CN104407446A - 一种高功率半导体激光器的光学校正装置及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明专利提出了一种高功率半导体激光器的光学校正装置及其系统，解决了由于生产工艺造成的近场非线性效应和指向性差的问题。该光学校正装置为一种具有A面和B面两个透光面的透镜，光学校正装置的A面由均匀排列的透镜阵列组成，B面为凸透镜，通过该光学校正装置，可以得到均匀成平顶分布的光斑，提高了光束质量。

Description

一种高功率半导体激光器的光学校正装置及其系统

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种高功率半导体激光器的光学校正装置及其系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，比如泵浦，医疗以及工业加工领域。但是当前半导体激光器的推广应用会受到其光束质量的制约，所以提高半导体激光器的光束质量、亮度和功率为当下重要的研究方向。

近场非线性（也称Smile效应）和较差的指向性是影响半导体激光器光束质量的因素。Smile效应是由于激光器巴条芯片本身热膨胀系数和热沉之间热膨胀系数不匹配，工作时产生的热应力导致巴条芯片上的各个发光点不在一条直线上，从而导致半导体激光阵列整体发光弯曲，并且Smile效应会增加后期光学整形中快轴准直镜的离轴象差，严重影响半导体激光器的光束质量。指向性指准直后的光偏离光轴的程度，指向性差的光束会导致半导体激光器的远场光斑不均匀。 

目前，通常使用常规光学透镜组（例如凸透镜组）直接对准直后的激光光束进行压缩整形，但是这种方法并不能消除Smile效应和指向性差的影响，仍然会导致光斑不均匀，形状不良。为了减小smile效应，可以在激光器巴条芯片的封装工艺中选用热膨胀系数与激光器巴条芯片热膨胀系数接近的材料，降低热应力，但是工艺难度大，成本高，较难在产业中推广应用。

发明内容

为了解决半导体激光器指向性差和Smile效应的问题，本发明提出一种用于高功率半导体激光器的光学校正装置及一种高功率半导体激光器系统，可以校正Smile效应和指向性差对光斑的影响，得到均匀且质量好的光斑。

具体的技术方案为：

一种高功率半导体激光器系统包括半导体激光器模组和光学校正装置；所述的半导体激光器模组包括一个或者多个半导体激光器和准直透镜组，多个半导体激光器在与其发光方向垂直的方向上叠加，所述的半导体激光器包括一个或者多个巴条，具体为由多个巴条叠加焊接形成的叠阵，或者为一个单巴条半导体激光器，所述的准直透镜组安装于半导体激光器模组的出光方向上，用于准直半导体激光器模组发出的激光。

所述光学校正装置为具有两个透光面的透镜，两个透光面分别为A面和B面，A面为由y个透镜单元连接排列的透镜阵列，用于将光束进行发散或者先会聚再发散，B面为一个凸透镜，用于将A面发散后的激光光束会聚成所需的光斑。半导体激光器发出的光，由准直透镜组进行快慢轴的准直后，进入A面透镜阵列进行发散或者先会聚后发散，扰乱smile效应和指向性差的激光光束排序，然后由B面的凸透镜进行聚焦和光束叠加，聚焦后的光斑叠加强度相等，在焦平面处形成均匀的呈平顶分布的光斑。

所述的光学校正装置A面透镜阵列可以为凸透镜阵列，也可以为凹透镜阵列。当确定所需求的工作光斑的高度尺寸w后，A面透镜阵列的透镜单元需满足：

B面凸透镜的曲率半径R₂需满足：

光学校正装置的口径H满足：  h≤H≤1.2h

其中， R为A面透镜阵列中的透镜单元的曲率半径，h为半导体激光器模组的高度，可以根据所需要的输出功率来选用的巴条个数从而确定h的取值，t为B面凸透镜的焦平面至透镜的距离（即所需要的光斑位置的工作距离且t=f_2，f₂为B面凸透镜的焦距），x为半导体激光器模组中的半导体激光器巴条的个数，w为所需要光斑的工作高度（即B面凸透镜焦平面处的光斑高度），p为透镜单元的口径，n为透镜材料的折射率， y为A面透镜阵列中透镜单元的个数， m为自然数1,2,3等。

所述的光学校正装置的边缘厚度的最小取值应满足国标GB 1205-75中的要求，当光学校正装置的A面透镜阵列为凹透镜阵列时，其边缘厚度d₁和中心厚度d₂取值还需满足：

