CN102591019B - 用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法及其装置。在该方法中，首先在半导体激光器的输出光路上设置快轴准直器件，将快轴准直器件的光心围绕相对应的发光点、以焦距为半径向中心位置做小角度旋转，并在旋转过程中保持输出光路方向和光心与相对应的发光点之间连线的重合。通过逐一调节各半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件的旋转角度，可以在预定距离上将所有光束汇聚到一条线。本发明可以在快轴准直的同时直接实现输出光束的聚焦，减少了光学器件的使用数量，提高了半导体激光器阵列的应用可靠性，并避免了因为额外光学器件的引入而造成的光学损失。

Description

用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种激光光束压缩方法，尤其涉及一种用于半导体激光器的聚焦式激光光束压缩方法，同时也涉及用于实现该光束压缩方法的光学装置，属于激光光束整形技术领域。

背景技术

半导体激光器可以实现40～70%的光电转换效率，是目前光电转换效率最高的激光器件之一，在激光加工、医疗美容、军工等领域得到广阔的应用。半导体激光器阵列是由多个半导体激光器发光点构成的线状光源。由多个半导体激光器阵列垂直堆叠、封装可以构成半导体激光器叠层，其远场叠加光斑和单个半导体激光器没有特别大的差别，但它可以汇总多个半导体激光器的发射功率，在单位面积内产生更高的功率密度，从而满足实际应用对高功率密度和高光束质量的要求。

图1和图2显示了一个典型的半导体激光器叠层的输出光束，其发光区域为10mm（慢轴方向）×（1～3）um（快轴方向）。其中，单个发光点的输出光束如图1所示，整个半导体激光器叠层的远场叠加光斑如图2所示。在整个半导体激光器叠层的输出光束中，10mm方向的发散角全角约为7～10度，1～3um方向的发散角全角约为60～70度。由于半导体激光器在快轴方向上的发光高度极小，可以近似看成点光源，其远场光强分布如图3所示呈现典型的高斯分布特征。整个半导体激光器叠层在快轴方向上的光束分布如图4所示。

半导体激光器叠层在水平方向上具有发光点间距，在垂直方向上具有阵列间距，造成整个半导体激光器叠层在两个方向上都存在很大的光斑尺寸和发散角。由于半导体激光器叠层的整体光斑无法有效聚焦于一点或者一线，无法实现很高的功率密度，极大地影响了在实际应用中的效果。因此，有必要对半导体激光器叠层的输出光束进行光束整形。

在实践中，为了减少快轴方向的发散角，人们常用光纤、棒镜或者柱透镜对每一个半导体激光器叠层进行快轴准直。常规的快轴准直方法不改变相邻阵列之间的封装间距，准直后的多个输出光束依然近似平行。这种方法我们称之为平行式快轴准直。在快轴准直后，整个半导体激光器叠层的近场光斑变成若干条线状光斑。相邻线状光斑之间的间距由半导体激光器阵列的封装间距决定。也就是说，如果相邻阵列之间的初始封装间距较大，即便进行快轴准直，近场光斑在整个投射区域内的平均功率密度也会受到封装间距的限制而无法进一步提高。

由于半导体激光器的上述特性以及由此造成的应用局限都源于基本的物理定律，所以克服半导体激光器局限性的努力只能放在后续的光束整形中。例如在专利号为ZL200910098179.8的中国发明专利中公开了一种半导体激光器阵列光束整形照明系统，其要点是通过控制各个激光单元的光束传播轴线分别在快轴和慢轴方向上的偏转程度，在远场形成一种多个激光单元的高斯光束部分重合叠加的效果，从而构造符合视场要求的照明光束。又如在专利号为ZL200810118969.3的中国发明专利中公开了一种对阵列器件进行光束快轴压缩的方法。该方法包括：制作阵列器件光束快轴压缩用圆柱透镜；确定该圆柱透镜与阵列器件之间的位置关系；按照确定的位置关系将圆柱透镜与阵列器件用紫外胶粘结固定在一起。利用该发明，能够满足阵列器件和阵列叠层器件光束快轴压缩的要求，实现了对阵列器件进行光束快轴压缩。

