CN1553243A - 采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法 - Google Patents

Abstract

采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，正交连续微透镜中的两柱面微透镜分别对垂直结方向(快轴方向)和平行结方向(慢轴方向)的光束进行准直。快轴方向采用单一柱面镜实现准直；慢轴方向采用多个柱面透镜排列起来形成线阵，每一个微透镜和一个发光区(emitter)一一对应，分别对每一个发光区的光束进行准直。本发明实现了对大功率半导激光器光束的准直和消像散，从而得到能量集中，发散角小，准直度高的激光光束，本发明不仅适用于大功率条阵半导体激光器的光束整形，而且还适用于面阵的大功率半导体激光器的光束整形。

Description

采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法

技术领域

本发明涉及一种半导体激光束的准直方法，特别是对采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，属于微细加工光学技术应用领域。

背景技术

半导体激光器由于体积小、功率大、电光转换效率高而得到越来越广泛的应用。半导体激光器发光具有以下特点：第一，半导体激光器发光腔几何尺寸不对称，远场分布呈像散椭圆状，垂直于发光面方向(快轴)发散角大于平行方向(慢轴)。一般半导体激光器快轴方向的光强分布呈高斯分布，慢轴方向呈超高斯分布，发散角定义为光强下降到最大值一半(WHHM)或

时的包络角度，也有按积分能量包络的多少来定义其发散角；第二，大功率半导体激光器不是单一一个发光区，而是由多个发光区构成的阵列，如条阵(线阵)或面阵，因此发光区的面积较大，往往都超过10毫米。

在实际应用中，需要能量集中，发散角小，准直度高的激光光束，这就需要对半导体激光器光束进行准直。因此诸如准直、聚焦折叠、耦合等光束整形问题必须解决。鉴于大功率半导体激光器的特殊性，使常规准直方法对它无能为力，其原因是：首先，由于其发散角大，相应的准直微透镜的数值孔径也必须较大；其次，由于存在像散，所以不能采用具有旋转对称的透镜，而需采用两不同焦距、不同数值孔径的柱面透镜进行两方向的光束分别准直；另外，其中单元发光区尺寸及间距周期均较小，一般为微米量级，根据几何光学的拉氏不变原理，如采用常规宏光学系统，那么需采用焦距很长的光学透镜，而且还必须满足成完善像的条件，这样的系统这两个条件往往不能同时满足。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，使用该方法能够得到能量集中，发散角小，准直度高的激光光束。

本发明的技术解决方案是：采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，其特征在于：采用正交连续微透镜阵列对实现光束的准直。

所述的正交连续微透镜中的两柱面微透镜分别对垂直结方向(快轴方向)和平行结方向(慢轴方向)的光束进行准直。快轴方向采用每一个柱面镜分别对每一条激光器的光束实现准直，使柱面透镜的焦点位于大功率半导体激光器的发光区位置，口径等于或小于阵列激光器中各条之间的间距；同理慢轴方向采用多个柱面透镜排列起来形成线阵，每一个微透镜和每一条激光器的一个发光区(emitter)一一对应，其柱面透镜的口径等于或小于发光区的周期，焦点位于发光区位置，分别对每一个发光区的光束进行准直。

本发明与现有技术相比具有如下优点：目前有旋转对称的宏透镜准直方法和光纤准直方法。宏光学准直法主要是针对发光区域较小的面阵激光器，总面积小于1mm×mm的激光器，由于结构的限制，该系统不适于较大面阵的激光器，为了得到较小的发散角，须使用长焦距物镜，这样必然使整个系统体积增大。同时，由于半导体激光器存在像散，采用旋转对称光学系统不利于消除子午和弧矢方向的像散，也限制了其应用领域。光纤透镜准直方法由于光纤柱面结构的限制，存在球差，使准直精度和准直效率不能同时达到平衡。采用正交微透镜阵列的方法既可以实现大面阵半导体激光器阵列光束的准直，又能实现高效、小发散角的光束准直。

