CN101442180B - 大功率半导体激光阵列整形装置 - Google Patents

Abstract

本发明是大功率半导体激光阵列整形装置，属于激光技术应用领域。包括第一平板玻璃堆、第一直角梯形棱镜组、第二平板玻璃堆和第二直角梯形棱镜组。第一平板玻璃堆和第二平板玻璃堆的结构完全相同，只是放置方向不同。第一直角梯形棱镜组和第二直角梯形棱镜组结构完全相同，只是放置方式不同。第一平板玻璃堆对阵列的慢轴进行光束切割，第一直角梯形棱镜组将切割后的光束传播方向改为水平传播；第二平板玻璃堆在阵列的快轴方向对光束进行重排，第二直角梯形棱镜组将重排后的光束传播方向改为水平传播。该装置的效率比较高，特别适合于大功率半导体激光光束整形，同时该装置还具有成本低、加工难度小、装调方便等优点。

Description

大功率半导体激光阵列整形装置

技术领域

本发明涉及半导体激光光束整形，是一种将半导体激光阵列快慢轴光参数乘积均匀化的装置，属于激光技术应用领域。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、重量轻等优点，使得它的应用变得越来越广泛。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，光束发散角较大，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，在一定程度上限制了它的进一步发展。为满足应用上的需求，必须首先对半导体激光的光束进行整形处理。

半导体激光器的阵列分为一维阵列和二维阵列，半导体激光器的二维阵列称为堆栈(stack)，是由半导体激光一维阵列----巴条(Bar)排列组成。半导体激光一维阵列是由M个发光单元在水平方向上紧密排列组成(不同半导体激光产品的M取值不同，从19到75不等)，每个发光单元在平行和垂直于有源层方向上的尺寸分别为100μm～200μm和1μm，光束在快轴方向的发散角为50°～60°，慢轴方向发散角为5°～10°。光参数乘积BPP定义为某个方向上的束腰半径乘以远场发散角(半角)，单位是mm·mrad。对于半导体激光的Bar，经过微透镜快慢轴准直之后，快轴的束腰直径在几百个微米，快轴的发散角为几个毫弧度，快轴的光参数乘积BPP_f为1～2mm·mrad；慢轴长度的典型值为10mm，慢轴的发散角为0.2rad，慢轴的光参数乘积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光参数乘积在整形前相差上百倍。光参数乘积是衡量激光光束质量的一个重要指标，它反映了激光的聚焦能力。快慢轴的光参数乘积相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束整形就是将快慢轴的光参数乘积均匀化，方法是对光束进行分割、旋转、重排，增加快轴的光参数乘积、降低慢轴的光参数乘积，从而达到快慢轴光参数乘积均匀化的目的。

通过调研发现，目前采用比较多的整形方法主要有阶梯反射镜法、折反射整形法和玻璃堆折射整形法。

阶梯反射镜法是将经过微柱透镜准直后的光束，通过两组完全对称的阶梯型发射镜，每组都由N个高反射率表面组成，光束通过第一组阶梯反射镜后在慢轴方向被分割成N段，每个子光束经过第二组阶梯反射镜，再被反射到快轴方向上。原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。整形结果光场分布为一正方形光斑，实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。其缺点是阶梯镜镜面的加工难度大，在国内现有的加工水平下难以实现。

折反射整形法的整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重排光束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出，沿着慢轴方向被分成n段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次产生错位。沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第2个棱镜组，按着相同的原理将光束在快轴方向进行重排。结果出射光经过棱镜组以后，光参数积在慢轴方向被减小1/n倍，而快方向上增加了n倍，从而达到光束整形的目的。这种方法的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，装配困难。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y.Wang提出的。与上述方法类似的还有Laserline公司发明的专利US5986794，同样存在装配困难、不好调节的缺陷。