如图5（a）和图5（b）所示，假定半导体激光器阵列之间的封装间距为d，半导体激光器阵列的数量为N，单个半导体激光器阵列准直后功率为P，准直后的光束高度为h，在预定距离L处的慢轴尺寸为M。通过计算可以得到如下的结果：

距离L处的光斑尺寸＝M×(d×(N-1)＋h)

距离L处的激光总功率＝N×P

由此可以得出：

距离L处的平均激光功率密度Pa＝N×P/(M×(d×(N-1)＋h))

在半导体激光器叠层的一个实施例（例1）中，假设：

在N＝5，P＝50W，M＝20mm，d＝2mm，h＝1mm时，距离L处的平均激光功率密度Pa≈1.4W/mm²

在d逐渐增大的时候，Pa逐渐减小。如其他参数不变的情况下d增大为5mm，则Pa≈0.6W/mm²

为了进一步提高在预定距离上的功率密度，我们必须减小半导体激光器在预定距离时的光斑尺寸。其中，分别减少快轴和慢轴的尺寸是最常用的方法。为了减少快轴上的尺寸，通常在准直之后采用柱面镜进行进一步的光束压缩。但这种方法会造成额外光学器件的增加，增大了光学损失，也给安装调试带来了不便。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供用于实现上述光束压缩方法的光学装置。

为实现上述的发明目的，本发明采用下述的技术方案：

一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，包括如下步骤：

在半导体激光器的输出光路上设置快轴准直器件，将所述快轴准直器件的光心围绕相对应的发光点、以焦距为半径向中心位置做小角度旋转，并在旋转过程中保持输出光路方向和所述光心与相对应的发光点之间连线的重合；

旋转角度Θ满足下述公式的要求：

Θ≤(φ-δ)/2

其中，φ为所述快轴准直器件的最大有效入射孔径角，δ为半导体激光器的快轴发散角。

其中较优地，所述半导体激光器的输出光束在经过所述快轴准直器件之后，再经过慢轴约束棱镜进行进一步发散角约束。

其中较优地，在由多个半导体激光器组成的半导体激光器阵列中，向中心位置逐一调节位于两侧的各半导体激光器所对应的快轴准直器件的旋转角度，在预定距离上将所有光束汇聚到一点。

其中较优地，在由多个半导体激光器阵列堆叠组成的半导体激光器叠层中，向中心位置逐一调节位于两侧的各半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件的旋转角度，在预定距离上将所有光束汇聚到一条线。

其中较优地，所述快轴准直器件为棒镜、凸柱面镜或凸多边棱镜。

其中较优地，所述慢轴约束棱镜的入射面和出射面为平行平面，在慢轴方向上的一组约束用平面也为平行平面，这两组平行平面彼此垂直。

其中较优地，所述入射面在慢轴方向上的宽度大于等于半导体激光器阵列的慢轴发光宽度，高度大于等于整个半导体激光器阵列的出光高度。

其中较优地，所述入射面和所述出射面蒸镀光学增透膜。

一种光学装置，用于实现上述的聚焦式光束压缩方法，包括快轴准直器件和慢轴约束棱镜，所述快轴准直器件的光心距离发光点的距离为其焦距的长度，且所述快轴准直器件的光心围绕所述发光点向中心位置做小角度旋转，在旋转过程中保持输出光路方向和所述光心与相对应的发光点之间连线的重合，使准直后的光束随之旋转，所述慢轴约束棱镜分布在经过准直的输出光路上。

其中较优地，所述快轴准直器件和所述慢轴约束棱镜之间的距离由半导体激光器在慢轴方向上的光斑尺寸决定。

与现有技术相比较，本聚焦式光束压缩方法可以在快轴准直的同时直接实现输出光束的聚焦，减少了光学器件的使用数量，提高了半导体激光器叠层的应用可靠性，并避免了因为额外光学器件的引入而造成的光学损失。本光学装置在激光设备制造过程中操作简单、易于生产；在实际应用过程中，效率高、造价低廉、性能可靠。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1为单个半导体激光器发光点的输出光束示意图；

