化技术等方面有着广泛的应用前景。

近年来，伴随着激光器的性能及寿命的不断提高，正在逐步使用激光器取代传统的灯作为光源。由于激光器的亮度远远大于灯的亮度，并且可以通过光纤传输，所以可以进一步增加投影仪光源应用的投影映射的尺寸，亮度和清晰度。此外，在激光加工应用中，通过使用蓝色激光器作为光源的话，铜或金的吸收增加了一倍以上，因此具有更高的可焊性。

然而，为了使单个激光束以高亮度和高输出入射到光纤上，需要与前述情况一样复杂的光学系统。需要使用更多板状的反射镜作为光学零件，所述板状反射镜通过粘合剂固定，由于温度和时间而引起蠕变，并在光纤耦合部的光轴上发生偏离，从而导致输出降低。优选的处理措施是将其置于高温的环境下进行烘烤处理，但是烘烤过程很麻烦，特别是当输出变高时，将会不能进行修复，因此许多产品不进行烘烤处理。

进入生产后将会遇到如下问题：

由于像蓝光激光器一样的单发光元件发热量较大，且输出较低，在实际应用上可能需要几百瓦～数千瓦进入毫米大小直径的光纤上，使得激光器变得复杂，并且光轴调整也会非常困难。

此外，激光元件会由于结露和灰尘导致损坏,即使覆盖了包括整个光学系统的模块,也会由于温度变化而导致的气压差使湿气和灰尘从细微的缝隙中穿过,从而导致输出下降。因此，目前现有的技术很难提供有效防止结露和防尘的措施。

技术实现要素：

综上所述，本发明主要的目的是为了解决上述所有的问题，可简单地对光轴进行调节，解决了因温度缓慢的变化而导致输出降低的问题，并可有效防止元器件在结露和粉尘环境中出现的损伤，而提供一种价格低廉，坚固耐用，能承受温度波动，并且可以在恶劣环境下工作的高功率高聚焦的激光光源耦合装置及方法。

为了解决所述技术问题，本发明提供一种激光光源耦合装置，所述装置包括一激光器散热体，设置在所述激光器散热体上的至少一组激光光源，每组激光光源包含至少两个激光光源，至少两个激光光源呈一字型间隔排列，每个所述激光光源的正前方活动设置有一个三角形棱镜，各三角形梭镜的高度从上到下逐级递减并呈阶梯形排布，并将各三角形棱镜设置在比激光束更低的位置的前方，设于每个所述激光光源上的凸透镜对来自激光光源的激光束进行准直，将准直后的激光束经各自对应的三角形棱镜垂直反射后，入射至相应的柱面镜将剩余的发散的激光束再次整形成近似平行的激光束，并通过聚焦透镜将激光束聚焦并入射至光纤中。

进一步地，对于平行排列的多束激光束，能够经由具有曲率的聚焦透镜聚光。

进一步地，对于平行排列的激光束，设置在楔形棱镜厚度变化的方向上，该楔形棱镜用于激光的光束在空间上宽度压缩，实现在较小的空间内聚集更多的激光光束，从而较少聚光镜的空间体积。

进一步地，所述楔形棱镜上下对称地设置在激光束中间。

进一步地，将准直的激光光源的单一方向按照用阶梯式布置的三角形棱镜的反射方向进行设置，并利用另一个方向的扩展幅度小的特性，以减少阶梯式布置的三角形棱镜的阶差。

进一步地，对于所述多束激光束的叠加方向，使用以阶梯状叠加的三角形棱镜组进行直角反射，同时分割截断多重激光束使其反射90度，并且对于被分割的激光光束，使每一束光束的通过空间上二次反射的棱镜，被分割的多束激光束旋转90度并聚光，从而将激光束分割后，以相应倍数来提高聚光效率。