玻璃堆折射整形法的思想是将光束通过四组完全相同的玻璃堆，每组玻璃堆都由角度不同的三角板或梯形板组成，线光源通过前两组玻璃堆后呈阶梯状排列。经过后两组玻璃堆后，原本线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。这种方法比阶梯反射镜法和折反射法都容易加工和调试。这种方法的缺点在于，由于实际经过准直微透镜后的光束在慢轴方向仍然存在一定的发散角(20～100mrad)，而且比快轴的发散角(小于10mrad)要大，线状光束经过第一组整形装置的第一次折(反)射后在慢轴方向被分成N段光束，而慢轴发散角较大，N段光束不能完全进入对应的玻璃片，造成部分光功率的损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述几种方案的技术缺点，提供了一种大功率半导体激光的整形装置。本装置能够实现大功率半导体激光的整形目的，减少光功率的损耗，而且更易于加工、装调。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

大功率半导体激光阵列整形装置，包括沿光的传播方向依次放置的第一平板玻璃堆A、第一直角梯形棱镜组C、第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D；

当激光束在慢轴方向被分割的份数N为偶数时，第一平板玻璃堆A、第一直角梯形棱镜组C、第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D的具体结构如下：

所述的第一平板玻璃堆A包括两组结构完全相同的平板玻璃堆，每组平板玻璃堆包括N/2片玻璃平板，N是激光束在慢轴方向被分割的份数，每片玻璃平板均为直角梯形或直角三角形结构，所有玻璃平板的高度d和底角φ相同，即各玻璃平板的斜边平行，长度不同(沿光的传播方向)，N/2片玻璃平板沿厚度方向按照玻璃平板长度的由大到小的顺序依次叠加；第一平板玻璃堆A是由上述结构的两组平板玻璃堆互相倒置叠加而成，并且在第一平板玻璃堆A中间为最长的玻璃板，往两侧依次越来越短，玻璃平板的厚度方向沿着激光阵列的慢轴方向；

所述的第一直角梯形棱镜组C由大小尺寸完全相同的两块直角梯形棱镜组成，直角梯形棱镜底角φ与第一平板玻璃堆A中玻璃平板的底角φ大小相同，这样使玻璃平板的斜面与直角梯形棱镜的斜面平行，直角梯形棱镜的厚度H为N/2片玻璃平板厚度的总和H＝h×N/2，直角梯形棱镜的高度与玻璃平板的高度d相同；直角梯形棱镜沿斜边的长度为能保证折射光通过的最小值；放置时，两块直角梯形棱镜分别对应第一平板玻璃堆A中的两组玻璃平板堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置；

所述的第二平板玻璃堆B的结构与第一平板玻璃堆A的结构完全相同，只是放置方向不同，第二平板玻璃堆B中玻璃平板的厚度方向沿着激光阵列的快轴方向；

所述的第二直角梯形棱镜组D的结构与第一直角梯形棱镜组C的结构相同，只是放置方向不同，第二直角梯形棱镜组D中的两块直角梯形棱镜分别对应第二平板玻璃堆B中的两组玻璃平板堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置。

当激光束在慢轴方向被分割的份数N为奇数时，每组平板玻璃堆包括(N-1)/2片玻璃平板、每个直角梯形棱镜的厚度为(N-1)/2片玻璃平板厚度的总和，并且在第一平板玻璃堆A和第二平板玻璃堆B中的两组平板玻璃堆之间加一与平板玻璃相同厚度的矩行玻璃平板，在第一直角梯形棱镜组C和第二直角梯形棱镜组D中的两个直角梯形棱镜之间加一与玻璃平板相同厚度的矩形玻璃平板；其它结构与N为偶数时相同。

本装置通过在玻璃堆折射整形法的基础上，对慢轴分段准直过程中，用棱镜代替多片玻璃片进行光路的折转，从而解决了由于慢轴发散角较大，N段光束不能完全进入对应的玻璃片，造成部分光功率的损耗的问题。该装置的效率比较高，特别适合于大功率半导体激光光束整形，同时该装置还具有成本低、加工难度小、结构紧凑、装调方便等优点。

