CN115793267A - 一种用于vcsel阵列光源的光束整形镜 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜，第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行。本发明可以缩小光源阵列之间的间距，压缩不发光的区域，使出射的激光束紧密排列，从而大幅提高输出激光的光束质量。

Description

一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜。

背景技术

近年来，垂直腔面发射激光器(Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser,VCSEL)随着功率和亮度的提高已成为全固态激光器的新型泵浦源。与传统的边发射半导体激光二极管相比，VCSEL具有以下更具吸引力的优点：1)更小的温漂特性(0.06nm/℃)，可以在宽温度范围内与激光晶体吸收谱匹配；2)光束各个方向的发散角相同，作为泵浦源时更容易整形；3)制造工艺简单，成本低廉；4)可在二维平面任意拓展集成，实现高功率激光输出。通过制造大尺寸的二维平面阵列，输出功率可达几百瓦甚至几千瓦，并且具有很高的电光转换效率(通常>42％)；上述优点使其可以替代传统的边发射半导体激光二极管，作为全固态激光器的泵浦源。

但是由于封装限制，高功率VCSEL通常采用多个VCSEL芯片阵列集成的方式，获得m×n的阵列光源(m为每行包含的芯片数量，n为每列包含的芯片数量)，芯片与芯片之间存在不发光的区域(Zhou D,Seurin J-F,Xu G,Leeuwen RV,Miglo A,Wang Q,Kovsh A,andGhosh C,Progress on high-power808nm VCSELs and applications,Proc.SPIE,2017,10122:33-41.)，致使光源面积变大的同时对阵列区域利用也不充分，输出光束质量较差；作为端面泵浦固体激光器的泵浦源时聚焦光斑较大，束腰较短，导致激光器效率和光束质量较差。

发明内容

针对现有技术VCSEL阵列芯片间存在不发光区域、光束质量差的问题，本发明提供一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其可压缩光束间距、提高VCSEL的光束质量。

本发明公开了一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；所述光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜；

所述第一整形镜设置在所述环形阵列单元的Z轴方向上，所述第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个所述棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；

每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束分别以预设的角度从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

作为本发明的进一步改进，所述VCSEL阵列光源包括一个环形阵列单元，所述环形阵列单元由N边形排列的VCSEL芯片构成，所述第一整形镜由N个棱镜构成，N≥3；通过第一整形镜使多个激光束向中心汇聚。

作为本发明的进一步改进，当环形阵列单元为多个时，所述光束整形镜还包括第二整形镜；

所述第二整形镜设置在所述第一整形镜的Z轴方向上，所述第二整形镜对应第一整形镜的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；

每个第一整形镜的输出光束以预设的角度从第二整形镜中对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

作为本发明的进一步改进，所述VCSEL芯片为方形芯片或四分之一圆芯片。

作为本发明的进一步改进，棱镜的光束入射面和光束出射面上均镀有与VCSEL发光波长所对应的增透膜。

作为本发明的进一步改进，在X-Z面上：

n₀sinθ_1x＝n₁sinθ_2x

b_x＝z·cosθ_0x·tanθ_2x

式中，n₀为空气折射率，n₁为棱镜折射率，θ_1x为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2x为光线在棱镜内的折射角，z为棱镜在Z轴方向的长度，b_x为出射光相对于入射光在X轴方向上的平移距离，θ_0x为棱镜的光束入射面沿X轴的倾斜角度；

在Y-Z面上：

n₀sinθ_1y＝n₁sinθ_2y

b_y＝z·cosθ_0y·tanθ_2y

式中，θ_1y为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2y为光线在棱镜内的折射角，b_y为出射光相对于入射光在Y轴方向上的平移距离，θ_0y棱镜的光束入射面沿Y轴的倾斜角度。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的光束整形镜可以缩小光源阵列之间的间距，压缩不发光的区域，使出射的激光束紧密排列，从而大幅提高输出激光的光束质量，且该光束整形镜具有结构紧凑、光损耗小等优点。

