CN102809822A - 一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置，包括沿光束前进方向依次放置的激光二极管阵列，快轴准直单元和光束旋转阵列，复曲面反射镜与光轴呈一定夹角放置，目的光学位于复曲面反射镜的焦点上。本发明可将激光二极管阵列发出的光束进行耦合聚焦。本发明具有结构简单、安装方便、插入损耗小、耦合效率高、结构紧凑性好的优点。

Description

一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置

技术领域

本发明涉及激光二极管阵列光束整形及耦合，具体涉及一种激光二极管阵列的光纤耦合或固体激光泵浦耦合的光束耦合聚焦装置。

背景技术

这些年来，激光技术发展迅速，其应用范围也日益扩大，激光技术在不停地改善我们的生活质量。用于固体激光的泵浦光源有两种：氙灯或氪灯和激光二极管。激光二极管具有体积小、重量轻、光电转换效率高、寿命长和可直接调制等特点，具有美好的市场未来。随着激光二极管成本的降低，在某些领域，激光二极管正逐步取代传统泵浦氙灯。在某些工业应用方面，以二极管激光为激光光源被直接应用到切割、焊接和表面处理，等等。

单管激光二极管由于受腔面灾变失效的影响，最大输出功率通常为瓦的量级，无法满足具体应用的要求。而在某些实际应用中又迫切需要大功率的二极管激光光源或泵浦源，因此必须将许多激光二极管制成阵列(array)或堆栈(stack)，以满足实际应用要求。激光二极管阵列一般由多个激光二极管发射单元排成一列组成，常见有19、25或49等几种。单个激光发射单元的光束分布存在很大的非对称性，其发光面积一般为1×50μm²至1×400μm²，其快轴全角发散角一般在30-40°，慢轴全角发散角在8-10°，两者的发散角相差3-4倍。激光二极管阵列的发光面积一般为1μm×10mm或以上，其激光光束的空间分布具有巨大的非对称性。一般地，激光二极管阵列要达到实际应用的要求，都必须对激光二极管阵列进行光学整形，即压缩激光二极管阵列的快轴和慢轴的发散角，最理想的状态是将其激光光束整形成均匀分布的方形(或圆形)光斑。

根据实际应用情况，出现了多种耦合聚焦激光二极管阵列的解决方案。现有技术中解决此问题的第一种方案是基于使用偏心衍射透镜阵列。采用第一组衍射透镜阵列来准直和引导单管激光发射单元快轴和慢轴方向的光线堆栈地排列到第二组衍射透镜阵列的快轴上。第一组衍射透镜阵列引入了光线的倾斜，而第二组衍射透镜阵列则补偿了这种倾斜，从而使光束直立出射，出射光被透镜耦合聚焦。这种方法最大的一个缺点是使用了两组衍射光学元件，整个装置的透过率较低。

现有技术中解决此问题的第二种方案是基于使用两个平行的偏心反射镜。这种解决方案使用了高效的快轴准直器件，系统透过率较高，这种解决方案对两个反射镜之间的平行性要求较高，对装置的安装要求高。

现有技术中解决此问题的第三种方案是采用偏斜光线成像系统。这种解决方案使用稍微倾斜放置的一快轴准直单元使单管激光发射单元发射方向不在同一水平面上；然后再用一普通的场镜使各个激光发射单元的激光堆栈排列在快轴方向上；最后使用一组透镜和在透镜组中加放一衍射光学元件对激光二极管阵列的光束进行耦合聚焦。

现有技术中解决此问题的第四种方案是先采用一个快轴准直单元压缩激光二极管阵列快轴的发散角，接着采用一组光束旋转阵列使激光束分布空间旋转90°，然后用一组普通柱透镜组成的光学压缩系统和在该光学压缩系统内插入一复眼准直器来压缩和匀化激光束，最后用一非球面透镜来耦合聚焦激光二极管阵列。

第三种和第四种解决方案虽然耦合效率高，但是它们都插入了衍射光学元件和更多的普通光学元件，从而带来了更多的插入损耗和降低了系统的紧凑性。在现有技术的基础上，急需开发一种耦合效率高、插入损耗小和紧凑性好的光学耦合聚焦装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合效率高、插入损耗小和紧凑性好的光学耦合聚焦装置。为此，本发明提供了一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置，包括沿光束前进方向依次放置的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列、复曲面反射镜和目的光学，其特征在于，所述的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列平行排列，所述的复曲面反射镜倾斜位于光束旋转阵列之后，所述的目的光学位于复曲面反射镜的焦点处。

