CN101545582B - 半导体激光器阵列光束整形照明系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器阵列光束整形照明系统。包括半导体激光器阵列，对快轴光束发散角进行变换的光学系统，在快轴方向上对光束进行角度偏转的装置和对慢轴发散角进行变换且在慢轴方向上对光束进行偏转的光学系统。其要点是通过控制各个激光单元的光束传播轴线分别在快轴和慢轴方向上的偏转程度，在远场形成一种多个激光单元的高斯光束部分重合叠加的效果，从而构造符合视场要求的照明光束。本发明具有效率高、结构简单、成本低、可集成实用的特点，特别适用于作为面阵成像激光雷达和激光主动照明探测系统的照明光源。

Description

半导体激光器阵列光束整形照明系统

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器阵列光束整形照明系统。

背景技术

半导体激光器阵列为了获得集成大功率输出，利用半导体激光器单元利用串并联形式组成的半导体激光输出模块，具有输出功率高、光电转换效率高、激光强度调制方便、体积小、寿命长等特点，非常适合作为面阵成像激光雷达和激光探测系统的主动照明光源。

半导体激光器激光器具有特殊谐振腔结构和工作方式，使得光束的空间分布具有不对称性，在垂直于结平面的方向上(快轴方向)具有40度左右的发散角，在平行于结平面的方向上(慢轴方向)具有8度左右的发散角，且在各自的发散角内光强不均匀。集成后的半导体激光器堆叠阵列的远场光束也具有类似的空间分布特性，远场光强在快轴方向呈现基模高斯分布，而慢轴方向一般呈现厄米高斯分布。要达到好的主动照明效果，要求在照明视场角度内光强分布均匀，要达到高的主动照明光能利用效率，需要约束照明光束仅出现在照明视场角内。因此把半导体激光器阵列应用于照明用途，就必须采用光束整形照明系统来对原始的激光光束进行整形。目前，随着半导体激光器阵列在主动探测系统中应用的不断增多，对半导体激光器阵列光束整形照明技术的要求也在不断提高。

目前针对半导体激光器阵列的光束整形照明技术主要有两大类方法。在小视场(3度×3度以下)照明用途中，一般采用准直光学系统，在快轴方向和慢轴方向加微透镜阵列，对发散角度都进行准直压缩以获得小的发散角，这种方法的缺点是照明视场光强仍然呈现高斯分布，不均匀。在大视场照明系统，一般是先把光束模式转变为均匀光再扩束照明到需要的视场上，如先将半导体激光器堆叠的光耦合到多模光纤中，利用光纤多次反射的混光效果，在光纤输出端获得光强均匀化和模式对称化，再经光学系统投影到照明区域。由于该类方法把阵列的光耦合到光纤或者其它混光筒中，而这个过程技术难度高且耦合效率低，制作成本高，作为照明系统也不是十分理想。

发明内容

为克服现有的半导体激光器阵列光束整形照明系统效率不高、结构复杂、不易集成、制作成本高的缺点，本发明的目的在于提供了一种半导体激光器阵列光束整形照明系统，该系统可显著地提高激光照明的光能利用效率，并且具有结构简单、制作成本低以及可多组模块集成使用以实现超大功率照明的特点。

本发明解决其技术问题采用的技术方案如下：

一、一种半导体激光器阵列光束整形照明系统：

包括由多个半导体激光器线阵列两端对齐等间距平行排列在一个平面上组成的半导体激光器二维阵列，微柱面透镜阵列，光楔阵列和柱面透镜；所述的半导体激光器二维阵列、微柱面透镜阵列、光楔阵列、柱面透镜沿激光传播方向依序排列，其中微柱面透镜阵列的各个微柱面透镜母线与半导体激光器线阵列的线方向平行且一一对应对准排列，光楔阵列中的单元光楔与半导体激光器线阵列一一对应对准排列，柱面透镜母线与半导体激光器线阵列垂直且柱面透镜光轴与半导体激光器线阵列的中垂线重合。

所述的半导体激光器线阵列，由多个半导体激光器单元沿慢轴方向等间距排列于一维线段上组成。

所述的光楔阵列中的各个光楔偏向角的数值是一组从-0.5θ_IF到+0.5θ_IF的等差数列，其中θ_IF为快轴方向的照明视场角，公差为θ_IF除以半导体激光器线阵列数目减去一后的商，偏向角组合顺序任意。

