CN102162932A - 用于半导体激光器的准直器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的准直器，该准直器为非对称双曲面透镜，主要解决了现有技术无法同时对激光器快轴和慢轴进行准直、准直元件体积大和慢轴光束准直效果差不理想等问题。本发明可同时实现快慢轴光束准直，而且对快慢轴两个方向的光束准直度高。有利于简化半导体光学整形或耦合光学系统，减小激光光学系统的体积。

Description

用于半导体激光器的准直器

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器用准直器。

背景技术

半导体激光二极管(LD)由于具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，被广泛地应用在民用和军用各领域，如医疗、印刷、激光测距、激光制导、材料处理和加工等各个方面，特别是LD抽运的固体激光器(DPL)和光纤激光器已经成为重点的发展方向，得到了广泛的重视和研究。

但是，高功率半导体激光发出的是各向异性发散的椭圆像散光束，在快轴方向发散角半角(文中用发散角代替发散角半角)达到30°～40°时，尽管慢轴发散角较快轴小(一般5°～10°)，但其发光区尺寸较大100μm～200μm，难以直接与光纤耦合，也难以将其直接用于抽运固体激光器。为此，已有多种方法被用于改善半导体激光器的光束质量，而采用光学元件准直是半导体激光器光束整形的基础。

目前大都采用圆柱透镜对半导体激光器光束进行准直，但由于入射光束发散角较大，不能满足近轴条件，圆柱透镜又存在球差，必然影响到出射光束的准直效果。

理想情况下在将快轴方向光源近似为点光源，且令快轴光束发散角为30°时，圆柱透镜对快轴光束准直后发散角半角为1.3°(约为22mrad)；而慢轴光束宽度大，不能视为点光源，用圆柱透镜对慢轴方向光束准直效果更差，通常情况下经过准直后慢轴发散角2～3°左右；也有使用非球面透镜对快轴进行准直，准直效果较好，准直后角度可以小于5mrad，但该透镜无法同时对慢轴的准直。

目前设计的光学准直透镜的主要思路是对半导体激光器快慢轴分开准直，通常情况下快慢轴光束准直采用两种不同透镜，快轴采用非球面准直透镜，慢轴采用圆柱透镜。这两种透镜构成光束准直透镜组，这样使得半导体激光器准直系统的体积大，光学元件的固定难度，从而也增大了半导体激光器整形后的体积。

发明内容

本发明提供一种用于半导体激光器的准直器及其制备方法，主要解决了现有技术无法同时对激光器快轴和慢轴进行准直、准直元件体积大和准直效果不理想等问题。

本发明的目的是通过以下技术方案解决的：

该用于半导体激光器的准直器为非对称双曲面-平面结构；非对称双曲面为准直透镜的入射面，非对称曲面在快轴和慢轴方向可分解为曲率不同，离心率相同的两个双曲面柱面，其中e＝n，n为相对折射率；

设准直透镜快轴和慢轴方向的焦距分别为f_x和f_y，透镜快轴和慢轴对应的双曲面柱面的长半轴和短半轴均由f_x和f_y决定，设a_x和b_x分别表示快轴双曲面柱面的长半轴和短半轴，a_y和b_y分别表示慢轴双曲面柱面长半轴和短半轴，应满足

a_x＝f_x/(n+1)、 $b_x=f_x\sqrt{\frac{n-1}{n+1}},$ a_y＝f_y/(n+1)和 $b_y=f_y\sqrt{\frac{n-1}{n+1}}.$

上述准直器的入射面可以是由快轴和慢轴方向曲率不同的双曲面组成非对称双曲面，出射面和其余面为平面；

上述准直器的材质为石英玻璃、K9玻璃或者其他透明材料。

上述准直器的入射面和出射面镀有增透膜。

本发明具有以下优点：

(1)可同时实现对快轴和慢轴光束准直，减小激光光学准直系统的体积，从而减小半导体激光器整形及耦合的系统尺寸。

(2)准直效果好，通常情况下半导体激光器的快轴半发散角为35°，慢轴半发散角为5°，象散为0.5，本发明的用于半导体激光器的准直器，慢轴准直后角度可以小于8mrad，快轴小于2mrad。

