CN103323957A

CN103323957A - 偏振耦合装置

Info

Publication number: CN103323957A
Application number: CN2013102251705A
Authority: CN
Inventors: 林学春; 王丽荣; 王宝华; 郭渭荣; 王祥鹏; 陈凯
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2013-09-25

Abstract

本发明提供了一种偏振耦合装置。该偏振耦合装置包括：直角棱镜，其第一直角面朝向入射激光的方向；斜方棱镜，其第一长边面与直角棱镜斜边面的长度相等，两者至少其中之一镀偏振分光膜层后紧密贴合，形成偏振分光界面；其第二长边面镀激光全反膜；其第一短边面朝向入射激光方向，其第二短边面作为激光出射面；1/2波片，在偏振分光膜层为S偏振光高透P偏振光高反膜时，该1/2波片位于直角棱镜的第一直角面的光路前端；在偏振分光膜层为P偏振光高透S偏振光高反膜时，该1/2波片位于斜方棱镜的第一短边面的光路前端。本发明偏振耦合装置能够实现对单独一个激光光源的光束尺寸进行压缩。

Description

偏振耦合装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种针对大功率半导体激光器的高损伤阈值偏振耦合装置。

背景技术

半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、寿命长等优点，广泛应用于各个领域，尤其是高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激光器，在材料加工、泵浦固体激光器以及在军事、医疗等领域都有着广泛的应用和很好的发展前景。

但半导体激光器输出光在空间上是非相干的，大功率的半导体激光器发光单元较多，其输出光的光束质量差、亮度低等缺陷极大程度上限制了它的应用与推广。所以改善光束质量，提高发光亮度便成为大功率半导体激光器进一步发展的关键所在。

通过压缩半导体激光器的输出光束尺寸的方法可以提高光束的亮度和光束质量，从而满足不同领域的实用要求。目前普遍采用的压缩光束尺寸的方法便是采用偏振耦合装置。

图1为现有技术偏振耦合装置的示意图。请参照图1，该偏振耦合装置包括：半波片20和偏振立方体30。由第一激光器10发出的激光束经过半波片20后，其偏振方向偏转π/2，射入偏振立方体30，直接透过分光界面射出。由第二激光器40射出的激光束射入偏振立方体30，在分光面反射后射出。通过该偏振耦合装置，达到了对两束激光进行光束压缩的目的。

然而，对于上述偏振耦合装置，其只能对两个激光光源的光束尺寸进行压缩，而不能对一个激光光源的光束尺寸进行压缩。此外，对激光光源空间摆放位置具有严格要求，整套系统结构不够紧凑，占用空间较大，移动不便。并且，该偏振耦合装置的偏振立方体分光界面一般采用普通胶和方式连接，抗激光损伤能力较差。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种偏振耦合装置，以能够实现对单独一个激光光源的光束尺寸进行压缩。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种偏振耦合装置。该偏振耦合装置包括：直角棱镜，其第一直角面朝向入射激光的方向；斜方棱镜，其第一长边面与直角棱镜斜边面的长度相等，两者至少其中之一镀偏振分光膜层后紧密贴合，形成偏振分光界面；其第二长边面镀激光全反膜；其第一短边面朝向入射激光方向，其第二短边面作为激光出射面；1/2波片，在偏振分光膜层为S偏振光高透P偏振光高反膜时，该1/2波片位于直角棱镜的第一直角面的光路前端；在偏振分光膜层为P偏振光高透S偏振光高反膜时，该1/2波片位于斜方棱镜的第一短边面的光路前端。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明偏振耦合装置具有以下有益效果：

(1)不仅能对多个半导体激光器的光束组合尺寸进行压缩，而且能对单个半导体激光器光束尺寸进行压缩，使光斑尺寸可以被压缩得更小，更进一步提高半导体激光器输出光束的光束质量与光束亮度；