二、另一种半导体激光器阵列光束整形照明系统：

包括由多个带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列两端对齐等间距排列在一个几何面形基座上组成的半导体激光器二维阵列和柱面透镜；所述的半导体激光器二维阵列、柱面透镜沿激光传播方向依序排列，其中柱面透镜母线与带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列垂直且柱面透镜光轴与带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列的中垂线重合。

所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列，由多个半导体激光器单元沿慢轴方向等间距排列于一维线段上组成，所述的微柱面透镜的光轴始终在对应的半导体激光器线阵列的激光传播轴线上。

所述的几何面形基座是一个与快轴视场角θ_IF等弧度的凸圆柱面或者凹圆柱面，所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列等间距置于凸圆柱面或者凹圆柱面上且保持激光传播轴线与圆柱面径向一致；所述的几何面形基座或是一个与照明视场快轴视场角θ_IF等弧度的凸圆柱面或者凹圆柱面被带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列总数目等分后切去弧面的等多角直柱面，所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列分别置于等多角直柱面的各个面的中心且保持激光传播轴线与各面法线方向一致。

以上两种照明系统中：

所述的半导体激光器线阵列的线方向长度尺寸L、所述的柱面透镜的有效焦距F和慢轴方向照明视场角θ_IS的关系满足公式：

$\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right).$

所述的半导体激光器线阵列与所述的柱面透镜的物距Dx满足关系式：

$\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F$

其中α为照明均匀系数，取小于0.5的正数，F为所述的柱面透镜的有效焦距，Nx为每个所述的半导体激光器线阵列中所述的半导体激光单元数目，L为所述的半导体激光器线阵的长度尺寸，θ_os为所述的半导体激光单元未整形前的光束慢轴发散角。

本发明的科学原理是：

根据波动电磁理论和半导体激光器谐振腔的边界条件可以得到半导体激光器的光束模型近似为高斯光束。强度空间分布的表达式为：

$I(x,y,z)=C_o\·{\left(\frac{w_0}{w\left(z\right)}\right)}^2\·\exp (-\frac{2r^2}{w^2\left(z\right)})---\left(1\right)$

式(1)是沿着z轴传播的基模高斯光束在点(x，y，z)强度表达式，其中w₀为束腰半径， $w^2\left(z\right)=w_0^2[1+{\left(\frac{z}{z_0}\right)}^2],z_0=\frac{\mathrm{\π}{w}_0^2}{\mathrm{\λ}}$ 为瑞利距离C_o为常数r²＝x²+y²。

远场发散全角与束腰的关系为 ${\mathrm{\θ}}_{1/e^2}=2\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_0}.$ 半导体激光器快轴方向的发散角为：

约为0.7弧度，λ＝808nm瑞利距离约为2um由于z＞＞z₀，则有 $w\left(z\right)\≈{\left(\frac{w_0}{z_0}\right)}^2{z}^2,$ 代入公式(1)可得到高斯光束在极坐标下强度的空间分布公式：

$I(\mathrm{\ρ},\mathrm{\θ}){=C}_0{\left(\frac{z_0}{\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\θ}}\right)}^2\exp (-2{\left(\frac{z_0}{w_0}\right)}^2{\tan }^2\mathrm{\θ})---\left(2\right)$

将N＝2K+1个半导体激光束单元令K个以固定角度θ_d递增偏转，K个以固定角度θ_d递减偏转，在原光束的传播方向为z轴，垂直于z轴的平面上点相对于z轴的偏转角度为θ的任一点的光强叠加结果为：

$I(z,\mathrm{\θ})=\underset{i=-K}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}{C}_0^{\′}{\left(\frac{\cos \left({\mathrm{i\θ}}_d\right)}{z(1+\tan \mathrm{\θ}\tan \left({\mathrm{i\θ}}_d\right))}\right)}^2\exp (-\frac{8}{{\mathrm{\θ}}_{1/e^2}^2}{\tan }^2(\mathrm{\θ}-{\mathrm{i\θ}}_d))---\left(3\right)$

