CN1483154A - 光学耦合系统 - Google Patents

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Abstract

一种光学耦合系统公开了形成高效激光束耦合的光学耦合方法和装置，特别是对半导体激光列阵的激光束做整形和重排列的新结构。由于采用独特的方法将光泵激光耦合进入光纤或其他介质，可以获得高效率。本发明可以实现高效率高功率光纤激光、光纤放大器及其他固体激光。这种光束整形结构可以显著改善半导体激光列阵的光束质量，而且易于实施，易于装调。本发明的一种半导体光泵固体激光器包括激光介质、聚焦器、光源，其中光源包括至少一个半导体激光列阵、光束偏置器、成象光学系统以及光束重定向器。

Description

光学耦合系统
技术领域
本发明是将半导体激光与光纤耦合的光学系统， 特别是关于半导体激光束整 形， 以形成高效率高功率固体激光和光纤激光， 以及光纤放大器及高效率通过光 纤传输半导体激光。 技术背景
最近以来半导体激光泵光纤激光已十分成功， 各种物理因素使它的发展得 益， 半导体激光提供光泵高功率密度， 使光纤激光和光纤放大器高效率， 通过包 层光泵时， 光束通过内包层进入内芯， 激发激光介质， 而受激辐射则限制于内芯 中， 这就将低亮度的半导体激光束转变为很细的光纤激光， 使亮度提高千倍以上， 更有效的方式将能得到更高亮度， 或更高效率地将激光束通过光纤。 以光纤激光 为例， 现在的光纤激光一般是数十米长的双包层光纤， 内芯是很细的掺杂的熔石 英单模光纤， 处在内包层的中央， 外包层是低折射率氟塑料使内包层光泵能接受
NA0.45的光束， 半导体光泵通过分色反射镜（对泵光高透过， 对激光高反射）进 入光纤， 使泵光束更紧凑时将能把更多的泵光射入光纤， 这将可使包层变细使用 更短的光纤并提高.光纤激光及光纤放大器的效率。
一般的半导体激光列阵（LDA)具有很长的发光区 ( Ι ηΧ Ιμπι) ， 由相互有 间距的多个发光单元组成， 例如 20个单元， 每个宽 200μηι， 每个单元中又分成多 个宽 3— 6μιη的小点， 每点发射 30— 60mw。此长线方向称作慢轴方向， 发散角 10 一 15° ， 与此垂直的方向称快轴， 发光区宽约 Ιμιη, 发散角 30— 40° ， 这种几何 尺寸的典型的 LDA可输出 20W，更高的可出 40— 60W，半导体激光二维列阵可以 输出 500— 1400W, 由于 LDA几何形状细长， 要将高功率（例如 4000W)输入光 纤包层 （例如 200μπιΧ 500μπι， ΝΑ0.45 ) 是一种挑战。
为将更多功率输入光纤曾做过多方面努力， 不少专利涉及将半导体激光束会 聚，例如 USP 5887096, 5825551， 5808323， 5805748， 5513201及 PCT WO 99/35724, PCT 97/14073；以及 USP 5802092， 5793783， 5790310, 5594752, 5579422， 5568577, 5333077, 5185758， 5139609及 4428647。
在 USP 5887096 中采用反射透镜系统将半导体激光束整形引导。 在 USP 5825551 , 5808323 , 5805748中发表了不同的整形方法， 将激光束在长方向切成多 段， 并重排列成接近圆形截面以便作光泵， 在这些专利中重排列是用二块平行反 射镜， 或用多个小反射镜， 或用多个折射平板而实现。 在 PCT O 97/14073 中 HoUemann等人将二个以上的半导体激光束整形并合束，但这些系统都难以装调实 施， USP 6151168及早先的文章 （SPIE Vol.3008,202,1997) Goring发表的一种光 学系统将高功率半导体激光束对称化， 釆用柱面透镜偏斜以及偏折元件， 这个系 统的缺点是光束经第一偏折元件后未准直， 它的象质必须用柱透镜列阵校正以获 得好结果， 它或者要采用闪耀光栅， 原因在于偏斜的柱透镜后的偏折元件在慢轴 方向没有准直能力， 所以当用平面镜列阵作为第二偏折元件时， 慢轴方向的发散 角只能由柱透镜列阵纠正， 这种列阵很难制造， 不用柱透镜列阵时， 校正慢轴方 向的发散就须用闪耀光栅， 这种系统的另一缺点是不可能根据 LDA 的弯曲 (Smile)适当校正，大家知道 LDA的弯曲将在重定向面上产生交叉，使效率下降， 总之过去的技术难以实施而昂贵。 发明目的