(2)半导体激光光源(一个或多个)均沿一个方向平行摆放，空间摆放位置简单，占用空间明显缩小，并且，把半波片与偏振耦合棱镜连接在一起，结构紧凑；

(3)棱镜接触面之间采用分子键合粘结，具有比一般光胶表面高近十倍的损伤阈值，可以承受大功率的半导体激光。

附图说明

图1为现有技术偏振耦合装置的示意图；

图2为本发明第一实施例偏振耦合装置的结构示意图；

图3为本发明第二实施例偏振耦合装置的结构示意图。

【本发明主要元件符号说明】

1-1/2波片 2-斜方棱镜

3-直角棱镜； 4-偏振分光界面；

5-斜方棱镜的第一短边面； 6-斜方棱镜的第二长边面；

7-直角棱镜的第一直角面。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。

本发明提供了一种偏振耦合装置。该偏振耦合装置通过直角棱镜、斜方棱镜与偏振分光膜层以及分子键合粘结处理方式，对高功率的半导体激光器输出光束进行缩束，从而改善输出光束的亮度和光束质量。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种偏振耦合装置。图2为本发明第一实施例偏振耦合装置的结构示意图。如图2所示，本实施例偏振耦合装置包括：1/2波片1、斜方棱镜2和直角棱镜3。直角棱镜3的一直角边对应的第一直角面作为第一激光入射面。斜方棱镜2的短边与直角棱镜3的第一直角边长度相等，其第一短边面作为第一激光入射面，其第一长边面与直角棱镜3斜边对应的斜边面紧密贴合，形成偏振分光界面，该偏振分光界面镀有S偏振光高透P偏振光高反膜，其第二长边面镀激光全反膜，其与激光入射面平行的第二短边面作为激光出射面。1/2波片1紧贴斜方棱镜2的第一短边面其朝向外侧的面作为第二激光入射面。

在上述偏振分光界面，斜方棱镜2的第一长边面和直角棱镜的斜边面分别镀S偏振光高透P偏振光高反膜，而后将两者紧密贴合。而如果将对斜方棱镜2的相应长边面和直角棱镜相应的斜边面两者之一镀S偏振光高透P偏振光高反膜，而后将两者紧密贴合，同样能够实现本发明。

为了实现斜方棱镜2的第一长边面和直角棱镜的斜边面的紧密贴合，提高其抗损伤能力，对两者之间的界面进行分子键合粘结。该分子键合粘结指的是两待键合面均经过超精细抛光，分别镀一层SiO₂薄膜，而后把两个面紧靠放置在高温环境下，烤制5～7天。在高温环境(500℃≤T≤1000℃)下两层SiO₂薄膜逐渐融合，最后通过分子键合力融为一体。此分子键合粘结方法比普通胶合粘结更加牢固，其抗激光损伤能力是一般胶合面的十倍左右。

需要说明的是，本实施例中1/2波片1紧贴斜方棱镜2的第一短边面，从而使偏振耦合装置的结构更加紧凑。本领域技术人员应当清楚，如果1/2波片1并不紧贴第一短边面，而是与第一短边面隔开预设距离，只要其唯一第一短边面的光路前端，同样能够实现对入射激光束的偏振方向进行偏转的目的，同样能够实现本发明。

以下介绍第一实施例偏振耦合装置的工作原理。

半导体激光束入射，第一部分光束入射至直角棱镜3的第一直角面，第二部分光束入射至1/2波片1。需要说明的是，该半导体激光束可以为出射激光方向一致的多个半导体激光器发射的多束激光束，也可以是一个半导体激光器发射的尺寸较宽的激光束。对于多束激光束而言，由于多个半导体激光器沿同一方向平行摆放，从而空间摆放位置简单，占用空间明显缩小。

请参照图2，入射直角棱镜3第一直角面的第一部分S偏振光，直接透射至直角棱镜内部，到达镀有S偏振光高透P偏振光高反膜的偏振分光界面4，传播方向不变。入射至1/2波片1的第二部分S偏振光经过1/2波片1后偏振方向旋转π/2，变为P偏振光；入射至斜方棱镜2的内部，经斜方棱镜2的镀激光全反膜的第二斜边面6和镀S偏振光高透P偏振光高反膜的偏振分光面4的两次全反射，与在偏振分光面4处透射的第一部分S偏振光合束，穿过斜方棱镜，由第二短边面出射。在理想情况下，光束宽度等于直角棱镜直角边两倍的偏振激光束，可以压缩至与直角棱镜直角边尺寸相同，从而达到缩小光斑尺寸的目的。