附图说明

图1大功率半导体激光阵列整形原理图一

图2大功率半导体激光阵列整形原理图二

图3直角梯形棱镜组装置图

图4平板玻璃堆装置图

图5N为偶数时，第一直角梯形棱镜组C与第一平板玻璃堆A组合装置图

图6N为奇数时，第一直角梯形棱镜组C与第一平板玻璃堆A组合装置图

图7N为偶数时，第二平板玻璃堆B与第二直角梯形棱镜组D组合装置图

图8N为奇数时，第二平板玻璃堆B与第二直角梯形棱镜组D组合装置图

图9大功率半导体激光一维阵列整形整体装置图

图10大功率半导体激光二维阵列整形整体装置图

图11整形光斑示意图

图中：1、半导体激光一维阵列，2、一维阵列整形透镜，3、整形前的线状光斑，4、慢轴方向切割后的阶梯状光斑，5、整形后的光斑，6、半导体激光二维阵列，7、二维阵列整形透镜，8、用于光束准直的柱面凸透镜，9、用于光束准直的柱面凹透镜，10、二维条状光斑阵列，11、矩形玻璃平板，A、第一平板玻璃堆，B、第二平板玻璃堆，C、第一直角梯形棱镜组，D、第二直角梯形棱镜组，A₁、玻璃堆中的一片玻璃片，C₁、棱镜组中的一块棱镜。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式：

实施例1：

本实施例中激光束在慢轴方向被分割的份数N为偶数，整形装置的结构如图9所示，包括按照光的传播方向依次放置的半导体激光一维阵列1、用于快慢轴准直的微透镜阵列2、第一平板玻璃堆A、第一直角梯形棱镜组C、第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D。第一平板玻璃堆A和第二平板玻璃堆B的结构完全相同，只是放置方向不同。第一直角梯形棱镜组C和第二直角梯形棱镜组D结构完全相同，只是放置方式不同。

第一平板玻璃堆A和第二平板玻璃堆B都是由两组结构完全相同的平板玻璃堆组成，每组平板玻璃堆包括N/2片玻璃平板，N是激光束在慢轴方向被分割的份数，N由公式 $\frac{{\mathrm{BPP}}_s}{N}={\mathrm{BPP}}_f\×N$ 给出，BPP_f和BPP_s分别是给定的半导体激光阵列的快慢轴光参数乘积。各玻璃平板的高度d相同，底角大小φ也相同，但沿光的传播方向的长度不同，如图2所示。N/2片玻璃平板沿厚度方向按照玻璃平板长度的由大到小的顺序依次叠加。第一平板玻璃堆A是由上述结构的两组平板玻璃堆互相倒置叠加而成，如图4所示，并且在第一平板玻璃堆A中间为最长的玻璃板，往两侧依次越来越短。

玻璃平板均为直角梯形或直角三角形结构，如图1所示，各玻璃平板的高度d相同，底角大小φ也相同，但沿光的传播方向的长度不同，如图2所示。玻璃片的数量N、每片的厚度h、高度d、底角大小φ、每个片垂直于高度d方向的长度L(长底边)以及玻璃片与棱镜之间的偏移量ΔL都需要根据玻璃片的折射率n以及半导体激光阵列参数的不同，通过计算得出。半导体激光阵列的参数主要包括阵列发光区域的快慢轴尺寸、快慢轴发散角、快慢轴的束腰半径、快慢轴的光参数乘积等等。由 $\frac{{\mathrm{BPP}}_s}{N}={\mathrm{BPP}}_f\×N$ 计算出玻璃片的数量N，由 $h=\frac{l}{N}$ 计算出每片玻璃平板的厚度h，l为半导体激光阵列慢轴方向的长度。计算的依据为快慢轴的光参数乘积相等。

第一直角梯形棱镜组C和第二直角梯形棱镜组D都是由大小尺寸完全相同的两块直角梯形棱镜组成，如图3所示。直角梯形棱镜底角φ的大小和直角梯形玻璃平板的底角大小φ相同。直角梯形棱镜的厚度H为N/2片玻璃平板厚度的总和H＝h×N/2，如图7所示。直角梯形棱镜的高度与玻璃平板的高度d相同。直角梯形棱镜沿斜边的长度为能保证折射光通过的最小值。

本实施例中，第一平板玻璃堆A对阵列的慢轴进行光束切割，第一直角梯形棱镜组C将切割后的光束传播方向改为水平传播；第二平板玻璃堆B在阵列的快轴方向对光束进行重排，第二直角梯形棱镜组D将重排后的光束传播方向改为水平传播。本装置是通过改变平板玻璃的长度从而改变玻璃片和棱镜之间的空气间隔来达到对光束切割、重排的目的。