本发明提供的方法和装置用以将半导体激光列阵或二维列阵的激光束重排列 并合束， 使之高效率高功率进入目标， 例如光纤。 从而获得高效率高功率固体激 光， 光纤激光， 光纤放大器， 以及高效通过光纤传输半导体激光。
本发明提供重排列半导体激光束的新方法， 使之更接近圆形光束。 发明概要
为达到上述目的和其他目的， 按照本发明的叙述， 本发明的装置由下列部分 组成。 至少一个半导体激光列阵， 光束偏置器， 光束重定向器， 处在所述光束偏 置器和重定向器之间的光学系统， 此光束偏置器将半导体激光列阵发出的光束在 快轴方向准直， 并沿快轴方向将光束相互偏置； 所述光学系统再将此已偏置的光 束在慢轴方向准直并使每个光束入射于重定向器， 这样就使光束通过重定向器后 射向予定的一个或多个方向。
本发明的光纤激光器将由下列部分组成： 至少一个半导体激光列阵， 一个具 有内包层的激光光纤； 一个光束偏置器； 一个光束重定向器； 一个光学系统处在 所述光束偏置器和重定向器之间， 一个聚焦器将所述半导体激光列阵发出的光束 耦合进入所述内包层。
本发明的其他目的和先进之处以及本发明的实用性将由以下的仔细描述而变 得更清楚， 但是本发明的叙述和例子只是为说明问题， 按照本发明的内容和方法， 具有一般技术水平的人都可按本发明作出各种变动和改进。 图面说明
图 1表示几种可能的 LDA光束整形和重排列之后的结果， 其中 CSA表示典 型的 LDA发光单元的图象， 图中只画出一个光束的图作为代表。
图 2表示本发明做光束整形的一般原理。
图 3(a)和 3(b)是本发明一个例子，表示 LDA光束整形的两个视图，其中 FAC 的放置使得柱面轴线与发光线夹一小角度， 光束重定向器是一组平面反射镜。
图 3(c)和 3(d)是为比较用， 一般情况下的 FAC柱面轴线与发光线平行， 此时 不发生光束偏置。 ·
图 3(e)表示 FAC与 LDA发光线的相对关系。
图 4(a)和 4(b)表示二种光束重定向器的原理，其中图 4(a)的光束重定向器是平 面镜组， 图 4(b)的光束重定向器是光楔组。
图 5(a)表示光束偏置器包括准直透镜 CL和偏置棱镜组 PSM;
图 5(b)表示 LDA发光线与 PSM相对关系；
图 5(c)表示 PSM中三个棱镜后的光线。
图 6表示用平面镜组 MX做光束偏置器。
图 7(a)表示用扭曲的反射镜形成图 6中 MX的偏置效果；
图 7(b)和图 7(c)是图 5中 PSM的二种变形， 它们具有连续的表面。
图 8(a)和 8(b)表示采用场镜的另一个例子。 图 9表示本发明的另一个例，其中采用微透镜列阵 MSL作为光束偏置器； 图 9(a)表示透镜和发光线的相对关系； 图 9(b)， 9(c)是本例的两个视图。
图 10(a)和 10(b)表示本发明的光束整形方法。 其中光学系统 AOS将发光单元 的偏置象成在光束重定向器 BR上， AOS并将 LDA发光单元的主光线入射于 BR， 使得从 BR出射的重排列后的光束射向同一方向。
图 11也是表示本发明的一般原理， 其中 LDA的光束由平移偏置。 图 11(a)表 示光束被分割和偏置前后 ·， 光束的形状。
图 12表示一些平移偏置光学元件的例。 其中 12(a)采用光学平板组 WG1， 从 发光单元 EM发出的光束被 FAC准直后为 WG偏置。 12(b,c,d)表示三块平板产生 偏置的情况。 12(e)和 12(f)是用棱镜组产生偏置的两个视图；图 12(g)是棱镜组 PSMG 中一个棱镜内的光路。
图 13是几个平移偏置光学元件的例。 其中图 13(a)和 (c)是用不同厚度的楔板 组成的平移偏置元件组的两个视图；
图 13(b)和 (d)是用相同的楔板组成平移偏置；
图 13(e)用平面镜组形成光束分割和偏置；
图 13(f)是这个平面镜组的侧视图。
图 14所示的例子中用球面镜 MR1作为图 10(a)10(b)中的 AOS。
图 15所示的例子中单个球面反射镜组合了 OS和 BR的功能。
图 16表示球面镜 MR1起聚焦装置的部分功能。
图 17表示球面镜 MR1同时作为聚焦装置。
图 18表示光纤激光的例。
图 19表示用两组反射镜 MMG作为光束重定向器 BR， 产生两组激光输出。 图 20(a)和 (b)是二维半导体激光列阵光束整形的二个视图。 发明内容
在本发明中公开了高效率耦合激光束的方法和装置， 特别是半导体激光列阵 (LDA) 的光束整形和重排的新方法。 采用这种方法耦合激光进入光纤及其他介 质可获得高效率。 本发明使高效率高功率固体激光能够实现。 这种光束整形结构 能显著改进半导体激光列阵的光束质量， 并且容易实施， 容易调正。 因此随着这 种耦合机构的公开， 就能有效地将半导体激光束注入光纤。 此系统能用以构成高 效率高功率光纤激光， 光纤放大器或其他固体激光。
