CN101840070B

CN101840070B - Ld单管光束整形模块

Info

Publication number: CN101840070B
Application number: CN2009100800684A
Authority: CN
Inventors: 吴芃; 王翠鸾; 韩淋; 刘媛媛; 刘素平; 马骁宇
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-03-18
Publication date: 2011-10-12
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: CN101840070A

Abstract

本发明提供一种LD单管光束整形模块，包括：一个热沉，该热沉为矩形体，该热沉的顶部的对角方向开有一个对角槽，在对角槽的一侧与对角槽平行开有另一个凹槽，在热沉上的对角槽相邻的两侧壁上分别各开有两个固定螺孔；四个半导体单管准直模块，分别固定在个热沉开有螺孔的侧壁上；一第一玻璃整形镜，插置于热沉上的对角槽内；一第二玻璃整形镜，插置于热沉上的对角槽内，该第一玻璃整形镜与该第二玻璃整形镜相隔一预定距离；一第三玻璃整形镜，插置于热沉上的凹槽内。

Description

LD单管光束整形模块

技术领域

本发明涉及一种针对激光二极管的整形技术，是使四个半导体单管的输出光在空间上实现重排的LD单管光束整形模块，其可改善半导体激光器光束特性，提高整体的光纤耦合性能。

背景技术

上世纪80年代以来，随着半导体材料生长技术、激光器封装和制冷技术的进步，大功率、长寿命、高封装密度的大功率半导体激光器逐渐成熟。近年来，具有输出功率高、体积小、寿命长等优点的半导体激光器迅速地发展起来，在工业、科研、医药等诸多领域，诸如工业激光加工、焊接、泵浦固体激光器、激光手术等许多方面得到越来越广泛的应用。但是半导体激光器固有的光束质量差，光亮度低，利用光束整形技术，改善光束特性，就是一个热点的研究方向。光束整形可以显著改善半导体激光器的光束质量，而且可以极大降低光纤耦合输出的难度，可以实现较小尺寸光纤的耦合输出，提高光纤耦合输出的光亮度。

半导体激光器单管发出的光在垂直于PN结方向(快轴方向)和平行于PN结方向(慢轴方向)的光束质量相差很大。快轴方向发散角约为40度，发光区约为1μm，为衍射极限高斯光束，M²因子约等于1，而慢轴方向发散角约为6.5度，发光区约为150μm，为多模高斯光束，M²因子约等于30，由于快轴发散角太大，导致发出的光束在传播方向上迅速的发散，在许多需要高功率密度的场合以及需要在稍远的距离上使用的情况下都无法直接使用。针对这一情况，我们首先采用了微透镜对半导体激光器单管的输出光进行整形，减小其快轴方向的发散角，然后采用了特殊的光学器件以及光路实现了多个半导体激光器单管的光束重排，减小了快慢轴M2因子的差别，极大的改善了器件的光纤耦合性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种LD单管光束整形模块，具有简单易行，成本低廉的优点。

本发明提供一种LD单管光束整形模块，包括：

一个热沉，该热沉为矩形体，该热沉的顶部的对角方向开有一个对角槽，在对角槽的一侧与对角槽平行开有另一个凹槽，在热沉上的对角槽相邻的两侧壁上分别各开有两个固定螺孔；

四个半导体单管准直模块，分别固定在热沉开有螺孔的侧壁上，所述的热沉与半导体准直模块之间通过塑料螺钉固定，两者之间衬有导热绝缘胶；

一第一玻璃整形镜，插置于热沉上的对角槽内；

一第二玻璃整形镜，插置于热沉上的对角槽内，该第一玻璃整形镜与该第二玻璃整形镜相隔一预定距离；

一第三玻璃整形镜，插置于热沉上的凹槽内。

其中半导体单管准直模块包括：

一个半导体单管；

一光学准直器件，固定半导体单管的传播方向上。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1是LD单管光束整形模块的结构图；

图2是图1中热沉11的另一方向结构图；

图3是LD单管光束整形模块的原理示意图；

图4a、b、c为三种玻璃整形镜的结构示意图；

图5是玻璃整形镜中折射原理图；

图6是热沉螺孔设计原理图。

具体实施方式

请参阅图1和图2所示，本发明提供了一种LD单管光束整形模块的结构。

LD单管光束整形模块，包括：一个热沉11，采用紫铜材料制作，主要是为了满足该模块的散热要求，该热沉11为矩形体，其顶部的对角方向开有一个对角槽111，第一、第二玻璃整形镜16、17固定于其中，两者之间相隔一预定的距离，在对角槽111的一侧与对角槽111平行开有另一个凹槽112，第三玻璃整形镜18固定于其中，三个整形镜具有不同的透视反射区域，半导体单管准直模块19的出射光，在三个玻璃整形镜之间发生折射反射，从而改变其光束的空间相对位置，实现光束整形的目的。在热沉11上的对角槽111相邻的两侧壁上分别各开有两个固定螺孔113、114、115、116，每个螺孔在热沉11的侧壁上的相对位置都不相同，其具体的设计方法在本发明涉及的原理中有详细的叙述。半导体单管准直模块19，由一个半导体单管191、一光学准直器件192组成，其中光学准直器件192固定半导体单管191的传播方向上，被用来准直半导体单管的快轴方向的输出光。四个半导体单管准直模块19被用螺钉固定与热沉11的两个相邻侧壁上。本发明为了实现四个半导体单管准直模块19能方便搭建成一个电学回路的要求，将半导体单管准直模块19与热沉11之间做了导热绝缘处理。

