CN103163648B - 一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，所述的耦合系统中的准直透镜和正交柱透镜组将二极管阵列光源的出射光整形压缩到空心波导中，光束经空心波导的分割、展宽和叠加后在出口端得到近平顶分布的光斑，再用成像透镜组将匀化光斑成像到激光介质上，提高激光器的增益均匀性，降低热畸变。本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统结构简单，耦合效率高，易于加工和装调，成本低。
Description
技术领域
本发明属于激光器中泵浦光源的整形耦合系统领域，具体涉及一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统。用于大尺寸片状工作介质激光器的端面均匀泵浦耦合。
背景技术
随着二极管泵浦固体激光器向高技术应用领域的深入推进，对激光器的输出功率和光束质量都提出了更高的要求。但是高功率激光输出伴随着高的废热产生，由此导致的热畸变将使光束质量快速下降。提高激光器中泵浦耦合系统对大发光面积二极管阵列光源的匀化能力是克服增益介质热畸变的有效方法。同时，为了便于推广应用，系统需要简单、可靠、成本低。
现有的二极管阵列耦合系统主要有两种形式：1）光纤耦合系统：将二极管阵列光源用微光学元件耦合到光纤中，出射光经透镜准直后用抛物面镜和直角棱镜实现对激光介质的多通泵浦。2）微透镜阵列耦合系统：二极管阵列快慢轴方向的处理方法相同，即先用准直透镜组对光源阵列中每个二极管进行准直，接着用微柱透镜阵列将每个二极管光源分割成多个子束，再用另一个微柱透镜阵列作为场镜，改变每个子束的发散角，最后用一柱透镜将多个子束在焦平面上进行叠加，叠加光斑的大小可以用第二个微透镜阵列进行调节。
这两种耦合方法均存在一些不足：第一种耦合系统虽然可以实现多通，但将二极管阵列耦合到光纤中需要复杂的微光学元件，光纤中出射的光不是均匀分布而是近高斯分布，系统的耦合效率约为60%~70%；第二种耦合方式需采用两组微透镜阵列组，调试难度大，加工成本高。
发明内容
为了克服已有技术中二极管阵列耦合光学系统复杂、微光学元件加工难度大和成本高的不足，本发明提供一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统。
本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特点是，所述的耦合系统包括准直透镜、正交柱透镜组、空心波导、成像透镜组，其中，正交柱透镜组包括第一柱透镜和第二柱透镜，成像透镜组包括第一球透镜和第二球透镜。二极管阵列的出射光依次经准直透镜、第一柱透镜、第二柱透镜压缩到空心波导中，光束经空心波导的分割、展宽和叠加后在出口端得到近平顶分布的光斑，光斑通过第一球透镜、第二球透镜成像到激光介质上，以此大幅降低增益区的热畸变。
所述的准直透镜焦距为0.6mm~0.9mm，材料为光学玻璃。
所述的第一柱透镜的焦距为310mm~380mm，材料为光学玻璃。
所述的第二柱透镜的焦距为240mm~260mm，材料为光学玻璃。
所述的空心波导通光口径为方形或六边形，通光口径的圆内切直径范围为Φ40mm~Φ60mm，长度为200mm~350mm。
所述的空心波导镀高反膜，反射率≥98％。
所述的空心波导的材料选用航空铝或不锈钢。
所述的第一球透镜和第二球透镜直径为Φ55mm~Φ100mm，焦距为70mm~190mm，材料为光学玻璃。
本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统，采用准直透镜和正交柱透镜组将大发光面二极管阵列光源整形成小光斑，小光斑与空心波导入口端的通光口径相内接，光束经空心波导的匀化作用后在出口端得到高均匀性的光斑，空心波导出口端的匀化光斑用成像透镜组成像到工作介质上，以此提高工作介质的增益均匀性。二极管泵浦固体激光器的发展所面临的棘手问题是提高出射激光的亮度，提高激光介质增益区的泵浦均匀性是解决这一问题的一种有效方法，然而组成二极管阵列的激光二极管两个方向的光束质量因子差别很大，即在1um方向的光束质量因子M2≈1，10mm方向的光束质量因子M2≈2700，二极管阵列在1um方向有数十个激光二极管堆叠，由此二极管阵列光束质量因子变得更差，这将大大的制约二极管阵列作为泵浦源的应用。在光纤耦合系统中需要采用微光学元件将激光二极管光源进行整形，光路复杂且耦合效率不理想，微透镜阵列耦合系统需要将激光二极管光源分割为多个子束，场镜阵列中的微透镜要与各个子束对应用来控制发散角，所有这些都会对光学元件提出很高的要求，这也限制了这些方法的应用。
本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统中采用的准直透镜、正交柱透镜组、空心波导和成像透镜组都是通用的光学元件。本发明的耦合系统结构简单，耦合效率较高，易于加工和装调，成本低。