用于光束整形和重排列的方法和装置是将 LDA 的光束沿慢轴分割为多个部 分， 并按快轴方向相互偏置， 然后将各部分按快轴方向重组合， 结果光束拉格朗 曰不变量在快轴方向增大 n倍， 在慢轴方向减小 n倍。
本发明表明，一种采用光束偏置器使 LDA光束在快轴方向偏置的新方法。 因 此本发明的装置可由下列部分组成： 至少一个半导体激光列阵 （LDA) ； 光束偏 置器； 光束重定向器； 处于所述光束偏置器和所述光束重定向器之间的普通光学 系统； 所述光束偏置器将发光单元发出的光束在快轴方向基本准直， 并将光束在 快轴方向相互以不同角度偏置； 所述普通光学系统将光束偏置器出射的光束在慢 轴方向准直， 并使每束光入射在所述光束重定向器上， 使光束经过所述光束重定 向器后射向一个或几个予定的方向。 光束偏置器可以由各种不同方式形成， 例如 柱面光学另件或棒状光学另件的轴线与 LDA的发光线夹一个予定角度。普通光学 系统由至少一个透镜或透镜组或反射镜或折反射镜组成； 这个普通光学系统的位 置使光束偏置器出射光束在慢轴方向被准直， 并使偏置光束入射于光束重向器 上。 采用所述普通光学系统的结果， 消除了用柱透镜列阵之类的复杂光学元件的 必要性， 这种元件难以制造故不实用， 在本发明装置中的光束重定向器可以采用 不同形式， 例如平面反射镜组， 光楔组， 光栅或其组合。
采用本发明的光束整形方法时， 所得到的光束拉格朗日不变量在快轴方向将 近增加 n倍在慢轴方向近减 n倍， 因此一个光束整形装置将包括： 一个半导体激 光列阵 （LDA) ， 光束偏置器， 光束重定向器， 处在光束偏置器和重定向器之间 的普通光学系统。 其中的光束偏置器包括一个柱面类的准直透镜放在 LDA前， 并 使柱面的轴线与 LDA发光线夹一予定角度。 其中的光束重定向 （重排列）器是平 面镜组， 很多平面镜错开一予定角度。 所述光束偏置器将所述 LDA的光束在快轴 方向准直并使每个出射光束的出射方向在快轴方向错开一予定角度。 所述普通光 学系统将此已偏置的光束在慢轴方向准直， 并将 LDA上每个发光单元分别成象在 所述平面镜组中的一个予定的平面镜上。 于是光束经反射后射向一个或多个予定 方向。
在这个装置中的光束重定向 （重排列）器也可以是光楔组。 此时很多光楔堆 起来排在快轴方向，所述普通光学系统将已偏置的光束在慢轴方向准直，并将 LDA 上每个发光单元分别成象在所述光楔组中的一个予定光楔上。 于是光束经过折射 后射向一个或多个予定方向。 另外， 透射光栅或反射光栅也可以用作光束重定向 因此， 一个光束整形装置由下列部分组成： 一个 LDA, —个光束偏置器， ― 个光束重定向器， 以及一个处在光束偏置器和光束重定向器之间的普通光学系 统。 其中光束偏置器由多节准直透镜组成， 它处在 LDA之前而且这个多节准直透 镜中每一节的柱面轴线与相邻节的轴线相互错开一予定距离， 并平行于 LDA发光 线， 错开的方向是快轴方向。其中光束重排列器 (重定向器)是一组平面反射镜或一 组光楔或是光栅。
前述光束偏置器把 LDA发出的光束一一偏折到不同方向。也可以采用方向不 变而一一平移不同距离达到偏置的目的。 将光束平移偏置可以用很多方式。 例如 棱镜组， 每个棱镜与相邻棱镜作定量平移； 用反射镜组， 每个反射镜与相邻反射 镜有定量平移， 光束则斜入射在反射镜组上； 或者用其他光学元件组能形成光束 平移而不变其方向者。 因此一个光束整形装置由下列部分组成： 至少一个 LDA， 光束快轴准直器， 光束偏置器使准直光束沿快轴方向平移偏置， 光束重定向器， 处在光束偏置器和光束重定向器之间的光学系统。 这个光学系统把光束偏置器射 出的光束在慢轴方向准直， 并将 LDA的每个发光单元成象于光束重定向器的一个 予定单元上， 由于反射、 折射或衍射光束就重定向在至少一个予定的方向上。 所 述快轴准直器可以是柱透镜或棒状光学另件， 在装置中的光束偏置器可以是反射 镜组， 棱镜组或光楔组。 这个光学系统可以是一个折射光学另件， 例如至少一个 透镜或透镜组； 可以是至少一个反射光学另件， 例如球面反射镜； 也可以是折反 射光学系统， 这个光束重定向器可以是平面镜组， 光楔组， 光栅或其组合。