在z取定值条件下，(3)表达式中第二项是一个约等于为1的约数，其特性就主要决定于这是一个多高斯函数的叠加，

其中α为均匀控制因子，当0＜α＜0.5时表达式的出现平顶分布波形。所以表达式(3)是一种多高斯光束叠加在照明面上获得均匀光强分布的实现形式。

把(3)表述的光束模型命名为角偏转多高斯光束模型，这种特性的光束模型的特点是在可以通过控制每个高斯光束单元的发散角度

及递增偏转角度θd及单元个数来控制远场的强度均匀性和总光束的照明视场角度。

利用半导体激光器单元阵列分别在快轴和慢轴两个方向上构造表达式(3)的光束模型是本发明的根本原理，快轴方向比较直观，不做解释。下面对慢轴方向进行具体分析。

对所述的半导体激光器线阵列，发光轴为Z，可以表述为如下的Nx个高斯光束的叠加：

$I(x,z)=C_0^{\′}\·{\left(\frac{w_0}{w\left(z\right)}\right)}^2\·\underset{i=\frac{\mathrm{Nx}-1}{2}}{\overset{\frac{\mathrm{Nx}-1}{2}}{\mathrm{\Σ}}}\exp (-\frac{2{(x-i\·\frac{L}{\mathrm{Nx}})}^2}{W^2\left(z\right)})---\left(4\right)$

在满足傍轴条件下，这种光束模型在空间的传播和通过几何光学系统的传播可以利用ABCD矩阵光学进行分析，利用透镜变换公式(4)把平顶多高斯光束模型光束转换成角偏转多高斯光束模型光束，

F□tanΔθ_i＝i·d    (5)

其中F为透镜有效焦距， $d=\frac{L}{\mathrm{Nx}}$ 为各个单元之间的间距，Δθ_i为半导体激光器线阵列中第i个单元光束通过透镜后的偏转角度。用(5)式，当i·d＝L/2且Δθ_K＝θ_IS/2，则得到：

$\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right)---\left(6\right)$

用公式(6)可以确定透镜的焦距F。

把公式(5)代入到公式(4)中可以得到平顶多高斯光束模型经过透镜之后获得表达式：

表达式(7)的分析结果其表述的光束模型具有类似于(3)所表示的光束模型分布特点。激光单元的原始光束束腰ω_o1趋向于0时，可套用几何光学成像公式，把原来的慢轴发散角θ_os变换为θ_s，最后可以获得半导体激光器线阵列与透镜的距离Dx，原始的发散角θ_os，以及均匀控制因子α的关系表达式

$\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F---\left(8\right)$

从而实现了专利的设计目的，得到视场角限定范围内的均匀照明。

本发明与背景技术相比具有的有益效果是：

1激光能量的利用效率高：因为经过的光学器件个数少，而且都是高通过率的透射型光学元器件，效率可以达到80％左右，远远大于现有技术的55％的能量利用率。

2便于实现模块化、集成化：制成多组同样的半导体激光器阵列光束整形照明系统，各个模块可以直接并行使用，并对远场的照明均匀性有提高作用，便于集成超大功率的远场照明系统。

3体积小、结构简单、制作成本低：整个光束整形照明系统结构简单，而且尺寸和半导体激光器阵列外形尺寸相当。而且本发明所用的器件都是制作工艺技术很成熟的器件，制作费用低，相对于微透镜阵列整形照明或者半导体激光器阵列光纤耦合模块方式都有很大的成本优势。

本发明尤其适合作为面阵成像激光雷达系统和远距离主动激光探测系统的照明光源装置。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明系统构成的立体示意图。

图2是本发明快轴方向光束整形原理示意图。

图3是本发明慢轴方向光束整形原理示意图。

图4是本发明科学原理表达式(3)的特性曲线图。

图5是本发明实施实例2中实现角度偏转装置5的示意图。

图6是本发明实施实例3中实现角度偏转装置5的示意图。

图7是本发明实施实例4中多模块集成使用的示意图。

图中：1、半导体激光器二维阵列，2、半导体激光器单元，3、半导体激光器线阵列，4、微柱面透镜阵列，5、光楔阵列，6、柱面透镜，7、带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列，8、几何面型基座，9、整体照明系统单元。