附图说明

图1为本发明公开的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜的轴测图；

图2为本发明实施例1公开的2×2VCSEL阵列光源的正视图；

图3为本发明实施例1公开的VCSEL阵列光源输出激光的光束分布示意图；

图4为本发明实施例1公开的VCSEL阵列光源光束整形结构正视图；

图5为本发明实施例1公开的VCSEL阵列光源光束整形结构轴测图；

图6为本发明实施例1公开的VCSEL阵列光源输出激光束经过光束整形镜后的光束分布示意图；

图7为本发明实施例2公开的2×2VCSEL阵列光源的正视图；

图8为本发明实施例2公开的VCSEL阵列光源输出激光的光束分布示意图；

图9为本发明实施例2公开的VCSEL阵列光源光束整形结构正视图；

图10为本发明实施例2公开的VCSEL阵列光源光束整形结构轴测图；

图11为本发明实施例2公开的VCSEL阵列光源输出激光束经过光束整形镜后的光束分布示意图。

图中：

1、VCSEL阵列光源；11、第一VCSEL芯片；12、第二VCSEL芯片；13、第三VCSEL芯片；14、第四VCSEL芯片；15、不发光区域；2、光束整形镜；21、第一棱镜；22、第二棱镜；23、第三棱镜；24、第四棱镜。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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的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。

下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：

本发明提供一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成，光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜；其中，环形阵列单元由N边形排列的VCSEL芯片构成，第一整形镜由N个棱镜构成，N≥3，通过第一整形镜使多个激光束向中心汇聚；

具体的：

当VCSEL阵列光源有一个环形阵列单元时，即4个VCSEL芯片呈2×2布设，5个VCSEL芯片呈五边形布设、6个VCSEL芯片呈6边形布设等；将第一整形镜设置在环形阵列单元的Z轴方向上，第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，如4个棱镜、5个棱镜和6个棱镜；每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度，如图1所示对应2×2的VCSEL芯片的第一整形镜结构。环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束分别以预设的角度从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

当VCSEL阵列光源包括9个VCSEL芯片，9个VCSEL芯片呈3×3布设；此时，第一整形镜包括8个棱镜和中心的1个透光平板，8个棱镜对应外围的8个VCSEL芯片，1个透光平板对应中心的VCSEL芯片，且VCSEL芯片通过透光平板而不发生偏移；8个棱镜使外围8个VCSEL芯片的激光束向中心汇聚，以压缩光束间距、提高VCSEL的光束质量；即，左侧的激光束向右偏移、左上侧的激光束向右下偏移、左下侧的激光束向右上偏移、右侧的激光束向左偏移、右上侧的激光束向左下偏移、右下侧的激光束向左上偏移、上侧的激光束向下偏移、下侧的激光束向上偏移。

当环形阵列单元为多个时，光束整形镜还包括第二整形镜；如VCSEL阵列光源有4个环形阵列单元，每个环形阵列单元包括4个呈2×2布设的VCSEL芯片，即VCSEL阵列光源包括16个呈4×4布设的VCSEL芯片；此时，第一整形镜的数量为4个，第二整形镜的数量为1个，第一整形镜和第二整形镜均有4个棱镜。第二整形镜设置在第一整形镜的Z轴方向上，第二整形镜对应第一整形镜的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；每个第一整形镜的输出光束以预设的角度从第二整形镜中对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

除此之外，当环形阵列单元为更多时，还可对应设置多个第二整形镜和汇聚多个第二整形镜激光束的第三整形镜等，以达到所有的激光束向中心汇聚。

进一步，VCSEL芯片为方形芯片或四分之一圆芯片。

进一步，棱镜的光束入射面和光束出射面上均镀有与VCSEL发光波长所对应的增透膜。

进一步，

在X-Z面上：

n₀sinθ_1x＝n₁sinθ_2x

b_x＝z·cosθ_0x·tanθ_2x

式中，n₀为空气折射率，n₁为棱镜折射率，θ_1x为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2x为光线在棱镜内的折射角，z为棱镜在Z轴方向的长度，b_x为出射光相对于入射光在X轴方向上的平移距离，θ_0x为棱镜的光束入射面沿X轴的倾斜角度；

在Y-Z面上：

n₀sinθ_1y＝n₁sinθ_2y

b_y＝z·cosθ_0y·tanθ_2y

式中，θ_1y为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2y为光线在棱镜内的折射角，b_y为出射光相对于入射光在Y轴方向上的平移距离，θ_0y棱镜的光束入射面沿Y轴的倾斜角度。

实施例1

本实施例中，VCSEL阵列光源1由4个方形芯片组成，分别为第一VCSEL芯片11、第二VCSEL芯片12、第三VCSEL芯片13和第四VCSEL芯片14，其呈2×2方式排列，芯片发光区域之间的间距为1.32mm，其为不发光区域15，参照图2。VCSEL阵列输出的光束由四束等间距的2×2光束组成，参照图3。

本实施例中的光束整形镜2由四个棱镜组成，分别为对应第一VCSEL芯片11、第二VCSEL芯片12、第三VCSEL芯片13和第四VCSEL芯片14的第一棱镜21、第二棱镜22、第三棱镜23和第四棱镜24；棱镜的光束出射面与光束入射面互相平行，沿X轴和Y轴的角度均为50°，棱镜沿Z轴方向长度z＝3mm。