从上述装置的叙述可以得到高效率固体激光器的结构。 因此高效率的半导体 光泵固体激光器由下列部分组成： 一个激光介质； 例如激光光纤， 其内芯有激活 物掺杂 （对包层光泵光纤而言） ； 或由激活物掺杂的激光棒（或片） ； 至少一个 聚焦器以及一个光源。 光源包括至少一个 LDA， 光束重定向器， 光束偏置器， 以 及处在光束重定向器和光束偏置器之间的普通光学系统。 所述聚焦器把经过整形 的光束注入所述激光介质。
从上述装置的叙述就可以有效地把 LDA光束与光纤耦合进行传输。因此根据 本发明一个半导体激光列阵与光纤耦合的系统由下列部分组成： 至少一根光纤， 至少一个聚焦器， 以及一个光源。 光源包括至少一个半导体激光列阵， 光束偏置 器、 光束重定向器， 以及处在光束偏置器和光束重定向器之间的普通光学系统。 其中所述聚焦器把经过整形的光束注入所述光纤。 实施例
光束整形和重排列：
LDA的发光单元结构以及光束几何结构是一般所知， 用 LDA光泵固体激光 器也是常事， 但由于光束质量差， 效率未能发挥出来。 很差的光束质量是由细长 的〜 l mX IOmm发光体形状所致。此外， 出射光束锥具有椭圆截面， 一般而言与 发光线垂直的方向发散角大到接近 90° ， 称为快轴 Xi， 与发光线平行的方向称为 慢轴 Yi，发散角约 10° (图 1 )，典型的 LDA有 19个发光单元，相互间距 400μηι， LDA在慢轴方向长 10mm， 在快轴方向仅 1μπι。 从上述理论可知光束整形的质量 会显著改善。
一般而言， 所谓光束整形就是把光束分割并重新排列， 使慢轴方向的拉格朗 日不变量变小。 图 1表示 LDA光束整形和重排列后可能的结果， 其中 CSA是典 型的 LDA发光线形， 形状 P1是按发光单元间距作分割并在快轴方向重排列的结 果； Ρ3 , Ρ4是另外两种可能的重排列结果。在 P1 P3 P4三种情况中以 P1为最好。
按照上述的方法和装置就可以达到光束整形和重排列的目的。适当放置 LDA (半导体激光列阵）和光束偏置器的位置； 利用光学系统作慢轴准直并将发光单 元成象在光束重定向器上； 再经过光束重定向器就使光束整形和重排列。 光束偏 置器使 LDA发出的光束沿快轴相互错开； 偏置可以是出射角不同， 也可以是位移 不同。 最好是光束偏置器同时使光束在快轴准直， 用普通光学系统使光束在慢轴 准直并使光束入射于重定向器上。在一个例子中， 快轴准直器与 LDA发光线调正 为相对倾斜， 使光束在快轴方向产生偏置。 再用一个普通光学系统， 例如透镜或 透镜组或反射镜使光束在慢轴准直并将 LDA的发光单元成象在光束重定向器上; 这些象基本上沿快轴方向排列， 如图 1， 普通光学系统可以由球面或非球面形成， 但如柱透镜列阵或其他透镜列阵都不是普通光学系统， 光束经过重定向器后， 已 偏置的各部分光束就沿快轴方向重排列， 理想情况下， 最后的光束拉格朗日不变 量与原光束相比在快轴方向增大 n倍， 在慢轴方向减小 n倍。 虽然上述的分割和 偏置重排列最好是按照发光单元数和间距来安排， 从而获得最高的亮度。 但是一 般也可以将发光体简化为图 1中的 CS， 此时进行光束分割就不考虑 LDA中包含 多少个发光体。 此时每个偏置的束斑可能只包含发光体的一部分或者会包含几个 发光体， 如图 1中的 P2。 当 LDA包含大量发光体时， 这种考虑是有用的。 因此， 虽然最好是做分割和偏置时做出 PI P3 P4形式的结果， 但以下的讨论中对发光体 的间距 PH将不加考虑。光束分割数不一定等于 LDA发光体数，结果的形式 PI P2 P3 P4都有可能。 这样做时光束整形更便于实施。
图 2是本发明的一般原理的简图。其中 EM是 LDA的发光体，为简单起见图 2中只画五个发光单元。 BDM是光束偏置器， 它使发光单元发出的光束在快轴（X 轴）方向准直， 并使出射光束在 X方向相互偏置。 图 2中表示的是出射角偏置。 束斑的形状表示在几个不同的坐标系中 (x， y; xl， yl ; x2, y2; x3, y3 ) 。 OS 是一个普通光学系统， 它使光束在慢轴 （Y轴）方向准直， 并使偏置光束沿 x2轴 入射于光束重定向器 BR上， 形成重排列光斑？。 这些光束入射 BR的入射角各不 相同，经过光束重定向器 BR后引导所有光束到同一方向（也可以引导到几个不同 的予定方向） 。 因此经过 BR之后的束斑 BST几乎和 P—样。 所以最终光束的拉 格朗日不变量与原光束相比在快轴方向增大 n倍， 在慢轴方向减小 n倍， 优化后 的光束（具有束斑 P， 例如 Pl， P2)可以有效地聚焦进入光纤或其他所须介质。 显然可能将这些光学元件合并起来， 例如将 BDM和 OS合并为一， 使一个元件起 BDM和 OS二种作用，也可能将 OS和 BR合并为一。采用上述结构时不须用难以 加工的昂贵的柱透镜列阵就可达到良好的光束质量。 OS中的光学表面数最好尽量 少以降低损耗。 例如这个普通光学系统只是一个球面或非球面反射镜， 或是一个 单透镜或透镜组。 光束重定向器 BR将是一组平面镜或是一组光楔。
