CN111061059A - 光束整形组件及激光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开一种光束整形组件及激光模块，所述组件包括至少一个整形元件，所述元件至少包括：第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面，激光光源发射的光束入射至第一全反射面，依次经由第二全反射面和第三全反射面后出射，其中，所述第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面满足预设关系，使得出射光束的方向与入射光束的方向平行，所述至少一个整形元件的排列方向与光源的排列方向保持一致。基于本发明提供的方案能够有效均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，进而改善半导体激光器整体的光束质量。

Description

光束整形组件及激光模块
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种易于集成的光束整形组件及激光模块。
背景技术
现有技术中，半导体激光器快轴方向上的光束质量接近于衍射极限(M2≈1)，发散角大（30°~70°），而慢轴方向上的光束质量极差(M2>1000)，发散角小（8°~10°），两个方向上的光束质量极不均衡。
目前均衡半导体激光器光束质量的整形方法有棱镜阵列整形法、阶梯镜整形法和45度倾斜双面柱透镜整形法（BTS）。现有的棱镜整形、阶梯镜整形都因为结构复杂，体积较大，光学调整复杂，双柱透镜的整形方法由于其旋转效果与快轴准直发散角有关，所以快慢光束没有完全旋转。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的主要目的之一在于提供一种光学整形组件及激光模块，通过设计一种新型结构的光束整形组件能够有效均衡半导体激光器快慢轴的光束质量，进而改善半导体激光器整体的光束质量，并且新型结构的光学整形组件能够实现对齐一致性排列，结构紧凑，从根本上解决了传统方案需要错位排列而造成的体积庞大的技术问题。
本发明的技术方案是这样实现的：
本发明提供一种光束整形组件，所述组件包括至少一个整形元件，所述元件至少包括：第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面，激光光源发射的光束入射至第一全反射面，依次经由第二全反射面和第三全反射面后出射，其中，所述第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面满足预设关系，使得出射光束的方向与入射光束的方向平行；所述至少一个整形元件的排列方向与光源的排列方向保持一致。
上述方案中，所述预设关系包括：建立空间直角坐标系XYZ，其中，所述第一全反射面与XY轴所在平面呈第一角度；所述第二全反射面与YZ轴所在平面呈第二角度；所述第三全反射面与XZ轴所在平面呈第三角度；所述第一角度、第二角度与第三角度大小相同，为45°。
上述方案中，光束入射到第一全反射面上的位置包括：第三全反射面投影到第二全反射面上的区域再次投影到第一全反射面上对应的范围。
上述方案中，在所述整形元件内，所述第一全反射面与第三全反射面相交，所述第二全反射面与第三全反射面相交，第一全反射面与第二全反射面分离设置。
上述方案中，所述整形元件还包括入射面，所述入射面的宽度大于激光光源中每个发光单元的宽度。
上述方案中，所述整形元件还包括出射面，所述出射面的宽度等于激光光源相邻发光单元之间的间距。
上述方案中，光束在第一全反射面和第二全反射面之间的光程满足：大于0.5cm；和/或，光束在第二全反射面和第三全反射面之间的光程满足：小于激光光源相邻发光单元之间的间距。
上述方案中，所述元件还包括：第一接合面和第二接合面，其中，所述第一接合面用于连接第一全反射面和第二全反射面；所述第二接合面与第一接合面相对平行设置，并与第一全反射面和第三全反射相交。
上述方案中，所述第一接合面用于在排列时与相邻整形元件的第二接合面相接；所述第二接合面用于在排列时与相邻整形元件的第一接合面相接。
本发明实施例还提供一种激光模块，包括以上所述的光束整形组件、具有多个发光点的半导体激光光源，所述光束整形组件用于通过旋转半导体激光光源发出的快慢轴方向的光束的方式改善光束质量。
附图说明
图1为本发明光学组件的整体结构示意图；
图2为本发明光学组件阵列的结构示意图；
图3为本发明光学组件的功能面结构关系示意图一；
图4为本发明光学组件的功能面结构关系示意图二。
附图标记说明：1为整形元件，11为第一全反射面，12为第二全反射面，13为第三全反射面，a为第一角度，b为第二角度，c为第三角度，14为第一接合面，15为第二接合面，S1为入射面，S2为出射面。
具体实施方式
本发明的主要思路是：激光光束在三个全反射面上发生全反射，使得出射后的激光光束的快轴和慢轴旋转90°，尤其对于慢轴方向上的光束，这样的旋转能够有效改善慢轴光束质量差的问题，并且基于此使得光学元件能够沿着与光源排列方向一致的方向堆叠，而不再需要像传统方案那样错位排列，体积更加紧凑。