参照图4和图5，VCSEL阵列光源1、光束整形镜2、依次同轴心排列，光束整形镜2的中心对准VCSEL阵列光源1的中心。第一VCSEL芯片11发射的激光束发射角为14°，则入射到第一棱镜21的光束入射面，靠近内侧的光束入射角为26°，输出光束在X轴方向向第二VCSEL芯片12输出的激光束偏折，光束平移距离为0.62mm，同时沿Y轴方向向第三VCSEL芯片13输出的激光束偏折，光束平移距离为0.62mm，输出光束仍然与入射光束平行；同理，第二VCSEL芯片12、第三VCSEL芯片13和第四VCSEL芯片14输出的激光束经过光束整形镜后，分别向相邻芯片输出的激光束平移0.62mm。此时，输出的光束等效为间距0.08mm的四个芯片输出的激光束，极大的压缩了芯片间的不发光区域，参照图6，输出激光的光束质量得到提高。

实施例2

本实施例中，VCSEL阵列光源由4个四分之一圆芯片组成，呈2×2方式排列，组合成圆形的发光区域，芯片发光区域之间的间距为2.1mm，参照图7；VCSEL阵列输出光束由四束等间距的2×2光束组成，参照图8。本实施例中的光束整形镜由四个棱镜组成，棱镜的光束出射面与光束入射面互相平行，沿X轴和Y轴的角度均为40°，棱镜沿Z轴方向长度z＝4mm。

参照图9和图10，VCSEL阵列光源1、光束整形镜2、依次同轴心排列，光束整形镜2的中心对准VCSEL阵列的中心。第一VCSEL芯片11发射的激光束发射角为14°，则入射到第一棱镜21的光束入射面，靠近内侧的光束入射角为36°，输出光束在X轴方向向第二VCSEL芯片12输出的激光束偏折，光束平移距离为1.02mm，同时沿Y轴方向向第三VCSEL芯片13输出的激光束偏折，光束平移距离为1.02mm，输出光束仍然与入射光束平行；同理，第二VCSEL芯片12、第三VCSEL芯片13和第四VCSEL芯片14输出的激光束经过光束整形镜后，分别向相邻芯片输出的激光束平移1.02mm。此时，输出的光束等效为间距0.06mm的四个芯片输出的激光束，极大的压缩了芯片间的不发光区域，参照图11，输出激光的光束质量得到提高。

本发明的优点为：

本发明的光束整形镜可以缩小光源阵列之间的间距，压缩不发光的区域，使出射的激光束紧密排列，从而大幅提高输出激光的光束质量，且该光束整形镜具有结构紧凑、光损耗小等优点。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，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，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；其特征在于，所述光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜；

所述第一整形镜设置在所述环形阵列单元的Z轴方向上，所述第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个所述棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；

每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束分别以预设的角度从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

2.如权利要求1所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，所述VCSEL阵列光源包括一个环形阵列单元，所述环形阵列单元由N边形排列的VCSEL芯片构成，所述第一整形镜由N个棱镜构成，N≥3；通过第一整形镜使多个激光束向中心汇聚。

3.如权利要求1所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，当环形阵列单元为多个时，所述光束整形镜还包括第二整形镜；

所述第二整形镜设置在所述第一整形镜的Z轴方向上，所述第二整形镜对应第一整形镜的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；

每个第一整形镜的输出光束以预设的角度从第二整形镜中对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。

4.如权利要求1～3中任一项所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，所述VCSEL芯片为方形芯片或四分之一圆芯片。

5.如权利要求1～3中任一项所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，棱镜的光束入射面和光束出射面上均镀有与VCSEL发光波长所对应的增透膜。

6.如权利要求1～3中任一项所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，在X-Z面上：

n₀sinθ_1x＝n₁sinθ_2x

b_x＝z·cosθ_0x·tanθ_2x

式中，n₀为空气折射率,n₁为棱镜折射率，θ_1x为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2x为光线在棱镜内的折射角，z为棱镜在Z轴方向的长度，b_x为出射光相对于入射光在X轴方向上的平移距离，θ_0x为棱镜的光束入射面沿X轴的倾斜角度；

在Y-Z面上：

n₀sinθ_1y＝n₁sinθ_2y

b_y＝z·cosθ_0y·tanθ_2y

式中，θ_1y为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ_2y为光线在棱镜内的折射角，b_y为出射光相对于入射光在Y轴方向上的平移距离，θ_0y棱镜的光束入射面沿Y轴的倾斜角度。

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