CN100470346C - 线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统 - Google Patents

Abstract

一种线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿光束前进方向依次放置的微柱透镜，平行四边形微片堆整形器，轴对称非球面透镜和柱面透镜，所述的轴对称非球面透镜和柱面透镜对整形后光束聚焦的焦点重合。本发明可将线形大功率激光二极管阵列发出的光束耦合进能量传输光纤，也可用于固态激光器的泵浦耦合。本发明具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。

Description

线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统

技术领域

本发明涉及光束整形，特别是一种线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，用于线形激光二极管阵列发出的光束进行分割和重新排布的光学整形系统，可将线形激光二极管阵列出射的激光经整形后耦合进光纤中，也可用作固体激光器的抽运耦合系统。

背景技术

激光二极管阵列的发光面多为1×100微米至1×400微米的长方形，发出的激光束在两个方向上具有不同的发散角：沿着长度方向为慢轴，发散角通常为10度；平行于1微米的方向称为快轴，发散角通常为38度。再由不连续的数个这样的发光区呈线形排列组成大功率激光二极管阵列，通常长度方向上达到1厘米。不难算得这样的大功率激光二极管阵列在两个方向上的拉格朗日不变量相差可多达上千倍，因此很难将此激光束直接通过透镜组会聚成具有一定焦深的小光斑，也难以进入到具有较低数值孔径(典型值如0.22)的能量传输光纤中。为此有很多发明与方法被用来对激光二极管阵列输出的光束进行整形，其基本的原则是改变快轴与慢轴的拉格朗日不变量，使慢轴方向的拉格朗日不变量减小，而快轴的增大，从而使输出光束能够用透镜组聚焦为具有一定焦深的较小光斑，为能量传输光纤所传输或直接用于抽运激光介质。

具体的整形方法可根据采用的光学元件的光学特性大致分为折射法、镜面反射法及折反法。图1是一种典型的采用镜面反射法整形的耦合装置，它采用梯形镜面反射使光束重组得到两个方向上的拉格朗日不变量相当的光场分布，再利用透镜组对光束聚焦从而耦合进光纤中。该方法是德国弗朗和菲激光技术所的杜可明等人提出的，其核心技术是一种称之为“阶梯镜”的特殊反射镜，该反射镜通过反射面的呈阶梯状排列，使入射的光束被分割并重新排布，利用两块相对称的这样的反射镜完成所需的光束排布。图1中线形光束从半导体激光器阵列1中发出，经过微柱透镜2将快轴的发散角压缩后进入阶梯镜3，经过阶梯镜3的分割与重组后，快轴与慢轴两个方向上的光束的拉格朗日不变量几近相同，再经过柱面透镜4和非球面镜5聚焦进入光纤6中。这种结构能够实现良好的整形并因此能够得到很高的耦合效率，但是此技术的缺点是：(1)经阶梯镜重组的各光场之间的光程不等需要补偿；(2)阶梯镜加工面形难度很大，目前国内还没有这样的加工能力。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术缺点，是提供一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，通过它将线形激光二极管阵列发出的光束进行分割整形并将其耦合进能量传输光纤中，并且具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜、光束整形器、轴对称非球面透镜、柱面透镜和能量传输光纤，其特征在于所述的光束整形器是一平行四边形微片堆整形器，他由两组结构相同的微片堆相垂直放置构成，每组微片堆均由多块锐角为45度的平行四边形薄片紧密排列组成，每一块平行四边形薄片的高度逐渐递增，并且排列的次序使得第一组微片堆中高度最高的薄片对应于第二组中高度最低的薄片，所述的轴对称非球面透镜和柱面透镜的焦点同位于所述的能量传输光纤的输入端。

所述的平行四边形微片堆整形器中构成微片堆的微片的数目根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相当的原则来确定。

所述的轴对称非球面透镜也可用柱面透镜代替。

本发明的技术效果：

由于本发明采用平行四边形微片堆整形器，该整形器由两部分相同结构的微片堆组成，每一组微片堆中平行四边形薄片的高度均依次递增排列，每一片薄片的锐角都为45度，光束进入薄片后在两个45度面均发生全反射，这样每一片薄片都形成一个单独的光波导，光束经过这样的光波导后出射方向并不改变，只是发生了平移。而由于每片波导的高度呈递增分布，因此当线形光束经过一组这样的微片堆后会被分割并重新排布为与平行四边形薄片的高度相对应的高度呈递增分布的多段小线形光束。再经过第二组与第一组微片堆相垂直放置的微片堆，经过相同的原理，将这些高度呈递增分布的小段线形光束进一步重新排布为一列小段线形光束。并且由于光束经过了两组相同的微片堆，第二组微片堆中高度最低的薄片对应于第一组高度最高的薄片，因此整形后光束各部分的光程基本相同。该平行四边形薄片结构简单，加工方便，目前国内完全可以加工，所以本发明克服了已有技术的缺点，同时保持了好的整形效果并由此得到较高耦合效率。

