CN1103059C - 线光束整形装置 - Google Patents

Abstract

一种线光束整形装置，包括在被整形线光源发射线光束G前进方向上，依次置放的微柱透镜、微片棱镜堆、柱面透镜、球面透镜至光纤。其最关键的整形元件是微片棱镜堆，它是由N片微棱镜紧密排列所构成的能够使线光束在其底面上的反射是全内反射的正三角形，或等腰三角形，或等腰梯形等。本发明的整形装置适合于任何需要整形的线光束，具有整形后光束不改变前进方向，结构简单，加工容易的特点。

Description

线光束整形装置

本发明涉及一种由透射元件制成的线光束整形装置。主要用于半导体激光器线列阵输出光场的整形，也可用于其他把扁长形光束变为圆形的光束整形场合，如板条激光器输出光的整形和大功率半导体激光泵浦的薄片状激光器输出光的整形等。

半导体激光器具有不对称分布的输出光场。为了大幅度提高功率输出可以由许多个半导体激光器组成列阵(通常线列阵长10mm)，然而与此同时输出光场的不对称分布更被加强许多倍。半导体激光器在垂直于激活区即pn结的方向上呈现60°～90°的高发散，但是发光区仅1μm宽，光束质量达到衍射极限；而在平行于激活区的方向上只有10°左右的发散，发光区有一定的长度，尤其是当组成列阵的时候，相当于由许多段发光区断续排列而成的10mm长线光源，光束质量极差。两个方向上的光学不变量(拉格朗日量)相差上千倍。这样极不对称的光束无法通过透镜棱镜组合的光学系统聚集成有一定焦深的小光斑，以得到足够高的亮度，能够用光纤传输。人们想出了各种各样的办法来解决这个问题，从而最终实现密集半导体激光器所企求的目的。可以从列阵器件的内部结构上想办法，给每一个半导体激光器安装一个数值孔径极大的输送元件；也可以从外部想办法，设计特殊的光学系统来整形和会聚列阵器件的输出光场。

图1是一种靠错位面反射镜重组输出光束以得到大致对称的光场分布，然后用透镜组会聚成小光点，由光纤耦合输出的整形集光装置，为德国夫朗和费激光技术所Dr.K.Du等人提出，其核心技术是一种称之为“阶梯镜”的特殊反射镜。图1中半导体激光器的列阵管为被整形线光源1发出的线光束经微柱透镜2压缩所谓的快方向发散角后被阶梯镜3重组光场结构，以得到大致对称的发散光束，再经柱面透镜4和球面透镜5的组合，被会聚到光纤6的输入端面上，经光纤6耦合输出。这种结构可以得到很好的整形效果，缺点是(1)经阶梯镜重组的光场各部分之间存在光程差，需要补偿；(2)阶梯形镜面加工难度很大；(3)阶梯镜面的高折射率膜层的实现很困难。

本发明的目的是提供一种线光束整形装置，克服上述已有技术的缺限，使其线光束经本发明的整形装置整形后，变成发散角各向均匀对称的圆光斑，整形后的光束的前进方向不改变，而且整形装置结构简单，整形元件加工容易。

本发明的线光束整形装置，包括在被整形线光源1发射的线光束G前进方向上，依次置放的微柱透镜2、微片棱镜堆3、柱面透镜4、球面透镜5至光纤6。

上述本发明的线光束整形装置中，作为线光束G的关键的整形元件是微片棱镜堆3，它是由N片微棱镜301紧密排列所构成。微棱镜的片数N＝κθ_s/θ_f，其中κ为置于被整形线光源1与微片棱镜堆3之间的微柱透镜2对线光束的压缩倍数，θ_s为光束慢发散方向的发散角，θ_f为光束快发散方向的发散角。

所说的微片棱镜堆3是能够使线光束在其底面c_n上的反射为全内反射的正三角形，或者是等腰三角形，或者是等腰梯形，或者是两底角相等的四边形。

附图3有助于解释本发明作为整形元件的微片棱镜堆3的整形原理。设微棱镜301为对称的，或曰等腰三角形，那么平行于微棱镜301底棱的光线从一个斜面a进入微棱镜301后，经微棱镜底面c反射至另一个斜面b出射时，出射光线也平行于微棱镜301底棱。如果入射的是位于同一平面内的一组光线，而这个平面相对于微棱镜301底面偏转角度θ，那么出射的也是位于同一平面内的一组光线，这个平面相对于微棱镜301底面c偏转角度-θ。所以，只要把微棱镜301绕其底棱旋转45°，就可以把沿水平方向伸展的平行光束变成沿垂直方向伸展的。当光线在微棱镜301底面c的反射为全内反射时，全部损耗将只取决于两个斜面的增透效果。因此，要求微片棱镜堆3置放在光路中时，其底面c_n与被整形线光源1发射的线光束G的前进方向相平行，而且光束入射和出射的两个斜面a_n，b_n能够包含全部被整形线光束的截面，也就是说，微片棱镜堆3的光束入射斜面a_n和光束出射斜面b_n必须大于被整形线光束的截面。如图4所示。

