光斑形狀轉換裝置及系統的制作方法

本發明涉及激光光斑形狀轉換領域，具體而言，涉及一種光斑形狀轉換裝置及系統。

背景技術：

隨著科學技術的不斷發展，例如生物醫療、工業生產、地質勘測、農業養殖等領域對于特殊照明光源的需求越來越高。例如傳統的醫療照明燈具基本以鹵素燈和鹵鎢燈作為光源，存在壽命不長、光源發散、高熱輻射等缺點，達不到當今醫療行業對照明定點、定向、高可靠性的要求。

激光具有高亮度、高單色性、高方向性和高單色性的優點，激光光源廣泛應用于當今各行各業。對于高光束質量的激光器，其近場光斑為面積非常小的圓形，光斑亮度更是可以達到1000w/(cm²sr)，光密度非常高。但是對于生物醫療、工業生產等特定的激光應用領域，要求較大的激光近場光斑面積及較低光密度，現在多使用組合透鏡來實現激光光斑形狀的轉換，其光學系統的結構復雜且難以保證穩定的光功率輸出。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種光斑形狀轉換裝置及系統，其能夠有效改善上述問題。

本發明的實施例是這樣實現的：

第一方面，本發明實施例提供了一種光斑形狀轉換裝置，其包括激光器、雙包層光纖和反射罩，所述激光器和所述雙包層光纖耦合，所述雙包層光纖的中間設置有包層光剝離器，所述包層光剝離器的外側設置有反射罩，由所述激光器輸出的激光經所述雙包層光纖進入所述包層光剝離器，進入所述包層光剝離器的激光部分以不同的角度發散到自由空間中，其中，以不同角度入射到所述反射罩上的激光經所述反射罩反射收集形成面光源，未發散到自由空間中的激光通過所述包層光剝離器并經所述雙包層光纖出射。

在本發明較佳的實施例中，所述包層光剝離器設置在所述反射罩的中心位置。

在本發明較佳的實施例中，所述反射罩為弧面反射罩。

在本發明較佳的實施例中，所述反射罩為空心半圓柱形反射罩。

在本發明較佳的實施例中，所述包層光剝離器為棒狀結構，所述包層光剝離器面向所述反射罩的一側可透光，所述包層光剝離器背向所述反射罩的一側不透光。

在本發明較佳的實施例中，所述光斑形狀轉換裝置還包括激光吸收池，所述激光吸收池和所述雙包層光纖遠離所述激光器的一端耦合，未發散到自由空間中的激光通過所述包層光剝離器并經所述雙包層光纖進入所述激光吸收池被吸收。

在本發明較佳的實施例中，所述包層光剝離器的激光剝離比大于或等于99.5％。

在本發明較佳的實施例中，所述激光器為半導體激光器。

在本發明較佳的實施例中，所述雙包層光纖為雙包層石英光纖。

第二方面，本發明實施例還提供了一種光斑形狀轉換系統，其包括如上所述的光斑形狀轉換裝置及燈罩，所述燈罩與所述光斑形狀轉換裝置中的反射罩相對設置，經所述反射罩反射收集形成的面光源通過所述燈罩出射。

本發明實施例提供的光斑形狀轉換裝置及系統，通過激光器輸出光斑較小、光密度較高的激光點光源，通過雙包層光纖將激光器輸出的激光耦合進包層光剝離器，使進入所述包層光剝離器的激光部分以不同的角度發散到自由空間中，再通過反射罩將以不同角度入射到所述反射罩上的激光反射并收集形成面光源，最后通過所述雙包層光纖的另一端將通過所述包層光剝離器的未發散到自由空間中的激光接收并出射。相對于現有技術中使用組合透鏡進行光斑形狀轉換的方法，本發明提供的光斑形狀轉換裝置及系統的點光源向面光源功率轉換的效率高，其結構簡單、可靠性高，能夠實現功率損耗小且輸出穩定的全光纖結構。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，下面將對實施例中所需要使用的附圖作簡單地介紹，應當理解，以下附圖僅示出了本發明的某些實施例，因此不應被看作是對范圍的限定，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他相關的附圖。

圖1為本發明第一實施例提供的光斑形狀轉換裝置的結構示意圖；

圖2為本發明第一實施例提供的加入激光吸收池的光斑形狀轉換裝置的結構示意圖；

圖3為本發明第一實施例中的進行光斑形狀轉換的結構示意圖；

圖4為本發明第一實施例中光斑形狀轉換的光路示意圖；

圖5為本發明第一實施例提供的光斑形狀轉換系統的結構示意圖；

圖6為本發明第二實施例提供的光斑形狀轉換裝置的結構示意圖。

圖標：100-激光器；200-雙包層光纖；300-包層光剝離器；400-反射罩；500-激光吸收池；1000-光斑形狀轉換裝置；1500-燈罩；2000-光斑形狀轉換系統。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。通常在此處附圖中描述和示出的本發明實施例的組件可以以各種不同的配置來布置和設計。

