CN101893752B - 准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜及其制造方法。透镜的前表面分为两个部分，第一部分为非球面折射结构，用于准直发散角较小的光束，第二部分为折反射结构，用于准直发散角较大的光束，其中反射面满足全内反射条件；透镜的后表面为平面。不仅可将半导体激光器的出射光束全部收集，而且准直后的光束以近乎0°入射角从折反射柱透镜后表面出射，大大地提高了光学效率。透镜采用塑胶或玻璃材料制作，可采用注塑法等一次成型工艺制作完成。具有设计简单、结构紧凑、成本低廉、可大规模制造、调节方便等优点。

Description

准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜及其制造方法

技术领域

本发明适用于半导体激光器光束整形领域，特别涉及一种准直半导体激光器快轴光束的柱透镜及其制造方法。

背景技术

半导体激光器(Laser Diode，简称LD)输出光束的主要特点是在水平方向(习惯称作“慢轴”)光束发散角小(约8-10度，FWHM)、发光区厚(条阵约1cm)；在垂直方向(习惯称作“快轴”)光束发散角大(约36-40度，FWHM)、发光区薄(约1μm)。由于半导体激光器发散角较大，因此在实际应用之前对其进行准直是必须的。由于半导体激光器的快慢轴发散角不一致、且束腰位置也不一致，因此在精密整形中常常把半导体激光器的快慢轴分别准直。慢轴方向发散角较小，因此可采用数值孔径较小(比如NA≈0.1)的微透镜准直(对于条阵和面阵LD，一般采用微透镜阵列准直)。对于快轴方向，由于发散角较大，因此需要一块高折射率材料制作的、大数值孔径(比如NA＞0.7)的柱透镜实现发散角的压缩。从设计层面上讲，这种大数值孔径的柱透镜由于孔径角较大，因此透镜的球差校正困难，需要采用昂贵的高折射率材料(比如OHARA玻璃库中的TIH-53，折射率约1.83)、非球面面型、双面均有光焦度才能完成发散角的压缩；从制造层面上讲，其一、这种大数值孔径微透镜主要通过高精度的研磨工艺完成，比如一般需要亚微米精度的研磨或者带有硬金属模具的超声波面形修正技术(详见Roland Diehl，High-Power DiodeLasers：Fundamentals，Technology，Applications，Springer-Verlag Heidelberg，2000.)；其二、由于透镜数值孔径较大，使增透膜的设计困难，难于提高透过率。

综上所述，由于材料和制作成本较高，且生产效率较低，快轴准直非球面微透镜的销售价格一直居高不下，且主要依赖进口。为避免使用这种高成本的快轴准直镜，国内外一些LD制造商和科研机构采用廉价的光纤棒来实现准直。但光纤棒是圆柱面结构，难于校正球差，因此准直效果较差，主要应用于一些对LD准直整形要求不高的场合；对于LD的高端应用，比如LD的小芯径光纤耦合系统、照明系统，必须使快轴方向的光束得到很好的准直。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的上述不足，研制一种制造简单、成本低廉、可大规模生产且使用调节方便的折反射柱透镜，以全方位地实现半导体激光器快轴光束的准直。

本发明折反射柱透镜由前表面和后表面所构成。后表面为平面结构。前表面由非球面、折射面和全反射面所构成。非球面的面型R(y，z)上：光线与透镜光轴之间的夹角θ(即孔径角)、第i个采样点的表面切角β_Ri和透镜材料的折射率n之间的关系式(一)为：sin(θ+β_Ri)＝nsin(β_Ri)，其中临界孔径角θ_max根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定；第i个采样点的表面切角θ_Ri与非球面面型坐标R(y，z)的关系式(二)为：

折射面的面型为平面结构，折射面与透镜光轴之间的夹角θ_c＞0。全反射面的面型Q(y，z)上：光线与透镜光轴之间的夹角θ(即孔径角)、折射面与透镜光轴之间的夹角θ_c、第i个采样点的表面切角β_Qi和透镜材料的折射率n之间的关系式(三)为：

第i个采样点的表面切角β_Qi与全反射面面型坐标Q(y，z)的关系式(四)为：

本发明折反射柱透镜的制造方法，由下述步骤所组成：

((1)确定非球面面型：确定透镜材料，选取透镜顶点与半导体激光器发光区的距离，利用上述关系式(一)和关系式(二)通过迭代算法确定其面型分布，计算光线在非球面上每一点的入射角θ_R，根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定临界孔径角θ_max；

(2)计算光线在折射面的入射角θ_d，并根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定折射面的倾斜角θ_c；

