CN102082394B - 一种大功率半导体激光偏振耦合装置及其耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种半导体激光偏振耦合装置，属于激光光电子及其应用领域。该装置包括二分之一波片(2)，分光偏折棱镜(3)，渥拉斯顿棱镜(4)。半导体激光器发出的线偏振光(1)通过该装置，一半光束经过二分之一波片(2)偏振方向旋转π/2，另一半光束偏振方向不变，两半光束经过分光偏折棱镜(3)发生偏折出射，到达渥拉斯顿棱镜(4)，光束继续发生偏折，分光棱镜的结构角和渥拉斯顿棱镜的结构角满足平行光出射的条件，调整光路，输出一束部分偏振平行光，可实现压缩半导体激光光束的尺寸，提高其亮度和光束质量。本发明可以实现千瓦量级以上功率的高亮度高光束质量激光输出，结构简单，易于实现，成本低廉，可以满足不同的应用需求。
Description
技术领域
本发明是通过分光偏折棱镜与渥拉斯顿棱镜对大功率半导体激光器的输出光束进行偏振耦合，改善输出光束亮度和光束质量的一种装置，属于激光光电子及其应用领域。
背景技术
半导体激光器因其体积小、光电转换率高及寿命长等优点而广泛应用于各个领域。尤其是高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激光器，在材料加工、泵浦固体激光器以及在军事、医疗等领域，都有着广泛的应用和较大的发展前景。所以如何实现高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激光器就成为一个热点问题。半导体激光阵列(这里包括一维半导体激光阵列和二维半导体激光阵列即半导体激光叠层阵列——堆栈)是实现大功率激光输出的有效技术途径。由于半导体激光阵列的各发光单元是非相干的，所以激光器的输出光在空间上也是非相干，导致其光束质量差，从而限制了大功率半导体激光器的应用范围。既要保证高亮度的激光输出同时又要保证高光束质量的半导体激光器的光束合束技术是一难点问题，因此需要一种有效的半导体激光合束技术来实现。现在通常采用对半导体激光器光束的快慢轴准直和光束整形的方法来改善大功率半导体激光器的输出激光的光束质量，但是要进一步压缩大功率半导体激光器的输光束的尺寸和提高压缩大功率半导体激光器的输出激光的亮度和光束质量很困难。采用压缩大功率半导体激光器的输出光束尺寸的方法可以进一步提高半导体激光器的的亮度和光束质量，从而满足不同的实际应用。
发明内容
为了使大功率半导体激光器经过快慢轴光束整形之后输出更高亮度更小光束尺寸的激光，本发明提出了一种新的半导体激光偏振耦合技术及输出装置。该发明采用二分之一波片、分光偏折棱镜以及渥拉斯顿棱镜，半导体激光器输出线偏振光，其中通过一片二分之一波片后旋转π/2的一半光束，与另一半未经过二分之一波片、保持原来偏振方向的光束垂直入射到分光偏折棱镜再偏折输出，然后以一定的角度入射到渥拉斯顿棱镜的第一面，设置分光偏折棱镜的结构角以及渥拉斯顿棱镜的结构角，根据斯涅尔定律以及渥拉斯顿棱镜的工作原理，实现两部分光在渥拉斯顿棱镜的同一端面平行出射，调整光路，可以实现不同尺寸的光束输出，以满足实际应用的不同要求。
本发明提供了一种大功率半导体激光偏振耦合装置，该装置包括二分之一波片2，分光偏折棱镜3，渥拉斯顿棱镜4，其中二分之一波片2，分光偏折棱镜3，渥拉斯顿棱镜4垂直于光束传播方向安放，分光偏折棱镜3的顶角通过线偏振光的中心线。
根据渥拉斯顿棱镜使用的晶体类型的不同，该装置中的二分之一波片2有四种不同的安放位置，分别是：a.二分之一波片2安放于半导体激光器发出的线偏振光1的一半光束I与分光偏折棱镜3的侧面I’之间，其中二分之一波片2的下端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上；b.二分之一波片2安放于半导体激光器发出的线偏振光1的一半光束II与分光偏折棱镜3的侧面II’之间，其中二分之一波片2的上端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上；c.二分之一波片2安放在分光偏折棱镜3的侧面I’与渥拉斯顿棱镜4之间，其中二分之一波片2的下端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上；d.二分之一波片2安放在分光偏折棱镜3的侧面II’与渥拉斯顿棱镜4之间，其中二分之一波片2的上端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上。
