CN103091847B - 利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法 - Google Patents

Abstract

利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法,属于激光技术领域，是一种用于大功率半导体激光堆栈的光束聚焦的设计方法。利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，根据大功率半导体激光堆栈1的发光特性，也就是光斑尺寸和快慢轴方向发散角大小来设计一个相应尺寸的椭球面反射镜2来反射聚焦光束，本发明的实现慢轴方向光传输、会聚、离焦，并与快轴方向的焦点位置相同、光斑尺寸相同，在焦平面上消除快慢轴方向上的差异。

Description

利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法

技术领域

本发明属于激光技术领域，是一种用于大功率半导体激光堆栈的光束聚焦的设计方法。

背景技术

大功率半导体激光由堆栈形式集聚能量，通过微透镜进行准直。然而，准直后的快慢轴出射的激光仍然存在着不同大小的发散角，直接半导体激光器的快轴光束质量优于慢轴光束质量。由半导体激光的形成方式和光束特征，决定了其具有较大光斑，并且在任一光轴垂直的平面上都存在XY两方向上的发散角差别较大，限制了大功率半导体激光器在加工方面的应用。因此，大功率半导体激光器的光束整形、聚焦显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对大功率半导体激光堆栈1出射的矩形光斑，设计一种椭球面的反射聚焦方法，利用单一椭球反射镜2，使快、慢轴处理合而为一，重组能流分布，消除快、慢轴差异，实现圆光斑汇聚。

本发明采用如下技术方案：

利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，根据大功率半导体激光堆栈1的发光特性，也就是光斑尺寸和快慢轴方向发散角大小来设计一个相应尺寸的椭球面反射镜2来反射聚焦光束；具体方法如下：

选取一个大功率半导体激光堆栈1，设其光斑尺寸为L₁×L₂，L₁为快轴方向尺寸，L₂为慢轴方向尺寸，光斑形状为矩形光斑，快轴方向发散角为α，慢轴方向发散角为β。为了实现物距为u，焦距为f，并且入射光和出射光成90°夹角的聚焦效果，采用椭球面反射镜2对其进行聚焦，并计算出相应的椭球镜尺寸。

所述椭球面反射镜2的反射面是一个大椭球体表面的面形的一小部分。将大功率激光堆栈1的快轴方向光束对应所述椭球面反射镜2面形的椭圆4面方向放置，慢轴方向光束对应所述椭球面反射镜2面形的圆5面方向放置，椭球反射镜分别利用椭圆4和圆5的性质对快慢轴不同发散角的光束同时进行了聚焦，最终光束被聚焦到了焦点3上。

接下来，确定椭球镜的具体尺寸。

选取大功率半导体激光堆栈1正中间的一列发光单元，即快轴的方向发光单元，发出发散角为α的快轴方向光，快轴方向光平面与椭球面反射镜2相交轨迹为一个椭圆4里的一部分，将所述椭圆4面补充完整，并且建立直角坐标系。

以椭圆4中心为原点O，椭圆4长轴方向为X轴方向，短轴方向为Y轴方向。椭球面反射镜2镜子中心点在椭圆4上的A（x₀,y₀）点上，位于坐标系第二象限，椭圆4长轴为a，短轴为b，两焦点分别为右焦点S₁，左焦点S₂。连接线段AS₁，AS₂，其中AS₂为焦距f，即AS₂=f。以线段AS₁中一点B为大功率半导体激光堆栈1中心点，线段AB为物距u，即AB=u，以B点为中心点做出线段CD并使之垂直于AS₁，线段CD代表大功率半导体激光堆栈1正中间一列发光单元，点C和点D表示大功率半导体激光堆栈1边界点，CD长度为大功率半导体激光堆栈1快轴方向光斑尺寸L₁，即CD=L₁。连接线段CS₁，DS₁，形成夹角∠DS₁C，∠DS₁C代表快轴方向发散角为α，即∠DS₁C=α。

经过几何计算可得出椭圆4长轴 $a=\frac{u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}+f}{2},$ 短轴 $b=\sqrt{a^2-{\left(\frac{\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}}{2}\right)}^2},$ 其中 ${\mathrm{AS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}.$