(3)确定全反射面的面型：按照每一点的入射角θ_Q大于或等于全反射角θ_TIR的要求，利用所述的关系式(三)和关系式(四)，通过迭代算法和调整θ_c确定其面型分布；

(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产。

用于面阵半导体激光器时，其折反射柱透镜的口径应小于或等于面阵半导体激光器的排列周期值。

透镜可采用廉价的低折射率材料制作，比如PMMA、PC或者K9玻璃。制作工艺可采用注塑等一次成型工艺完成，也可采用精密的自由曲面加工车床加工完成。

利用本发明准直半导体激光器快轴光束时，将本发明所述的折反射柱透镜置于半导体激光器之前，其前表面贴近半导体激光器，其柱面方向沿半导体激光器的慢轴方向，适当调整

相对位置，用结构胶固定。工作时，折反射柱透镜前表面的非球面将半导体激光器快轴方向发散角较小的部分光束实现准直、其折射面将半导体激光器快轴方向发散角在(θ_max～90)°范围的光线折射至全反射面予以准直，经过前表面准直后的光束沿半导体激光器光轴方向以近乎0°入射角从折反射柱透镜后表面出射。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

1、本发明所涉及的折反射柱透镜可采用廉价的塑胶材料或者低折射率玻璃制作，且可以通过一次成型工艺(比如注塑工艺)完成，非常有利于成本的降低和高效率生产；

2、本发明所涉及的折反射柱透镜可将LD的出射光束(±90°，相应于NA＝1)全部收集，提高了LD准直镜的光学效率；

3、传统的大数值孔径透镜的边缘部分的入射角较大，因此透过率较低，使得透镜增透膜的膜系设计困难，镀膜成本提高，本发明所涉及的折反射柱透镜通过折射面将发散角较大的边缘光束以较小的折射角折射至全反射面，且准直后的光束以近乎0°入射角穿过后表面，因此透镜两个面的透过率都较高，提高了LD准直镜的光学效率；

4、由于本发明折反射柱透镜前表面的折射面与透镜光轴之间设有一定的夹角θ_c，不仅有利于脱膜，还可在使用时配合调整其它参数；

5、本发明可采用注塑工艺一次成型技术加工透镜，因此在结构和面型设计上有较大的自由度，可将透镜与LD配合的装夹也做成一体，可大大降低快轴调节对准的难度，提高了激光器准直装配的工作效率。

附图说明

图1是本发明折反射柱透镜的结构原理图；

图2是本发明折反射柱透镜的工作原理图；

图3是本发明折反射柱透镜准直半导体激光器快轴方向输出光束的原理图，同时也是本发明实施例1的原始比例空间立体结构图；

图4是本发明中由光线走向确定透镜前表面的非球面面型的示意图；

图5是本发明中由光线走向确定透镜前表面的全反射面面型的示意图；

图6是本发明折反射柱透镜阵列准直面阵半导体激光器快轴方向输出光束的原始比例空间立体结构图；

图7是图6的侧面结构示意图；

附图中：1为折反射柱透镜的后表面，2为折反射柱透镜前表面的非球面，3为折反射柱透镜前表面的折射面，4为折反射柱透镜前表面的全反射面，5为半导体激光器，6为半导体激光器的发光区，7为折反射柱透镜/透镜阵列，8为折反射柱透镜的光轴，O为透镜侧面看到的激光器快轴发光区(近似为一点)，A为折反射柱透镜顶点，θ为孔径角(即光线与透镜光轴的夹角)，β_Ri为折反射柱透镜前表面的非球面上第i个采样点的表面切角，R(y，z)为折反射柱透镜前表面的非球面面型坐标，β_Qi为折反射柱透镜前表面的反射面上第i个采样点的表面切角，Q(y，z)为折反射柱透镜前表面的反射面面型坐标，θ_R为光线在非球面R(y，z)点处的入射角，θ_Q为光线在全反射面Q(y，z)点处的入射角，θ_TIR为全反射面的全反射角，θ_d为光线在折射面上的入射角。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

半导体激光器的发光部分称作发光区(emitter)，发光区的厚度约为1μm，长度依据功率不同、从2μm至200μm不等。只有一个发光区的激光器称作单管激光器，另外还有条阵半导体激光器和面阵半导体激光器。条阵半导体激光器通常是由若干个发光区沿慢轴方向按一定间隔排列组成的，发光区间隔约为500μm，发光区的数量一般为19个；面阵半导体激光器由若干个条阵半导体激光器沿快轴方向周期排列，排列周期从数百μm到几个mm不等。由此可见，不管是单管、条阵还是面阵半导体激光器，其在快轴方向的发光特性都是一样的，因此均可以用本发明所设计的折反射柱透镜实现快轴准直。

