CN1359175A - 投影装置的半导体激光光源 - Google Patents
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Abstract
一种投影装置的半导体激光光源,主要适用于激光投影、激光光刻、印刷以及测量等装置。包括由半导体激光组件经与单模光纤耦合输出发散角小、圆对称、已消除象差象散的激光束,再经过准直元件准直,缩束元件缩束至分束元件后,分成两束光,一束光直接输出是较小束径的光束供使用,另一束光再经过扩束元件扩束后,输出一束较大束径的平行光束供使用。与在先技术相比,本发明的结构简单、紧凑合理,操作方便可靠,耦合效率高,耦合效率接近70%。
Description
技术领域：
本发明是一种投影装置的半导体激光光源，特别是涉及激光投影装置上所要求的瓦级功率、强度分布均匀、近平行多用激光束的激光光源。主要适用于激光投影、激光光刻、印刷以及测量等装置。
背景技术：
高分辨率(分辨率为0.1μm)激光光刻、印刷、激光投影以及测量等，对于半导体激光二极管(以下简称为LD)的要求是能够发射高功率(平均几百毫瓦至几瓦)和强度分布均匀(不均匀度等于小于5％)的近平行(束散为0.5～5毫弧度)的高质量光束，并且通常要求波长λ＜980nm，例如780nm，或更短的波长。在上述波长范围内，在先技术中，近衍射极限单横模光束质量的半导体激光二极管，其输出光功率只有近200毫瓦，对上述的应用来说，这个功率显得太低了。
在先技术[1]中，(参见Robert J.Lang等“Advances in High Power FiberCoupled Laser Diodes”238-245/SPIE Vol.2610，1976。)提供了一种对于980nm和1013nm波长的，有主振荡功率放大(MOPA)的高功率LD的微光学单模光纤耦合输出装置，做到尾纤输出光功率为500毫瓦，耦合效率达到56％。但是这其中有主振荡功率放大(MOPA)，使得整个装置复杂，造价昂贵。
在先技术[2]中，(参见Virendra S.Shah，等“Efficient Power Coupling from a980-nm.Broad-Area Lasr to a Single-Mode Fiber Using a Wedge-Shaped FiberEndface”，Journal of Light wave Technology.Vol.8.No.9。September 1990)提供了一种只对980nm波长的有30μm宽发光面的LD与单模光纤的耦合，耦合效率达到46％。
从上述在先技术[1]和[2]中，可以看到耦合效率都比较低，而且波长λ都大于或等于980nm。在先技术[1]的结构复杂，造价昂贵。
发明内容：
本发明为解决上述在先技术中的缺限，提供一种用于激光高分辨光刻、投影和测量等的应用装置的半导体激光光源。它能把连续发射(CW)1-10瓦的宽面(50-500μm)LD的具有较大象散和象差的高度椭圆不对称的激光束，通过与单模光纤高效耦合，将从单模光纤输出消象散、象差的圆形对称激光束，再进行准直、缩束、分束和扩束的光学元件，获得λ＜980nm，连续发射光功率500毫瓦-几瓦强度分布均匀的发散角小(束散0.5-5mrad)，并能同时输出束不相同(φ1mm-φ10mm)的两束光，或其它所需的束散和束径的高质量光束。
本发明的半导体激光光源，如图1所示。包括由半导体激光组件1经过与单模光纤2耦合后输出的激光束Go经过准直元件3后再经过缩束元件4后，由分束元件5分成两束激光Gf、Gt，一束激光Gf直接输出，另一束激光Gt经过扩束元件7后输出激光束Gp。如图1所示。
所说的半导体激光组件1包括：在管座112上支撑外壳107内置有带导热片110的制冷器111，在导热片110上置有冷却热沉109，在冷却热沉109上置有半导体激光二极管113。支撑外壳107突出的窗口与单模光纤2输入连接头201之间由连接法兰盘103连接。连接法兰盘103内圈里有金属芯套102。在金属芯套102内有陶瓷芯套104。单模光纤2的光纤耦合头101伸进连接法兰盘103内的陶瓷芯套104内。与光纤耦合头101衔接地有自聚焦透镜105。在半导体激光二极管113的发光面与自聚焦透镜105之间同光轴地置有准直模块106。在准直模块106与半导体激光二极管113发光面之间置有耦合间隙调节元件108。如图2所示。
所说的半导体激光组件1中的准直模块106是由两个相互正交置放的慢轴方向准直非球面柱面透镜和快轴方向准直非球面柱面透镜构成。透过率T＞85％。
如上所述的本发明的半导体激光光源，如图1.2所示。因为半导体激光组件1中由半导体激光二极管(LD)发射的激光束经过准直模块106和自聚焦透镜105后，耦合入单模光纤2，将激光束整形成一束发散角小(数值孔径NA＝0.11)，束径接近圆对称的，已消除象散和象差的激光束Go，经单模光纤2的输出端202输出，再经过准直元件3，将其方向性准直到束散度小于0.5毫弧度(mrad)，然后再经过缩束元件4、将其束径缩小到小于或等于φ1mm，再经过分束元件5将光束分成两束束径小于或等于φ1mm的激光束Gf和Gt，其中一束光Gf直接输出供使用，另一束光再经过扩束元件6将其束径扩大，最后输出束径已扩大了(大于φ1mm)的平行光束Gp供使用。