下面将公开一批 LDA光束重排列的例子。
一个例子的光路顶视图为图 3(a)和图 3(b)。 图中 EM是 LDA的发光体。 BM 是激光束。物镜 SAC离 EM的距离及离象面 A的距离都是焦距 f。快轴准直器 FAC 将 EM发出的光束在快轴方向基本准直， 并由 SAC成象于象面 A。 假若 FAC和 EM平行 （即图 3(c)和图 3(d)所示） ， 那么在象面 A的束斑将具有同一的 x'坐标， 在 y'轴的尺度也相同。 要产生偏置须将 FAC的柱面轴线与 EM夹一角度 （图 3(a) 图 3(e)) ， 此时 FAC仍在 yz坐标面内， EM上每一点坐标 y不同时坐标 x也就不 同（图 3(a))， 于是 EM在象面 A上的象坐标 X"就将发生予定的不同。 在 FAC之 后光束在慢轴方向并未准直， SAC的作用之一就是使它在慢轴准直（图 3(b)) ， 同时又把 EM每个光单元的主光线 （激光束中心线）聚焦于平面 A， 所以每束准 直光束具有不同的入射角（图 3(b))。在光束整形中要想获得高亮度，慢轴准直是 十分重要的。
在这个例子中光束重定向 （重排列）器是一组小平面镜（或小棱镜， 小光楔） 处于象面 。 图 3(a)和图 3 (b)表示用平面镜的情况， 为清楚起见只画了三个平 面反射面。 处在不同高度（坐标 X不同） 小反射镜将入射角不同的光束射向同一 方向 （或予定的几个方向）这只须予先将这些小反射镜错开一予定角度就可做到。 图 4(a)表示反射镜组 MG将三个准直光束重定向的情况；图 4(b)表示用光楔 OW(图 中画出三个光楔） ， 使光束重定向。 一般而言假若不考虑发光单元数时， 所得束 斑形如 P2。 显然也可以采用棱镜全反射作为反射镜用。 所以在此例中光束最终的 拉格朗日变量与初始由 EM发出时相比，在快轴方向增大 n倍， 在慢轴方向减小 n 倍， 在此 n是小平面镜（或棱镜）数。 所以可以使此准直光束在 X方向和 y方向 的拉格朗日不变量大致相同。 显然也可釆用其他的重定向器， 只要它能使不同入 射角的光束导向同一的或予定的方向。
假若重定向器中的反射镜（棱镜 /光楔）数与 LDA的发光单元数相同， 而且 EM和 FAC的夹角适当， 以使每个发光单元的象刚好落在一块小反射镜上， 于是 最终的束斑形如 Pl。此时与形状 P2相比光束亮度可增大 m倍， m是 LDA发光单 元占空比的倒数。
在图 3(a)中， 小平面镜在 X方向的宽度 dl和 LDA象的宽度应大致相等。 成 象的放大倍数就是 SAC与 FAC焦距之比。假若这束斑的占空比小，虽然光束已整 形， 但将导致亮度下降。 若 dl太小时， 单个发光单元的象将跨越二个以致更多的 小平面镜， 由于每个镜面法线方向不同， 将使发散角加大， 亮度下降。 透镜 FAC 及 SAC的象差也使发散角加大而降低亮度。 所以象差应尽量小以获得好结果。
在上述例子中光束偏置器 FAC同时起了快轴准直和光束偏置二个作用。当然 这二个作用也可以用二个元件来做， 图 5(a),5(b)，5(c)就是这种例子的图， 在这个例 子里的光束偏置器包括 CL和 PSM， CL是准直透镜将 LDA发光单元发出的光束 在快轴方向准直； PSM是棱镜组由多个棱镜组成； LDA和 PSM的相对位置表示 于图 5(b)， 图 5(c)表示光束通过棱镜的三条光路 （棱镜 PM1， PMm, PMn) ， 棱 镜具有不同角度使光束折向予定方向， 达到光束偏置的目的。 类似于前一个例子， 类似于图 2， 采用 OS以及 BR之后，可使整形为束斑 BST的光束基本上都射向同 一方向。
在图 5的例子里是采用折射产生偏置， 采用反射也同样可以。 图 6表示的光 束偏置器包括 CL和平面镜组 MX， 为清楚起见， 图中只画出三个相互错开的平面 镜。光束经过快轴准直透镜 CL后反射成为出射角相互错开的多个光束。与上一个 例子一样， 光束经过 OS (或 SAC)以及 BR之后， 可使整形为束斑 BST的光束基 本上都射向同一方向。
