CN114460755A - 一种半导体激光匀光技术及模组 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体激光器/巴条模组整形匀光技术及制作方法，在现有光学透镜的表面制作微纳米尺寸的小凹槽，所述小凹槽的深度和方向随机分布，小凹槽对激光衍射的方向是随机分布；采用微纳米结构的研磨粉和腐蚀溶液按一定比例混合成均匀浆料，将浆料滴在所述基板的上表面的中心位置上，形成半圆椭球形的浆料滴，制成匀化椭球镜；匀化椭球镜固定安装在半导体激光器发光点之前，激光器输出口所有辐射激光光束经过匀化椭球镜后，成为小束散角均匀光束，辐照在激光辐射面上局部点，该点激光辐射能量是激光器输出口所有辐射激光能量分布的叠加，实现激光匀化；本发明系统集成度高，制作方法简单，成本少。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光应用技术，主要涉及一种半导体激光整形封装技术，尤其是涉及一种基于微纳光学结构和受控腐蚀的光束整形匀光技术及匀光模组，所述匀光模组输出均匀小束散角激光光束，用于照射目标。
背景技术
半导体激光器是已经工程化商用激光器件，半导体激光器输出光束的椭圆远场光斑分布需要进一步整形匀化后用于对远距离目标的照射，通常采用柱透镜组或微透镜阵列准直，然后匀化处理满足对均匀照射的需求；这种逐级整形的光学结构，对半导体激光系统的小/微型化设计有局限性，且与半导体激光器的小尺寸不匹配。
这种柱透镜或微透镜阵列的几何光学设计理念，存在着热聚集导致的局部结构应力不均匀，影响半导体器输出激光的光束稳定性；柱面透镜的面反射易于导致半导体激光器芯片损伤，使得柱面透镜不能距离半导体激光器输出窗口太近，半导体激光器输出的快轴使得准直用柱面透镜的口径远大于半导体激光器输出窗口的尺寸；限制了半导体激光器的大量集成。
衍射光学器件常用于固体激光器、气体激光器输出的平行激光光束的在一定像距范围内辐照面上的匀化，衍射光学器件具有微纳结构的规则图案，制作成本高，且激光辐照的热效应导致规则图案的激光波长量级变化影响激光在辐射面上局部匀化效果。
专利申请号202010728798.7一种半导体激光合束技术，公开了一种半导体激光衍射合束技术，在裸光纤的侧壁上，垂直于光纤光轴刻蚀与激光波长相当宽度的衍射光栅，激光经衍射光栅耦合到裸光纤纤芯，从裸光纤的两端输出。
发明内容
本发明的目的是克服目前半导体激光器输出光束逐级整形匀化导致半导体激光器的大量集成的局限性，提高半导体激光光斑分布的均匀性和稳定性。
本发明要解决的第一个技术问题是，为克服现有半导体激光器逐级整形的光学结构的大尺寸，提供一种匀化微透镜，所述匀化微透镜为在现有光学透镜的表面制作微纳米尺寸的小凹槽，所述小凹槽的深度和方向随机分布，小凹槽对激光衍射的方向是随机分布；激光器输出口所有辐射激光光束经过匀化微透镜后，辐照到激光辐射面上局部点，该点激光辐射能量是激光器输出口所有辐射激光能量分布的随机叠加，服从正态分布，实现激光匀化。
本发明要解决的第二个技术问题是，为半导体激光器输出椭圆形激光光斑整形成小角度均匀分布激光光斑，提供一种匀化椭球镜，所述匀化椭球镜为表面制作微纳米尺寸小凹槽的光学椭球镜，所述光学椭球镜的X-Y方向曲率半径不同，所述X-Y方向曲率半径的比例与半导体激光器的快慢轴束散角匹配，小曲率半径对应半导体激光器输出激光的快轴方向，大曲率半径对应半导体激光器输出激光的慢轴方向，对半导体激光器输出激光进行准直和匀化。