(3)由于采用该准直透镜的准直度好，因此准之后的光束在用于光纤耦合时耦合效率高，且容易实现高亮度的耦合。

(4)选择合适的准直透镜参数，可以使半导体激光器光束分布对称。

(5)根据准直器可以集成为一维或者二维等阵列准直透镜用于水平线阵、垂直叠阵和面阵半导体激光器的准直。

附图说明

图1为准直器工作原理示意图；

图2为本发明的准直器实施例一结构示意图；

图3-1为2的慢轴剖面图；

图3-2为2的快轴剖面图；

图4-1为半导体激光器慢轴方向在z＝35mm未作准直的光束光强分布；

图4-2为半导体激光器快轴方向在z＝35mm未作准直的光束光强分布；

图5-1为半导体激光器经过本发明的准直器后慢轴方向在z＝1000mm光束光强分布；

图5-2为半导体激光器经过本发明的准直器后快轴方向在z＝1000mm光束光强分布；

图6为准直器原理示意图。

其中：1为半导体激光；2为激光光束；3为准直器；4为准直后激光光束；5为准直器入射面；6为准直器出射面。

具体实施方式

该准直器快轴和慢轴方向的双曲面柱面焦距、长半轴和短半轴等参数均不相同，因此该准直器为快慢轴非对称双曲面-平面透镜。

该用于半导体激光器的准直器为非对称双曲面-平面结构；非对称双曲面为准直透镜的入射面，非对称曲面在快轴和慢轴方向可分解为曲率不同，离心率相同的两个双曲面柱面，其中e＝n，n为相对折射率；

准直器的入射面可以是由快轴和慢轴方向曲率不同的双曲面柱面组成的非对称双曲面，出射面和其余面为平面；

准直器的入射面可以为快轴双曲面柱面，出射面为慢轴非球面，其余面为平面；出射面为慢轴非球面参数满足非球面方程，奇次非球面和偶次均可实现慢轴非球面设计；

准直器的入射面可以为慢轴双曲面柱面，出射面为快轴非球面，其余面为平面；出射面为快轴非球面参数满足非球面方程，奇次非球面和偶次均可实现快轴非球面设计。

设准直透镜快轴和慢轴方向的焦距分别为f_x和f_y，透镜快轴和慢轴对应的双曲面柱面的长半轴和短半轴均有由f_x和f_y决定，设a_x和b_x分别表示快轴双曲面柱面长半轴和短半轴，a_x和b_x分别表示慢轴双曲面柱面长半轴和短半轴，应满足

a_x＝f_x/(n+1)、 $b_x=f_x\sqrt{\frac{n-1}{n+1}},$ a_y＝f_y/(n+1)和 $b_y=f_y\sqrt{\frac{n-1}{n+1}}.$

下面结合附图对本发明的原理做进一步详细描述，如图6所示：

设曲面M是两种光学介质(折射率分别为n₁，n₂，且n₁＜n₂)的分界面：此面有一旋转对称轴Z轴。

一点光源位于折射率为n₁的介质中Z轴上的O点处，Z轴的正方为光束的传播方向，经过曲面M后，得到准直的平行光束。根据等光程原理，可推导出曲面M的方程为：

ρ(α)＝(n-1)ρ₀/(n cosα-1)        (1)

其中：n＝n₂/n₁＞1表示两种介质材料的相对折射率；ρ₀为O点到M面顶点的距离；α为由O发出的某一条光线与Z轴的夹角，ρ(α)为该光线与M交点到O的距离。

由解析几何可知，(1)式为以Z轴为极轴，偏心率e＝n的双曲线的极坐标方程，M是双曲线的一支，O点是双曲线另一支一侧的焦点。由此可得出如下结论：如果偏心率为相对折射率的双曲线生成的双曲面，由位于光疏介质中双曲面另一支一侧的焦点发出的，倾角不超过双曲线渐近线的光线，经本支双曲线折射后在光密介质内成为平行于双曲线实轴的平行光。