光学校正装置的边缘厚度d₁满足： 

光学校正装置的中心厚度d₂满足： 

当光学校正装置的A面透镜阵列为凸透镜阵列时，其边缘厚度d₃和中心厚度d₄取值还需满足：

光学校正装置的边缘厚度d₃满足： 

光学校正装置的中心厚度d₄满足：

其中，f₃为凸透镜单元的焦距，且f₃=R₃/（n-1），R₃为凸透镜单元的曲率半径。

     所述准直透镜组包括沿出光方向依次放置的快轴准直镜和慢轴准直镜，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜，准直透镜组与半导体激光器阵列的巴条一一对应，分别放置于每个巴条的出光方向上，准直透镜组也可以为与多巴条半导体激光器阵列结构相匹配的准直透镜阵列。

所述的光学校正装置的材料为石英玻璃或者K9玻璃。

 本方案的光学校正装置中A面的凹透镜阵列中的凹透镜单元或者凸透镜阵列中的凸透镜单元越多，对Smile效应和指向性的校正效果越好。

 本方案具有以下优点：

1.   本方案中的光学校正装置及其系统消除了指向性差和Smile效应对半导体激光器光斑均匀性的影响，可以得到均匀的平顶分布的光斑；

2.   本方案中的光学校正装置及其系统可以降低生产上对Smile效应和指向性的工艺要求，降低生产的成本。

附图说明

图1为一种高功率半导体激光器系统实施例一（A面为凹透镜阵列）。

图2为一种高功率半导体激光器系统实施例二（A面为凸透镜阵列）。

图3为A面的凹透镜单元的光路原理图。

图4为B面凸透镜的光路原理图。

图5为光学校正装置的尺寸说明图。

图6为A面的凸透镜单元的光路原理图。

图7为本方案的高功率半导体激光器系统的光学校正装置的实施例一的效果图。

附图标号说明：1为半导体激光器模组，2为光学校正装置，3为光学校正装置A面的凹透镜阵列，4为光学校正装置的B面凸透镜，5为半导体激光器巴条，6为准直透镜组，7为校正装置A面的凸透镜阵列，8为凹透镜单元，9为凸透镜单元，10为B面凸透镜的焦平面。

具体实施方式

图1为一种高功率半导体激光器系统的一个实施例，包括半导体激光器模组1和光学校正装置2，所述的半导体激光器模组1包括半导体激光器叠阵和准直透镜组6，半导体激光器叠阵为多个半导体激光器巴条5叠加焊接的结构，准直透镜组6与多个半导体激光器巴条5一一对应，分别放置于每个半导体激光器巴条5的出光方向上。所述光学校正装置2为具有两个透光面的透镜，两个透光面分别为A面和B面，A面为由y个凹透镜单元8连接排列的凹透镜阵列3，B面为凸透镜4。半导体激光器发出的光，由准直透镜组6进行快慢轴的准直后，进入A面凹透镜阵列3进行发散，扰乱smile效应和指向性差的激光光束排序，然后由B面的凸透镜4进行聚焦和光束叠加，聚焦后的光斑叠加强度相等，在焦平面处10形成均匀的呈平顶分布的光斑。

图2为一种高功率半导体激光器系统的实施例二，其特别之处在于A面为由y个凸透镜单元9连接排列的凸透镜阵列7，半导体激光器1发出的光，由准直透镜组6进行快慢轴的准直后，进入A面的凸透镜阵列7中，先会聚后发散由B面的凸透镜4进行聚焦和光束叠加，聚焦后的光斑叠加强度相等，在焦平面10处形成均匀的呈平顶分布的光斑。

对于实施例一中的A面为凹透镜阵列3的情况，当确定所需求的工作光斑的高度尺寸w和选用的半导体激光器的巴条个数x后，参考图3  A面为凹透镜阵列时的凹透镜单元8光路原理图和图4的B面凸透镜的光路原理图可以通过推理得出:

其中，f₁为A面的凹透镜单元的焦距，f₂为B面凸透镜的焦距，R₁为A面透镜阵列中的透镜单元的曲率半径，R₂为B面凸透镜的曲率半径，n为透镜材料的折射率，α为进入A面凹透镜单元边界处的光束的发散角，w为所需要光斑的工作高度，t为B面凸透镜的焦平面至透镜的距离（即所需要的光斑位置的工作距离）。

由上述公式可以得到：

光学校正装置的口径H满足：  h≤H≤1.2h

其中， h为半导体激光器模组的高度，可以根据所需要的输出功率来选用的巴条个数从而确定h的取值， x为半导体激光器模组中的半导体激光器巴条的个数，p₁为凹透镜单元的口径， y为A面透镜阵列中透镜单元的个数， m为自然数1，2，3等。