图1是本发明折反射柱透镜的结构原理图，图2给出了折反射柱透镜的工作原理图。透镜中靠近激光器一端的表面2、3、4称为前表面，远离激光器的一端1称作后表面。折反射柱透镜的后表面1为平面，因而没有光焦度；前表面由三部分组成：非球面2、折射面3和全反射面4。透镜的光轴8和激光器的光轴重合，非球面2将孔径角在±θ_max范围内的光束准直，折射面3和全反射面4将±(90-θ_max)°范围内的光束准直，从而实现收集了±90°范围内的所有光束。对比传统非球面快轴准直镜可以发现，传统快轴准直镜不仅收集不到±90°范围内的光束，而且需要相对昂贵的高折射率材料来获取尽可能大的数值孔径。

如图4所示，非球面2的面型由折射定律公式(即上述关系式一)确定：

sin(θ+β_Ri)＝nsin(β_Ri)(1)

式(1)中，θ为孔径角，即光线与透镜光轴的夹角；β_Ri为非球面2上第i个采样点的表面切角，n为透镜材料的折射率。解方程(1)可得到与孔径角θ对应的、非球面2上不同点表面的切角β_Ri，而β_Ri与非球面2的面型坐标R(y，z)的关系(即上述关系式二)为：

$\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ri}}=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dy}}\≈\frac{z_i-z_{i-1}}{y_i-y_{i-1}}---\left(2\right)$

联合方程式(1)和(2)可得到非球面2的面型R(y，z)。

临界角θ_max的选择依据为：要保证该面的透过率与正入射情形接近。对于PMMA材料来说，非球面2的入射角＜45°时，基本能保证透过率(约95％)与正入射透过率(约96％)接近。

前表面的折射面3是平面结构，其作用是将孔径角大于θ_max的光束折射至全反射面4。为保证脱模方便、以及为配合透镜其他参数调整，折射面3与光轴之间有一定夹角θ_c，且夹角θ_c＞0。如图5所示，全反射面4的面型Q(y，z)是由经过折射面3后的折射光线的方向以及反射定律公式(即上述关系式三和关系式四)来确定的：

$\tan {\mathrm{\β}}_{Q_i}=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dy}}\≈\frac{z_i-z_{i-1}}{y_i-y_{i-1}}---\left(4\right)$

由以上公式可确定全反射面4的面型Q(y，z)。式中θ_c可适当调整，以保证全反射条件。全反射条件对应的全反射角θ_TIR为

θ_TIR＝sin^-1(1/n)                                     (5)

透镜可采用廉价的低折射率材料制作，比如PMMA、PC或者K9玻璃。制作工艺可采用注塑等一次成型工艺完成，也可采用精密的自由曲面加工车床加工完成。

实施例1

本实施例为准直条阵大功率半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜，其具体制造方法如下：

(1)求解非球面2的面型。采用PMMA材料，选取透镜顶点A与LD发光区O的距离OA为0.5mm，利用公式(1)和(2)通过迭代算法确定其面型分布。然后计算面型上每一点的入射角θ_R，选取入射角小于45°所对应的孔径角θ_max为临界孔径角，相应非球面2的面型只取孔径角小于θ_max的部分。本实施例中取θ_max＝17°。

(2)确定折射面3的倾斜角θ_c。折射面3的倾斜角θ_c的确定原则为尽量保证入射角θ_d小于45°；如因为透镜尺寸太大等原因无法保证时，优先保证孔径角相对较小的部分满足条件，因为孔径角较小对应于入射光能量较大的部分。本实施例中取θ_c＝28°。

(3)确定全反射面4的面型。利用公式(3)和(4)通过迭代算法确定其面型分布，然后计算每一点的入射角θ_Q，要求每一点的入射角θ_Q≥全反射角θ_TIR；若不满足，通过调整θ_c重新确定其面型分布。

(4)利用上述步骤得到的面型数据，采用精密的自由曲面加工车床加工成产品。

将本发明折反射透镜置于LD之前，适当调整方位以保证透镜处于最佳位置，然后将快轴镜点胶固定于管壳上，构成条阵LD快轴准直系统。

图3是本发明实施例1的折反射透镜实现条阵半导体激光器快轴准直的空间立体结构图，半导体激光器5的发光区6发的光束经过折反射柱透镜7后，快轴方向的发散光束中，孔径角较小的部分通过非球面2得到准直，孔径角较大的部分通过折射面3和全反射面4得到准直。为清晰的看到折反射柱透镜准直快轴光束的效果图，图2给出了本实施例准直系统的侧面分布。