附图说明
图1是本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统的光路图；
图中，1.准直透镜2.第一柱透镜3.第二柱透镜4.空心波导5.第一球透镜6.第二球透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
实施例1
图1是本发明的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统实施例1的光路图。图1中，本发明的二极管阵列波导匀化成像耦合系统，包括准直透镜1、正交柱透镜组、空心波导4、成像透镜组，其中，正交柱透镜组包括第一柱透镜2和第二柱透镜3，成像透镜组包括第一球透镜5和第二球透镜6。二极管阵列的出射光依次经准直透镜1、第一柱透镜2、第二柱透镜3压缩到空心波导4中，光束经空心波导4的分割、展宽和叠加后在出口端得到近平顶分布的光斑，光斑通过第一球透镜5、第二球透镜6成像到激光介质上。
本实施例中，所述的准直透镜1焦距为0.6mm，材料为光学玻璃。
所述的第一柱透镜2的通光口径为110mm×110mm，焦距为310mm，材料为光学玻璃。所述的第二柱透镜3的通光口径为110mm×120mm，焦距为240mm，材料为光学玻璃。
所述的空心波导4的通光口径为方形，通光口径的圆内切直径为Φ40mm，空心波导的长度为200mm，空心波导镀高反膜，反射率≥98％，空心波导材料为航空铝。
所述的第一球透镜5的直径为Φ80mm，焦距为130mm，材料为光学玻璃。
所述的第二球透镜6的直径为Φ55mm，焦距为70mm，材料为光学玻璃。
实施例2
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，准直透镜焦距为0.9mm，材料为光学玻璃。空心波导的通光口径为六边形，通光口径的圆内切直径为Φ40mm，空心波导长度为250mm，材料为不锈钢。
实施例3
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，第一柱透镜通光口径为120mm×80mm，焦距为380mm，材料为光学玻璃。第二柱透镜通光口径为106mm×140mm，焦距为260mm，材料为光学玻璃。
空心波导的通光口径为六边形，通光口径的圆内切直径为Φ60mm，空心波导长度为350mm，空心波导材料为航空铝。
实施例4
本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是，第一球透镜的直径为Φ100mm，焦距为190mm，材料为光学玻璃。第二球透镜的直径为Φ60mm，焦距为90mm，材料为光学玻璃。
Claims (7)
1.一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的耦合系统包括准直透镜（1）、正交柱透镜组、空心波导（4）、成像透镜组，其中，正交柱透镜组包括第一柱透镜（2）和第二柱透镜（3），成像透镜组包括第一球透镜（5）和第二球透镜（6）；
二极管阵列的出射光依次经准直透镜（1）、第一柱透镜（2）、第二柱透镜（3）压缩到空心波导（4）中，光束经空心波导（4）的分割、展宽和叠加后在出口端得到近平顶分布的光斑，光斑通过第一球透镜（5）、第二球透镜（6）成像到激光介质上；
所述的空心波导（4）中的通光口径为方形或六边形，通光口径的圆内切直径范围为Φ40mm～Φ60mm，空心波导长度为200mm～350mm。
2.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的准直透镜（1）焦距为0.6mm～0.9mm。
3.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的第一柱透镜（2）的焦距为310mm～380mm。
4.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的第二柱透镜（3）的焦距为240mm～260mm。
5.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的空心波导（4）镀高反膜，反射率≥98％。
6.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的空心波导（4）的材料选用航空铝或不锈钢。
7.根据权利要求1所述的一种二极管阵列波导匀化成像耦合系统，其特征在于：所述的第一球透镜（5）和第二球透镜（6）的直径为Φ55mm～Φ100mm，焦距为70mm～190mm。
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