具体实施方式

实施例1：

在图1中，半导体激光器二维阵列1、微柱面透镜阵列4、光楔阵列5、柱面透镜6沿激光传播方向依序排列，其中微柱面透镜阵列4的各个微柱面透镜母线与半导体激光器线阵列3的线方向平行且一一对应对准排列，光楔阵列5中的单元光楔与半导体激光器线阵列3一一对应对准排列，柱面透镜6母线与半导体激光器线阵列3垂直且柱面透镜6光轴与半导体激光器线阵列3的中垂线重合。以900W的808nm半导体激光器堆叠阵列(stack)组建10度×10度的照明系统为例，半导体激光器二维阵列1是900W的808nm半导体激光器堆叠阵列，半导体激光器线阵列3的总输出功率为100W，是由100个间距为100um的1W半导体激光器单元2构成，每个半导体激光器单元2光束快轴和慢轴发散角度分别是θ_of＝40度和θ_os＝10度，总共9条半导体激光器线阵列3以等间距组成900W半导体激光器二维阵列1。先将半导体激光器线阵列3前加微柱面透镜阵列4，压缩其快轴发散角θ_f为3.5度，然后通过光楔阵列5进行光束偏转，控制单元光楔角使得偏转的角度分别是i×1.25度(i分别是-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4)，即θ_Fd＝1.25度。后放置一个柱面透镜6，利用 $\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right)$ 得到焦距F＝57.1mm，再利用 $\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F$ 取压缩后的发散角度θ_s为2度，则获得柱面透镜6与半导体激光器二维阵列(1)发光面的距离Dx＝42.8mm，可以获得10度×10度的均匀照明光束。如图2所示的是在快轴方向的光束整形过程，半导体激光器线阵列3发出的激光光束先经过微透镜阵列4把快轴发散角θ_f压缩为3.5度，再经过光楔阵列5进行偏转，这个方向上柱面透镜6相当于平行平板不起作用，最后光束在快轴方向上在远场多个高斯光束部分重叠重构得到均匀照明效果。如图3所示的是在慢轴方向的光束整形过程，在半导体激光器线阵列3上的第i个半导体激光器单元2的离轴距离为d_i，根据d_i不同，经过透镜后的光束传播轴线发生不同的偏转角度，每个半导体激光器单元2的慢轴发散角根据成像 $\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F$ 利用Dx调整进行慢轴发散角θ_os的压缩变换，这个方向上微柱面透镜阵列4和光楔阵列5相当于光学平行平板，对于光束整形没有贡献，最后光束在慢轴方向上在远场多个高斯光束部分重叠重构得到均匀照明效果。如图4所示的是多个高斯光束部分重叠重构获得均匀平顶光束的示意图。实际操作中可以利用调整Dx来控制远场照明的均匀性和边界特性。

实施例2：

在图1中把半导体激光器二维阵列1，半导体激光器单元2，半导体激光器线阵列3，微柱面透镜阵列5，光楔阵列6用图5、图6中所示的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列7和几何面型基座8来代替。以800W的808nm半导体激光器堆叠阵列(stack)组建10度×10度的照明系统为例，其中几何面形基座8可以如图5所示的一个与快轴视场角10度等弧度的凸圆柱面或者凹圆柱面，带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列7等间距置于凸圆柱面或者凹圆柱面上，也可以是如图6所示的等多角直柱面其中相邻两平面的法线夹角为θ_Fd＝1.43度，带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列7分别置于等多角直柱面的各个面的中心且保持激光传播轴线与各面法线方向一致，使得带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列7在的光束传播轴在快轴方向上均分10度视场角。后放置一个柱面透镜6，利用 $\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right)$ 得到焦距F＝57.1mm，再利用 $\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F,$ 取压缩后的发散角度θ_s为2度，则获得柱面透镜6与半导体激光器二维阵列1发光面的距离Dx＝42.8mm，可以获得10度×10度的均匀照明光束。实际操作中可以利用调整Dx来控制远场照明的均匀性和边界特性。该实施例少用了一组光学系统，增加了透过率，而且这种平台机械加工容易，可实现性强。