本实施例中，通过合理设计与布局，以及各元件之间特使的处理方式与紧密结合，从而克服了现有偏振耦合装置使用过程中的各种问题，实现了大功率半导体激光器缩小光斑尺寸、提高光束质量的目的。该装置结构紧凑，使用方便，抗激光损伤阈值高，且细化至具体加工工艺，实用性强。

图3为本发明第二实施例偏振耦合装置的结构示意图。如图3所示，本实施例偏振耦合装置包括：1/2波片1；斜方棱镜2；直角棱镜3。1/2波片1紧贴直角棱镜3的第一直角面7，其朝向外侧的面作为第一激光入射面；斜方棱镜2的短边与直角棱镜3的一直角边长度相等，其与第一激光入射面相连的第一短边面作为第二激光入射面；其第一长边面与直角棱镜3斜边对应的斜边面紧密贴合，形成偏振分光界面，该偏振分光界面镀有P偏振光高透S偏振光高反膜；其第二长边面镀激光全反膜，其与第一短边面平行的第二短边面作为激光出射面。

本实施例中，斜方棱镜2的第一长边面与直角棱镜3的斜边面分别镀P偏振光高透S偏振光高反膜，而后两个面之间采用分子键合粘结，形成偏振分光界面4。关于分子键合粘结的内容请参照第一实施例的相关说明，此处不再重述。

请参照图3，以下介绍第二实施例偏振耦合装置的工作原理：半导体激光束入射，第一部分光束入射至1/2波片1，第二部分光束入射至斜方棱镜2的第一短边面；入射至1/2波片1的第一部分S偏振光经过1/2波片1后偏振方向旋转π/2，变为P偏振光，直接透射至直角棱镜3内部，到达镀有P偏振光高透S偏振光高反膜的偏振分光界面4，传播方向不变；入射斜方棱镜2的第一短边面的第二部分S偏振光直射进入斜方棱镜2的内部，经斜方棱镜2的镀激光全反膜的第二斜边面6和镀P偏振光高透S偏振光高反膜的偏振分光面4的两次全反射后，与在偏振分光面4处透射的第一部分光束合束，穿过斜方棱镜，由第二短边面出射。在理想情况下，光束宽度等于直角棱镜直角边两倍的偏振激光束，可以压缩至与直角棱镜直角边尺寸相同，从而达到缩小光斑尺寸的目的。

本实施例未提及的相关技术特征与第一实施例相同，此处不再重述。

至此，已经结合附图对本发明两实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明偏振耦合装置有了清楚的认识。

此外，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换。

综上所述，本发明偏振耦合装置通过斜方棱镜、直角棱镜与偏振分光膜层以及分子键合粘结处理方式，对高功率的半导体激光器输出光束进行偏振耦合，从而改善输出光束的亮度和光束质量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种偏振耦合装置，其特征在于，包括：

直角棱镜，其第一直角面朝向入射激光的方向；

斜方棱镜，其第一长边面与所述直角棱镜斜边面的长度相等，两者至少其中之一镀偏振分光膜层后紧密贴合，形成偏振分光界面；其第二长边面镀激光全反膜；其第一短边面朝向入射激光方向，其第二短边面作为激光出射面；

1/2波片，在所述偏振分光膜层为S偏振光高透P偏振光高反膜时，该1/2波片位于直角棱镜的所述第一直角面的光路前端；在所述偏振分光膜层为P偏振光高透S偏振光高反膜时，该1/2波片位于斜方棱镜的所述第一短边面的光路前端。

2.根据权利要求1所述的偏振耦合装置，其特征在于，斜方棱镜的所述第一长边面和直角棱镜的所述斜边面均镀有相应的偏振分光膜层，两偏振分光膜层之间采用分子键合粘结。

3.根据权利要求1所述的偏振耦合装置，其特征在于，所述分子键合粘结为：两偏振分光膜层的待键合面均经过超精细抛光，分别镀SiO₂薄膜，而后把两个待键合面紧靠放置在高温环境下，烤制5～7天。

4.根据权利要求3所述的偏振耦合装置，其特征在于，所述高温环境的温度T满足：500℃≤T≤1000℃。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的偏振耦合装置，其特征在于，所述1/2波片与直角棱镜的所述第一直角面或斜方棱镜的所述第一短边面紧密贴合。