本发明实施例提供一种光学整形组件及激光模块，所述光学整形组件包括至少一个整形元件1，所述整形元件1至少包括：第一全反射面11、第二全反射面12、以及第三全反射面13，激光光源发射的光束入射至第一全反射面11，依次经由第二全反射面12和第三全反射面13后出射。
如图3图4所示，光束的入射面为S1（对应A1FED1围成的区域），光束经S1入射至第一全反射面11，D点在C1D1上的投影为H，为了实现本发明技术目的，光束入射到第一全反射面11的范围应在DED1H所围成的区域内，该区域具体表示的含义是：第三全反射面投影到第二全反射面上的区域再次投影到第一全反射面上对应的范围。
假设第三全反射面13在第二全反射面12上具有一投影，则该投影再次投影到第一全反射面11上的区域就是DED1H，DED1H就是光束应入射到第一全反射面11上的范围。
超出此范围光束将无法按照既定的要求出射，也就是说假如超出此范围，第一全反射面11全反射的光将无法到达第三全反射面13在第二全反射面12上的投影区域，进而使得第二全反射面12全反射的光无法按照要求到达第三全反射面13，光束将有可能从ADC所在平面出射，出射光将无法与入射光平行。
为了保证光束充分入射至光束整形组件，入射面S1的宽度（D1E）应大于每个发光单元的宽度。
光束的出射面为S2（对应BB1C1C所围成的区域），光束经第三全反射面13后经S2出射，入射至第一全反射面11上的光束所示的箭头为入射光的方向，从第三反射面13反射出的光束所示的箭头为出射光的方向，入射光的方向与出射光的方向相互平行。
所述第一全反射面11、第二全反射面12、以及第三全反射面13满足预设关系，使得出射光束的方向与入射光束的方向平行，具体的，所述预设关系可以为：
如图1所示，建立空间直角坐标系XYZ，在该坐标系中，所述第一全反射面11与XY轴所在平面呈第一角度，如图角度a；所述第二全反射面12与YZ轴所在平面呈第二角度，如图角度b；所述第三全反射面13与XZ轴所在平面呈第三角度，如图角度c。
进一步的，所述第一角度a、第二角度b、第三角度c大小相同，优选的，所述第一角度a、第二角度b、第三角度c均为45°。
图1中所述第一角度a、第二角度b、第三角度c的表示具体通过延长线或辅助线的方式进行示意，但并不作为唯一位置的表示，其他位置或方向的同理性示意也是允许的。
图3中，所述第一全反射面11为CDED1C1，第二全反射面12为A1B1GF，第三全反射面13为AFED。
如图3所示，本发明实施例中，在所述整形元件内，所述第一全反射面11与第三全反射面13相交，具体相交于E、D点，所述第二全反射面12与第三全反射面13相交，具体相交于F点。
进一步的，在所述整形元件内，第一全反射面11与第二全反射面12分离设置（也即不相交），本发明实施例中，光束在经过这两个面时会存在垂直方向上的光程，光束在第一全反射面和第二全反射面之间的光程（L2）应至少满足：大于0.5cm。
为了使半导体激光器模块小型紧凑，并且易于加工，优选的，该光程大于0.5cm且小于1cm，在没有特定要求的情况下，该光程L2的上限可扩展至5cm。
需说明的是，第一全反射面11与第二全反射面12不相交仅是局限在所述整形元件内，如果扩展到整个三维空间，第一全反射面11与第二全反射面12也是会相交的，因为两者并非相互平行的关系。
本发明实施例中，所述元件1还包括第一接合面14和第二接合面15，其中，所述第一接合面14垂直设置（与YZ轴所在平面平行），用于连接第一全反射面11和第二全反射面12。
第一接合面14为A1B1C1D1所围成的区域，第二接合面15为ABCD所围成的区域。
所述第二接合面15与第一接合面14相对平行设置，并与第一全反射面11和第三全反射13相交。
具体参考图4，第一接合面14与第一全反射面11的连接处为C1D1，与第二全反射面12的连接处为A1B1；第二接合面15与第一全反射面11相交于CD，与第三全反射面13相交于AD。
所述第一接合面14和第二接合面15分别用于在排列时与相邻的整形元件相接，即所述第一接合面14用于在排列时与相邻整形元件的第二接合面15相接，所述第二接合面15用于在排列时与相邻整形元件的第一接合面14相接，如图2光学组件的阵列结构示意图所示，多个整形元件的排列方向与光源的排列方向保持一致，整形元件之间对齐排列。
在实际中，所述激光光源通常具有多个发光单元，在多个整形元件进行排列时，在排列方向上每个整形元件的宽度（即CC1部分或者出射面S2的宽度）应当等于相邻发光单元之间的间距（Pitch）。
所述“相接”可以包括但不限于机械连接，在实际应用中，多个整形元件也可以为一体件，即由一整体光学材料进行切割/加工直接形成具有多个整形元件的整形组件，此时相邻整形元件之间直接为一体式结构。
优选的，D在C1D1上投影H与D1之间的距离应大于准直后光束快轴方向上的宽度，当然为了小型化，该距离也不宜过大，优选上限为3cm。
结合图3及图4，本发明实施例中光学组件各部分需满足的光学参数关系包括以下：
以激光光源为半导体激光器为例，定义激光光源发出光束的慢轴宽度为d慢轴，快轴宽度为d快轴，ɵ快轴表示快轴方向光束发散角全角，ɵ慢轴表示慢轴方向发散角全角，快轴准直镜的焦距为f，则为了使光束全部进入，应满足：
D1E＞d慢轴 （公式一）
并且快轴光束投影到第一全反射面11的长度要小于HD1，对应到参数关系上为：
D1H>2f*tan（θ快轴/2）+d快轴 （公式二）
