[发明专利]适用于大发散角宽尺寸光源的准直元件

说明书

技术领域

本发明属于光束准直技术领域，涉及一种特别适用于大发散角宽尺寸光源的光束准直元件的设计。

背景技术

目前，大发散角宽尺寸光源的应用越来越广泛。例如，半导体激光二极管(LD)，由于其具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，被广泛地应用到很多领域。但是，LD光源具有一定的尺寸，在很多应用领域不能被视为点光源，而且所发出的光束的发散角大，使得光源在对亮度或均匀性要求高的领域应用受到限制。

为了拓展其应用领域，减小LD的发散角是最直接和简单的方法，然而目前对于大发散角宽尺寸光源尚无有效的方案实现严格的准直。

以LD慢轴光束为例，其在慢轴方向光源尺寸大(100～200μm)，半能量的对应的发散角一般为8～10°，采用圆柱透镜准直是最普遍的方法。设计圆柱透镜时将慢轴近似为点光源，采用圆柱透镜对慢轴光束准直后发散角为2～4°。慢轴发散角得到一定程度减小，然而对亮度或均匀性有较高要求时，仍然难以满足需求。此外，也有设计非球面透镜，或者衍射元件对LD慢轴光束进行准直，然而在设计过程中通常仍将慢轴近似于一个点光源，这尤其是在设计的透镜尺寸较小时，将带来明显的误差，导致实际的准直效果差。因此按照现有的透镜设计方法很难实现大发散角宽尺寸光源的较好准直。

发明内容

本发明提供一种特别适用于大发散角宽尺寸光源的准直光学元件的结构设计方法，实现大发散角宽尺寸光源的严格准直。

本发明的方案如下：

一种适用于大发散角宽尺寸光源的准直元件，针对二维光源光场E(y,z)，设光轴为z轴，传输平面y-z；光场传输过程中，在光轴上任意位置z处对光 场进行准直；其特征在于：该准直元件的曲率半径在y轴方向上按照下式确定：

曲率半径R=y1+(n1n0sinθ-ctgθ)2;]]>

上式中，光场中任意点P(y,z)的传输角进一步根据光场E(y,z)＝Φ(y,z)Exp[iφ(y,z)]的等位相面求得，其中Φ(y,z)为振幅，φ(y,z)为位相分布，n₀和n₁分别表示空气和透镜的折射率。

针对三维光源光场E(x,y,z)设计的准直元件，在x轴方向和y轴方向上其曲率半径均参照以上结构设计方式确定。

一种准直元件的制作方法，包括以下环节：

(1)建立如权利要求1所述的准直元件作为理论模型；

(2)根据指定的能量需求(根据实际情况可以为90％，1/e，1/e²，和50％等能量范围)确定准直透镜的加工孔径D，再根据加工孔径D以及准直后的角度δ要求，确定离散数和间距，对所述理论模型进行离散化处理，得到加工模型；

(3)按照加工模型选择合适的透镜材料加工得到准直元件产品。

上述环节(2)可以采用这种离散模式：将理论模型沿y方向的曲率半径进行离散处理，将D分为多段，分别取各段内的曲率半径平均值，相应确定为沿y轴多个离散的曲率半径。

对于三维光源光场E(x,y,z)的准直元件的离散化，可同理进行。

本申请所说的“适用于大发散角宽尺寸光源”并非是对权利要求保护范围的限制，而是强调对于此类光源的结构设计，相比传统方案本发明效果尤 其显著。但本领域技术人员应当能够认识到，本发明方案也适应于各种准直元件的结构设计。

本发明具有以下优点：

本发明根据光源的场分布能够准确的计算出任意光场的传输方向。在设计准直透镜时不需要将宽尺寸光源近似为点光源，从理论上减小了准直透镜的误差，实现了宽尺寸光源的严格准直。

按照本发明确立的结构设计方法，根据对象和需求进行准直元件的加工制造，最终能够满足准直要求。

附图说明

图1为任意光场的发散角与θ角的关系示意；