CN101404385A - 一种半导体阵列激光器光束整形结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光领域，尤其是涉及半导体阵列激光器的光束整形结构。本发明的半导体阵列激光器光束整形结构采用特殊结构的自聚焦透镜、非球面透镜、球面透镜或阵列，和柱面透镜或柱面透镜组合将各发光点整形为角度最小化的相互平行光束，采用单个棱镜、棱镜组或光栅阵列对半导体光束长轴方向进行高倍压缩，所得光束可直接或经过汇聚透镜高效率耦合到多模光纤、高功率双包层光纤，或用于端面泵浦激光器中。本发明是一种新型的半导体激光器光束整形结构，具有输出光束光斑直径较大、发散角较小、工作距离较远的优点。
Description
技术领域
本发明涉及激光领域，尤其是涉及半导体阵列激光器的光束整形结构。
背景技术
半导体激光器由于其具有光转换效率高、线宽窄、性能稳定可靠、体积小、质量轻等优点，广泛应用于半导体激光器抽运的固体激光器、光纤激光器、材料处理等多个领域。然而半导体激光器由于其特殊的工作原理，其光束质量在垂直与平行于P-N结的两个方向上相差很大，在实际应用(如光纤耦合)时需要对其光束进行整形，形成小芯径、小数值孔径的高亮度的光纤耦合半导体激光输出。
通常使用的光束整形方法有：多光纤单个耦合成光纤束，或与光纤耦合到单个多模光纤，或单独准直再用大透镜汇聚。
半导体激光器芯片的特点是在垂直与平行于P-N结的两个方向上光束发散角相差很大，平行于P-N结方向发散角约为10°、垂直于P-N结方向则大约为30°。半导体激光器阵列，一般1cm有20至60个芯片，采用普通的微透镜阵列的准直系统将导致准直光斑直径较小、发散角较大、工作距离较短，光束得不到充分利用。如f＝1mm的微透镜，在10°方向，可将光束准直至0.2mm；f＝1.5mm的微透镜，则将光束准直至0.3mm。
发明内容
为克服上述问题，本发明提出一种新的半导体激光器光束整形结构：在半导体芯片之间距离较大时，可采用单个普通较大焦距准直透镜对单个芯片发光准直；在半导体芯片距离较小时，可由较大焦距(直径大于或与半导体激光器芯片之间的距离相近)的玻璃或塑料制作的常规自聚焦透镜、非球面透镜、球面透镜、柱透镜制成。采用大焦距的准直透镜，使光斑尺寸最大化以保证最小发散角，从而可获得长距离平行光。较小发散角为棱镜或光栅高倍率压缩提供了可能性。通过单棱镜或棱镜组合、或者光栅压缩后，所得光束可直接或再经过汇聚透镜高效率耦合到多模光纤、高效率双包层光纤，或用于端面泵浦激光器中。
本发明是采用如下技术方案：
本发明的半导体阵列激光器光束整形结构，包括半导体激光器阵列、准直元件和变束元件。所述的准直元件由与半导体激光器阵列中单元半导体激光器数量一致的准直单元排列构成，所述的准直单元为长焦距的透镜单元，所述的准直单元的排列间距与所述的单元半导体激光器的排列间距相等。
进一步的，所述的透镜单元可以是自聚焦透镜、非球面透镜、球面透镜、柱透镜。
进一步的，所述的透镜单元的焦距大于所述的单元半导体激光器的排列间距。
进一步的，所述的半导体激光器阵列可以是半导体芯片阵列构成的半导体激光器阵列，也可以是多个单独的半导体激光器构成的半导体激光器阵列，也可以是LED和LED阵列。
进一步的，所述的变束元件可以是单个的两通光方向可镀增透膜的棱镜、两通光方向可镀增透膜的棱镜对、变束光栅。
进一步的，所述的准直单元通过两侧抛光，胶合、光胶或深化光胶为一体的准直元件。或者所述的准直元件是一体开模压制的排列有多个准直单元的整体构件。
进一步的，光束经过所述的变束元件后耦合入多模光纤，或高功率双包层光纤，或用于端面泵浦固体激光器中。
更进一步的，所述的变束元件后还设置有汇聚透镜。
本发明采用如上技术方案，是一种新型的半导体激光器光束整形结构，具有输出光束光斑直径较大、发散角较小、工作距离较远的优点。
附图说明
图1是本发明的准直元件的第一种结构示意图；
图2是本发明的准直元件的第二种结构示意图；
图3是本发明的准直元件的第三种结构示意图；
图4是本发明的准直元件的第四种结构示意图；
图5是本发明的第一实施例结构图；
图6是本发明的第二实施例结构图；
图7是本发明的第三实施例结构图；
图8是本发明的第四实施例结构图；
图9是本发明的第五实施例结构图。
具体实施方式
现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步说明。
半导体激光器芯片的特点是在垂直与平行于P-N结的两个方向上光束发散角相差很大，平行于P-N结方向发散角约为10°、垂直于P-N结方向则大约为30°。半导体激光器阵列，一般1cm有20至60个芯片，采用普通的微透镜阵列的准直系统将导致准直光斑直径较小、发散角较大、工作距离较短，光束得不到充分利用。如f＝1mm的微透镜，在10°方向，可将光束准直至0.2mm；f＝1.5mm的微透镜，则将光束准直至0.3mm。因此本发明采用长焦距的透镜，对光束准直，结构如图1、图2、图3、图4所示。将直径大于半导体芯片最小距离的自聚焦透镜、非球面透镜、球面透镜两侧磨去，使透镜间中心距等于或小于相邻半导体激光器芯片的间距，并通过胶合、光胶或深化光胶或直接粘结成一体，或通过开模直接压制通光面上长轴与短轴不一样的准直透镜单个元件再通过胶合、光胶或深化光胶为一体，亦可以通过整体开模制作整块透镜阵列，其中每个透镜长轴与短轴不一样，其短轴方向透镜中心线之间距离与半导体芯片之间间隔相等；另一方向(球面长轴方向)的尺寸大于芯片间隔。可以采用如图1所示的结构，透镜焦距尽可能大，接近10°角可允许准直光束尺寸的极限，即小于和接近两个芯片之间中心距离，使光斑尺寸最大化；也可以采用如图2所示的非球面透镜阵列与柱面镜的组合；也可以采用图3所示的柱面镜与微柱面镜阵列的组合，这种结构中要求柱面阵列R很小，否则会因光束发散角大而光束会相互重叠；还可以采用图4所示的微透镜阵列立体结构。