图2为整个半导体激光器叠层的远场叠加光斑示意图；

图3为半导体激光器的远场光强分布示意图；

图4为半导体激光器叠层在快轴方向上的光束分布示意图；

图5（a）和图5（b）为半导体激光器叠层的一个实施例示意图；

图6为本发明所提供的聚焦式快轴准直方法中，快轴准直器件的结构示意图；

图7为本发明所提供的聚焦式快轴准直方法中，半导体激光器叠层的侧视图；

图8为本发明所提供的聚焦式快轴准直方法中，通过快轴准直器件实现光束偏转的示意图；

图9为本发明所提供的聚焦式快轴准直方法的工作原理示意图；

图10（a）和图10（b）为快轴发散角δ、最大有效入射孔径角φ和偏转角度Θ的关系示意图；

图11（a）和图11（b）为采用本发明所提供的聚焦式快轴准直方法后，半导体激光器叠层的工作示意图；

图12为在输出光束的慢轴方向上设置慢轴约束棱镜的示意图；

图13为用于实现聚焦式光束压缩方法的光学装置的整体结构示意图。

具体实施方式

前已述及，在现有技术中为了减少光斑尺寸，往往在准直之后采用柱面镜进行进一步的光束压缩。但这样存在实施成本较高、光学损失大等缺陷。本发明人通过理论研究和反复实验，提出了一种新颖独特的技术思路—通过将快轴准直器件围绕其焦点作小角度轻微调节，实现单个半导体激光器阵列准直后的光束偏转，进而实现在预定距离上对同一叠层中来自多个半导体激光器阵列的光束聚焦（或减少线状光斑之间的间距），最终实现对光斑尺寸的整体压缩。

上述在快轴准直过程中直接实现对光束压缩的方法被称之为聚焦式快轴准直。下面结合附图展开具体的说明。在本发明中，所说的水平方向是指各半导体激光器阵列所在平面的方向；垂直方向是指与半导体激光器阵列所在平面相垂直的方向。另外需要强调的是，本发明中所说的快轴准直不仅包括输出近似平行光束的情况，也包括使快轴上发散角大幅减小，但非近似平行的情况。换句话说，本发明中的“快轴准直”概念也包括快轴发散角部分压缩的情况。

如图6～图8所示，图中菱形代表通用的快轴准直器件。该快轴准直器件分别设置在各半导体激光器发光点的输出光路上。常见的快轴准直器件如柱面镜、光纤、棒镜等等，在本发明中优选为凸柱面镜或凸多边棱镜，其距离光源（即半导体激光器发光点所在的位置）E一侧的焦距假定为f，快轴准直器件的光心为O，准直后的光束高度为h。在半导体激光器叠层中，半导体激光器阵列的封装间距为d（也是上下相邻的快轴准直器件之间的距离）。在传统平行式的快轴准直过程中，一般将半导体激光器发光点所在的位置E调节在快轴准直器件的焦点处，而快轴准直器件的光心O则相对于半导体激光器发光点所在的位置E水平放置，这样每一束准直后的光束都可以水平射出，达到使所有激光器阵列光束近似平行的效果。

如图9所示，在本发明所提供的聚焦式快轴准直方法中，通过轻微调整快轴准直器件的光心O位置与旋转角度，实现对准直后的光束的偏折。具体而言，首先使快轴准直器件的光心O围绕发光点E以焦距f为半径做幅度为Θ的小角度旋转，并在旋转过程中始终保持入射光线（即发光点E的输出光路）方向与EO连线的重合，则准直后的光束也会随之旋转。准直后的光束的主体方向与EO的连线平行。在同一半导体激光器叠层中，上下相邻的半导体激光器阵列需要向中心位置依次调节不同的偏转角度Θ，并在预定的距离L上将所有输出光束汇聚成一条线（在快轴发散角部分压缩的情况下，所有输出光束可以汇聚成带状光斑），从而实现输出光束的聚焦。

在半导体激光器叠层中，对应同一半导体激光器阵列中各发光点的快轴准直器件可以使用同一偏转角度Θ，但不同半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件偏转角度Θ各有不同。参见图9所示，位于叠层中间位置的半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件不需进行角度调节，位于叠层上半部分的半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件需要向下进行角度调节，而位于叠层下半部分的半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件需要向上进行角度调节。通过逐一调节各半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件的偏转角度Θ，可以实现对同一半导体激光器叠层中多个半导体激光器阵列光束的聚焦。