由于没有球差，双曲折射面的准直效果较之球状折射面优越。根据此原理可以制作准直效果较好的双曲面透镜。

由于半导体激光器快慢轴发光区尺寸较小(发光区尺寸1μm*100μm)，对于透镜尺寸为几个毫米的透镜快、慢轴透镜均可以看作是点光源，因此光源置于非对称双曲面-平面透镜焦点处通过透镜的折射得到准直较好的出射光。

图1为准直器工作原理示意图，将准直器3置于半导体激光器1前端，半导体激光器发出激光光束2经过准直器3后快慢轴同时准直，发出准直后的激光光束4。

本发明用于半导体激光器的准直器具有多种结构，以下提出几种准直器结构的较佳实施：

实施例1：

如图2所示，用于半导体激光器的准直器入射面5是由快轴和慢轴方向曲率不同的双曲面柱面组成非对称双曲面，出射面6和其余面为平面。慢轴剖面为图3-1所示，快轴剖面为图3-2所示。

另外，本发明的用于半导体激光器的准直器的材质为石英玻璃、K9玻璃或者其他透明材料。

本发明的制备方法如下：

(1)首先准备所需的透明材料；一般选择的材质为石英玻璃、K9玻璃或者其他透明材料；

(2)将透明材料置于非球面加工机上加工出非对称双曲面-平面透镜；

(3)对加工好的非对称双曲面-平面透镜进行面型校正及抛光等处理，使透镜面型的平整度和表面光洁度达到使用要求；

(4)然后在非对称双曲面-平面透镜的入射面5和出射面6分别镀上增透膜，制成用于半导体激光器的准直器。

半导体激光器光束在准直前快慢轴光束的发散角很大，这里以808nm输出功率为3W单管半导体激光器为例，其快轴90％能量的发散角为35°，慢轴90％能量的发散角为5°，图5-1和图5-2为采用本发明的准直器对激光器光束进行准直后测试结果。

图4-1和图4-2给出了半导体激光器慢轴和快轴方向在z＝35mm未作准直的光强分布，快慢轴光强分布不对称。图5-1和图5-2给出了增加准直透镜后在z＝10000mm的光强分布，由图5-1和图5-2可知增加准直透镜后在z＝10000mm出光束快慢轴对称较好，通过计算可得90％能量的准直后DL光束快轴发散角θ_⊥＜2mrad，慢轴发散角θ_//＜8mrad，快慢轴方向得到很好的准直。

综上所述，本发明的用于半导体激光器的准直器可同时实现对快慢轴光束准直，而且对快慢轴两个方向的光束准直效果好。有利于简化半导体光学整形或耦合光学系统，减小激光光学系统的体积。

Claims (4)

1.一种用于半导体激光器的准直器，其特征在于：所述的准直器是非对称双曲面-平面结构；所述的非对称双曲面为准直透镜的入射面，所述非对称曲面在快轴和慢轴方向可分解为曲率不同，离心率相同的两个双曲面柱面，其中e＝n，n为相对折射率；

设准直透镜快轴和慢轴方向的焦距分别为f_x和f_y，透镜快轴和慢轴对应的双曲面柱面的长半轴和短半轴均由f_x和f_y决定，设a_x和b_x分别表示快轴双曲面柱面的长半轴和短半轴，a_y和b_y分别表示慢轴双曲面柱面长半轴和短半轴，应满足

a_x＝f_x/(n+1)、 $b_x=f_x\sqrt{\frac{n-1}{n+1}},$ a_y＝f_y/(n+1)和 $b_y=f_y\sqrt{\frac{n-1}{n+1}}.$

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的准直器，其特征在于：所述准直器的入射面是由快轴和慢轴方向曲率不同的双曲面柱面组成非对称双曲面，出射面和其余面为平面。

3.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的准直器，其特征在于：所述准直器的材质为石英玻璃或者K9玻璃。

4.根据权利要求1至3任一所述的用于半导体激光器的准直器，其特征在于：所述准直器的入射面和出射面镀有增透膜。

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