因此，以下對在附圖中提供的本發明的實施例的詳細描述并非旨在限制要求保護的本發明的范圍，而是僅僅表示本發明的選定實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨后的附圖中不需要對其進行進一步定義和解釋。

在本發明的描述中，需要說明的是，術語“中”、“上”、“下”、“左”、“右”、“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，或者是該發明產品使用時慣常擺放的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。此外，術語“第一”、“第二”、“第三”等僅用于區分描述，而不能理解為指示或暗示相對重要性。

此外，術語“水平”、“豎直”、“懸垂”等術語并不表示要求部件絕對水平或懸垂，而是可以稍微傾斜。如“水平”僅僅是指其方向相對“豎直”而言更加水平，并不是表示該結構一定要完全水平，而是可以稍微傾斜。

在本發明的描述中，還需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“設置”、“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

此外，“輸入”、“輸出”、“反饋”、“形成”等術語應理解為是描述一種光學、電學變化或光學、電學處理。如“形成”僅僅是指光信號或電信號通過該元件、儀器或裝置之后發生了光學上或電學上的變化，使得所述光信號或所述電信號受到處理，進而獲得實施技術方案或解決技術問題所需要的信號。

在本發明的具體實施例附圖中，為了更好、更清楚的描述該光斑形狀轉換裝置及系統中各元件的工作原理，表現所述裝置中各部分的連接關系，只是明顯區分了各元件之間的相對位置關系，并不能構成對元件或結構內的光路方向、連接順序及各部分結構大小、尺寸、形狀的限定。

第一實施例

請參照圖1，本實施例提供了一種光斑形狀轉換裝置1000，其包括激光器100、雙包層光纖200和反射罩400。所述激光器100和所述雙包層光纖200耦合，所述雙包層光纖200的中間設置有包層光剝離器300，所述包層光剝離器300的外側設置有反射罩400。

作為一種激光的傳播方式，由所述激光器100輸出的激光點光源經所述雙包層光纖200耦合進入所述包層光剝離器300，進入所述包層光剝離器300的激光中的一部分以不同的角度發散到自由空間中。其中，以不同角度入射到所述反射罩400上的激光，經所述反射罩400反射，形成的反射光束的傳播方向相同，且光斑面積相對于激光器100發出的激光點光源有了顯著的增加，因此實現了點光源到面光源的光斑形狀轉換。而剩下極少部分未發散到自由空間中的激光，直接通過所述包層光剝離器300進入所述雙包層光纖200的后段，最終經所述雙包層光纖200出射。

請參照圖2，本實施例中，所述光斑形狀轉換裝置1000還可以包含激光吸收池500，所述激光吸收池500和所述雙包層光纖200遠離所述激光器100的一端耦合。直接穿過所述包層光剝離器300，進入雙包層光纖200后段的那極少部分未發散到自由空間中的激光，經所述雙包層光纖200的后段耦合進入所述激光吸收池500被吸收。

根據具體實施領域的不同以及對光源要求的不同，本實施例中的激光器100的輸出功率選擇，可以從毫瓦級到千瓦級甚至更高。

本實施例中，所述包層光剝離器300的激光剝離比可以大于或等于99.5％，即達到25db及以上的剝離比。盡管光光轉換效率如此之高，如果作為光源的激光功率達到了1kw，直接通過包層光剝離器300而并未發散到自由空間中的激光功率仍然有大約5w，這部分激光若通過雙包層光纖200出射直接或經反射進入人眼，將對人眼造成極大的損害。

因此，通過設置激光吸收池500，對直接穿過包層光剝離器300而沒有形成面光源的激光進行收集，大大提升了該裝置在使用上的安全性，使裝置的可操作性更強。

可以理解的是，所述激光吸收池500還可以替換為其他器件，例如將雙包層光纖200的后段直接與其他光學系統耦合，可將在該光斑形狀轉換裝置1000中不需要的由雙包層光纖200后段輸出的激光作為其他光學系統的光源，可以提高能量的利用率。

請參照圖3，本實施例中，所述包層光剝離器300為棒狀結構，所述反射罩400為空心半圓柱形反射罩400，所述包層光剝離器300設置在所述空心半圓柱形反射罩400的中心軸線上。本實施例中，所述包層光剝離器300面向所述反射罩400的一側可透光，所述包層光剝離器300背向所述反射罩400的一側不透光。

