CN102313915A - 用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于匀化半导体激光器阵列光束质量的一体化成型的光学元件以及利用该光学元件构成的用于一维、二维密排和二维非密排半导体激光器阵列光束匀化的系统。该光学元件包括一体化层叠的多个厚度相等的透明光学材料层，每个层均为扁平的直平行六面体，其一对平行的侧面分别为半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，其另一对平行的侧面平行于所述光束的入射方向，其平行四边形底面与相邻层的底面部分重合，其中，沿层叠方向顺序排列的各个层中的光束入射端面相对于平行于所述光束入射方向的侧面所成的角度递增或递减，各个层中的入射端面和出射端面之间的垂直距离或沿所述光束入射方向的距离相同。

Description

用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和系统

技术领域

本发明涉及一种光学元件和光学系统，具体说，涉及一种用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统。

背景技术

半导体激光器因电光转换效率高、体积小以及重量轻而得到了广泛的应用。但单个半导体激光器无法输出极高的功率(大于百瓦)，因此出现了将多个半导体激光器排列在一起形成条阵、以及将多个条阵堆叠在一起形成面阵的激光器阵列。受工艺、冷却、整形方法等限制，半导体激光器阵列不能做得很长，目前一般约为10mm。构成半导体激光器阵列的半导体激光器一般为边缘发射型半导体激光器，这种半导体激光器包括一个p-n结，电流垂直于该p-n结注入，激光则从该p-n结的侧面边缘发射出来。图1示出了现有的一维半导体激光器阵列的示意图。在图1所示的一维半导体激光器阵列1的一个例子中，阵列长度约为10mm，单个发光区的出光侧面的尺寸为150μm×1μm，相邻发光区的间距为500μm。由于边缘发射型半导体激光器的发光区的断面狭窄，因而其输出的光束在平行于p-n结的方向(称为慢轴方向，也即图1中的X方向)和垂直于p-n结的方向(称作快轴方向，也即图1中的Y方向)上有不同的发散角，在快轴方向的发散角为50°到60°，在慢轴方向的发散角为5°到10°，而且其输出的光束在快轴方向和慢轴方向上的束腰的位置和直径也不同，具有严重的像散，因而不能简单地通过透镜系统进行聚焦。

激光光束质量的优劣通过光参数积(BPP)来评价，光参数积BPP定义为某个方向上的束腰半径(R)与远场发散角半角(θ)的乘积，单位是mm·mrad。上述半导体激光器快轴的光参数积BPP_f一般为1～2mm·mrad，慢轴的光参数积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光参数积相差上百倍，因而很难对该光束进行聚焦。

为了提高半导体激光器阵列的输出光束的质量，必须对其进行匀化，以获得发散角和光斑直径均很小的对称光斑。光束匀化就是将光束的快慢轴的光参数积均匀化，即通过光学元件将条形准直光束在慢轴方向上分割成N段，然后将这N段在快轴方向上叠加，这样，慢轴方向上的光参数积就减小到原来的1/N，而快轴上的光参数积则增加到原来的N倍，从而光束的快慢轴的光参数积被均匀化。图2是对一维半导体激光器阵列的光束进行匀化的示意图，其中，在图2中的上部示出了匀化光学系统，在图2中的下部示意地示出了所述匀化光学系统中的一些节点处的光束的断面形状。如图2所示，首先，一维半导体激光器阵列1发出的激光束通过快慢轴准直透镜2分别进行准直以得到准平行光。准直后的光束在节点B1处的断面形状为长条形，该长条形的长度为Len，宽度为W。然后，准直后的光束沿着Z轴通过光束切割单元4，通过光束切割单元4后的光束在节点B2处变为台阶状分布的N段光束(例如图2中的光束段a、b、c、d、e、f)，台阶状分布的N段光束再通过光束重排单元5，通过光束重排单元5后的光束在节点B3处变为所述N段光束的叠加。节点B3处的光束在慢轴方向(即图2中的X方向)的尺寸小，经过慢轴扩束准直单元7后在节点B4处变为快慢轴光参数积被均匀化了的矩形光斑。最后光束经过球面聚焦透镜8可以聚焦成均匀的点光斑。