在图 5和图 6表达的例子里用多个分离元件做光束偏置器， 显然也可用连续 的曲面来做光束偏置器。图 7(a)表示用一扭曲镜 TMM代替图 6的 MX也可以作为 光束偏置器。图 7(b)和图 7(c)是代替图 5中 PSM的二种变形棱镜 CPM1和 CPM2; 可以看出 CPM1和 CPM2中具有与小棱镜 PM1， PMm和 PMm相同的截面， 从而 与 PSM起相同的偏置作用。
图 8(a)和 8(b)是另一个例子。其中 EM是 LDA的发光体； A是象面； FL是物 镜， 它将主光线（PR1， PR2, PR3)聚焦于 A (图 8(b)) ； SAC是慢轴准直透镜； 在快轴方向光束由 FAC准直， 使经过 FL和 SAC后 EM成象于 A， （图 8(a) ) 。 与前例相同， FAC的轴线与 EM有夹角以产生偏置；在象面 A放有光束重定向器， 例如平面镜组； 在光线 （及准直光束） 以不同角度入射光束重定向器后， 被引向 基本相同的方向。 其中 FL可以是柱透镜， 在 xz面内可以没有光焦度， SAC可以 是双曲率透镜在 yz面和 xz面内具不同光焦度。
图 9(b)和 9(c)表示另一个例子的二个视图。与图 3的例子不同之处是不用 FAC 倾斜产生偏置。 这里用多节透镜 MSL， 其中每一节的轴线都与发光体 EM平行， 但又相互平移错开一予定值， 如图 9(a)所示。 这就使经过 MSL后光束在快轴方向 相互偏置一角度， 并使 EM中每一节在象面 A所成象的 x'坐标一一不同。 每节形 成的准直光束以不同角度入射象面 A上的光束重定向器 BR。经 BR后光束基本上 射向同一方向。 BR可以是平面镜组， 也可以是光楔组。
一般而言， 按照本发明， 光束整形由下列单元组合而成： （a)光束偏置器， 例 如相对于 LDA发光线倾斜放置的柱透镜； （b)在象面 A上放置的光束重定向器， 例如平面镜组； （c)一个任意的普通光学系统 AOS (例如折射光学系统， 反射光学 系统或折反射系统) ， 它使光束在慢轴准直， 使偏置的发光单元的象成在光束重 定向器上， 也使 LDA发光单元的主光线都入射于光束重定向器（如图 10所示） 。 为使重定向后的光束基本上射向同一方向， 假若光束在 xz面内并不很准直（如图 10(a)所示） ， 最好要求光束重定向器适应入射光束作倾斜偏置优化。 例如采用平 面镜组作光束重定向器时平面镜除在 yz面内偏置外也要在 xz面内偏置，使经平面 镜组后的光束基本上向同一方向。一般所知 LDA发光线有弯度（Smile)， 在一定 程度内这种弯度可以被反射镜适当偏置而校正， 使有弯度的 LDA仍能得到适当的 输出光束质量。 另外， 当入射于光束重定向器上的光束不够准直时， 光束重定向 器就须用多个球面镜或双曲率镜组做。所以最好的任意光学系统 AOS应该使入射 于光束重定向器的光束充分准直， 如以前的例子表明， 这是可以做到的。
前面的例子中光束偏置都是由出射角错开而实现。 也可能由出射光束平移错 开而方向基本不变， 实现另一类光束偏置器。
图 11是本发明的另一个例子的简图，其中光束偏置器 BDM— TR使光束在快 轴方向产生平移偏置， EM是 LDA的发光体， 为简单起见只画出五个发光单元。 BDM— TR不单产生偏置也使 LDA发出的光束在快轴 （x轴）方向准直。 由于出 射光束方向不变， 主光线由 BDM— TR出射后仍平行于 Z轴。 图中表示了束斑在 各个坐标系内 （x， y; xl， yl ; x2， y2; x3， y3 )的形式， OS— 1是一个任意光学 系统， 它使光束在慢轴被准直 （y方向） ， 并使各偏置光束成象于光束重定向器 BR上。 这些光束的入射角相互不同并沿快轴重排列， 束斑形如1>。 使所有光束经 过光束重定向器 BR之后都基本上射向同一方向（或射向予定的几个方向）。因此 经 BR之后的束斑 BST的形状与 P基本相同。 所以光束最终的拉格朗日不变量在 快轴方向增大 n倍， 在慢轴方向减小 n倍， 优化后的光斑形状 （P形如 P1或 P2) 使光束容易高效注入光纤或其他介质。 显然所用的各个功能元件都可能合并为 一，例如用一个元件实现 BDM— TR和 OS— 1的功能，或合并 OS— 1与 BR为一。 OS— 1 的光学表面数最好尽可能少以减小损耗， 例如采用单个球面（或非球面） 反射镜； 用单透镜或透镜组； 有必要时此光学系统中可包括柱面。