本发明的光束压缩结构可采用如图5、图6、图7、图8、图9所示的结构，可以采用单个棱镜压缩，亦可以采用棱镜对进行光束压缩，还可以用变束光栅压缩。棱镜或光栅的光束束宽变束率为：M＝输出光束的束宽/输入光束的束宽，如图1所示，M＝d/D，这里d＜D，因此称作光束束宽的压缩率。棱镜的光束束宽压缩率跟掠入射的角度有关，而且压缩倍率不同，棱镜的顶角也不同。如下表所示：
| 入射角 | 87.87° | 87.15° | 85.7° | 81.35° |
| 压缩倍率 | 20 | 15 | 10 | 5 |
| 棱镜顶角 | 41.78° | 41.75° | 41.67° | 41.23° |
采用棱镜对，光束束宽压缩率可以更高。采用光栅对光束进行压缩时，对于2400线/mm的光栅，如激光波长为590nm，入射角为89°，扩束率达到52(由于光路可逆，即压缩率为1/52)。
本发明的具体实施方式如下：
实施方式一：
如图1所示，光学元件结构为顺序排列的半导体激光器阵列101、准直透镜阵列102、柱面镜103和变束棱镜104。
激光从半导体激光器发出，先通过准直透镜阵列，将光束10°方向整形，透镜焦距尽可能大，接近10°角可允许准直光束尺寸的极限，即小于和接近两个芯片之间中心距离，使光斑尺寸最大化。通过棱镜、棱镜对或光栅对半导体激光器输出光束长轴方向进一步压缩后，可以直接或者再经过汇聚透镜高效率耦合到多模光纤，高功率光纤或直接用于端面泵浦激光器中。
实施方式二：
如图2所示，光学元件结构为顺序排列的半导体激光器阵列201、准直透镜阵列202、柱面镜203和变束棱镜对204和205、耦合透镜206和光纤207。
是否需要耦合透镜206视光束压缩后的直径的具体情况而定。
实施方式三：
如图3所示，光学元件结构为顺序排列的半导体激光器阵列301、柱面镜302、变束光栅303、耦合透镜304和光纤305。
半导体激光器发出的激光经过柱面镜302和变束光栅303准直和压缩后，可通过耦合透镜或直接耦合进光纤305。
实施方式四：
如图4所示，光学元件结构为顺序排列的半导体激光器阵列401、柱面镜402、变束光栅403、耦合棱镜404和高功率双包层光纤405。
半导体激光器发出的激光经过柱面镜402和变束光栅403准直和压缩后，可通过耦合棱镜404耦合进高功率双包层光纤405。
实施方式五：
如图5所示，光学元件结构为顺序排列的半导体激光器阵列501、柱面镜502、变束棱镜503、耦合透镜504和端面泵浦固体激光器505。
半导体激光器发出的激光经过柱面镜502和变束棱镜503准直和压缩后，可通过耦合透镜504耦合进端面泵浦固体激光器505中。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种半导体阵列激光器光束整形结构，包括半导体激光器阵列、准直元件和变束元件，其特征在于：所述的准直元件由与半导体激光器阵列中单元半导体激光器数量一致的准直单元排列构成，所述的准直单元为长焦距的透镜单元，所述的准直单元的排列间距与所述的单元半导体激光器的排列间距相等。
2.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的透镜单元可以是自聚焦透镜、非球面透镜、球面透镜、柱透镜。
3.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的透镜单元的焦距大于所述的单元半导体激光器的排列间距。
4.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的半导体激光器阵列可以是半导体芯片阵列构成的半导体激光器阵列，也可以是多个单独的半导体激光器构成的半导体激光器阵列，也可以是LED和LED阵列。
5.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的变束元件可以是单个的两通光方向可镀增透膜的棱镜、两通光方向可镀增透膜的棱镜对、变束光栅。
6.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的准直单元是通过两侧抛光，胶合、光胶或深化光胶为一体的准直元件。
7.如权利要求1所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的准直元件是一体开模压制的排列有多个准直单元的整体构件。
8.如上任一权利要求所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：光束经过所述的变束元件后耦合入多模光纤，或高功率双包层光纤，或用于端面泵浦固体激光器中。
9.如权利要求8所述的半导体阵列激光器光束整形结构，其特征在于：所述的变束元件后还设置有汇聚透镜。
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