CN104953465A - 基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，能够对面阵式的激光二极管阵列进行光束整形，获得大面积匀化的光斑。所述装置包括：在光路上依次设置的激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件；其中，所述激光二极管阵列发射的高功率光束先经所述微柱透镜阵列进行快轴方向的光束准直，再经所述第一傅里叶变换组件进行傅里叶变换，然后经所述第二傅里叶变换元件进行傅里叶变换。

Description

基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置。

背景技术

光斑强度分布均匀的高功率激光二极管阵列在全固态板条激光器泵浦、激光材料加工、激光照明、激光治疗、光催化、材料表面处理等诸多领域有着重要的应用。但是激光二极管阵列本身发出的光束存在缺陷，需要进行相应的整形才能满足使用要求。整形后的光束应该满足两个要求：首先，光斑强度分布要均匀、能量密度要高；同时，要保证激光二极管阵列的功率的高利用率。

激光二极管阵列由巴条堆叠而来。一般巴条的发光面由1*100微米到1*400微米的许多发光点组成。但是激光二极管发光点发出的光束在两个不同方向上有着很大的差别：一般沿巴条长度方向称为慢轴，此方向发散角通常很小，在10度左右；沿巴条厚度方向称为快轴方向，这个方向发散角较大，可以达到70度。快轴方向光斑为基横模分布，光束接近衍射极限。慢轴方向为多模高斯分布。与其他激光器相比，激光二极管的光束质量差，光束发散角大，且存在本征像散，远场的光强分布为椭圆高斯型。基于以上原因激光二极管阵列发出的光束无法直接应用，需要对光束进行整形使其匀化才能满足实际使用要求。

现有的激光二极管阵列光束匀化方法有几何型光束均匀化方法。几何型光束匀化装置根据光束的折射和反射原理，利用透镜、非球面镜、反射镜等调整光束的发散角和光斑大小，来达到匀化的目的。具体分为折射型、反射型和折反射混合型。但现有的技术方案往往结构复杂，且仅能通过匀化激光二极管阵列发出的光束进行光束整形，不能得到光强均匀分布的光斑。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种几何型光束均匀化装置，用于对面阵式的激光二极管阵列进行光束整形，获得大面积匀化的光斑。

为此目的，本发明提出一种基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，包括：

在光路上依次设置的激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件；其中，

所述激光二极管阵列发射的高功率光束先经所述微柱透镜阵列进行快轴方向的光束准直，再经所述第一傅里叶变换组件进行傅里叶变换，然后经所述第二傅里叶变换元件进行傅里叶变换。

本发明实施例所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，通过第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件对微柱透镜阵列准直后的快轴方向的光束进行两次傅里叶变化，从根本上杜绝了暗线的出现，能够实现快轴方向光束的均匀叠加，得到光强均匀分布的光斑，从而能够对大面积的激光二极管阵列发出的光束进行匀化处理，同时，仅利用在光路上依次设置的激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件进行激光二极管阵列发出的光束的匀化处理，不仅能够简化装置结构，还使装置易于安装调整。

附图说明

图1为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置一实施例的结构示意图；

图2为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置另一实施例的结构示意图；

图3为图2中短焦傅里叶变换透镜阵列对光线的作用图示；

图4为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置又一实施例中石英导光槽对光线的作用图示；

图5为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置又一实施例的结构示意图；

图6为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置又一实施例中的短焦傅里叶变换柱透镜阵列柱透镜单元对光线的作用图示；

图7为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置又一实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开一种基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，包括：

在光路上依次设置的激光二极管阵列A、微柱透镜阵列B(微柱透镜阵列由小柱透镜单元组成，每个小柱透镜单元准直一个巴条的快轴方向)、第一傅里叶变换组件C和第二傅里叶变换元件D；其中，

所述激光二极管阵列A发射的高功率光束先经所述微柱透镜阵列B进行快轴方向的光束准直，再经所述第一傅里叶变换组件C进行傅里叶变换，然后经所述第二傅里叶变换元件D进行傅里叶变换。

本发明实施例所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，通过第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件对微柱透镜阵列准直后的快轴方向的光束进行两次傅里叶变化，从根本上杜绝了暗线的出现，能够实现快轴方向光束的均匀叠加，得到光强均匀分布的光斑，从而能够对大面积的激光二极管阵列发出的光束进行匀化处理，同时，仅利用在光路上依次设置的激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件进行激光二极管阵列发出的光束的匀化处理，不仅能够简化装置结构，还使装置易于安装调整。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述第一傅里叶变换组件为面阵式二维傅里叶变换阵列组件(可以为短焦傅里叶变换透镜阵列)，所述第二傅里叶变换元件为第一非球面柱透镜。