为了求出椭球面反射镜2中心点A坐标（x₀,y₀），根据椭圆4自身几何性质建立如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{x_0}^2}{a^2}+\frac{{y_0}^2}{b^2}=1\\ {(\frac{S_1{S}_2}{2}-|x_0\left|\right)}^2+{y_0}^2=f^2\end{array}\right.$

方程组中 $a=\frac{u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}+f}{2},$ $b=\sqrt{a^2-{\left(\frac{\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}}{2}\right)}^2},$ $S_1{S}_2=\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2},$ 其中 ${\mathrm{AS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}},$ 所以a，b，S₁S₂，f的值都可根据已知条件求出，方程组中只剩下x₀，y₀两个未知数。最终可解得A（x₀，y₀）对应坐标系中椭圆4上的位置。得到椭球面反射镜2的中心点为点A（x₀，y₀）,所在椭圆为椭圆4长轴a和短轴b的值，尺寸大于大功率半导体激光堆栈1发出光束投影到椭球镜上光斑尺寸的大小，所设计出的椭球面反射镜2用于聚焦。

将生产出的椭球面反射镜2按照物距u放置，激光束经过其反射，最终将大功率半导体激光堆栈1出射的矩形光斑L₁×L₂聚焦为一个很小的近似圆的椭圆形光斑。

本发明可以获得以下有益效果：

所述利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，采用单一的聚焦镜，直接置于大功两次半导体激光堆栈1后方，重组激光能流分布，快、慢轴利用不同方式汇聚，实现消除快、慢轴差异的聚焦光斑。

所述利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，采用椭球面反射镜2面形里椭圆4的特性，实现快轴方向聚集效果。

所述利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，采用椭球面反射镜2面形里圆5形的几何特性，实现慢轴方向光传输、会聚、离焦，并与快轴方向的焦点位置相同、光斑尺寸相同。

所述利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，采用椭圆反射镜和圆反射镜复合成为椭球面反射镜2，椭球面反射镜2反射面可以看作是由椭圆4经过路线圆5回转形成的，有利于对快慢轴发散角不同的光束利用的是不同的原理进行聚焦。

所述利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，椭球面反射镜2的椭球面可以将发散的快慢轴激光最大限度的整合到一个焦点3上，在焦平面上消除快慢轴方向上的差异。

附图说明

图1为大功率半导体激光堆栈发光示意图；

图2为非球面反射聚焦方法光路示意图；

图3为大功率半导体激光堆栈快轴方向聚焦光路示意图；

图4为大功率半导体激光堆栈慢轴方向聚焦光路示意图；

图5为快轴方向对应直角坐标系：

图中：

1、大功率半导体激光堆栈，2、椭球面反射镜，3、焦点，4、椭圆，5、圆。

具体实施方式

下面结合附图，详细介绍发明内容。

图1为大功率半导体激光堆栈发光示意图。

图2非球面反射聚焦方法光路示意图：反射面2为椭球面，有利于实现快慢轴不同光束质量的光变换后在同平面上具有相似的能量分布特性。

图3大功率半导体激光器快轴方向聚焦光路：大功率半导体激光堆栈1发出的快轴方向的激光经过椭圆4反射镜反射利用椭圆的聚焦原理会聚到焦点3上。

图4大功率半导体激光器慢轴方向聚焦光路：大功率半导体激光堆栈1发出的慢轴方向的激光经过圆5反射镜反射利用圆的聚焦原理会聚到焦点3上。

焦点3处，对于椭圆4反射镜为几何光学焦点，对于圆5反射镜光斑与椭圆4反射镜形成焦点光斑尺寸相同。

图5快轴方向对应直角坐标系：根据椭圆4性质及光斑尺寸计算出椭圆4长轴和短轴，以及所在椭球体中的位置。

在本实施例中，大功率半导体激光堆栈1的出光面尺寸为22mm×10mm，即L₁=22mm，L₂=10mm。快轴发散角为α=0.5°，慢轴发散角为β=6°~7°。为了实现物距为u=150mm，焦距为f=300mm，并且入射光与反射光夹角为90°的聚焦效果，采用相应的椭球面反射镜2对其进行聚焦，并计算这个椭球面反射镜2的尺寸。