上述的偏转角度Θ为偏转后的光轴（即发光点E的输出光路）与水平方向的夹角。该偏转角度Θ不可太大，必须保证发光点E的发散角δ与Θ之和不超出快轴准直器件的最大有效入射孔径角φ，否则快轴准直器件将无法接收到所有的入射激光，从而造成不必要的光损失。

参考图10（a）和图10（b）所示，半导体激光器的快轴发散角δ一般为60～70度左右。在本发明中，将最大有效入射孔径角φ定义为透镜系统所能接收的最大入射角。在一般情况下，φ的选择应大于半导体激光器的快轴发散角，即φ＞δ。这样，上述偏转角度Θ的限制条件即可描述为Θ≤(φ-δ)/2。因为快轴发散角δ为半导体激光器的固有属性，一般不可调节，为了保证偏转角度Θ有更大的调节范围，在选择快轴准直器件时，应尽可能选择有效入射直径大且焦距短的透镜系统，即最大有效入射孔径角φ越大越好。

考虑到单个半导体激光器阵列的能量在快轴方向呈典型的中间强两边弱的高斯分布特征（参考图3），其准直后的光束以EO连线为基准上下不均匀分布，一侧能量略高，另一侧能量略低，但中间强两边弱的整体能量分布趋势未变。加之焦点由多个半导体激光器阵列的远场光斑叠加而成，这种不均匀的能量分布特征将会有所改善。

如图11（a）和图11（b）所示，假定半导体激光器叠层的封装间距为d，半导体激光器的阵列数量为N，单个半导体激光器阵列准直后的功率为P，准直后高度为h，在预定距离L位置的慢轴尺寸为M。通过计算可以得到如下结果：

距离L处的光斑尺寸＝M×h

距离L处的激光总功率＝N×P

由此可以得出：

距离L处的平均激光功率密度Pa＝N×P/(M×h)

在半导体激光器叠层的另一个实施例（例2）中，假设：

在N＝5，P＝50W，M＝20mm，h＝1mm时，距离L处的平均激光功率密度Pa≈12.5W/mm²

如其他参数不变的情况下h增大为2mm，则Pa≈6.3W/mm²

注意在这里的计算过程中，与参数d无关的前提条件是每个激光器阵列的偏转角度Θ足以保证无溢出光损。

将上述计算结果和传统平行式快轴准直方法相比，可以看出聚焦式快轴准直方法可以大幅提高预定距离处的平均激光功率密度。

上述通过调节快轴准直器件的旋转角度来实现输出光束聚焦的思路不仅适用于同一半导体激光器叠层中多个半导体激光器阵列的输出光束聚焦，还可以适用于同一半导体激光器阵列中，不同发光点的输出光束聚焦。具体而言，在同一半导体激光器阵列中，位于中心位置的半导体激光器发光点所对应的快轴准直器件不进行角度调节，而位于两侧的半导体激光器发光点所对应的快轴准直器件向中心位置进行相应的角度调节。通过逐一调节各半导体激光器发光点所对应的快轴准直器件的偏转角度Θ，可以在预定距离上将所有光束由一条线汇聚成一个点，从而实现对同一半导体激光器阵列中多个半导体激光器输出光束的聚焦。

对偏转角度Θ的调整是针对半导体激光器输出光束的快轴方向。而在半导体激光器输出光束的慢轴方向上一般有7～10度的发散角。为了约束此方向上的光斑尺寸，本发明人进一步采用设置平行棱镜的技术方案予以约束。通过平行棱镜（也称慢轴约束棱镜）的平行面内壁全反射，可以在不增大发散角的情况下有效约束慢轴方向上的光斑尺寸，且不产生额外光损。

如图12所示，慢轴约束棱镜的入射面和出射面一般选择平行平面，在慢轴方向上的一组约束用平面也选用平行平面。这两组平行平面彼此垂直。入射面在慢轴方向上的宽度要求大于等于半导体激光器阵列的慢轴发光宽度（通常为10mm左右），高度要求大于等于整个半导体激光器阵列的出光高度，以保证准直后的光束可以全部入射。为了减少光损，入射面和出射面可以蒸镀光学增透膜。慢轴约束棱镜剩下的两个面只要不阻挡快轴经过准直的光路，对具体面型尺寸无严格要求。