如上所述，微片棱镜堆3由许多个如图3所示的微棱镜组成，各自对其底棱旋转45°放置。于是水平取向的线光源被分解为许多个小线光源，再转变成许多个垂直取向的小线光源，沿水平方向重新排列，变成梳状的分布。情况如图4所示。因此，要求微片棱镜堆3所包含的N片微棱镜301的底面c与微片棱镜堆3的底面c_n之间有45°夹角。

设被整形线光源1长D，宽d，则在水平和垂直两个方向上的拉格朗日量分别为L_水平＝D·θ_s和L_垂直＝d×θ_f。典型的大功率半导体激光器列阵在水平方向上D＝10mm，发散角θ_s约为10°，即所谓慢发散方向；在垂直方向上d＝1μm，发散角θ_f为60°～90°，即所谓快发散方向。L_水平和L_垂直相差1千多倍。可以用一个长条形的微柱透镜2对其“快发散方向”进行压缩，例如变成几百微米宽和零点儿度发散的线光束。这样的变换能使输出光束全部进入整形装置，但是不会改变L_垂直。对于L_水平，情况也一样，例如可以把10mm压缩到1mm，但是发散角将超过100°。设微柱透镜2将快方向发散角θ_f压缩κ倍，则有L_垂直＝κd×θ_f/κ。如果微片棱镜堆3的总宽度恰与入射线光源的长度匹配，那末被分解和转成垂直取向的这些小线光源的长度就都是D/N，而在垂直方向上的发散角就是原来在水平方向上的发散角θ_s。在水平方向上，这些小线光源排列的总宽度就是原来线光源的长度D，发散角就是原来在垂直方向上(经微柱透镜压缩后)的发散角θ_f/κ。若以加“′”表示新的拉格朗日量，则有关系L′_垂直＝D/N×θ_s和L′_水平＝D×θ_f/κ。由此得出θ_f/κ＝θ_s/N。适当选择微片棱镜堆3的片数N和微柱透镜2的压缩倍数κ，使两个方向上的拉格朗日量接近，就可以用透镜和棱镜的组合将这样的光束聚焦成很小的圆光斑，并且发散角各向均匀对称。要实现光纤耦合输出，这个量还应该与光纤的芯径和数值孔径相匹配。

本发明的优点是使用本发明的整形装置，当线光束透过整形元件——微片棱镜堆3后改变原来的拉格朗日量，使线光束变成发散角各向均匀对称的圆光斑，而且不仅可以应用于半导体激光器线列阵的线光束整形，成为研制光纤耦合输出大功率半导体激光源的一个重要整形装置，而且可以应用于其他把扁长形光束变成圆形光束的整形场合。也就是说，可以应用于任何需要整形的线光束。

本发明的整形装置经过微片棱镜堆3整形后的光束仍沿原方向前进，有不改变前进方向的特点。也就是说本发明的整形装置不引起光束传播方向的转折。

本发明的整形元件——微片棱镜堆3可以用普通的光学玻璃制作。只需要一般的光学加工、粘合工艺和镀膜技术。这要比已有技术作为整形元件的阶梯镜简单得多，而且光路中无须加入光程差的补偿元件。

附图说明：

图1为已有技术整形元件为阶梯镜的线光束整形装置的示意图。

图2为本发明的线光束整形装置的示意图。

图3为本发明的作为整形元件的微片棱镜堆3中的微棱镜301的整形构成示意图。

图4为本发明的作为整形元件的微片棱镜堆3的结构示意图。

下面结合附图和实施例进一步说明本发明的整形装置。

实施例1：

如图2所示的整形装置。微片棱镜堆3的结构如图4所示。其中被整形线光源1是半导体激光器线列阵。微片棱镜301为等腰直角三角形。被整形线光源1的线列阵的长D＝10mm，发散角θ_s≌10°。