目前，用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光束切割单元4和光束重排单元5等光学元件一般分为反射式光学元件、折反射式光学元件和折射式光学元件。

所述反射式匀化用光学元件包括两个完全对称的阶梯型反射镜，每个阶梯型反射镜又包括N个高反射率镜面，光束通过第一个阶梯型反射镜后在慢轴方向上被分割成N段子光束，各段子光束经过第二个阶梯型反射镜中的相应镜面的反射后，在快轴方向上对齐排列起来。这种匀化用的光学元件的缺点是阶梯型反射镜的加工难度大。

所述折反射式匀化用光学元件利用两组棱镜的折射和全反射来实现光束的分割和重排。这种匀化用的光学元件的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，棱镜的装配比较困难。

所述折射式匀化用光学元件则通过对光束进行一次或多次折射来实现光束的匀化。此类匀化用光学元件可以通过GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此类匀化用光学元件由多个光学玻璃薄片紧密叠加而成，匀化的效率比较高。但其缺陷是，随着光学玻璃薄片的数量的增加，光学玻璃薄片的累积误差越来越大，以至于超出合理的误差范围，使匀化效果变差。另外，还存在装配困难、不易调节的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统以克服上述定位不精确、装配困难、累积误差大、不易调节的缺点。

为了实现上述目的，一方面，本发明提供一种用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件，该光学元件包括一体化层叠的N个厚度相等的透明光学材料层，N为自然数，N≥2，所述每个透明光学材料层均为扁平的直平行六面体，该直平行六面体的一对平行的侧面分别为所述半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，该直平行六面体的另一对平行的侧面平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向，该直平行六面体的平行四边形底面与相邻透明光学材料层的底面部分重合；其中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束入射方向的所述侧面所成的角度递增或递减，所述各个透明光学材料层中的所述入射端面和出射端面之间的垂直距离或沿所述光束入射方向的距离相同。

优选地，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束入射方向的所述侧面所成的角度可以构成等差数列。

另一方面，本发明还提供一种用于匀化一维半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为上述一方面本发明所提供的光学元件，所述光束重排单元为上述优选的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

再一方面.本发明还提供一种用于匀化二维密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、快轴光束压缩单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为上述一方面本发明所提供的光学元件，所述光束重排单元为上述优选的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

优选地，在上述的光学系统中，可以取

BPP_s为所述半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积，BPP_f为所述半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积，[]为取整符号；所述光束切割单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度d₁可以为入射到所述光束切割单元的所述光束入射端面上的条形光斑的长度Len，所述光束重排单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度d₂可以为d₂＝|μ(n₁)·L₁·Δα₁·(N-1)|+W，其中，L₁为所述光束切割单元上各透明光学材料层的光束入射端面和光束出射端面之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离，Δα₁为所述光束切割单元的相邻两层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差，W为所述条形光斑的宽度，μ(n₁)为函数k(α，n)对角度α求偏导数后再对角度α求平均值所得的函数μ(n)在n＝n₁时的值，而

$k(\mathrm{\α},n)=\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n})}{\cos \left(\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n}\right)}$

n₁为形成所述光束切割单元的透明光学材料的折射率，n₀是空气的折射率；所述光束重排单元上的相邻两层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差Δα₂可以为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·\left|\mathrm{\μ}\left(n_2\right)\right|\·L_2}$

其中，μ(n₂)为函数μ(n)在n＝n₂时的值，n₂为形成所述光束重排单元的透明光学材料的折射率，L₂为所述光束重排单元中的各层透明光学材料的光束入射端面和光束出射端面之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离。

进一步优选地，可以通过W＝|μ(n₁)·L₁·Δα₁|确定Δα₁。

最后，本发明还提供一种用于匀化二维非密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其包括顺序地光学耦合起来的二维非密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为上述一方面本发明所提供的光学元件，所述光束重排单元包括多个沿所述层叠方向排列的上述优选的光学元件，所述光束重排单元所包含的多个所述光学元件中的每个光学元件和所述光束切割单元具有数目相同的所述透明光学材料层，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