实施例2

本实施例为准直面阵半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜。其面阵半导体激光器由10个条阵半导体激光器沿快轴方向排列组成，排列的周期为1mm。采用折反射柱透镜阵列实现准直。受面阵半导体激光器排列周期的影响，单个柱透镜的口径不能超过周期值，即本例中的1mm。所以，透镜顶点与LD发光区的距离OA、临界孔径角θ_max、倾斜角θ_c的选择均需考虑所形成的透镜的口径不能超过1mm。在此基础上，具体制造方法如下：

(1)求解非球面2的面型。采用PMMA材料，选取透镜顶点A与LD发光区O的距离OA为0.2mm，利用公式(1)和(2)通过迭代算法确定其面型分布。然后计算面型上每一点的入射角θ_R，选取入射角θ_R小于45°所对应的孔径角θ_max为临界孔径角，相应非球面7的面型只取孔径角小于θ_max的部分。本实施例中取θ_max＝18.4°。

(2)确定折射面3的倾斜角θ_c。折射面3的倾斜角θ_c的确定原则为尽量保证入射角θ_d小于45°；如因为透镜尺寸太大等原因无法保证时，优先保证孔径角相对较小的部分满足条件，因为孔径角较小对应于入射光能量较大的部分。本实施例中取θ_c＝28°。

(3)确定全反射面4的面型。利用公式(3)和(4)通过迭代算法确定其面型分布，然后计算每一点的入射角θ_Q，要求每一点的入射角θ_Q≥全反射角θ_TIR；若不满足，通过调整θ_c重新确定面型分布。

(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产：

a，将面型数据进行构造面域、拉伸、修剪等三维建模操作，构造成三维实体并导入光线追迹程序进行模拟仿真。

b，利用面型数据制造模具，通过注塑等一次成型工艺制作所需的折反射柱透镜阵列

将折反射柱透镜阵列置于面阵半导体激光器之前，适当调整方位以保证透镜处于最佳位置，然后将快轴镜点胶固定于管壳上，构成面阵LD快轴准直系统。

图6是本实施例的折反射柱透镜阵列实现面阵半导体激光器快轴准直的空间立体结构图，半导体激光器5发出的光束经过折反射柱透镜阵列7后，快轴方向的发散光束中，孔径角较小的部分通过非球面得到准直，孔径角较大的部分通过折反射面得到准直。为清晰的看到折反射柱透镜阵列在准直系统的相对位置，图7给出了本实施例准直系统的侧面分布。

Claims (3)

1.一种准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜，由前表面和后表面所构成，其特征在于：所述的后表面为平面结构，所述的前表面由非球面、折射面和全反射面所构成，且：

(1)非球面面型R(y，z)上：光线与透镜光轴之间的夹角θ即孔径角、第i个采样点的表面切角β_Ri和透镜材料折射率n之间的关系式(一)为：sin(θ+β_Ri)＝n sin(β_Ri)，其中临界孔径角θ_max根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定；第i个采样点的表面切角β_Ri与非球面面型坐标R(y，z)的关系式(二)为： $\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{Ri}}=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dy}}\≈\frac{z_i-z_{i-1}}{y_i-y_{i-1}};$

(2)折射面面型为平面结构，折射面与透镜光轴之间的夹角θ_c＞0；

(3)全反射面面型Q(y，z)上：光线与透镜光轴之间的夹角θ即孔径角、折射面与透镜光轴之间的夹角θ_c、第i个采样点的表面切角β_Qi和透镜材料的折射率n之间的关系式(三)为：

第i个采样点的表面切角β_Qi与全反射面面型坐标Q(y，z)的关系式(四)为：

$\tan {\mathrm{\β}}_{\mathrm{Qi}}=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dy}}\≈\frac{z_i-z_{i-1}}{y_i-y_{i-1}}.$

2.一种制造权利要求1所述准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜的方法，其特征在于由下述步骤所组成：

(1)确定非球面面型：确定透镜材料，选取透镜顶点与半导体激光器发光区的距离，利用所述的关系式(一)和关系式(二)通过迭代算法确定其面型分布，计算光线在非球面上每一点的入射角θ_R，根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定临界孔径角θ_max；

(2)计算光线在折射面的入射角θ_d，并根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定折射面的倾斜角θ_c；

(3)确定全反射面的面型：按照每一点的入射角θ_Q大于或等于全反射角θ_TIR的要求，利用所述的关系式(三)和关系式(四)，通过迭代算法和调整θ_c确定其面型分布；

(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产。

3.如权利要求2所述的一种制造准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜的方法，其特征在于：所述的折反射柱透镜的口径小于或等于面阵半导体激光器的排列周期值。

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