进一步地，倾斜放置的激光光源和阶梯式布置的三角棱镜互相相对，将所述的多束激光平行布置为两列，并使用三角形棱镜使两列中的全部激光束以垂直方向反射。

还提供了一种基于所述激光光源耦合装置进行激光传输的激光光源耦合方法，该方法包括如下步骤：

两列激光束的第一列和第二列由相同的聚焦透镜聚光并入射到光纤；

使用凸透镜对从按照晶格阵列布置的激光光源的第一段到第一列的激光束进行准直；

将设置在所述凸透镜出口附近的第一列的三角形陵镜进行阶梯式排列，并在比所述三角形陵镜反射的激光更低的位置阶梯式地布置前方的三角形陵镜；

根据各三角形陵镜的位置，在相同高度并以通过将多个晶格状分布的凸透镜与激光光源，以一定的角度倾斜放置，并且该倾斜的激光光源垂直于所述三角形棱镜，以便形成通过叠加多个阶梯状的三角形棱镜而获得的一维方向上的第一段第一列的多束激光；

将所述晶格式排列的激光光源的第二列的激光束通过凸透镜进行准直；

从布置在所述凸透镜出口附近的，第一段的三角形陵镜在所述第一列的激光光束干涉不到的位置，并将第一列的阶梯式的三角形棱镜堆积到第二列的棱镜之上；

在第二列的阶梯式的三角形棱镜反射的激光更低的位置，阶梯式地布置了前方第二列的三角形棱镜，并在所述阶梯式的三角形棱镜通过的位置，多个晶格状分布的凸透镜与激光光源，以一定的角度倾斜放置，并且该倾斜的激光光源垂直于所述三角形棱镜，以便形成通过叠加多个阶梯式三角形棱镜而获得的一维方向上的第二段第二列的多束激光。

进一步地，使激光束入射到一块倾斜的平行平板上，并且为了使第二段第二列的多束激光具有与第一段第一列相同的高度，从而调整了所述平行平板倾斜的入射角度。

进一步地，第三段第三列所述的多束激光，使激光束入射到一块倾斜的平行平板上，并且为了使第二段第二列的多束激光的外侧具有相同的高度，从而调整了所述第三列的平行平板倾斜的入射角度。

倾斜后的激光光源的多个发光点等间距错位分离，且正好与阶梯式布置的三角形棱镜相对应，角度倾斜的函数关系式与激光光源的分布数量n有关，当分布数量的变量取值为n时，发光点间距较大，空间利用率低；当变量取值为2n时，发光点间距较小，空间利用率高，激光损耗大于变量取值n时的激光损耗。

采用所述技术方案，与现有技术相比，本发明所产生的有益效果在于：为了提高可靠性，利用凸透镜对来自激光光源的激光束进行准直，将准直后的激光束经各自对应的三角形棱镜垂直反射后，入射至相应的柱面镜将剩余的发散的激光束再次整形成近似平行的激光束，并通过聚焦透镜将激光束聚焦并入射至光纤中。通过所述技术手段，能够简化光轴调节，大幅度降低由于温度缓慢的变化，防止元器件在结露和粉尘环境中的损伤。本发明还具有价格低廉，坚固耐用，能承受温度波动，并且可以在恶劣环境下工作等特点。