根据斯涅尔定律以及渥拉斯顿棱镜4的工作原理可知，
其中
为上下两半光束经过分光偏折棱镜3后到达渥拉斯顿棱镜4第一面的入射角，n为分光偏折棱镜3材料的折射率，
为分光偏折棱镜3上下两个结构角，θ为渥拉斯顿棱镜4结构角，no，ne分别为渥拉斯顿棱镜4的常光、非常光的折射率，二者与入射的半导体激光器的波长有关。由上述方程可知，设置分光偏折棱镜3结构角
以及渥拉斯顿棱镜4结构角θ，调整光路，实现额定尺寸的部分偏振的平行光输出，其尺寸与分光偏折棱镜3和渥拉斯顿棱镜4的相对位置有关。
该耦合装置所采用的二分之一波片2和分光偏折棱镜3的输入输出端面以及渥拉斯顿棱镜4的两片镜子的胶合面镀有大功率半导体激光波段的增透膜；渥拉斯顿棱镜4的晶体材料为正单轴晶体或负单轴晶体。
本发明还提供了一种利用上述装置进行大功率半导体激光偏振耦合的方法，包括以下步骤：
A、半导体激光器输出线偏振光1，其偏振方向为p方向(平行于纸面方向)或s方向(垂直于纸面方向)，一半光束I，一半光束II；
B、二分之一波片2将半导体激光器发出的一半光束I的偏振方向旋转π/2，再与半导体激光器发出的另一半光束II一同入射到分光偏折棱镜3的入射面发生偏折；
C.光束(I)和光束(II)分别进入分光偏折棱镜(3)；
D.光束(I)和光束(II)继续传播至渥拉斯顿棱镜(4)后合成一束平行光出射。
本发明具有以下有益效果：
本发明采用分光偏折棱镜和渥拉斯顿棱镜实现光束的偏振耦合输出，入射到渥拉斯顿棱镜的两部分光的偏振方向相互垂直，合成的出射光的光束尺寸小于初始激光的光束尺寸，且出射光是由两个相互垂直偏振方向的光组成的部分偏振光，因此输出光束的强度是两部分入射光的叠加，提高了光束质量和光功率密度，从而实现了满足较好光束质量下的高亮度高功率激光输出。
附图说明
图1本发明第一种实施方式的光路原理图；
图2本发明第二种实施方式的光路原理图；
图3本发明第三种实施方式的光路原理图；
图4本发明第四种实施方式的光路原理图；
图中1为半导体激光器发出的线偏振光，2为二分之一波片，3为分光偏折棱镜，4渥拉斯顿棱镜，I为半导体激光器发出的线偏振光1的一半光束，II为半导体激光器发出的线偏振光1的另一半光束，I’为分光偏折棱镜的一个侧面，II’为分光偏折棱镜的另一个侧面。
具体实施方式
结合图1、图2、图3、图4，具体说明本发明的实施方式：
实施例1：
图1为二分之一波片2安放在半导体激光器发出的激光的一半光束I和分光偏折棱镜3的侧面I’之间的情况，其中二分之一波片2的下端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上；半导体激光器发出的激光的一半光束I在经过二分之一波片2之前为p光(偏振方向平行于纸面的偏振光)，经过二分之一波片2之后偏振方向变化π/2，变为s光(偏振方向垂直于纸面的偏振光)，半导体激光器发出的激光的一半光束II为p光，经过偏折棱镜之后，一束s光和一束p光入射到渥拉斯顿棱镜4后合成一束部分偏振的平行光出射。
实施例2：
图2为二分之一波片2安放在半导体激光器发出的激光的一半光束II和分光偏折棱镜3的侧面II’之间的情况，其中二分之一波片2的上端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上；半导体激光器发出的激光的一半光束I为p光，半导体激光器发出的激光的一半光束II在经过二分之一波片2之前为p光，经过二分之一波片2之后偏振方向变化π/2，变为s光，经过偏折棱镜之后，一束s光和一束p光入射到渥拉斯顿棱镜4后合成一束部分偏振的平行光出射，其中渥拉斯顿棱镜使用的晶体材料为负单轴晶体。