本发明的制作方法如下：

第一步：制作半导体单管准直模块19(参阅图1)

选取合适的固定夹具，分别固定半导体单管191以及光学准直器件192，调整光学准直器件192与半导体单管191之间的相对位置，使光学整形元件达到为半导体单管191准直的效果，然后将两者固定，形成半导体单管准直模块。其中光学准直器件192由微透镜和一个支架构成。该模块的输出光在快轴方向(垂直于PN结方向)为近平行光，在慢轴方向(平行于PN结方向)则仍然保持半导体激光器光束原有的性质。

第二步：将半导体单管准直模块19与热沉11组装成单管光束整形模块(参阅图1及图2)

将四个半导体单管准直模块19分别固定于热沉11侧面的四个固定螺孔113、114、115、116中(图3中为A、B、C、D)，两者之间衬以导热绝缘胶，使两者绝缘。调整模块与热沉的相对位置，然后用塑料螺钉将两者固定，待四个半导体单管准直模块19都固定好后，用铜导线将四个半导体单管准直模块19连接成回路。

根据四个半导体单管准直模块19输出光的位置，将三个玻璃整形镜分别固定与热沉11的两个槽中，调整其位置，最后固定，整个器件制作完成(图1)。

本发明的设计原理：

半导体单管准直模块19的设计原理(图1)

应用了一个微透镜实现了压缩半导体单管快轴方向发散角的目的。

一个微透镜相当于一个凸透镜，当光源位于其焦点位置时，经过微透镜后输出光为近平行光。光学准直器件192正是基于这一原理设计的，装调中通过调节光学准直器件192与半导体单管191光源的位置，实现近平行光的输出。

单管光束整形模块的设计原理

应用了折射反射原理将四个半导体准直模块的输出光叠加到一起，实现提高输出光亮度的目的。

其中的关键器件热沉11，参见图2，在其侧面开有四个具有不用高度的固定螺孔113、114、115、116，用以固定半导体单管准直模块19，使之输出光具有不用的高度，在其顶部开有两个45度的对角槽，用以固定玻璃调整镜，整形镜的不用区域镀有类型的反射膜，具体情况参见图4a、图4b、图4c，其中白色区域镀制有增透膜，蓝色区域镀有反射膜，整形镜被固定在槽中后，即可实现对不同的高度半导体单管准直模块19的输出光的选通作用，照射在反射区的光被整形镜反射，照在投射区的光直接穿过镜片，光路图也可参见图3。

热沉11侧面固定孔的设计：

垂直方向热沉11地面的方向螺孔位置设计由于在本发明装置中，单管光束整形模块的输出光在快轴方向为近平行光，在如图3所示的光路中光束宽度小于0.5mm，所以选取的A、B、C、D固定孔在Z轴的间距取为0.5mm，A、B、C、D距离顶部距离分别为3.5mm，4mm，4.5mm，5mm，当半导体单管准直模块19固定于在孔中后，其输出的光在Z轴方向也具有0.5mm的间距。

热沉11侧壁固定孔设计

侧壁固定孔设计的目的在于，保证四束光经过反射折射后能在空间上实现重叠。

首先确定光束在经过玻璃整形镜时发生的偏折(参考图5)，设玻璃厚度为d，入射角为θ₁，折射角为θ₂，由折射定律可知

\frac{{\sin θ}_{1}}{\sin θ_{2}} = \frac{n_{2}}{n_{1}}

其中θ₁为入射角，θ₂为折射角，n₁为入射介质折射率，n₂为折射介质折射率。实验中从空气入射，所以n₂取1。由几何关系可知

而

\frac{o_{2} b}{d} = \tan θ_{1},

所以ab＝o₂b-o₂a＝d(tanθ₁-tanθ₂)，ac＝abcosθ₁，ac即为经过玻璃镜之后两束光产生的距离。

参考图6，四只半导体单管准直模块19分别被固定在四个固定孔A、B、C、D，其中OA₂-QA＝ac，设QA＝m₁，设E₁E₂＝m₂，则，QB＝QA+m₂＝m₁+m₂

图中的对角槽宽与整形镜厚度一致，为d，

所以

E_{1} A_{2} = O A_{2} - {OE}_{1} = m_{1} + ac - \frac{\sqrt{2}}{2} d,

所以

A_{1} A_{2} = E_{1} A_{2} = m_{1} + ac - \frac{\sqrt{2}}{2} d,

CP = C_{1} B_{1} = C_{1} C_{2} + A_{1} A = m_{1} + ac - \frac{\sqrt{2}}{2} d_{2} + m_{2},

DP＝A1A2-ac，由此四个侧面的螺孔的位置已经确定。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求书所界定的为准。

Claims

1.一种LD单管光束整形模块，包括：

一第一玻璃整形镜，插置于热沉上的对角槽内；

一第三玻璃整形镜，插置于热沉上的凹槽内。

2.根据权利要求1所述的LD单管光束整形模块，其中半导体单管准直模块包括：

一个半导体单管；

一光学准直器件，固定半导体单管的传播方向上。