【附图说明】

图1a是本发明的第一实施例的激光光源的基本结构俯视图；

图1b是本发明的第一实施例的激光光源的基本结构侧视图；

图1c是本发明的第一实施例的激光入射有效直径的状态示意图；

图2a是本发明的光束压缩的俯视图；

图2b是本发明的光束压缩的侧视图；

图2c为本发明的光纤的放大示意图。

图3a是本发明的激光光束位置的俯视图；

图3b是本发明的激光光束位置的侧视图；

图3c是本发明的激光光束入射有效直径的位置的结构示意图；

图3d是图3c的放大图；

图3e是本发明光源的变化状态示意图；

图3f展示了本发明的激光光源的结构状态变化示意图；

图4是图3的测量数据变化示意图；

图5a是激光束被部分分割的俯视图；

图5b是激光束被部分分割的侧视图；

图5c是激光光束被三分法分割为上中下三部分的结构示意图；

图6a是激光束被整体分割旋转的俯视图；

图6b是激光束被整体分割旋转的侧视图；

图7a本发明实施案例2相关的激光光源的基本配置俯视图；

图7b本发明实施案例2相关的激光光源的基本配置侧视图；

图7c和图7d是本发明实施案例2激光光束入射有效直径的位置的结构示意图；

图8a是本发明实施例2的平行平板的聚光示意图；

图8b是图8a的激光光束入射小型聚焦透镜的位置示意图；

图9a是多重激光光束的配置俯视图；

图9b是图9a的侧视图；

图10a和图10b是光束扩大的结构示意图；

图10c是图10a和图10b的原理图；

图11是本发明的激光耦合方法流程框图。

【具体实施方式】

下列实施例是对本发明的进一步解释和补充，对本发明不会构成任何限制。

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细地描述：

【实施例1】

如图1a所示，本发明的一种激光光源耦合装置包括激光二极管1，激光器散热体2，三角形棱镜4，凸透镜17，柱面镜6及聚焦透镜7，所述具有凸透镜的激光光源1设置在所述激光器散热体2上，每组激光光源1包含至少两个激光光源，在本实施例中，所述激光光源为激光二极管。至少两个激光光源呈一字型间隔排列，每个所述激光光源的正上方分别活动设置有一个三角形棱镜，在本实施例中，优选采用直角三角形棱镜。各三角形棱镜4的高度从上到下逐级递减并呈阶梯形排布，并将各三角形棱镜4设置在比激光束更低位置的前方，设于每个所述激光二极管上的凸透镜17对来自激光光源的激光束进行准直，将准直后的激光束经各自对应的三角形棱镜在一维方向上垂直反射后，并形成第一列中的多重激光光束8，多重激光光束8入射至相应的柱面镜6将发散的激光束整形成近似平行的激光束，并通过聚焦透镜7将激光束聚焦入射至光纤9中。

图1c和展示了激光光束18入射有效直径的位置。

如图1，图10所示，在本实施例中，三角形棱镜通过螺钉活动安装在棱镜台19上，所述棱镜台19由铜、铝等金属制成，并且可以在调整三角形棱镜4的位置之后使用粘合剂进行固定，再通过进一步的热固化来减少三角形棱镜4由于温度和时间而引起的蠕变。

通过将三角形棱镜设置在激光光源1的正前方，能够避免来源于激光光源1的准直光3的光轴偏离三角形棱镜4的情况，并且能够完全抑制或消除反射损耗。此外，通过将前部三角形棱镜4以阶梯方式布置在比三角形棱镜4反射的激光束5低的位置，能够避免阻挡三角形棱镜4顶部的反射光5，并且可以形成层叠成一列的多个激光光束8。由于激光光束8以相同的方向垂直入射到聚焦透镜7上并且聚焦透镜7是非球面，所以只要将同一焦点16连接到光纤9，就可以将溢出到光纤9上的激光最小化，最终可提高耦合效率。

在图1b中，将具有沿12方向的长条状的柱面镜6插入到多重激光光束8中，然后将所获得的激光束8进行聚光，就能提高聚光性能。

相对于图1a，图2a将激光光源1的数量增加了一列，并且提供散热体2放大后的激光器散热体20。从俯视图的方向看，排列成阶梯状的三角形棱镜4和激光光源1也布置在对称的位置，在形成2个光束阵列23后聚光。此外，当许多棱镜4以阶梯形式层叠时，它们会从聚焦透镜7的有效直径11之中溢出，从而对于平行且整齐排列的光束阵列23，通过将它向楔形棱镜22的厚度变化的方向布置并压缩，使得光束阵列23可以被容纳在有效直径11之中。此外，如果垂直对称地布置楔形棱镜22，则可以进一步在有效直径11中容纳多级光束阵列23。