本整形装置中各部分的放置方式如下：先建立一个直角坐标系，x轴为激光阵列的慢轴方向，y轴为激光阵列的快轴方向，z轴为激光的传输方向。

如图5所示，第一平板玻璃堆A中玻璃平板的厚度方向沿x轴方向。沿x轴正方向，直角梯形玻璃平板的短底边在上，长底边在下；沿x轴负方向，直角梯形玻璃平板的短底边在下，长底边在上。第一平板玻璃堆A整体的放置方向为沿z轴，直角边在前，斜边在后。

如图9所示，第一直角梯形棱镜组C中的两块直角梯形棱镜叠加组成，放置方式为沿z轴斜边在前，直角边在后。放置时，两块直角梯形棱镜分别对应第一平板玻璃堆A中的两组玻璃平板堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置。

第二平板玻璃堆B的组成和叠加方式与第一平板玻璃堆A完全相同，只是放置方式不同。第二平板玻璃堆B的放置方式为沿z轴，直角边在前，斜边在后。第二平板玻璃堆B的放置方式与第一平板玻璃堆A的放置方式的不同在于，第二平板玻璃堆B的玻璃平板的厚度方向是沿y轴方向。在y轴正方向上的玻璃平板的放置方式为直角梯形玻璃平板的长底边在x轴正方向，直角梯形玻璃平板的短底边在x轴负方向。

第二直角梯形棱镜组D也是由两块完全相同的直角梯形棱镜叠加组成，如图3所示。放置方式为沿z轴斜边在前，直角边在后。放置时，两块直角梯形棱镜分别对应第二平板玻璃堆B中的两组玻璃平板堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置。

假定根据半导体激光一维阵列的参数计算出的线状光束在慢轴方向被分割的份数N＝6，如图5所示。根据半导体激光一维阵列给定的参数及公式 $\frac{{\mathrm{BPP}}_s}{N}={\mathrm{BPP}}_f\×N,$ 可以算出每段光束对中心的偏移量Δh，取定一个底角大小φ和玻璃的折射率n，则可以根据光的折射定律求出玻璃片与棱镜的偏移量ΔL，计算出所有玻璃片对于棱镜的偏移量，将装置装配成如图9所示。

本实施例中，光束从半导体激光器阵列1发出后，经过快慢轴准直的微透镜阵列2后，光斑变成发散角很小的条状光斑3，条状光斑经过第一平板玻璃堆A，发生折射，条状光斑被分割成了偏离水平方向传输的N段光束，再经过第一直角梯形棱镜组C，N段光束全部发生折射后，形成水平传输的光束4，沿z轴方向传播，慢轴方向整形完成。光束再经过第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D的变换之后，快轴方向整形完成，变成了最后的矩形光斑5，完成了对整个激光阵列整形的目的。

实施例2：

本实施例中激光束在慢轴方向被分割的份数N为奇数，第一平板玻璃堆A和第二平板玻璃堆B中的每组平板玻璃堆均包括(N-1)/2片玻璃平板，第一直角梯形棱镜组C和第二直角梯形棱镜组D中的每块直角梯形棱镜的厚度H为(N-1)/2片玻璃平板厚度的总和H＝h×(N-1)/2，如图8所示。每个直角梯形棱镜的厚度为(N-1)/2片玻璃平板厚度的总和，并且在第一平板玻璃堆A和第二平板玻璃堆B中的两组平板玻璃堆之间加一与平板玻璃相同厚度的矩行玻璃平板，在第一直角梯形棱镜组C和第二直角梯形棱镜组D中的两个直角梯形棱镜之间加一与玻璃平板相同厚度的矩形玻璃平板，如图6所示；其它结构与N为偶数时相同。

实施例3：

对于半导体激光二维阵列，先通过准直压缩光学系统将二维阵列的发光单元进行准直压缩，具体为半导体激光二维阵列6发出的光，依次通过用于快慢轴准直的微透镜阵列7、用于阵列光束准直的柱面凸透镜8、柱面凹透镜9准直为条状光斑，然后再通过实施例1中的由第一平板玻璃堆A、第一直角梯形棱镜组C、第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D组成的整形装置进行整形。