设离发光区不太远处的线光源长度D′约为12～14mm，当微棱镜301的片厚为δ时，微片棱镜堆3的总宽度是 ，所以要求 $\mathrm{N\δ}\≅\frac{12~14\mathrm{mm}}{\sqrt{2}}\≅8~10\mathrm{mm}$ 。因为微棱镜301的厚度δ太薄将大大增加加工难度，同时也增加光束损耗。所以，通常取δ＞0.7mm。由此得出要求，微片棱镜堆3的片数N＜15。

另一方面，被整形线光源1的发光区与微柱透镜2之间的距离接近于微柱透镜2后面的微片棱镜堆3得到的被整形线光源宽度为κd。如果这个数值太小，说明微片棱镜堆3距离微柱透镜2的距离小，这将大大增加安装调整的难度，所以，通常适宜取κ＞100。根据上述的关系式N＝κθ_s/θ_f，θ_f＝60°～90°，θ_s＝10°，要求10＜N＜15，所以本实施例中，N≌12为最适宜的数值。实施的结果获得了发散角内各向均匀对称的圆光斑。

实施例2：

被整形线光源1是固体板条激光器，其输出的线光束G呈长方形，两个方向上的拉格朗日量可能相差几十倍。被整形线光源1的长D≌8mm，宽d≌3mm，θ_s≌5°，θ_f≌0.6°，则不需要压缩θ_f就可以，所以，图2所示的装置中，置于被整形线光源1与微片棱镜堆3之间的微柱透镜2可以去掉，也就是说压缩倍数κ＝1，线光束G可以直接进入微片棱镜堆3。由关系N＝κθ_s/θ_f得到N≌8。考虑到微棱镜301分解重组时难免有误差，根据实验经验，θ_f将被加大，所以，实际所得的N值略小于上面算出的值。此实施例中，取N＝6或5最适宜。

实施例3：

被整形线光源1是薄片状的激光器。线光源长D和宽d均同实施例2，所以，整形装置和整形元件的微片棱镜堆3的结构也与实施例2相同。

通过上述的实施例，充分说明了本发明的优点。如，

实施例2：固体板条激光器的输出光束呈长方形，两个方向上的拉格朗日量可能相差几十倍，虽然可以用柱面透镜等方法压缩成方斑，但是伴随着两个方向上几十倍的发散角之差，这大大地影响了光束的传输和会聚的焦深。采用本发明就把板条激光器的长方形输出光束整形成发散角各向均匀对称的圆光斑，跟固体棒状激光器的输出相似。

又如，实施例3：薄片状激光器作为薄片状增益介质十分有利于有效地分配和安排激光振荡方向、泵浦方向和快速散热方向，因此成为大功率半导体激光泵浦的固体激光器的一种新型结构，可惜这种结构的激光器输出的是“细条形”光束。现在采用本发明正好解决这个问题，最终获得很好的圆光束输出。

Claims (5)

1.一种线光束整形装置，包括微柱透镜(2)、整形元件、柱面透镜(4)和球面透镜(5)，由被整形线光源(1)发射的线光束(G)首先经过微柱透镜(2)对其快发散方向上发散角的压缩，经过整形元件整形后，再经过柱面透镜(4)和球面透镜(5)的组合会聚到光纤(6)的输入端面上耦合输出，其特征在于在微柱透镜(2)与柱面透镜(4)之间置放的作为整形元件是由N片微棱镜(301)紧密排列所构成的微片棱镜堆(3)。

2.根据权利要求1所述的线光束整形装置，其特征在于所说的构成微片棱镜堆(3)的微棱镜(301)的片数N＝κθ_s/θ_f，其中κ为置于被整形线光源(1)与微片棱镜堆(3)之间的微柱透镜(2)对线光束的压缩倍数，θ_s为光束慢发散方向的发散角，θ_f为光束快发散方向的发散角。

3.根据权利要求1所述的线光束整形装置，其特征在于所说的微片棱镜堆(3)是能够使线光束在其底面(c_n)上的反射为全内反射的正三角形，或者是等腰三角形，或者是等腰梯形，或者是等底角的四边形。

4.根据权利要求1或3所述的线光束整形装置，其特征在于所说的微片棱镜堆(3)置放在光路中时，其底面(c_n)与被整形线光源(1)发射的线光束(G)的前进方向相平行，并且光束入射和光束出射的两个斜面(a_n，b_n)能够包含全部被整形线光束的截面。

5.根据权利要求1或2所述的线光束整形装置，其特征在于所说的微片棱镜堆(3)所包含的N片微棱镜(301)的底面(c)与微片棱镜堆(3)的底面(c_n)之间有45°夹角。

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