进一步的，所述的激光二极管阵列由8-20个激光二极管发射单元并排排成一列组成。

进一步的，所述的快轴准直单元为折射光学元件，所述的快轴准直单元为柱透镜或光纤透镜。

进一步的，所述的快轴准直单元表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。

进一步的，所述的光束旋转阵列由斜置45°的柱面微透镜组构成，柱面透镜组中单个柱面透镜单元的主轴与激光二极管阵列水平方向的夹角为45°，单个柱面透镜单元的数目与激光二极管阵列中的激光二极管的数目相同且一一对应，保证每个激光二极管发出的光可被对应的柱面透镜单元空间旋转90°，柱面透镜组的柱面所在平面与激光二极管阵列的发光方向垂直。

进一步的，所述的光束旋转阵列的通光面上镀有对激光具有高透过率的介质膜。

进一步的，所述的复曲面反射镜在x轴和y轴上具有相同或不同的曲率半径。

进一步的，所述的复曲面反射镜的法线与入射光束的夹角在0-45°之间。

进一步的，所述的复曲面反射镜的接收面上镀有对激光具有高反射率的介质膜。

进一步的，所述的目的光学为光纤或者激光晶体，所述的光纤或者激光晶体表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。

本发明的有益效果在于：第一，整个耦合聚焦装置不包含衍射光学元件，插入损耗小；第二，光束旋转阵列将每个激光二极管单元的光束在分布空间旋转了90°，使各个单管二极管激光束在水平方向上是相互平行的，更有益于阵列光束的耦合聚焦，提高了耦合效率；第三，用复曲面反射镜进行耦合聚焦与用透镜进行聚焦相比，减小了光束在介质中的损耗；用复曲面反射镜进行耦合聚焦时，目的光学可离轴摆放，目的光学的位置不需要与激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列在一条直线上，使整个装置的结构更加紧凑，便于装置的小型化设计。

附图说明

图1是激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置的结构示意图。

图2是光束旋转阵列结构示意图。

图3是光束旋转阵列中单个柱面透镜单元光束旋转示意图。

图4是复曲面反射镜点成像示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步阐释。

如图1所示，本发明的激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置包括：沿激光发射方向依次排列的激光二极管阵列1，快轴准直单元2，光束旋转阵列3，复曲面反射镜4，在复曲面反射镜4的焦点处放置目的光学5。

其中，激光二极管阵列1由8-20个激光二极管发射单元排成一列组成，激光二极管阵列的发光面积大于等于1μm×1cm，单个激光二极管发射的激光光束存在很大的不对称性，其快轴全角发散角一般为40°左右，慢轴全角发散角一般为10°左右。因此，激光二极管阵列发射的激光光束的空间分布具有很大的非对称性，为达到实际应用要求，激光二极管阵列1需经过光学整形。

快轴准直单元2采用折射光学元件，可以选择柱状透镜或光纤透镜，如图1所示，快轴准直单元2与激光二极管阵列1水平方向平行，快轴准直单元2的通光面上镀有对激光具有高透过率的介质膜。激光二极管阵列1发出的激光光束经过快轴准直单元2后，快轴光束发生折射，快轴发散角被压缩，快轴光束被整形为平行光束，光束的发射方向与激光二极管阵列1和快轴准直单元2方向垂直，而慢轴光束可自由通过不发生折射，沿原光路前进。

激光二极管阵列1发出的光束通过快轴准直单元2后，在快轴方向上是平行的，而在慢轴方向上仍然是发散的。激光二极管阵列1发出的光束形成的发光面在慢轴方向，即水平方向上的长度是大于1cm的，而在快轴方向，即竖直方向上的长度是远远不到1cm的。在慢轴方向上将长度大于1cm的非平行光束聚焦到同一点上是相当困难的；但是，如果慢轴方向上的光束都是平行的，将平行光束聚焦到同一点则相当容易。因此，有必要将单个激光二极管单元发出的光束在分布空间上旋转90°，光束旋转阵列3解决了该问题。

如图2所示，光束旋转阵列3由一组斜置45°的柱面微透镜组构成。柱面透镜组中单个柱面透镜单元的主轴与激光二极管阵列1的水平方向的夹角为45°；单个柱面透镜单元的数目与激光二极管阵列1中的激光二极管的数目相同且一一对应，保证每个激光二极管发出的光可被对应的柱面透镜单元空间旋转90°；柱面透镜组的柱面所在平面与激光二极管阵列1的发光方向垂直，光束旋转阵列3的通光面上镀有对激光具有高透过率的介质膜。

图3所示为单个柱面透镜单元将入射光在空间上旋转90°的原理图。经快轴准直单元2整形的快轴光束和没有经过整形的慢轴光束经过光束旋转阵列3时均在空间上被旋转90°，原来在竖直方向上不发散的快轴平行光束经过光束旋转阵列3后变为水平方向不发散的平行光；原来在水平方向上有一定散射角的慢轴光束经过光束旋转阵列3后变为竖直方向上有一定散射角的光束。光束旋转阵列3将每个激光二极管单元的光束在分布空间上旋转了90°，使各个激光二极管阵列发出的束在水平方向上是相互平行的，更有益于阵列光束的耦合聚焦，提高了耦合效率。