实施例3：

如图7所示，是原有系统的集成扩展，多个具有同样的照明视场角度的整体照明系统单元9作为单元组成阵列来集成使用，以提高远场照明系统的总功率并增强均匀性。

Claims (9)

1.一种半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：包括由多个半导体激光器线阵列(3)两端对齐等间距平行排列在一个平面上组成的半导体激光器二维阵列(1)，微柱面透镜阵列(4)，光楔阵列(5)和柱面透镜(6)；所述的半导体激光器二维阵列(1)、微柱面透镜阵列(4)、光楔阵列(5)、柱面透镜(6)沿激光传播方向依序排列，其中微柱面透镜阵列(4)的各个微柱面透镜母线与半导体激光器线阵列(3)的线方向平行且一一对应对准排列，光楔阵列(5)中的单元光楔与半导体激光器线阵列(3)一一对应对准排列，柱面透镜(6)母线与半导体激光器线阵列(3)垂直且柱面透镜(6)光轴与半导体激光器线阵列(3)的中垂线重合。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的半导体激光器线阵列(3)，由多个半导体激光器单元(2)沿慢轴方向等间距排列于一维线段上组成。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的光楔阵列(5)中的各个光楔偏向角的数值是一组从-0.5θ_IF到+0.5θ_IF的等差数列，其中θ_IF为快轴方向的照明视场角，公差为θ_IF除以半导体激光器线阵列数目减去一后的商，偏向角组合顺序任意。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的半导体激光器线阵列(3)的线方向长度尺寸L、所述的柱面透镜(6)的有效焦距F和慢轴方向照明视场角θ_IS的关系满足公式：

$\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right).$

5.根据权利要求2所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的半导体激光器线阵列(3)与所述的柱面透镜(6)的物距Dx满足关系式：

$\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F$

其中α为照明均匀系数，取小于0.5的正数，F为所述的柱面透镜的有效焦距，Nx为每个所述的半导体激光器线阵列中所述的半导体激光单元数目，L为所述的半导体激光器线阵的长度尺寸，θ_os为所述的半导体激光单元未整形前的光束慢轴发散角。

6.一种半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：包括由多个带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)两端对齐等间距排列在一个几何面形基座(8)上组成的半导体激光器二维阵列和柱面透镜(6)；所述的半导体激光器二维阵列、柱面透镜(6)沿激光传播方向依序排列，其中柱面透镜(6)母线与带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)垂直且柱面透镜(6)光轴与带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)的中垂线重合；

所述的几何面形基座(8)是一个与快轴视场角θ_IF等弧度的凸圆柱面或者凹圆柱面，所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)等间距置于凸圆柱面或者凹圆柱面上且保持激光传播轴线与圆柱面径向一致；所述的几何面形基座(8)或是一个与照明视场快轴视场角θ_IF等弧度的凸圆柱面或者凹圆柱面被带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)总数目等分后切去弧面的等多角直柱面，所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)分别置于等多角直柱面的各个面的中心且保持激光传播轴线与各面法线方向一致。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的带快轴发散角压缩微柱面透镜的半导体激光器线阵列(7)，由多个半导体激光器单元(2)沿慢轴方向等间距排列于一维线段上组成，所述的微柱面透镜的光轴始终在对应的半导体激光器线阵列的激光传播轴线上。

8.根据权利要求6所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的半导体激光器线阵列的线方向长度尺寸L、所述的柱面透镜(6)的有效焦距F和慢轴方向照明视场角θ_IS的关系满足公式：

$\frac{L}{2F}=\tan \left(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{IS}}}{2}\right).$

9.根据权利要求7所述的半导体激光器阵列光束整形照明系统，其特征在于：所述的半导体激光器线阵列与所述的柱面透镜(6)的物距Dx满足下面的关系式：

$\mathrm{Dx}=\frac{L}{\mathrm{\α}\·\mathrm{Nx}\·{\mathrm{\θ}}_{\mathrm{os}}}-F$

其中α为照明均匀系数，取小于0.5的正数，F为所述的柱面透镜的有效焦距，Nx为每个所述的半导体激光器线阵列中所述的半导体激光单元数目，L为所述的半导体激光器线阵的长度尺寸，θ_os为所述的半导体激光单元未整形前的光束慢轴发散角。

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