图2b展示了光束阵列23入射有效直径11的位置。

图2c为光纤9的放大示意图。

在图3a中，已经准直的激光光源14的单一方向按照配置成阶梯状的三角形棱镜4的反射方向来进行设置。通过利用在另一方向上扩展幅度较小的ld光源32所获结果，逐步减小三角形棱镜4的差距，并通过将光束阵列23的层叠厚度压缩成一半而形成新的激光光束33。在这里，通道窗口32的大小相当于ld光源14的通道窗口15的一半。

图3b展示了从侧视图所能看到的激光光束33的位置。

图3c展示了激光光束33入射有效直径11的位置。

图3d是图3c的放大图。

图3f展示了激光光源的结构状态变化。

图3e展示了激光光源1出口处的光源32如何随着距离激光光源1由更远距离而从32,33的竖直形状变为35的正方形，进一步变为36和37横向椭圆形的过程。随着距离变得越来越远，它将会从初始窗口31溢出并射入聚焦透镜7，但由于没有任何阻挡物，因此即便溢出也不会产生损失。这是激光二极管1与凸透镜准直的特点。

图4是图3的测量数据，该数据为距离发光点的距离的值，其中数据的值由小到大，发光点的形状也由初始的竖向的椭圆形变化为横向的矩形。

如图5a-图5c所示，对于多重激光光束33的层叠方向，在薄切成阶梯式的三个层叠而成的直角三角形棱镜组41之中呈直角角度反射。同时，通过在反射部分44将多重激光束33扭曲并旋转90度进行反射，以便形成被三分法分割为上中下三部分的激光光束42。此外，对于每个被分割的激光光束42，会在第二个薄棱镜组46中在垂直方向上垂直地反射。将激光光束42扭转90度以便形成二次反射激光光束43。由于该激光光束的单一方向被分开并列布置，所以只需要通过调整光学特性的分割数就能增加聚光密度。此外，本实施例采用了三分法，但分割数量可根据需求而定。

如图6a和图6b所示，其展示了激光光源1和三角形棱镜4左右对称排列布置的情况，并且获得了三束激光光束33。激光光束具有随着距离增加而放大的特性，并且即使对于两个放大的激光光束40，通过引入激光光束40，就能使它进入被薄切成阶梯状并层叠成三层的直角棱镜组41的入射表面。并且，按照与图5相同的原理，能够通过90度扭曲反射与三分法使它的聚光性增加三倍。

【实施例2】

图7a和图7b是与实施案例2相关的激光光源的基本配置图。在图7a中，对于布置成方格形状的激光光源1的第一段第一列中的激光光束8，第二段激光光源1的激光光束60在透过棱镜5的位置，将激光光源1按照与棱镜1相同的高度差平行且阶梯式地进行布置，并且通过从第二排的阶梯状棱镜63层叠而成的一维方向上形成第二行第二列的多重激光光束60。通过同一个聚焦透镜7将两束激光光束8和60的第一行和第二行聚光并入射到光纤上。此时，在柱面镜6旁边设置相同的带状柱面透镜61，以改善对应方向上的聚光性能。

图7c和图7d展示了激光光束18和66入射有效直径11的位置。在这种情况下，由于两个激光光束18和66以锯齿形方式排列，所以有必要使用具有较大有效直径和焦距的聚焦透镜，从而实现高聚光性能。

图8a解决了图7中的聚光性能降低的问题。调整平行平板71的倾斜入射角度，以便使平行平板71倾斜地入射在第一段第一列的多个激光光束8上，并且在第二段第二列的多个激光光束60旁边形成具有相同高度的激光光束73。

图8b展示了在图8a中，激光光束73入射小型聚焦透镜70的位置。在这里，18表示将两个激光光束8排列的激光光束，66表示两个激光光束60。在图7b中，66和18相互交错，由于66和18被平行平板71重新排列在一个小四边形中，因此可以将聚焦透镜7变更为直径和焦距小的聚焦透镜70，从而改善对光纤9的聚光性能。