为了提高透过率，所有的准直元件3、缩束元件4、分束元件5和扩束元件6的透光表面均对半导体激光二极管113的工作波长镀有增加透射(透过率T＞99.5％)的薄膜。
与在先技术相比，本发明的半导体激光光源由半导体激光组件1和单模光纤2耦合输出的激光束Go已是一束束散仅12.6°、消除了象散和象差的圆对称以及强度分布较均匀的激光束，再经过准直元件3、缩束元件4、分束元件5和扩束元件6后，有两束激光束供用。其中一束是束径小于或等于φ1mm的激光，另一束是束径大于φ1mm的平行激光束。本发明的激光光源比在先技术[1]的结构简单紧凑合理，操作方便可靠。能够获得波长不受限制，连续发射光功率超过500毫瓦，强度分布均匀，不同束径的激光束。耦合效率比在先技术[1]和[2]的56％和46％的高，接近70％。
附图说明：
图1为本发明的投影装置的半导体激光光源的整体结构示意图。
图2为图1中半导体激光组件1的结构示意图。
图3为本发明的半导体激光光源的具体实施方式的结构示意图。
下面结合图3进一步描述本发明的结构。
具体实施方式：
如图1、图2和图3的结构。
其中半导体激光组件1的具体结构如图2所示。半导体激光二极管113的参数为发光面是100μm×1μm，光束发散度为θ⊥＝80°，θ∥＝12°，激光束发射波长λ＝780nm，连续输出(CW)1瓦的光功率。准直模块106的大小为2mm×2mm×3mm。上述半导体激光二极管113发射的激光束经过准直模块106后，束径大小为θ⊥×θ∥→0.28mm×0.6mm，再经过自聚焦透镜105后与单模光纤2耦合输出的光功率为696毫瓦，耦合效率为69.6％。
其中单模光纤2做成光纤光缆203，一端有输入连接头201与半导体激光组件1连接，另一端有输出连接头202带有连接适配器205与准直元件3的准直镜筒301相连接。单模光纤2的光纤耦合头204的光束输出端206伸进准直镜筒301内。
所说的准直元件3主要包含在准直镜筒301内置有双胶合的准直负透镜302和准直正透镜303和准直调整机构304。各透镜的具体参数如表1所列。
所说的缩束元件4主要包含双胶合的缩束主镜正透镜401与缩束主镜负透镜402以及缩束副透镜403。各透镜的具体参数如表1所列。
所说的分束元件5是由一对45°直角棱镜斜面胶合而成，斜面上按反射光束与透射光束1∶1的分束比镀有分光膜。分束元件5置于分束镜筒501内，分束镜筒501上有两个两中心轴线成90°角的通光孔。
所说的扩束元件6主要包含扩束副透镜601和双胶合的扩束主镜负透镜602与扩束主镜正透镜603，相对光束前进的方向上扩束元件6中的主副和正负透镜603、602和601的方位正好与上述的缩束元件4中的主副和正负透镜401、402和403的前后位置相反，如图3所示。各透镜的具体参数如表1所列。
在本具体实施中，在分束元件5与扩束元件6之间置有备用元件7，所说的备用元件7是声光控制开关元件。
上述各部元件，从半导体激光组件1、单模光纤2、准直元件3、缩束元件4、分束元件5至扩束元件6以及中间加入的备用元件7均是同中心光轴置放的。
当由半导体激光组件1输出的近平行、圆对称、已消除象差和象散的强度分布均匀的激光束经过单模光纤2的光纤耦合头204的光束输出端206耦合输出具有696毫瓦的激光束Go，经过准直元件3准直后，再经过缩束元件4将光束的束径缩小到φ1mm，再经过分束元件5将其分成两束功率相等的束径都等于φ1mm的光束Gf和Gt，其中一束光Gf通过分束镜筒501的一个通光孔直接输出提供使用。另一束光Gt作为主光束、经过备用元件7再经过扩束元件6将其束径扩展到φ10mm，最后输出束径为φ10mm的平行光束Gp供投影装置使用。
表1.为准直元件3，缩束元件4和扩束元件6中所含各透镜的具体参数。
表1.
Claims (2)
1.一种投影装置的半导体激光光源，包括激光束(Go)经过准直元件(3)后再经过缩束元件(4)后，由分束元件(5)分成两束激光(Gf、Gt)，一束激光(Gf)直接输出，另一束激光(Gt)经过扩束元件(7)后输出(Gp)，其特征在于所说的激光束(Go)是由半导体激光组件(1)与单模光纤(2)耦合后输出的，所说的半导体激光组件(1)包括：在管座(112)上支撑外壳(107)内置有带导热片(110)的制冷器(11 1)，在导热片(110)上置有冷却热沉(109)，在冷却热沉(109)上置有半导体激光二极管(113)，支撑外壳(107)突出的窗口与单模光纤(2)输出连接头(201)之间由连接法兰盘(103)连接，连接法兰盘(103)内圈里有金属芯套(102)，在金属芯套(102)内有陶瓷芯套(104)，单模光纤(2)的光纤耦合头(101)伸进连接法兰盘(103)内的陶瓷芯套(104)内，与光纤耦合头(101)衔接的有自聚焦透镜(105)，在半导体激光二极管(113)的发光面与自聚焦透镜(105)之间同光轴地置有准直模块(106)，在准直模块(106)与半导体激光二极管(113)发光面之间置有耦合间隙调节元件(108)。
2.根据权利要求1所述的投影装置的半导体激光光源，其特征在于所说的半导体激光组件(1)中的准直模块(106)是由两个相互正交置放的慢轴方向准直非球面柱面透镜和快轴方向准直非球面柱面透镜构成。
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