许多方式可以使光束平移偏置， 使束斑形状由 CS (忽略 LDA发光单元之间 距）变为 OS— CS， 如图 l l(a)。 例如图 12， 13。 最好是先把半导体激光列阵发出 的光束在快轴方向准直再进行光束分割和平移。 采用折射或反射光学元件都可以 把这些元件相互错开均可形成光束平移偏置， 作为光束偏置器。 图 12(a)表示由发 光体 EM发出的光束由 FAC在快轴准直后， 由光学平板组 WG1产生偏置。 图中 为清楚起见只画三块平板。 图 12(b),(c),(d)表示三块平板产生平移偏置的情况。 图 12(e)(f)表示采用棱镜组 PSMG产生平移偏置的二个视图；图 12(g)是光线在单个棱 镜 PSM— A内的光路。 发光体 EM发出的光束被 FAC准直后进入 PSMG形状如 BM— IN由于每个小棱镜棱线相互错开， 出射光束是 BM—OUT。 图 13(a)和 (c)是 采用不同大小的光楔组成的光楔组 WG2 进行光束分割和平移的二个视图。 图 13(b)(d)是采用大小相同的光楔组成的光楔组 WG3进行光束分割和平移的二个视 图。 图 13(e)是采用平面镜组 MG— TR做光束分割和平移的例子， 发光体 EM与图 面垂直， 入射光束的方向相对镜面有夹角， 从而产生偏置， 图 13(f)是 MG— TR的 关于任意光学系统 AOS，前面已有几个例，图 14是再一个例子。这里的 AOS 是一个球面反射镜 MR1。 从 LDA发光体 EM发出的光束由柱面光学元件 FAC在 快轴准直， 并由 FAC与 EM之间夹角而产生出射光束偏置， 如图 3(e)所示。 球面 反射镜 MR1将这些偏置光束成象于光束重定向器 BRM上（聚焦或有离焦）， MR1 同时将光束在慢轴方向准直。光束经 BRM后重排列并导向同一方向（或予定的几 个方向） ， 并为聚焦器 FM1注入激光介质 FBI , FBI是光纤； 或注入其他传输装 置。 显然这种采用 MR1的系统较为紧凑。
在讨论图 2时曾述及光束偏置器 BDM与 OS或 BR与 OS可能组合为一， 图 15表示一小反射镜用以组合成模块，起 OS和 BR二者的功能。图 16和 17的例子 表明本发明的光束整形方法的灵活性。 在图 16中 MR1用作 OS， 此系统与图 14 类似， 但现在 MR1同时用作部分聚焦系统。 图 17和图 16类似， 但这时 MR1 同 时用作 OS和聚焦系统。
从上面的叙述可得到高效率固体激光器的结构： 包括一个激光介质， 例如双 包层激光光纤， 其内芯有激活物掺杂 （用于包层光泵光纤激光） ， 或由激活物掺 杂的激光棒（或片） ； 聚焦器以及一个光源。 光源包括至少一个半导体激光列阵; 光束偏置器； 光束重定向器； 以及一个普通光学系统。 所述光束偏置器将 LDA发 光体发出的的光束在快轴方向准直并产生偏置。 所述普通光学系统将这些偏置光 束在慢轴方向准直， 并使入射在光束重定向器上。 所述光束重定向器使出射光束 射向同一方向或予定的几个方向。 所述聚焦器将所述光源输出的光束注入所述激 光介质的通光孔内。 此激光介质可以是掺杂的激光玻璃或激光晶体。
图 18表示光纤激光的例子。其中 EM是 LDA的发光体， BM是激光束，光束偏 置器 也是快轴准直透镜， 其轴线与 EM夹一小角度。 由 出射的偏置光束经过 普通光学系统 L2到达平面镜组 MMG。 MMG使不同入射角的偏置光束射向同一方 向。在此例中 L2使光束在慢轴准直， 并使它们沿快轴方向排列入射于 MMG。 经过 MMG后的束斑形状已优化， 使快轴方向和慢轴方向的拉格朗日不变量大小相当。 L3 是聚焦透镜， 将 MMG输出的准直光束聚焦于激光光纤 FB的通光孔上。
前面公开的例子中， 光束重定向器可能将光束导向一个或几个方向， 例如当 釆用一批小反射镜作为光束重定向器时， 小反射镜可分成几组， 每组将光束导向 一个方向。 从每一组输出的光束就可聚焦注入一条光纤。 图 19是一个两路输出的 例子。 这个例子与图 18所示相似， 但光束重定向器由两组反射镜组成， 每组反射 镜都使入射光束出射到基本上相同的方向， 因之输出两束整形的光束， 可以注入 两条光纤。 这两束光例如可以用作固体激光两端光泵。
根据上面叙述的方法和装置， 也可以用于通过光纤传输半导体激光列阵的光 功率。 由于上面公开的方法可以高效率地将多个半导体激光列阵的激光功率注入 光纤， 所以可通过光纤传输高光功率。 从而可直接用于激光加工和激光医疗。
因此根据本发明， 一个与光纤耦合的半导体激光列阵包括： 至少一条光纤、 至少一个聚焦器以及一个光源。 光源包括至少一个半导体激光列阵、光束偏置器、 成象光学系统及光束重定向器。 其中所述光束偏置器将半导体激光列阵发出的光 束在快轴方向准直， 并将光束沿快轴方向作相互偏置。 所述成象光学系统将各偏 置光束在慢轴方向准直， 并使它们入射于所述光束重定向器， 使光束经过所述光 束重定向器后射向至少一个予定方向， 所述聚焦器将所述光束重定向器的出射光 束聚焦于所述光纤的通光孔。