本发明要解决的第三个技术问题是，为半导体激光器输出激光光束整形匀化，提供一种半导体激光器整形器，包括匀化椭球镜、半导体激光器，所述匀化椭球镜固定安放于半导体激光器的发光点之前，输出激光经过匀化椭球镜后成为小束散角均匀光束，照射目标。
本发明要解决的第四个技术问题是，为半导体激光巴条输出激光光束整形匀化，提供一种匀光模组，包括匀化椭球镜阵列、半导体激光巴条模组，所述匀化椭球镜阵列中的所有的匀化椭球镜的间距与半导体激光巴条模组的发光点间距相同，所述匀化椭球镜阵列固定安放于若干个半导体激光巴条模组的发光点之前，每一个发光点输出激光经过匀化椭球镜后成为小束散角均匀光束，照射目标。
本发明要解决的第五个技术问题是，为匀化椭球镜制作，提供一种基于受控化学腐蚀的匀化椭球镜加工方法，所述加工方法涉及材料：基板、微纳米结构的研磨粉、腐蚀溶液，所述基板为平板光学玻璃，所述微纳米结构的研磨粉和腐蚀溶液按一定比例混合成均匀浆料，所述基板安平放置，将浆料滴在所述基板的上表面的中心位置上，形成半圆球形的浆料滴，所述浆料滴中的研磨粉大部分沉积在基板的上表面中心，且研磨粉的密度沿径向逐渐减小，所述浆料中的腐蚀溶液大部分流向半圆球形的浆料滴的周围，形成外围腐蚀溶液比例大中心位置腐蚀溶液比例少；静置一定时间，基板的上表面中心腐蚀出随机分布的微纳米结构凹槽，沿径向腐蚀深度逐渐增加，清洗掉浆料，在基板上表面制成匀化球面镜，将所述基板翻转安平放置，重复匀化球面镜的制作过程，在基板的两面制成匀化球面镜，构成匀化微透镜；将浆料沿一个方向滴在所述基板的上表面的中心位置上，形成半圆椭球形的浆料滴，同方法制作匀化椭球镜。
本发明具有以下优点：
本发明采用了匀化微透镜的表面微纳米结构，使得表面反射为微纳米尺度的漫反射，降低了反射到半导体激光器发光点上且与激光器谐振腔同向的激光能量，大大降低了透镜表面反射光导致激光谐振的概率，降低了激光芯片损伤，延长了半导体激光器使用寿命；
本发明采用了匀化椭球镜，使得半导体激光发射系统的体积缩小，光束质量得到优化；
本发明采用了匀化椭球镜阵列，使得阵列式半导体激光模组的准直系统体积减小，光束质量的稳定性提高。
附图说明
图1匀化椭球镜
图2半导体激光器整形器
图3匀化椭球镜列
具体实施方式
优选实施例1为匀化椭球镜1制作，提供一种基于受控化学腐蚀的匀化椭球镜1加工方法，所述加工方法涉及材料：基板2、微纳米结构的研磨粉、腐蚀溶液，所述基板2为平板K9光学玻璃，所述微纳米结构的研磨粉优选为微纳米粒度的三氧化二铝Al2O3粉料，所述腐蚀溶液优选氢氟酸溶液，三氧化二铝Al2O3粉料和氢氟酸溶液按一定比例混合成均匀浆料3，所述基板2安平放置，将浆料3滴在所述基板2的上表面的中心位置上，形成半圆球形的浆料3滴，所述浆料3滴中的研磨粉大部分沉积在基板2的上表面中心，且研磨粉的密度沿径向逐渐减小，所述浆料3中的腐蚀溶液大部分流向半圆球形的浆料3滴的周围，形成外围腐蚀溶液比例大中心位置腐蚀溶液比例少；静置一定时间，基板2的上表面中心腐蚀出随机分布的微纳米结构凹槽，沿径向腐蚀深度逐渐增加，清洗掉浆料3，在基板上表面制成匀化球面镜，将所述基板2翻转安平放置，重复匀化球面镜的制作过程，在基板2的两面制成匀化球面镜，构成匀化微透镜；将浆料3沿一个方向滴涂在所述基板2的上表面的中心位置上，形成半圆椭球形的浆料3滴，同匀化微透镜方法制作匀化椭球镜1。