如上所述，本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统能够实现半导体激光器阵列光束质量的匀化目的，并且所述光学元件具有定位精确、结构紧凑、一体化成型、无累积误差、容易调节的优点，大大地方便了上述光学元件和光学系统的设计、制造和使用，并能降低光功率的损耗，提高匀化效率，特别适合于大功率半导体激光器阵列的光束匀化。

附图说明

图1是透视示意图，示出了现有的一维半导体激光器阵列；

图2是原理图，示出了一维半导体激光器阵列的光束质量匀化的原理，其中，该图上部示出了匀化光学系统，该图下部示出了该匀化光学系统中的一些节点处的光束的断面形状；

图3是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束分割的光学元件；

图4是平面图，示出了图3中的光学元件的沿透明光学材料层的层叠方向的投影；

图5是平面图，示出了图3中的光学元件的沿透明光学材料层的层叠方向顺序排列的第1层透明光学材料中的光的两次折射；

图6是平面图，示出了图3中的光学元件的沿透明光学材料层的层叠方向顺序排列的第6层透明光学材料中的光的两次折射；

图7是函数k(α，n)与角度α的变化关系图；

图8是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件；

图9是光路示意图，示出了本发明的第一实施例所述的用于匀化一维半导体激光器阵列光束质量的光学系统；

图10是光路示意图，示出了本发明的第二实施例所述的用于匀化二维密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统；以及

图11是光路示意图，示出了本发明的第三实施例所述的用于匀化二维非密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图3是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列的光束分割的光学元件，图4是平面图，示出了图3中的光学元件的沿透明光学材料层的层叠方向的投影。如图3和图4所示，本发明的一个实施例所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件40包括一体化层叠的N个(这里为方便描述，取N＝6，事实上，N可以为大于等于2的自然数)厚度相等的透明光学材料层P11-P16，每个透明光学材料层均为扁平的直平行六面体(即底面为平行四边形且侧面垂直于底面的四棱柱)。所述透明光学材料包括例如透明光学玻璃、透明树脂等，其折射率为n₁，空气的折射率为n₀。每个直平行六面体P11-P16的一对平行的侧面45和46分别为所述半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，另一对平行的侧面41和42平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向，一对平行四边形底面43和44与相邻透明光学材料层的底面部分重合。在图3和图4中，6个实心点S1-S6示出了入射方向平行于侧面41和侧面42的六条光线入射到各透明光学材料层P11-P16时在入射端面45上形成的六个光斑，该六个光斑分别处于光学元件40的层叠起来的6个层的入射端面45中，所述六个光斑所对应的光线分别在各自所在的层中传播、折射。图3和图4中右侧像平面上的6个空心点S1’-S6’表示所述六个光斑S1-S6各自对应的光线若沿直线前进而落在像平面上的位置，右侧像平面上的6个实心点S1”-S6”则示出了所述六个光斑S1-S6各自对应的光线经过各自所在透明光学材料层的两次折射而落在像平面上的实际位置。另外，如图所示，从透明光学材料层P11到P16，每个透明光学材料层的光束入射端面45相对于侧面42所成的角度(即，从侧面42所在的平面按逆时针方向转动到光束入射端面45所在平面时所转动的角度)递增，此外，每个透明光学材料层的光束入射端面45和光束出射端面46之间的垂直距离或沿所述光束入射方向的距离相同。显然，从透明光学材料层P11到P16，每个透明光学材料层的光束入射端面45相对于侧面42所成的角度也可以是递减的，这样也不影响本发明的实施。较佳地，从透明光学材料层P11到P16，每个透明光学材料层的侧面45相对于侧面42所成的角度成递增或递减等差数列。

图5和图6是平面图，分别示出了图3中的光学元件40的沿透明光学材料层的层叠方向顺序排列的第1层和第6层透明光学材料中的光的两次折射。

如图5所示，所述第1层透明光学材料P11的光束入射端面45和光束出射端面46相互平行，且光束入射端面45和光束出射端面46之间的垂直距离为L₁。光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度为α₁₁。入射到该透明光学材料层的入射端面45上的点S1所对应的光线在该层中经过两次折射从该层的出射端面46上的点S1”出射。