附图说明

图1是已有技术使用梯形镜构成光束整形器核心的线状半导体激光器阵列的光束导光和整形器装置示意图，其中1为线状半导体激光器阵列，2为微柱透镜，3为阶梯镜整形器，4为柱面透镜，5为为轴对称非球面透镜，6为能量传输光纤。

图2是本发明用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统的俯视结构示意图，其中1为线形激光二极管阵列，2为微柱透镜，301为平行四边形微片堆整形器的第一组玻璃微片堆，302为平行四边形微片堆整形器的第二组玻璃微片堆，4为轴对称非球面透镜，5为柱面透镜，6为能量传输光纤。

图3是构成本发明光束整形器的平行四边形四边形微片的正视图，图中黑色箭头表示光束前进的方向。

图4是本发明的平行四边形微片堆整形器的正视图，其中E₁为线状光束。

图5是本发明的平行四边形微片堆整形器的左视图(即沿光束入射的方向看)，其中E₁为线状光束。

图6是线形光束经过第一组玻璃微片堆被分割和重新排布后的光场分布示意图。

图7是线形光束经过第二组玻璃微片堆被进一步排布后的光场分布示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图2，图2是本发明用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统的俯视结构示意图，由图可见，本发明用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线状激光二极管阵列1发出的光束的前进方向依次设置的微柱透镜2，整形器3、轴对称非球面透镜4，柱面透镜5以及光束最终被耦合进的能量传输光纤6，其特征在于所述的整形器3是由301和302两组相互垂直放置的平行四边形微片玻璃堆所构成，每组微片玻璃堆均由多片高度依次递增的锐角为45度的平行四边形玻璃薄片紧密排列组成，并且使每片薄片的一个45度边对齐，从而使另一个45度斜边组成阶梯状的内全反射面，两组之间的薄片的对应关系为第一组中最高的平行四边形薄片对应于第二组中最低的平行四边形薄片，其余依次类推。所述的轴对称非球面透镜4和柱面透镜5的焦点重合于能量传输光纤6的端部。

本发明装置的工作过程：

线状大功率激光二极管阵列1发出的光束首先经过微柱透镜2对光束快轴方向的发散角进行压缩，得到近似于线形的水平光束。再经过平行四边形微片堆整形器3对光束进行分割和重组。平行四边形微片堆整形器3是本发明的核心部件，由两组相同的平行四边形玻璃微片堆301和302相垂直放置组成。图4和图5分别是平行四边形微片堆整形器3的正视图和左视图(沿光路方向看)，以图4中水平方向为长度方向，竖直方向为高度方向，垂直于视图平面的方向为平行四边形微片的宽度方向。从图3中可以看出，微片的两个平行的斜面与竖直方向夹角为45度，光线遇到两个斜面发生全内反射，这样每一片薄片便形成一个光波导。每一组微片堆中的微片高度逐渐递增，这样当以一组斜面对齐后，另一组斜面便组成一组阶梯状的全内反射面。当水平线形光束E₁水平进入第一组微片堆后，被第一组斜面反射后沿竖直方向前进遇到第二组斜面，即呈阶梯状的全内反射面，被分割和排列为高度与该组斜面高度对应的呈阶梯状分布的一组小段线状光束，如图6所示。这样的光束再进入与第一组微片堆呈垂直放置的第二组微片堆，第二组微片堆与第一组微片堆的结构完全相同，其阶梯状的斜面与第一组微片堆的阶梯状斜面组相对，微片堆中微片放置的顺序恰好使得从第一组中高度最低的薄片中出射的光束进入第二组中最高的薄片，其余依次类推，经过相同的光束重组原理，光束被进一步重新排列，成为一列小线状光束，如图7所示。经过分割于重组的光束再依次经过轴对称非球面透镜4和柱面透镜5，会聚为具有一定焦深的小光斑，在光斑的最小位置处放置能量传输光纤6，便可实现高效的耦合。

所述的平行四边形微片整形器3中的平行四边形薄片的片数根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相等的原则来确定。具体说来与微柱透镜对快轴方向的准直程度以及平行四边形微片整形器3所放的位置相关。由于慢轴方向上仍然有10度的发散角，因此整形器应尽量靠近微柱透镜，从而保证不要太多的片数就能使所有的光都进入整形器。为实现高效的耦合，平行四边形微片的片数应该与微柱透镜对快轴发散角的准直程度相配合，使得快轴和慢轴两个方向的拉格朗日不变量相当。设每组微片堆中微片的片数为N，经微柱透镜1准直后快轴方向的发散角为θ_F′，快轴方向的尺度为D，慢轴方向的发散角为θ_S，慢轴方向的尺度为L，则慢轴方向的拉格朗日不变量为L_S＝θ_SL，快轴方向的拉格朗日不变量为 $L_F={\mathrm{\θ}}_F^{\′}D,$ 整形后慢轴方向与快轴方向的拉格朗日不变量分别为 ${L\′}_S={\mathrm{\θ}}_{S}L/N$ 和 ${L\′}_F={\mathrm{\θ}\′}_F\mathrm{DN},$ 则根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相等的原则令 ${L\′}_S={L\′}_F,$ 经过整理得到：