假定根据半导体激光二维阵列的参数计算出的线状光束在慢轴方向被分割的份数N＝6，如图4所示。根据半导体激光二维阵列给定的参数及公式 $\frac{{\mathrm{BPP}}_s}{N}={\mathrm{BPP}}_f\×N,$ 可以算出每段光束对中心的偏移量Δh，取定一个底角大小φ和玻璃的折射率n，则可以根据光的折射定律求出玻璃片与棱镜的偏移量ΔL，计算出所有玻璃片对于棱镜的偏移量，将装置装配成如图10所示。

光束从半导体激光器二维阵列6发出后，经过快慢轴准直的微透镜阵列7后，光斑变成发散角很小的条状光斑阵列10，条状光斑阵列10经过柱面镜8和柱面镜9组成的准直系统后，准直成条状光斑3，条状光斑3再经过第一平板玻璃堆A，发生折射，条状光斑被分割成了偏离水平方向传输的N段光束，再经过第一直角梯形棱镜组C，N段光束全部发生折射后，形成水平传输的光束4，沿z轴方向传播，慢轴方向整形完成。光束再经过第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D的变换之后，快轴方向整形完成，变成了最后的矩形光斑5，完成了对整个激光阵列整形的目的。

Claims (1)

1.大功率半导体激光阵列整形装置，其特征在于：包括沿激光束的传播方向依次放置的第一平板玻璃堆(A)、第一直角梯形棱镜组(C)、第二平板玻璃堆(B)和第二直角梯形棱镜组(D)；

当激光束在慢轴方向被分割的份数N为偶数时，第一平板玻璃堆(A)、第一直角梯形棱镜组(C)、第二平板玻璃堆(B)和第二直角梯形棱镜组(D)的具体结构如下：

所述的第一平板玻璃堆(A)包括两组结构完全相同的平板玻璃堆，每组平板玻璃堆包括N/2片玻璃平板，每片玻璃平板均为直角梯形或直角三角形结构，所有玻璃平板的高度和底角相同，长度不同，N/2片玻璃平板沿厚度方向按照玻璃平板长度由大到小的顺序依次叠加，并且各玻璃平板的斜边互相平行；第一平板玻璃堆(A)是由上述结构的两组平板玻璃堆互相倒置叠加而成，并且在第一平板玻璃堆(A)中间为最长的玻璃板，往两侧依次越来越短，玻璃平板的厚度方向沿着激光阵列的慢轴方向；

所述的第一直角梯形棱镜组(C)由完全相同的两块直角梯形棱镜组成，直角梯形棱镜底角与第一平板玻璃堆(A)中玻璃平板的底角大小相同，直角梯形棱镜的厚度为N/2片玻璃平板厚度的总和，直角梯形棱镜的高度与玻璃平板的高度相同；放置时，两块直角梯形棱镜分别对应第一平板玻璃堆(A)中的两组平板玻璃堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置；

所述的第二平板玻璃堆(B)的结构与第一平板玻璃堆(A)的结构完全相同，只是放置方向不同，第二平板玻璃堆(B)中玻璃平板的厚度方向沿着激光阵列的快轴方向；

所述的第二直角梯形棱镜组(D)的结构与第一直角梯形棱镜组(C)的结构相同，只是放置方向不同，第二直角梯形棱镜组(D)中的两块直角梯形棱镜分别对应第二平板玻璃堆(B)中的两组平板玻璃堆，并且玻璃平板的斜边与直角梯形棱镜的斜边相对平行放置；

当激光束在慢轴方向被分割的份数N为奇数时，第一平板玻璃堆(A)和第二平板玻璃堆(B)中的每组平板玻璃堆均包括(N-1)/2片玻璃平板，第一直角梯形棱镜组(C)和第二直角梯形棱镜组(D)中的每块直角梯形棱镜的厚度均为(N-1)/2片玻璃平板厚度的总和，并且在第一平板玻璃堆(A)和第二平板玻璃堆(B)中的两组平板玻璃堆之间加一与玻璃平板相同厚度的矩行玻璃平板，在第一直角梯形棱镜组(C)和第二直角梯形棱镜组(D)中的两个直角梯形棱镜之间加一与玻璃平板相同厚度的矩形玻璃平板；其它结构与N为偶数时相同。

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