如图6所示，所述第6层透明光学材料P16的光束入射端面45和光束出射端面46相互平行，且光束入射端面45和光束出射端面46之间的垂直距离为L₁。光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度为α₁₆。入射到该透明光学材料层的入射端面45上的点S6所对应的光线在该层中经过两次折射从该层的出射端面46上的点S6”出射。

根据光的折射定律，很容易计算出，在图5和图6中，经过两次折射后，第i层透明光学材料层中的出射光束相对于入射光束的偏移量D_1i＝k(α_1i，n₁)·L₁，其中，i＝1，6，α_1i为第i层透明光学材料层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度，并且k(α_1i，n₁)为函数

$k(\mathrm{\α},n)=\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n})}{\cos \left(\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n}\right)}$

在α＝α_1i、n＝n₁时的值。

图7是函数k(α，n)随角度α的变化关系图，其中实心点示出了函数k(α，n)随角度α的变化关系，在计算中，透明光学材料的折射率n₁取1.5。从图7可以看到，k(α，n)＝-k(π-α，n)，并且该变化关系在45°到135°的范围内非常接近线性关系。因此有ΔD_1i≈μ(n₁)·L₁·Δα_1i，其中，Δα_1i为光学元件40中的第i层处的相邻两层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度之差，ΔD_1i为光学元件40中的第i层处的相邻两层中的出射光束相对于入射光束的偏移量之差；μ(n₁)可以取为，例如，k(α，n)对角度α求偏导数后再对角度α求平均值所得的函数μ(n)在n＝n₁时的值。如果对所有的i，都有Δα_1i＝Δα₁(即各透明光学材料层中的所述角度构成等差数列)，则有ΔD₁≈μ(n₁)·L₁·Δα₁，其中，Δα₁为光学元件40中的相邻两层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度之差，ΔD₁为光学元件40中的相邻两层中的出射光束相对于入射光束的偏移量之差。另外，角度α在45°到135°之内时，入射端面45和出射端面46之间的沿光束入射方向的距离与它们之间的垂直距离很接近，因此，在设计光学元件40时，如果角度α选在45°到135°之间，那么可以用入射端面45和出射端面46之间沿光束入射方向的距离作为上述公式中的L₁，从而简化了测量和制造。

参看公式D_1i＝k(α_1i，n₁)·L₁和图5-图7，可以用出射光束相对于入射光束的偏移量的代数值的符号表示光束的两个偏移方向。例如，当α_1i＜90°时，D_1i＞0，光束向下偏折，并且随着α_1i的增加，该偏折线性地减小；而当α_1i＞90°时，D_1i＜0，光束向上偏折，并且随着α_1i的增加，该偏折线性地增大。

应该注意，通过上面参考图3到图6的描述可以容易地看到，首先，所述各透明光学材料层沿着所述光束入射方向的平移不会影响出射光束相对于入射光束的偏移量，另外，平行于所述透明光学材料层的侧面41和底面43入射到入射端面45上的光束沿着入射端面平移时，从出射端面46出射的光束相应地做同方向同幅度平移。这样，就为光学元件40的一体化设计和制造提供很大的灵活性，并且在制造时需要控制误差的地方较少。

参看图3和图4，在使用光学元件40对一维半导体激光器阵列的准直光束进行分割时，首先根据该半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积BPP_s和该半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积BPP_f确定光学元件40的层数

其中，[]为取整符号。然后，根据入射到光学元件40的入射端面45上的条形光斑的长度Len，确定光学元件40在所述层叠方向上的厚度d₁＝Len。用于光束切割的光学元件40上的第i层(i＝1到N-1)处相邻层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度α_1i之差Δα_1i可以根据所述条形光斑的厚度W来确定。具体说，如果要将光束切割成图2所示的样子，则通过 $W=\∂k(\mathrm{\α},n)/{\∂\mathrm{\α}|}_{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_{1i},n=n_1}\·{\mathrm{\Δ\α}}_{1i}\·L_1$ 来确定Δα_1i。近似地，可以通过W＝|μ(n₁)·L₁·Δα_1i|来确定Δα_1i，此时有Δα_1i＝Δα₁，即各透明光学材料层中的所述角度构成等差数列，Δα₁为光束切割的光学元件40上的相邻层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度之差。应该注意，Δα₁还可以通过其它规则来选定，例如W＜|μ(n₁)·L₁·Δα_1i|。