定义激光光源到整形组件的光程为L1，则：
L1＞f （公式三）
定义第一全反射面11到第二全反射面12的光程为L2，该L2应满足的关系如上文所示。
定义第二全反射面12到第三全反射面13的光程为L3，则L3应小于激光光源相邻发光单元之间的间距（Pitch），满足：
L3＜CC1 （公式四）
进一步的，入射到第二全反射面12的慢轴光束在第二全反射面12上的投影宽度要小于A1F，具体为：
A1F＞（d慢轴+2（L1+L2）*tan（θ慢轴/2））/sin45° （公式五）
入射到第三全反射面13的慢轴光束在第三全反射面13上的投影宽度小于第三全反射面13的高度AD，具体为：
AD>d慢轴+2（L1+L2+L3）*tan（θ慢轴/2） （公式六）
并且，入射到第三全反射面13的快轴光束投影到第三全发射面13的宽度应小于AF，具体应满足：
A1B1=C1D1*sin45°，AF>2f*tan（θ快轴/2） （公式七）
需说明的是，当第一全反射面11与第三全反射面13限定了与快慢轴光束的关系后，相应的，位于中间的第二全反射面12与快慢轴之间的关系也就满足了要求。
需说明的是，本发明实施例中，除了以上提及的各个功能面，空间中其他部分可视为非功能面，在能实现本发明技术思路的前提下，非功能面的结构形式及位置并不做具体限制，可以任意选择。
本发明实施例还提供一种激光模块，所述包括具有多个发光点的半导体激光光源、以上所述的光学整形组件，所述光束整形组件用于通过旋转半导体激光光源发出的快慢轴方向的光束的方式改善光束质量。
进一步的，所述激光光源为半导体激光器时，具体可以为具有多个发光点的巴条类半导体激光器，考虑到半导体激光器的快轴发散角，可以在激光光源和光学整形组件之间设置快轴准直镜，用于在旋转光束之前对半导体激光器巴条快轴光束进行准直。
在实际应用中，激光光源和/或快轴准直镜可以紧挨光学整形组件的入射面前端设置，对于具有多个发光点的巴条类半导体激光器，每个发光点分别对应一个独立的整形元件，因此整形元件的数量与发光点的数量保持一致，每个整形元件内的光路是独立的，各整形元件分别对各发光点的光束独立进行旋转。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (10)

1.一种光束整形组件，其特征在于，所述组件包括至少一个整形元件，所述元件至少包括：第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面，激光光源发射的光束入射至第一全反射面，依次经由第二全反射面和第三全反射面后出射，其中，
所述第一全反射面、第二全反射面、以及第三全反射面满足预设关系，使得出射光束的方向与入射光束的方向平行；
所述至少一个整形元件的排列方向与光源的排列方向保持一致。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述预设关系包括：
建立空间直角坐标系XYZ，其中，
所述第一全反射面与XY轴所在平面呈第一角度；
所述第二全反射面与YZ轴所在平面呈第二角度；
所述第三全反射面与XZ轴所在平面呈第三角度；
所述第一角度、第二角度与第三角度大小相同，为45°。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，光束入射到第一全反射面上的位置包括：第三全反射面投影到第二全反射面上的区域再次投影到第一全反射面上对应的范围。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，在所述整形元件内，所述第一全反射面与第三全反射面相交，所述第二全反射面与第三全反射面相交，第一全反射面与第二全反射面分离设置。
5.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述整形元件还包括入射面，所述入射面的宽度大于激光光源中每个发光单元的宽度。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述整形元件还包括出射面，所述出射面的宽度等于激光光源相邻发光单元之间的间距。
7.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，光束在第一全反射面和第二全反射面之间的光程满足：大于0.5cm；和/或，光束在第二全反射面和第三全反射面之间的光程满足：小于激光光源相邻发光单元之间的间距。
8.根据权利要求1至7任一项所述的组件，其特征在于，所述元件还包括：第一接合面和第二接合面，其中，
所述第一接合面用于连接第一全反射面和第二全反射面；
所述第二接合面与第一接合面相对平行设置，并与第一全反射面和第三全反射相交。
9.根据权利要求8所述的组件，其特征在于，所述第一接合面用于在排列时与相邻整形元件的第二接合面相接；所述第二接合面用于在排列时与相邻整形元件的第一接合面相接。
10.一种激光模块，其特征在于，包括具有多个发光点的半导体激光光源、权利要求1至9任一项所述的光束整形组件，所述光束整形组件用于通过旋转半导体激光光源发出的快慢轴方向的光束的方式改善光束质量。
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