建立直角坐标系，如图5所示。

设椭球面反射镜2镜子中心点在椭圆4上的A（x₀,y₀）点上，椭圆4长半轴为a，短半轴为b，两焦点为S₁，S₂。点B为大功率半导体堆栈1中心点，点C和点D为大功率半导体激光堆栈1边界点，即CD=L₁。因为焦距为f，物距为u，则有AS₂=f，AB=u。快轴方向发散角为α，所以∠DS₁C=α

∴ $\∠{\mathrm{BS}}_{1}C=\frac{\∠{\mathrm{DS}}_{1}C}{2}=\frac{\mathrm{\α}}{2}$

$\tan \∠{\mathrm{BS}}_{1}C=\frac{\mathrm{BC}}{{\mathrm{BS}}_1}$ 即 $\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}=\frac{\frac{L_1}{2}}{{\mathrm{BS}}_1}$

∴ ${\mathrm{BS}}_1=\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}$

${\mathrm{AS}}_1=\mathrm{AB}+{\mathrm{BS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}$

由椭圆4性质：椭圆4上任意一点到两焦点的距离之和等于2a，即长轴。

∴AS₁+AS₂=2a

∴ $a=\frac{{\mathrm{AS}}_1+{\mathrm{AS}}_2}{2}=\frac{u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}+f}{2}$ 即长轴。

因为大功率半导体激光堆栈1中心发出的入射光与出射光成90°夹角，所以∠S₁AS₂=90°。由勾股定理得

$S_1{S}_2=\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+{{\mathrm{AS}}_2}^2}=\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}$

又∵ $S_1{S}_2=2\sqrt{a^2-b^2}$ （椭圆4自身性质）

∴ $b=\sqrt{a^2-{\left(\frac{S_1{S}_2}{2}\right)}^2}=\sqrt{a^2-{\left(\sqrt{\frac{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}{2}}\right)}^2}$ 即短轴，其中 ${\mathrm{AS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}.$

设A点坐标为（x₀,y₀），则可根据椭圆4性质建立如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{x_0}^2}{a^2}+\frac{{y_0}^2}{b^2}=1\\ {(\frac{S_1{S}_2}{2}-|x_0\left|\right)}^2+{y_0}^2=f^2\end{array}\right.$

解得x₀=±1318或1962（舍去）y₀=±296.56871（x₀，y₀均为近似值）

所以存在四个点成立

（1318,296.56871）（1318，-296.56871）

（-1318，296.56871）（-1318，-296.56871）

这四个点是关于x轴和y轴对称的四个点，取其中一个即可，对应坐标系中A点位置的显然是（-1318，296.56871）。有了点A的坐标和椭圆4长轴a=1485.5mm和短轴b=632.9mm的值，再根据大功率半导体激光堆栈1所发出光束投影到椭球面反射镜2上光斑尺寸的大小就可以确定对应的椭球面反射镜2的尺寸规格，并且生产出椭球面反射镜2用于聚焦。

将生产出的椭球面反射镜2按照光路图2放置，大功率半导体激光堆栈1离椭球面反射镜2距离为物距150mm，光束经过椭球面反射镜2反射，并且出射光与入射光成90°夹角，焦距为300mm。最终将大功率半导体激光堆栈1的22mm×10mm的矩形光斑在焦点3处聚焦为一个1.2mm×1.0mm的椭圆形光斑。

Claims (2)

1.利用非球面反射镜聚焦大功率直接带隙半导体激光的方法，根据大功率半导体激光堆栈(1)的发光特性，也就是光斑尺寸和快慢轴方向发散角大小来设计一个相应尺寸的椭球面反射镜(2)来反射聚焦光束；其特征在于：具体方法如下：