实施例3：
图3为二分之一波片2安放在分光偏折棱镜3的侧面I’与渥拉斯顿棱镜4之间的情况，其中二分之一波片2的下端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上，此种情况与实施例1的原理相同；
实施例4：
图4为二分之一波片2安放在分光偏折棱镜3的侧面II’与渥拉斯顿棱镜4之间的情况，其中二分之一波片2的上端放置位置位于分光偏折棱镜3的中心线上，此种情况实施例2的原理相同。
图1、图2、图3、图4中的半导体激光器发出的线偏振光为p光，对于s光，图1的情况变为图2的情况，图2的情况变为图1的情况，图3的情况变为图4的情况，图4的情况变为图3的情况。
图1、图2、图3、图4中使用的渥拉斯顿棱镜的晶体材料为负单轴晶体。对于正单轴晶体的情况，置换图1、图2、图3、图4中渥拉斯顿棱镜的两块镜子的晶轴方向即可。根据渥拉斯顿棱镜的工作原理，和实际应用需要，设计满足平行光出射所需要的分光偏折棱镜与渥拉斯顿棱镜的结构角的大小，调整系统光路，实现额定尺寸的平行光输出。
Claims (5)
1.一种大功率半导体激光偏振耦合装置，其特征在于，该装置包括二分之一波片(2)，分光偏折棱镜(3)，渥拉斯顿棱镜(4)，其中二分之一波片(2)，分光偏折棱镜(3)，渥拉斯顿棱镜(4)垂直于光束传播方向安放，分光偏折棱镜(3)的顶角通过线偏振光的中心线。
2.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光偏振耦合装置，其特征在于，所述的二分之一波片(2)有四种不同的安放位置，分别是：a.二分之一波片(2)安放于半导体激光器发出的线偏振光(1)的一半光束(I)与分光偏折棱镜(3)的侧面(I’)之间，其中二分之一波片(2)的下端放置位置位于分光偏折棱镜(3)的中心线上；b.二分之一波片(2)安放于半导体激光器发出的线偏振光(1)的另一半光束(II)与分光偏折棱镜(3)的另一侧面(II’)之间，其中二分之一波片(2)的上端放置位置位于分光偏折棱镜(3)的中心线上；c.二分之一波片(2)安放在分光偏折棱镜(3)的侧面(I’)与渥拉斯顿棱镜(4)之间，其中二分之一波片(2)的下端放置位置位于分光偏折棱镜(3)的中心线上；d.二分之一波片(2)安放在分光偏折棱镜(3)的另一侧面(II’)与渥拉斯顿棱镜(4)之间，其中二分之一波片(2)的上端放置位置位于分光偏折棱镜(3)的中心线上。
3.根据权利要求1或2所述的一种大功率半导体激光偏振耦合装置，其特征在于，所述的分光偏折棱镜(3)的结构角
根据下列公式确定：
式中
为上下两半光束经过分光偏折棱镜(3)后到达渥拉斯顿棱镜(4)第一面的入射角，n为分光偏折棱镜(3)材料的折射率，
为分光偏折棱镜(3)上下两个结构角，θ为渥拉斯顿棱镜(4)结构角，no，ne分别为渥拉斯顿棱镜(4)的常光、非常光的折射率。
4.根据权利要求3所述的一种大功率半导体激光偏振耦合装置，其特征在于，所采用的二分之一波片(2)和分光偏折棱镜(3)的输入输出端面以及渥拉斯顿棱镜(4)的两片镜子的胶合面镀有大功率半导体激光波段的增透膜；渥拉斯顿棱镜(4)的晶体材料为正单轴晶体或负单轴晶体。
5.利用权利要求1所述大功率半导体激光偏振耦合装置进行激光偏振耦合的方法，其特征在于，包括以下步骤：
A.半导体激光器输出一束线偏振激光(1)，其偏振方向为p方向或s方向，一半光束(I)，另一半光束(II)；
B.二分之一波片(2)将半导体激光器发出的激光的一半光束(I)的偏振方向旋转π/2，半导体激光器发出的激光的另一半光束(II)偏振方向不变；
C.一半光束(I)和另一半光束(II)分别进入分光偏折棱镜(3)；
D.一半光束(I)和另一半光束(II)继续传播至渥拉斯顿棱镜(4)后合成一束平行光出射。
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