优选实施例2半导体激光器整形器，包括匀化椭球镜1、半导体激光器4，所述匀化椭球镜1固定安放于半导体激光器4的发光点之前，在半导体激光器4的发光点之前匀化椭球镜1的表面为微纳米尺寸随机分布的小凹槽，半导体激光经过匀化椭球镜1后输出小束散角均匀光束，照射目标。
Claims (7)
1.一种半导体激光匀化技术，其特征在于：在现有光学透镜的表面制作微纳米尺寸的小凹槽制成匀化微透镜，所述小凹槽的深度和方向随机分布，小凹槽对激光衍射的方向是随机分布；激光器输出口所有辐射激光光束经过匀化微透镜后，辐照到激光辐射面上局部点，该点激光辐射能量是激光器输出口所有辐射激光能量分布的随机叠加，服从正态分布，实现激光匀化。
2.一种匀化椭球镜[1]，其特征在于：在光学椭球镜的表面制作微纳米尺寸小凹槽，所述光学椭球镜的X-Y方向曲率半径不同，所述X-Y方向曲率半径的比例与半导体激光器的快慢轴束散角匹配，小曲率半径对应半导体激光器输出激光的快轴方向，大曲率半径对应半导体激光器输出激光的慢轴方向，对半导体激光器输出激光进行准直和匀化。
3.一种半导体激光器整形器，其特征在于：包括匀化椭球镜[1]、半导体激光器[4]，所述匀化椭球镜[1]固定安放于半导体激光器[4]的发光点之前，输出激光经过匀化椭球镜[1]后成为小束散角均匀光束，照射目标。
4.一种匀光模组，其特征在于：包括匀化椭球镜[1]阵列、半导体激光巴条[4]模组，所述匀化椭球镜[1]阵列中的所有的匀化椭球镜[1]的间距与半导体激光巴条[4]模组的发光点间距相同，所述匀化椭球镜[1]阵列固定安放于若干个半导体激光巴条[4]模组的发光点之前，每一个发光点输出激光经过匀化椭球镜[1]后成为小束散角均匀光束，照射目标。
5.一种匀化椭球镜制作方法，其特征在于：基于受控化学腐蚀的加工方法，所述加工方法涉及材料：基板[2]、微纳米结构的研磨粉、腐蚀溶液，所述基板[2]为平板光学玻璃，所述基板[2]和微纳米结构的研磨粉不发生化学反应，所述腐蚀溶液能够腐蚀基板[2]的表面，所述微纳米结构的研磨粉和腐蚀溶液按一定比例混合成均匀浆料[3]，所述基板[2]安平放置，将浆料[3]滴在所述基板[2]的上表面的中心位置上，形成半圆球形的浆料[3]滴，所述浆料[3]滴中的研磨粉大部分沉积在基板[2]的上表面中心，且研磨粉的密度沿径向逐渐减小，所述浆料[3]中的腐蚀溶液大部分流向半圆球形的浆料[3]滴的周围，形成外围腐蚀溶液比例大中心位置腐蚀溶液比例少；静置一定时间，基板[2]的上表面中心腐蚀出随机分布的微纳米结构小凹槽，沿径向腐蚀深度逐渐增加，清洗掉浆料[3]，在基板[2]上表面制成匀化球面镜，将所述基板[2]翻转安平放置，重复匀化球面镜的制作过程，在基板[2]的两面制成匀化球面镜，构成匀化微透镜；将浆料[3]沿一个方向滴在所述基板[2]的上表面的中心位置上，形成半圆椭球形的浆料[3]滴，同方法制作匀化椭球镜[1]。
6.根据权利要求5所述基板[2]，其特征在于：还包括光学器件表面制作微纳米尺寸的小凹槽，所述小凹槽的深度和方向随机分布，小凹槽对激光衍射的方向是随机分布，实现激光匀化。
7.根据权利要求5所述受控化学腐蚀的加工方法，其特征在于：还包括所述微纳米结构的研磨粉为微纳米粒度的三氧化二铝Al2O3，所述腐蚀溶液为氢氟酸溶液。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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