在对所述一维半导体激光器阵列的准直光束进行分割之后，再利用图8所示的光学元件对分割后的光束进行重排。图8是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件。图8所示的光学元件50与图3所示的光学元件40的结构是相同的(但结构参数可以不同)。在使用光学元件50对一维半导体激光器阵列的被分割了的光束进行重排时，使光学元件50的各层层叠方向相对于光学元件40的各层层叠方向在垂直于光入射方向的平面内顺时针转动90°。光学元件50同样被分成了N层，

[]为取整符号，光学元件50的厚度d₂可以由下式确定：

$d_2=|\underset{i=1}{\overset{N-1}{\mathrm{\Σ}}}\∂k(\mathrm{\α},n)/{\∂\mathrm{\α}|}_{\mathrm{\α}={\mathrm{\α}}_{1i},n=n_1}\·{\mathrm{\Δ\α}}_{1i}\·L_1|+W$

如果用于光束切割的光学元件40的各透明光学材料层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度构成等差数列，那么可以近似地有d₂＝|μ(n₁)·L₁·Δα₁·(N-1)|+W。

光学元件50上的相邻层中的光束入射端面45相对于平行于光入射方向的侧面42所成的角度之差为常数Δα₂，这样可以保证将切割了的光束对齐排列。Δα₂可以由下式近似地确定：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·\left|\mathrm{\μ}\left(n_2\right)\right|\·L_2}$

其中，L₂为光学元件50中的各层透明光学材料的光束入射端面45和光束出射端面46之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离，n₂为形成光学元件50的透明光学材料的折射率。

下面将参考图9、图10和图11来描述本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学系统的三个实施例。图9是光路示意图，示出了本发明的第一实施例所述的用于匀化一维半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其中，图9上部示出了该系统的侧视图，图9中部示出了该系统的俯视图，图9下部示出了该系统中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。图10是光路示意图，示出了本发明的第二实施例所述的用于匀化二维密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其中，图10上部示出了该系统的侧视图，图10中部示出了该系统的俯视图，图10下部示出了该系统中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。图11是光路示意图，示出了本发明的第三实施例所述的用于匀化二维非密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，其中，图10上部示出了该系统的侧视图，图10中部示出了该系统的俯视图，图10下部示出了该系统中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。

如图9所示，本发明的第一实施例所述的一维半导体激光器阵列光束匀化的光学系统包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列1、快慢轴光束准直单元2、由光学元件40构成的光束切割单元4、由光学元件50构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。光束切割单元4和光束重排单元5所具有的所述层的数目相同。光学元件50的各层层叠方向相对于光学元件40的各层层叠方向在垂直于光入射方向的平面内顺时针转动90°。光学元件40与光学元件50的各层层叠方向上的厚度、层数、以及相邻层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差根据前面的描述来选定。图9所示光学系统的工作原理类似于图2所示光学系统，此处不再多做描述。

如图10所示，本发明的第二实施例所述的二维密排半导体激光器阵列光束匀化的光学系统包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列1’、快慢轴光束准直单元2、快轴光束压缩单元3、由光学元件40构成的光束切割单元4、由光学元件50构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。二维密排半导体激光器阵列1’中的相邻两行激光器之间的间距为国际通用标准间距1.8mm。光束切割单元4和光束重排单元5划分出的所述层的数目相同。光学元件50的各层层叠方向相对于光学元件40的各层层叠方向在垂直于光入射方向的平面内顺时针转动90°。光学元件40与光学元件50的各层层叠方向上的厚度、层数、以及相邻层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差根据前面的描述来选定。图10所示光学系统的工作原理类似于图2所示光学系统，此处不再多做描述。