前面的本发明的例子只为阐明发明的目的， 并不限制本发明的准确形式。 显 然按照上述的讲授可以做出各种变型。 例如在光束偏置器前加光学系统改变 LDA 发光单元之间距， 采用偏振元件或转象系统将几个 LDA的光束合束。釆用衍射光 学元件或塑料光学元件。 采用上述的方法也可以将二维发光列阵做光束整形， 图 20表示一个例子，其中多个 FAC用于二维发光单元的多条发光体，其作用方式或 与以前的做法一样。

Claims (11)

1. 一种用于光束整形和重排列的光学耦合方法， 其特征在于具体做法是：
(1)首先选用具有发射快轴和慢轴方向光束的半导体激光列阵作为发光源；
(2)将上述发光源发射的光束在快轴方向准直并偏置；
(3)将上述经过在快轴方向上准直并偏置的光束在慢轴方向上准直并使其入 射到下一步的光学元件上；
(4)重新排定上述的光束使其射向一个或多个予定方向。
2. 一种用于光束整形和重排列的光学耦合装置， 包括： 含有至少一个半导体 激光列阵的发光源， 光束偏置器， 光束重定向器， 以及置于光束偏置器和光束重 定向器之间的普通光学系统；
所说的光束偏置器将所说的发光源的半导体激光列阵的发光单元发出的光束 在快轴方向准直， 并使所说的光束沿快轴方向相互以不同角度偏置；
所说的普通光学系统将所说的光束偏置器出射的光束在慢轴方向准直， 并使 每束光入射到所说的光束重定向器上， 使得光束经过所述光束重定向器后射向一 个或多个予定方向。
3. 根据权利要求 2所述的光学耦合装置， 其特征在于所说的光束偏置器是一 个柱面轴线与发光源半导体激光列阵的发光体有夹一予定角度置放的柱面光学元 件， 或是一个轴线与发光源半导体激光列阵的发光体夹一予定角度置放的棒状光 学另件， 或是包括一个准直器和一组偏置棱镜， 或是包括一个准直器和一组偏置 平面镜， 或是包括一个准直器和一个偏置用扭曲镜， 或是包括一个准直器和一个 变形棱镜， 或是包括一个多节准直柱透镜。
4. 根据权利要求 2所述的光学耦合装置， 其特征在于所说的普通光学系统是 折射光学系统， 或是反射光学系统， 或是折反射光学系统。
5. 根据权利要求 2所述的光学耦合装置， 其特征在于所说的光束重定向器是 一个平面镜组， 或是一个光楔组。
6. 根据权利要求 2所述的光学耦合装置， 其特征在于装置中或者还包括至少 一个聚焦器。
7. 一种将半导体激光列阵的光束整形装置， 包括至少一个半导体激光列阵； 光束偏置器； 光束重定向器； 处在所述光束偏置器和所述光束重定向器之间的光 学系统； 所述光束偏置器把发光单元发出的光束在快轴方向准直， 并将光束在快 轴方向相互平移偏置； 所述光学系统将所述光束偏置器的出射光束在慢轴方向准 直， 并使光束入射于所述光束重定向器， 使光束经过所述光束重定向器后射向一 个或多个予定方向。
8. 根据权利要求 7所的光束整形装置，其特征在于所说的光束偏置器包括一 组平面镜， 或者包括一组棱镜。
9. 一种用光学耦合装置的半导体光泵固体激光器， 包括： 一个激光介质， 至 少一个聚焦器， 一个作为光源的光学耦合装置， 所说的光学耦合装置包括至少一 个半导体激光列阵， 将半导体激光列阵发光单元发出的光束在快轴方向上准直并 偏置的光束偏置器， 光束重定向器以及置于光束偏置器与光束重定向器之间的将 光束偏置器出射的光束在慢轴方向准直并使光束入射于光束重定向器的光学系 统， 光束重定向器使上述光束射向予定方向；
所说的聚焦器置于上述光源与激光介质之间， 聚焦器将光源输出的光束注入 激光介质的通光孔。
10. 根据权利要求 8所述的半导体光泵固体激光器， 其特征在于所说的激光 介质是一种内芯有激活物掺杂的激光光纤， 或者是有激活物掺杂的激光晶体， 或 者是有激活物掺杂的激光玻璃。
11. 一种与光纤耦合的半导体激光列阵， 包括： 至少一条光纤， 聚焦器， 至 少一个光源， 其中光源包括至少一个半导体激光列阵， 光束偏置器， 成象光学系 统以及光束重定向器；
所说的光束偏置器将半导体激光列阵发出的光束在快轴方向准直， 并将光束 沿快轴方向作相互偏置； 所说的成象光学系统将上述各偏置光束在慢轴方向准 直， 并使其光束入射到光束重定向器， 光束通过光束重定向器后射向至少一个予 定方向； 所说的聚焦器将光束重定向器出射的光束聚焦于上述光纤的通光孔。
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