选取一个大功率半导体激光堆栈(1)，设其光斑尺寸为L₁×L₂，L₁为快轴方向尺寸，L₂为慢轴方向尺寸，光斑形状为矩形光斑，快轴方向发散角为α，慢轴方向发散角为β；为了实现物距为u，焦距为f，并且入射光和出射光成90°夹角的聚焦效果，采用椭球面反射镜(2)对其进行聚焦，并计算出相应的椭球面反射镜尺寸；

所述椭球面反射镜(2)的反射面是一个椭球体表面的面形的一部分；将大功率半导体激光堆栈(1)的快轴方向光束对应所述椭球面反射镜(2)面形的椭圆(4)面方向放置，慢轴方向光束对应所述椭球面反射镜(2)面形的圆(5)面方向放置，椭球反射镜分别利用椭圆(4)和圆(5)的性质对快慢轴不同发散角的光束同时进行了聚焦，最终光束被聚焦到了焦点(3)上；

接下来，确定椭球面反射镜的具体尺寸；

选取大功率半导体激光堆栈(1)正中间的一列发光单元，即快轴的方向发光单元，发出发散角为α的快轴方向光，快轴方向光平面与椭球面反射镜(2)相交轨迹为一个椭圆(4)里的一部分，将所述椭圆(4)面补充完整，并且建立直角坐标系；

以椭圆(4)中心为原点O，椭圆(4)长轴方向为X轴方向，短轴方向为Y轴方向；椭球面反射镜(2)镜子中心点在椭圆(4)上的A(x₀,y₀)点上，位于坐标系第二象限，椭圆(4)长轴为a，短轴为b，两焦点分别为右焦点S₁，左焦点S₂；连接线段AS₁，AS₂，其中AS₂为焦距f，即AS₂＝f；以线段AS₁中一点B为大功率半导体激光堆栈(1)中心点，线段AB为物距u，即AB＝u，以B点为中心点做出线段CD并使之垂直于AS₁，线段CD代表大功率半导体激光堆栈(1)正中间一列发光单元，点C和点D表示大功率半导体激光堆栈(1)边界点，CD长度为大功率半导体激光堆栈(1)快轴方向光斑尺寸L₁，即CD＝L₁；连接线段CS₁，DS₁，形成夹角∠DS₁C，∠DS₁C代表快轴方向发散角为α，即∠DS₁C＝α；

经过几何计算可得出椭圆(4)长轴短轴 $b=\sqrt{a^2-{\left(\frac{\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}}{2}\right)}^2},$ 其中 ${\mathrm{AS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}};$

为了求出椭球面反射镜(2)中心点A坐标(x₀,y₀)，根据椭圆(4)自身几何性质建立如下方程组：

$\left\{\begin{array}{c}\frac{{x_0}^2}{a^2}+\frac{{y_0}^2}{b^2}=1\\ {(\frac{S_1{S}_2}{2}-|x_0\left|\right)}^2+{y_0}^2=f^2\end{array}\right.$

方程组中 $a=\frac{u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}}+f}{2},b=\sqrt{a^2-{\left(\frac{\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2}}{2}\right)}^2},$ $S_1{S}_2=\sqrt{{{\mathrm{AS}}_1}^2+f^2},$ 其中 ${\mathrm{AS}}_1=u+\frac{\frac{L_1}{2}}{\tan \frac{\mathrm{\α}}{2}},$ 所以a，b，S₁S₂，f的值都可根据已知条件求出，方程组中只剩下x₀，y₀两个未知数；最终可解得A(x₀，y₀)对应坐标系中椭圆(4)上的位置；得到椭球面反射镜(2)的中心点为点A(x₀，y₀),所在椭圆为长轴a和短轴b的椭圆(4)，尺寸大于大功率半导体激光堆栈(1)发出光束投影到椭球面反射镜上光斑尺寸的大小，所设计出的椭球面反射镜(2)用于聚焦。

2.根据权利要求1所述的聚焦大功率直接带隙半导体激光的方法，其特征在于：将生产出的椭球面反射镜(2)按照物距u放置，激光束经过其反射，最终将大功率半导体激光堆栈(1)出射的矩形光斑L₁×L₂聚焦为一个近似圆的椭圆形光斑。