所述的光学校正装置的边缘厚度的最小取值应满足国标GB 1205-75中的要求，其边缘厚度d₁和中心厚度d₂(如图5所示)取值还需满足：

光学校正装置的边缘厚度d₁满足：

光学校正装置的中心厚度d₂满足：

对于实施例二中的A面为凸透镜阵列的情况，当确定所需求的工作光斑的高度尺寸w和选用的半导体激光器的巴条个数x后，参考图6的A面的凸透镜单元9光路原理图可以通过推理得出:

在相同的工作光斑尺寸w和相同的半导体激光器巴条个数x的情况下，可参考实施例一中的推理过程，得出：R₃=R₁，p₂=p₁且R₂，y，H的取值均可参考实施例一。

实施例二中光学校正装置的边缘厚度d₃和中心厚度d₄取值应满足：

光学校正装置的边缘厚度d₃满足：

光学校正装置的中心厚度d₄满足：

其中，f₃为凸透镜单元的焦距，β为进入凸透镜单元边界处的光束与光轴的夹角，p₂为凸透镜单元的口径，R₃为凸透镜单元的曲率半径。

所述的半导体激光器可以为半导体激光器叠阵，也可以为单巴条半导体激光器。

所述的准直透镜组中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜。

图7为本方案的光学校正装置的实施例的效果图，其中A面的凹透镜阵列中的凹透镜单元或者凸透镜阵列中的凸透镜单元越多，对Smile效应和指向性的校正效果越好。

Claims (9)

1.一种高功率半导体激光器的光学校正装置，其特征在于：所述光学校正装置为具有两个透光面的透镜，两个透光面分别为A面和B面，A面为由y个透镜单元连接排列的透镜阵列，用于将激光光束进行发散或者先会聚再发散，B面为一个凸透镜，用于将A面发散后的激光光束会聚。

2.一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：包括半导体激光器模组和光学校正装置；所述的半导体激光器模组包括一个或者多个半导体激光器和准直透镜组，所述的半导体激光器包括一个或者多个巴条，所述的准直透镜组安装于半导体激光器模组的出光方向上，用于准直半导体激光器模组发出的激光；所述光学校正装置为具有两个透光面的透镜，两个透光面分别为A面和B面，A面为由y个透镜单元连接排列的透镜阵列，用于将光束进行发散或者先会聚再发散，B面为一个凸透镜，用于将A面发散后的激光光束会聚成所需的光斑。

3.根据权利要求2所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的光学校正装置的口径H为：  h≤H≤1.2h

A面透镜阵列的透镜单元参数为： 

B面凸透镜的曲率半径R₂为：

其中，R为A面透镜阵列中的透镜单元的曲率半径， h为半导体激光器阵列的高度，t为工作面至B面凸透镜的距离，w为所需要光斑的工作高度，p为透镜单元的口径，n为透镜材料的折射率， y为透镜单元的个数，x为半导体激光器模组中的半导体激光器中巴条的个数，m为自然数。

4.根据权利要求2或者3所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的光学校正装置的A面透镜阵列为凹透镜阵列，光学校正装置的边缘厚度和中心厚度为：

光学校正装置的边缘厚度d₁满足：

光学校正装置的中心厚度d₂满足：

其中，h为半导体激光器阵列的高度，t为B面凸透镜的焦平面至B面凸透镜的距离，w为所需要光斑的工作高度，R₂为B面凸透镜的曲率半径。

5.根据权利要求2或者3所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的光学校正装置的A面透镜阵列为凸透镜阵列，光学校正装置的边缘厚度和中心厚度为：

光学校正装置的边缘厚度d₃满足：

光学校正装置的中心厚度d₄满足：

其中，h为半导体激光器阵列的高度，t为B面凸透镜的焦平面至B面凸透镜的距离，w为所需要光斑的工作高度，R₂为B面凸透镜的曲率半径，f₃为凸透镜单元的焦距，且f₃=R₃/（n-1），R₃为凸透镜单元的曲率半径。

6.根据权利要求2所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的半导体模组中的多个半导体激光器在与其发光方向垂直的方向上叠加，半导体激光器为由多个巴条叠加焊接形成的叠阵，或者为一个单巴条半导体激光器。

7.根据权利要求2所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的准直透镜组与半导体激光器模组中半导体激光器的巴条一一对应，分别放置于每个巴条的出光方向上，或者准直透镜组为与半导体激光器相匹配的准直透镜阵列。

8.根据权利要求2或7所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述准直透镜组包括沿激光出光方向依次放置的快轴准直镜和慢轴准直镜，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜。

9.根据权利要求2或3所述的一种高功率半导体激光器系统，其特征在于：所述的光学校正装置的材料为石英玻璃或者K9玻璃。