面阵式二维傅里叶变换阵列组件用于实现波前分割和傅里叶变换。面阵式二维傅里叶变换阵列组件通过其尺寸设计可以将大面积激光二极管阵列微柱透镜阵列的小柱透镜单元准直的每一路快轴方向的光平均分为若干份，然后对每一份光进行变换，即实现了波前的分割，变换后的点光源经过非球面柱透镜的傅里叶变换可以得到均匀分布的光斑。面阵式二维傅里叶变换阵列组件可以同时对快轴和慢轴方向的光束进行变换和均匀分割。比如，若沿快轴方向每一列有m个巴条，巴条间距a，相邻的面阵式二维傅里叶变换阵列组件单元中心间隔b，每一个快轴光束被分为n份，则巴条快轴方向被平均分为a*m*n/b份。

如图2所示为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的又一个实施实例的结构示意图，该装置中包含一个自带微柱透镜阵列10的激光二极管面阵1、一个短焦傅里叶变换透镜阵列3、一个非球面柱透镜4和一个激光工作物质7。

快轴方向的平行光向前传播入射到短焦傅里叶变换透镜阵列3，每一路快轴方向的光束都被短焦傅里叶变换透镜阵列3的若干微透镜单元发散为相应数目的点光源，即进行波前分割。经过短焦傅里叶变换透镜阵列3(如图3所示为短焦傅里叶变换透镜阵列3对光线的作用示意图)后的点光源经过非球面柱透镜4(非球面柱透镜可以用来对面阵式二维傅里叶变换阵列组件的频谱进行二次变换，其效果是使每个单元发出的点光源经过非球面柱透镜后，相同的空间频率以相同的角度出射，得到的结果是每个面阵式二维傅里叶变换阵列组件的单元成像是均匀的分布在非球面柱透镜后焦面上的强度分布均匀的光斑)，相同空间频率的光束平行的出射成像在激光工作物质7上，这样就得到了强度均匀的光斑。慢轴方向宽度不满足要求时，可以在非球面柱透镜4后加石英导光槽(如图4所示为石英导光槽对光束的作用图示)来限制。

对于面积较大的激光二极管阵列发出的光束，无论是轴上还是轴外，非球面柱透镜都可以无渐晕的传递，因此可以应用于大面积高功率激光二极管阵列的光束匀化。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述第一傅里叶变换组件为短焦傅里叶变换透镜阵列。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，还包括：

石英导光槽；其中，

所述石英导光槽置于所述第一非球面柱透镜前方，用于限制经所述面阵式二维傅里叶变换阵列组件变换后的慢轴方向的光束的宽度。

石英导光槽用于限制光束慢轴方向的宽度。在面阵式二维傅里叶变换阵列组件的变换频谱面宽度不满足要求时可以配合石英导光槽限制慢轴的宽度。石英导光槽的位置可以根据需要变换放置。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述第一傅里叶变换组件为第二非球面柱透镜和第一小曲率柱透镜，所述第二傅里叶变换元件为面阵式一维傅里叶变换阵列组件；其中，

由所述微柱透镜阵列准直后的快轴方向的光束先经所述第二非球面柱透镜进行傅里叶变换，并配合所述第一小曲率柱透镜进行进行压缩，然后经所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件进行傅里叶变换。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，还包括：

柱状负透镜；其中，

经所述第一面阵式一维傅里叶变换阵列组件变换后的光束经所述柱状负透镜发散后形成强度均匀分布的光斑。

如图5所示为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的又一个实施实例的结构示意图，该装置中包含一个自带微柱透镜阵列10的激光二极管面阵1、一个非球面柱透镜4，小曲率柱透镜50(非球面柱透镜4和小曲率柱透镜50的距离应小于非球面柱透镜4形成的光斑全部在小曲率柱透镜50的边界上所对应的距离)、一个短焦傅里叶变换柱透镜阵列2(如图6所示为短焦傅里叶变换柱透镜阵列柱透镜单元对光线的作用示意图)和一个柱状负透镜8(短焦傅里叶变换柱透镜阵列2和柱状负透镜8的距离应尽可能的小)。

经过柱透镜阵列准直后，激光二极管阵列的快轴方向的光的发散角小于0.5度，可以作为平行光处理；激光二极管阵列的慢轴方向的光发散角小于5度。

由激光二极管面阵发出的平行光经过特殊设计的高阶(通过ZEMAX(一种光学设计软件)进行优化设计的高阶非球面柱透镜，优化时消除了正弦差，保证了快轴方向入射光束的光程相等，可以准确的实现快轴方向光束的傅里叶变换，从而能够对快轴方向的光束进行无像差的变化)、大数值孔径(能够保证高空间频率的光束也能入射，从而大大减少能量损失)的短焦(一方面决定了频谱面的大小，另一方面又能使整个装置尺寸更紧凑)非球面柱透镜4实现了准确的傅里叶变换。

激光二极管面阵1、非球面柱透镜4和小曲率柱透镜50的作用如前述实施例所述。经过短焦傅里叶变换柱透镜阵列2的变换，光束入射到柱状负透镜8，这样便可以根据需求调整光斑大小，由此获得强度均匀分布的光斑。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，还包括：