$N=\sqrt{\frac{{\mathrm{\θ}}_{S}L}{{\mathrm{\θ}\′}_{F}D}}$

由于快轴方向是近衍射极限的，所以用微柱透镜2对快轴方向进行准直，不难将其发散角从约40度压缩到只有零点几度甚至更小。例如微柱透镜2对快轴的发散角压缩达到80～100倍时，发散角为0.4～0.5度，此时快轴方向的尺度相应由1微米增大到约两三百微米，根据上述的原则可以算得相应的每组平行四边形微片堆中微片的片数应约为20～30片。

经过整形器3整形后的光束由轴对称非球面透镜4和柱面透镜5进行聚焦，合理选择轴对称非球面透镜4和柱面透镜5的焦距使两个方向的焦点在同一位置并且与能量传输光纤的数值孔径相匹配，这样就能够实现大功率激光二极管阵列对光纤的高效耦合。通过对整个耦合系统的优化，可将线状大功率激光二极管阵列1发出的激光束的90％以上的能量耦合进芯径0.4毫米，数值孔径0.22的能量传输光纤中。

具体实施例：

采用微柱透镜2对长度为1厘米的大功率激光二极管阵列对快轴方向准直，调整微柱透镜2与发光面之间的距离，通常情况下，不难使得准直后快轴的发散角小于0.5度，此时慢轴方向的发散角将仍然保持不变，约10度。考虑到慢轴的尺度随着光束传播会增大，因此整形器3与微柱透镜2之间的距离应小于3毫米，以保证整形器3不需要太多的微片数就能使线形光束全部进入整形器中。整形器3由两组微片堆构成，考虑到目前大多数大功率激光二极管阵列都由约20个左右的不连续发光区组成，每组微片堆各由22片0.5毫米厚的如上所述的平行四边形薄片紧密排列构成，并且第一组与第二组相垂直放置，同时薄片排列的次序使得第一组中最高的薄片对应于第二组中最低的薄片，其余以此类推。经过整形器整形后的光束将变为0.5毫米宽11毫米高的一列小线形光束，慢轴(宽度)方向的发散角仍然为10度，快轴(高度)方向的发散角为小于0.5度，不难算得此时快轴方向与慢轴方向的拉格朗日不变量均为5.5左右。经整形器3整形后的光束先后进入轴对称非球面透镜4和柱面透镜5，轴对称非球面透镜4的焦距为20毫米，柱面透镜5的焦距为12毫米。并且适当调整轴对称非球面透镜4和柱面透镜5放置的位置，可以使光束在快轴方向和慢轴方向上聚焦的焦点在同一位置，并同时具有很小的焦斑尺度。轴对称非球面透镜4也可以用相应焦距的柱面透镜代替，不影响整体的耦合效果。聚焦的结果能够将90％以上的激光能量集中在0.4毫米的区域内，在焦点处放置芯径0.4毫米、数值孔径0.22的能量传输光纤，便可实现高效的耦合，即将此激光二极管阵列的90％以上的能量耦合进此光纤中。

经试用表明，本发明线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，可以将线形激光二极管阵列发出的光束进行分割整形并将其耦合进能量传输光纤中，并且具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。

Claims (3)

1、一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列(1)发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜(2)、光束整形器(3)、轴对称非球面透镜(4)、柱面透镜(5)和能量传输光纤(6)，其特征在于所述的光束整形器(3)是一平行四边形微片堆整形器，他由两组结构相同的微片堆相垂直放置构成，每组微片堆均由多块锐角为45度的平行四边形薄片紧密排列组成，每一块平行四边形薄片的高度逐渐递增，并且排列的次序使得第一组微片堆中高度最高的薄片对应于第二组中高度最低的薄片，所述的轴对称非球面透镜(4)和柱面透镜(5)的焦点同位于所述的能量传输光纤(6)的输入端。

2、根据权利要求1所述的光束整形及耦合系统，其特征在于所述的平行四边形微片堆整形器中构成微片堆的微片的数目根据整形后快轴和慢轴两个方向的拉格朗日不变量相当的原则来确定。

3、根据权利要求1所述的光束整形及耦合系统，其特征在于所述的轴对称非球面透镜(4)用柱面透镜代替。

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