此外，在图9a中，通过将第三段的棱镜80阶梯式地放到第二段的棱镜上，由此在第三列中形成多重激光光束83。对于两个第二平行平板82，使用激光光束83倾斜入射，然后调整第三列的平行平板82的倾斜光入射角度，使它的高度与第二段第二列的多重激光光束60的外侧宽度一致。

在图9b中，由于三个激光束18,66和84相对于有效直径11对齐以形成矩形激光束形状，因此可以使用小型聚焦透镜70通过高聚光入射到光纤9之上。

在图10a,图10b是以第二列中的阶梯式棱镜92反射而形成的第二列中的多重激光光束94，多重激光束94设置在扩束镜95厚度变化的方向上。与在第一段第一列的阶梯状棱镜4中被反射而形成的多重激光器光束18相平行。

图10c表示在图10a、图10b中进入聚焦透镜7的形状。在单一方向的厚度变化的方向上，通过变形棱镜93将相应方向的光束扩大后使其聚光，并利用放大倍数成反比的光学特性提高了对光纤9的聚光性。通过设置有由两片相同的棱镜组成的变形棱镜，其目的是将单一方向的光束扩大一定的倍率，具体的倍率与变形棱镜的位置设定有关，在本实施例中，通过扩束镜单方向进行扩大，扩大倍率设定为2倍，光束扩大的目的是可以得到更好的聚焦性能。

本发明还提供一种基于所述激光光源耦合装置进行激光传输的激光光源耦合方法，该方法包括如下步骤：

步骤s110：使用凸透镜对由按照晶格阵列排列的激光光源的第一段到第一列的激光束进行准直；

步骤s120：将设置在所述凸透镜出口附近的第一列的三角形陵镜进行阶梯式排列，并在比所述三角形陵镜反射的激光更低的位置阶梯式地布置前方的三角形陵镜；

步骤s130：根据各三角形陵镜的位置，通过将多个晶格状分布的凸透镜与激光光源，以一定的角度倾斜放置，并且该倾斜的激光光源垂直于所述三角形棱镜；

步骤s140：将所述晶格式排列的激光光源的第二列的激光束通过凸透镜进行准直；

步骤s150：从布置在所述凸透镜出口附近的，第一段的三角形陵镜在所述第一列的激光光束干涉不到的位置，并将第一列的阶梯式的三角形棱镜堆积到第二列的棱镜之上；

步骤s160：在第二列的阶梯式的三角形棱镜反射的激光更低的位置，阶梯式地布置了前方第二列的三角形棱镜，并在所述阶梯式的三角形棱镜通过的位置，在相同高度倾斜布置多个凸透镜与激光光源，以便形成通过叠加多个阶梯式三角形棱镜而获得的一维方向上的第二段第二列的多束激光；

步骤s170：两列激光束的第一列和第二列由相同的聚焦透镜聚光并入射到光纤。

进一步地，所述第一段第一列的多束激光入射到一块倾斜的平行平板上，调整所述平行平板倾斜的入射角度，使第二段第二列的多束激光具有与第一段第一列激光相同的高度。

进一步地，第三段第三列所述的多束激光，使激光束入射到一块倾斜的平行平板上，并且为了使第二段第二列的多束激光的外侧具有相同的高度，从而调整了所述第三列的平行平板倾斜的入射角度。

倾斜后的激光光源的多个发光点等间距错位分离，且正好与阶梯式布置的三角形棱镜相对应，角度倾斜的函数关系式与激光光源的分布数量n有关，当分布数量的变量取值为n时，发光点间距较大，空间利用率低；当变量取值为2n时，发光点间距较小，空间利用率高，激光损耗大于变量取值n时的激光损耗。

尽管通过以上实施例对本发明进行了揭示，但是本发明的范围并不局限于此，在不偏离本发明构思的条件下，以上各构件可用所属技术领域人员了解的相似或等同元件来替换。