还包括：

第二小曲率柱透镜和石英光波导；其中，

所述第二非球面柱透镜、第一小曲率柱透镜、第二小曲率柱透镜、面阵式一维傅里叶变换阵列组件和石英光波导依次并列放置；

所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件放置于所述第二小曲率柱透镜的频谱面上；

经所述第一小曲率柱透镜压缩后的快轴方向的光束先经所述第二小曲率柱透镜进行傅里叶变换，然后经所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件进行傅里叶变换，最后经所述石英光波导内壁的多次全反射在出口处形成强度均匀分布的光斑。

如图7所示为本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一个实施实例的结构示意图，该装置中包含一个自带微柱透镜阵列10的激光二极管面阵1、一个非球面柱透镜4、小曲率柱透镜组50、小曲率柱透镜组51、一个短焦傅里叶变换柱透镜阵列2和一个石英光波导6(石英光波导6和短焦傅里叶变换柱透镜阵列2的距离应尽可能的小)。

经所述小曲率柱透镜组51进行傅里叶变换后的快轴方向的光束入射到短焦傅里叶变换柱透镜阵列2。短焦傅里叶变换柱透镜阵列2与前一个柱透镜的距离为前一个柱透镜的焦距，每一个短焦傅里叶变换柱透镜阵列2的柱透镜单元对多路快轴方向的光进行发散，光束由此得以均匀发散开来。发散的光束进入石英光波导6，经过内壁的多次全反射在出口处获得强度均匀分布的光斑。

石英光波导6的尺寸需要和短焦傅里叶变换柱透镜阵列2的尺寸配合设计。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件为短焦傅里叶变换柱透镜阵列(每一个短焦傅里叶变换柱透镜阵列的柱透镜单元对多路快轴方向的光进行处理)。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述激光二极管阵列由并列放置的垂直叠阵半导体激光器组成(并列放置的垂直叠阵半导体激光器组成的激光二极管阵列的发光面会变得很大)。

可选地，在本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置的另一实施例中，所述激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件均经过镀膜处理，镀膜后对透射面透过率都在99.5％以上，对反射面反射率高于99.8％。

本发明基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列匀化装置相对于已有技术具有以下优点：

本发明提供的产生均匀光强分布的装置，可以对数量很大、发光面很大的激光二极管阵列进行操作，可以有多种组合，可以获得大面积匀化的光斑，只需根据要求设计非球面柱透镜的焦面位置便可获得不同尺寸的光斑。同时，本发明使用元器件数量少，其结构易于安装调整，实用性强。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，包括：

在光路上依次设置的激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件；其中，

所述激光二极管阵列发射的高功率光束先经所述微柱透镜阵列进行快轴方向的光束准直，再经所述第一傅里叶变换组件进行傅里叶变换，然后经所述第二傅里叶变换元件进行傅里叶变换。

2.根据权利要求1所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述第一傅里叶变换组件为面阵式二维傅里叶变换阵列组件，所述第二傅里叶变换元件为第一非球面柱透镜。

3.根据权利要求2所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述面阵式二维傅里叶变换阵列组件为短焦傅里叶变换透镜阵列。

4.根据权利要求2所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，还包括：

石英导光槽；其中，

所述石英导光槽置于所述第一非球面柱透镜前方，用于限制经所述面阵式二维傅里叶变换阵列组件变换后的慢轴方向的光束的宽度。

5.根据权利要求1所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述第一傅里叶变换组件为第二非球面柱透镜和第一小曲率柱透镜，所述第二傅里叶变换元件为面阵式一维傅里叶变换阵列组件；其中，

由所述微柱透镜阵列准直后的快轴方向的光束先经所述第二非球面柱透镜进行傅里叶变换，并配合所述第一小曲率柱透镜进行进行压缩，然后经所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件进行傅里叶变换。

6.根据权利要求5所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，还包括：

柱状负透镜；其中，

经所述第一面阵式一维傅里叶变换阵列组件变换后的光束经所述柱状负透镜发散后形成强度均匀分布的光斑。

7.根据权利要求5所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，还包括：

第二小曲率柱透镜和石英光波导；其中，

所述第二非球面柱透镜、第一小曲率柱透镜、第二小曲率柱透镜、面阵式一维傅里叶变换阵列组件和石英光波导依次并列放置；

所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件放置于所述第二小曲率柱透镜的频谱面上；

经所述第一小曲率柱透镜压缩后的快轴方向的光束先经所述第二小曲率柱透镜进行傅里叶变换，然后经所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件进行傅里叶变换，最后经所述石英光波导内壁的多次全反射在出口处形成强度均匀分布的光斑。

8.根据权利要求5所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述面阵式一维傅里叶变换阵列组件为短焦傅里叶变换柱透镜阵列。

9.根据权利要求1所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述激光二极管阵列由并列放置的垂直叠阵半导体激光器组成。

10.根据权利要求1所述的基于空间频谱分割处理的激光二极管阵列光束的匀化装置，其特征在于，所述激光二极管阵列、微柱透镜阵列、第一傅里叶变换组件和第二傅里叶变换元件均经过镀膜处理，镀膜后对透射面透过率都在99.5％以上，对反射面反射率高于99.8％。