在半导体激光器叠层的又一个实施例（例3）中，假设：

在h＝1mm的情况下，如果采用厚度为12mm、长度接近L的平行棱镜对慢轴方向予以压缩，可以在特定距离L处得到尺寸依然为12mm的光斑。如果不考虑界面入射和出射光损，则L处的平均激光功率密度Pa＝N×P/(M×h)≈20.8W/mm²。

从例3可以看出，通过对慢轴方向予以压缩，可以进一步提高预定距离处的平均激光功率密度。

如图13所示，在用于实现上述光束压缩方法的光学装置中，沿半导体激光器的输出光路方向上依次分布有快轴准直器件和慢轴约束棱镜。其中，快轴准直器件的光心O距离所对应的发光点E的距离相当于其焦距f的长度，同时快轴准直器件的光心O围绕发光点E以焦距f为半径做幅度为Θ的小角度旋转，在旋转过程中始终保持入射光线方向与EO连线的重合，使准直后的光束随之旋转。慢轴约束棱镜也布置在经过准直的输出光路上，其与快轴准直器件之间的距离由激光器慢轴方向光斑尺寸决定，要求慢轴约束棱镜入射端的宽度应该大于等于慢轴方向在此位置上的尺寸，以确保全部入射。慢轴约束棱镜的入射面和出射面为平行平面，在慢轴方向上的一组约束用平面也选用平行平面。这两组平面采用垂直角度设计。在本发明的一个实施例中，快轴准直器件和慢轴约束棱镜可以做成一体式的透镜体，以便于安装和同时使用。快轴准直器件的安装固定一般使用微调架预先调节，然后采用光学胶水直接粘结在半导体激光器阵列上并固化。微调架在完成准直后撤掉，因而在实际产品上不再出现额外的机械或光学调节器件，可以保证半导体激光器叠层的简洁、可靠。

以上对本发明所提供的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法及其装置进行了详细的说明。对本领域的技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (9)

1.一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于包括如下步骤：

在半导体激光器的输出光路上设置快轴准直器件，将所述快轴准直器件的光心围绕相对应的发光点、以焦距为半径向中心位置做小角度旋转，并在旋转过程中保持输出光路方向和所述光心与相对应的发光点之间连线的重合；

旋转角度Θ满足下述公式的要求：

Θ≤(φ-δ)/2

其中，φ为所述快轴准直器件的最大有效入射孔径角，δ为半导体激光器的快轴发散角。

2.如权利要求1所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述半导体激光器的输出光束在经过所述快轴准直器件之后，再经过慢轴约束棱镜进行进一步发散角约束。

3.如权利要求1或2所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

在由多个半导体激光器组成的半导体激光器阵列中，向中心位置逐一调节位于两侧的各半导体激光器所对应的快轴准直器件的旋转角度，在预定距离上将所有光束汇聚到一点。

4.如权利要求3所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

在由多个半导体激光器阵列堆叠组成的半导体激光器叠层中，向中心位置逐一调节位于两侧的各半导体激光器阵列所对应的快轴准直器件的旋转角度，在预定距离上将所有光束汇聚到一条线。

5.如权利要求1所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述快轴准直器件为棒镜、凸柱面镜或凸多边棱镜。

6.如权利要求3所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述慢轴约束棱镜的入射面和出射面为平行平面，在慢轴方向上的一组约束用平面也为平行平面，这两组平行平面彼此垂直。

7.如权利要求6所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述入射面在慢轴方向上的宽度大于等于半导体激光器阵列的慢轴发光宽度，高度大于等于整个半导体激光器阵列的出光高度。

8.如权利要求6所述的用于半导体激光器的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述入射面和所述出射面蒸镀光学增透膜。

9.一种光学装置，用于实现如权利要求1所述的聚焦式光束压缩方法，其特征在于：

所述光学装置至少包括快轴准直器件和慢轴约束棱镜，所述快轴准直器件的光心距离发光点的距离为其焦距的长度，且所述快轴准直器件的光心围绕所述发光点向中心位置做小角度旋转，在旋转过程中保持输出光路方向和所述光心与相对应的发光点之间连线的重合，使准直后的光束随之旋转，所述慢轴约束棱镜分布在经过准直的输出光路上；所述快轴准直器件和所述慢轴约束棱镜之间的距离由半导体激光器在慢轴方向上的光斑尺寸决定。