本實施例中，所述包層光剝離器300是通過在所述雙包層光纖200的中段，對雙包層光纖200的外包層進行部分的剝除來實現的，其剝除的部分外包層所對應的圓心角與所述反射罩400的圓心角是對應的。可以理解的是，雙包層光纖200上被剝除外包層的那段光纖可作為包層光剝離器300，其被剝除外包層的一側可透光，而另一側不透光。進入所述包層光剝離器300的激光，透過被剝除的部分發散到自由空間中，其發散角度可以是任意的。

本實施例中，所述空心半圓柱形反射罩400的圓心角是180°，此時，為使從所述包層光剝離器300中發散到自由空間中的光全部被所述反射罩400所收集，所述包層光剝離器300的可透光區域對應的圓心角可以小于或等于180°。

請參照圖4，本實施例中，經所述包層光剝離器300發散到自由空間中的激光，分別以不同的角度入射到所述反射罩400的反射面上的各個位置。由于在每個垂直于包層光剝離器300中激光直線傳輸方向的平面上，激光從所述包層光剝離器300上出射的位置都正好位于該截面上反射罩400的中心，由幾何光學可知，從反射罩400的中心以不同角度入射到反射罩400上的光經過所述反射罩400的反射，各反射光均會以同一方向平行出射至與所述反射罩400相對的另一側。此時，本來由激光器100輸出的光密度較大、光斑較小的激光點光源，經所述反射罩400反射輸出形成了光斑面積較大、光密度小而均勻的面光源，從而完成了激光點光源到面光源的光斑形狀轉換。

可以理解的是，本實施例提供的所述反射罩400還可以是任意滿足點光源向面光源轉換要求的形狀，例如可以是單一的弧面或平面，也可以是由多個角度、面積不同的弧面或平面拼接而成。不同形狀的反射罩400，對應的包層光剝離器300的位置、發散角度是不同的。

本實施例中，所述激光器100選用的是半導體激光器100，所述雙包層光纖200為雙包層石英光纖。可以理解的是，所述激光器100還可以選用二氧化碳激光器100等常用的輸出激光為點光源的激光器100，所述雙包層光纖200還可以選用其他材料制作的光纖。

本實施例中，所述激光器100的輸出波長可以是任意的。由于包層光剝離器300本身的結構優勢，選用恰當的雙包層光纖200，對于任意波長的激光都可以做到非常高的光轉換效率。例如在生物醫療等領域，有時需要均勻面光源的紫外光來進行大范圍消毒，此時通過使用本實施例提供的裝置即可實現不錯的效果。

請參照圖5，為使本實施例提供的裝置應用更加方便，本實施例還提供了一種光斑形狀轉換系統2000，其包括如上所述的光斑形狀轉換裝置1000及燈罩1500。所述燈罩1500與所述光斑形狀轉換裝置1000中的反射罩400相對設置，經所述反射罩400反射收集形成的面光源通過所述燈罩1500出射。

特別的，所述燈罩1500可以和所述反射罩400拼接固定，以防止漏光或雜散光的影響。

相對于現有的采用組合透鏡實現光斑形狀轉換的光學系統，本實施例提供的裝置及系統的光學結構簡單且可全光纖化，其光光轉化效率非常高，而且耐受光程度高，能夠實現千瓦級的功率輸出。

第二實施例

請參照圖6，本實施例提供了一種光斑形狀轉換裝置1000，和上述第一實施例相比最大的不同在于，本實施例提供的光斑形狀轉換裝置1000中的反射罩400為部分球面形狀，而包層光剝離器300設置在所述球面反射罩400的中心位置。

和上述第一實施例相比，本實施例中，所述包層光剝離器300的激光發散角度可以是任意的，其透光區域可作為具有一定發散球面度的激光點光源。此時，從該包層光剝離器300出射到自由空間內的激光均可看作從球面反射罩400的球心入射到球面上。

相對于第一實施例中經過光斑形狀轉換形成的矩形面光源，本實施例經過球面反射罩400的反射能夠形成大面積的圓形光斑。

綜上所述，本發明實施例提供的光斑形狀轉換裝置及系統，通過激光器輸出光斑較小、光密度較高的激光點光源，通過雙包層光纖將激光器輸出的激光耦合進包層光剝離器，使進入所述包層光剝離器的激光部分以不同的角度發散到自由空間中，再通過反射罩將以不同角度入射到所述反射罩上的激光反射并收集形成面光源，最后通過所述雙包層光纖的另一端將通過所述包層光剝離器的未發散到自由空間中的激光接收并出射。相對于現有技術中使用組合透鏡進行光斑形狀轉換的方法，本發明提供的光斑形狀轉換裝置及系統的點光源向面光源功率轉換的效率高，其結構簡單、可靠性高，能夠實現功率損耗小且輸出穩定的全光纖結構。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。