如图11所示，本发明的第三实施例所述的二维非密排半导体激光器阵列光束匀化的光学系统包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列1”、快慢轴光束准直单元2、由光学元件40构成的光束切割单元4、由多个沿层叠方向层叠的光学元件50构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。二维非密排半导体激光器阵列1”中的相邻两行激光器之间的间距为2mm-10mm。光束切割单元4和光束重排单元5所包含的每个光学元件50划分出的所述层的数目相同。光学元件50的各层层叠方向与光学元件40的各层层叠方向在垂直于光入射方向的平面内顺时针转动90°。光学元件40与光学元件50的各层层叠方向上的厚度、层数、以及相邻层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差根据前面的描述来选定。图11所示光学系统的工作原理类似于图9所示光学系统的简单叠加，此处不再多做描述。

图9至图11所示的半导体激光器阵列光束整形的光学系统还可包括用于将慢轴扩束准直单元7输出的均匀光斑聚焦成点光斑的球面聚焦透镜8。

如上所述，本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统能够实现半导体激光器阵列光束的匀化目的，并且所述光学元件具有定位精确、结构紧凑、一体化成型、无累积误差、容易调节的优点，大大地方便了上述光学元件和光学系统的设计、制造和使用，并能降低光功率的损耗，提高匀化效率，特别适合于大功率半导体激光器阵列的光束匀化。

如上参照附图以示例的方式描述了本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件和光学系统，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (7)

1.一种用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件，该光学元件包括一体化层叠的N个厚度相等的透明光学材料层，N为自然数，N≥2，所述每个透明光学材料层均为扁平的直平行六面体，该直平行六面体的一对平行的侧面分别为所述半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，该直平行六面体的另一对平行的侧面平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向，该直平行六面体的平行四边形底面与相邻透明光学材料层的底面部分重合；其中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束入射方向的所述侧面所成的角度递增或递减，所述各个透明光学材料层中的所述入射端面和出射端面之间的垂直距离或沿所述光束入射方向的距离相同。

2.根据权利要求1所述的用于匀化半导体激光器阵列光束质量的光学元件，其中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束入射方向的所述侧面所成的角度构成等差数列。

3.一种用于匀化一维半导体激光器阵列光束质量的光学系统，包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为权利要求1所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求2所述的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

4.一种用于匀化二维密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、快轴光束压缩单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为权利要求1所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求2所述的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

5.根据权利要求3或4所述的光学系统，其中，

BPP_s为所述半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积，BPP_f为所述半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积，[]为取整符号；

所述光束切割单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度d₁为入射到所述光束切割单元的所述光束入射端面上的条形光斑的长度Len，所述光束重排单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度d₂为d₂＝|μ(n₁)·L₁·Δα₁·(N-1)|+W，其中，L₁为所述光束切割单元上各透明光学材料层的光束入射端面和光束出射端面之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离，Δα₁为所述光束切割单元的相邻两层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差，W为所述条形光斑的宽度，μ(n₁)为函数k(α，n)对角度α求偏导数后再对角度α求平均值所得的函数μ(n)在n＝n₁时的值，而

$k(\mathrm{\α},n)=\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n})}{\cos \left(\arcsin \frac{n_0\·\cos \mathrm{\α}}{n}\right)}$

n₁为形成所述光束切割单元的透明光学材料的折射率，n₀是空气的折射率；

所述光束重排单元上的相邻两层中的光束入射端面相对于平行于光入射方向的侧面所成的角度之差Δα₂为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·\left|\mathrm{\μ}\left(n_2\right)\right|\·L_2}$

其中，μ(n₂)为函数μ(n)在n＝n₂时的值，n₂为形成所述光束重排单元的透明光学材料的折射率，L₂为所述光束重排单元中的各层透明光学材料的光束入射端面和光束出射端面之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离。

6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，通过W＝|μ(n₁)·L₁·Δα₁|确定Δα₁。

7.一种用于匀化二维非密排半导体激光器阵列光束质量的光学系统，包括顺序地光学耦合起来的二维非密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为权利要求1所述的光学元件，所述光束重排单元包括多个沿所述层叠方向排列的如权利要求2所述的光学元件，所述光束重排单元所包含的多个所述光学元件中的每个光学元件和所述光束切割单元具有数目相同的所述透明光学材料层，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。

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