复曲面反射镜4将其x轴和y轴方向上具有不同发散角的光束进行反射聚焦。复曲面反射镜4的反射面为一凹面，激光二极管阵列1发出的激光光束经快轴准直单元2和光束旋转阵列3整形后由复曲面反射镜4耦合聚焦进入目的光学5中。复曲面反射镜的法线与激光发射光轴方向呈0-45°夹角。图4为复曲面反射镜单点成像示意图。点光源o发出的光在x方向和y方向上具有不同的发散角，经复曲面反射镜4聚焦到o’，复曲面反射镜4表面镀有对激光具有高反射率的介质膜。用复曲面反射镜4进行耦合聚焦与用透镜进行聚焦相比，减小了光束在介质中的损耗；用复曲面反射镜4进行耦合聚焦时，目的光学5可离轴摆放，目的光学5的位置不需要与激光二极管阵列1、快轴准直单元2、光束旋转阵列3在一条直线上，使整个装置的结构更加紧凑，便于装置的小型化设计。

目的光学5为接收经复曲面反射镜4聚焦后的激光束的接收装置，可以是光纤或激光晶体，目的光学5位于复曲面反射镜4的焦点处，接收被整形光束。

实施例1

本实施例中的激光二极管阵列1由8个激光二极管发射单元组成，单个激光二极管发射单元的发射面积为1×100μm²，快轴全角发散角为35°，慢轴全角发散角为8°。快轴准直单元2为一微柱面透镜，其高度为500μm，厚度为2mm，长度为10mm，光学焦距为1mm，距离激光二极管阵列200μm，快轴准直单元2的通光表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。激光二极管阵列1发出的快轴光束被快轴准直单元2压缩快轴发散角后，快轴光束被整形成高度为200μm的平行光束。光束旋转阵列3与快轴准直单元2的距离为600μm，光束旋转阵列3由8个斜置45°的柱面微透镜组构成，柱面透镜组中单个柱面透镜单元的主轴与激光二极管阵列1水平方向的夹角为45°，单个柱面透镜单元的数目与激光二极管阵列1中的激光二极管的数目相同且一一对应。光束旋转阵列3将各个激光二极管发射单元发出的光束分布空间旋转90°，光束旋转阵列3的通光面上镀有对激光高透过率的介质膜。复曲面反射镜4的凹面上镀有对激光光束高反射率的介质膜，其x方向曲面的曲率半径为80mm，y方向曲面的曲率半径为42mm，复曲面反射镜4的法线方向与激光二极管阵列1光束的发射光轴方向夹角为0.0125°，与光束旋转阵列3的距离为40mm。目的光学5为阶跃光纤，其数值孔径NA为0.22，芯径为200μm。激光二极管阵列1发出的光束经过快轴准直单元2和光束旋转阵列3整形后，最终通过复曲面反射镜4被耦合聚焦到数值孔径NA为0.22，芯径为200μm的阶跃光纤中。

以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置，包括沿光束前进方向依次放置的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列、复曲面反射镜和目的光学，其特征在于，所述的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列平行排列，所述的复曲面反射镜倾斜位于光束旋转阵列之后，所述的目的光学位于复曲面反射镜的焦点处。

2.根据权利要求1所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的激光二极管阵列由8-20个激光二极管发射单元并排排成一列组成。

3.根据权利要求1所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的快轴准直单元为折射光学元件，所述的快轴准直单元为柱透镜或光纤透镜。

4.根据权利要求3所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的快轴准直单元表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。

5.根据权利要求1所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的光束旋转阵列由斜置45°的柱面微透镜组构成，单个柱面透镜单元的主轴与激光二极管阵列水平方向的夹角为45°，单个柱面透镜单元的数目与激光二极管阵列中的激光二极管的数目相同且一一对应，柱面透镜组的柱面所在平面与激光二极管阵列的发光方向垂直。

6.根据权利要求5所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的光束旋转阵列的通光面上镀有对激光具有高透过率的介质膜。

7.根据权利要求1所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的复曲面反射镜在x轴和y轴上具有相同或不同的曲率半径。

8.根据权利要求7所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的复曲面反射镜的法线与入射光束的夹角在0-45°之间。

9.根据权利要求7所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的复曲面反射镜的接收面上镀有对激光具有高反射率的介质膜。

10.根据权利要求1所述的光束耦合聚焦装置，其特征在于，所述的目的光学为光纤或者激光晶体，所述的光纤或者激光晶体表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。

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