附图说明

图1为本发明实施例1的俯视图；

图2为本发明实施例1的侧视图；

图3为本发明实施例1中的15W激光器的结构示意图；

图4为本发明实施例2的俯视图；

图5为本发明实施2的侧视图；

图6为本发明实施2中的40W激光器的结构示意图。

具体实施方式

如图1、2、3、4、5、6所示，本发明的原理是：半导体激光器A和A′快轴方向所发出的光束为高斯光束，根据激光原理，高斯光束的波前为球面，但是其球心并非位于束腰中心，而是位于束腰前面，并且大小随时变化的，其球面波半径随传播距离z的变化而变化，可表示为

$R\left(z\right)=z+\frac{{z_0}^2}{z}---\left(1\right)$

其中，z₀为高斯光束的瑞利长度(或共焦参数)，z为传播位置离束腰的距离。但由于半导体激光器A和A′的谐振腔较小，因此其瑞利长度较小，一般为微米量级，而考察波面一般距离束腰较远(一般为毫米量级)，因此(1)式中的第二项可以忽略，这样实际上高斯光束的等效球面波的球心可以近似为位于束腰的中心处。根据波动光学，这样的球面波准直，只需使准直透镜的前焦点放于束腰位置处即可。需准直的高斯光束束腰位于透镜的前焦点时，出射光束的束腰达到极大值，发散角达到极小值，此时的发散角与准直前发散角之比为：

$M=\frac{{\mathrm{\θ}}^{\′}}{\mathrm{\θ}}=\frac{{{\mathrm{\π\ω}}_0}^2}{\mathrm{\λ}}/f^{\′}=\frac{z_0}{f^{\′}}---\left(2\right)$

准直后的发散角为 ${\mathrm{\θ}}_{\min }=\frac{2{\mathrm{\ω}}_0}{f}---\left(3\right)$

快轴方向：若ω₀＝0.5um，λ＝0.808um，z₀＝0.97um，f′＝500um，M＝1/500，若入射激光束的发散角为36°，则理想准直光束发散角为：0.072°＝1.25mrad。若入射激光束的发散角为60°，则理想准直光束发散角为：0.12°＝2.1mrad。

慢轴方向是由多个线阵发光源构成(典型值N＝19个)，每个发光源长度为δ＝50～200um(典型值为100um)，宽为1um，间距为Δ＝500um，发散角典型值为10°。采用一个微透镜和一个发光区一一对应进行准直，此时的准直微光学系统单元也满足拉赫不变原理

            J_unit＝nsin uy_unit＝nsin u′y′_unit          (4)

对应每一个单元的拉赫不变量为J_unit＝sin(10°/2)×(0.1/2)＝0.00436mm×rad。微透镜子孔径2y′_unit须小于其阵列的周期间距0.500mm，根据(3)式可得发散角2u_unit′最小为2.0°。

若发散角为11.4°，根据(3)式，即可计算出发散角为2.28°。

下面结合具体实施例进一步说明。

实施例1

如图1、2、3所示，采用的条阵半导体激光器A为由19个发光区构成的15瓦激光器，波长为0.808微米，其每一个发光区的尺寸大小为1微米×100微米，相邻发光区之间的间距为500微米，因此条阵半导体激光器A的总发光区为9.5毫米。为此采用的快轴准直微柱面透镜B的口径为300微米，长度为12毫米焦距为260微米。准直慢轴的微透镜阵列C的口径为500微米，长度为3毫米，焦距为2000微米，阵列数为19个，准直后快轴方向的发散角为0.2°，慢轴方向的光束发散角为2.18°。

实施例2

如图4、图5图6所示，采用的条阵半导体激光器A′为由19个发光区构成的40瓦激光器，波长为0.808微米，其每一个发光区的尺寸大小为1微米×150微米，相邻发光区之间的间距为500微米，因此条阵半导体激光器的总发光区为9.5毫米。为此采用的快轴准直微柱面透镜B′的口径为300微米，长度为12毫米，焦距为260微米。准直慢轴的微透镜阵列C′的口径为500微米，长度为3毫米，焦距为2000微米，阵列数为19个，准直后快轴方向的发散角为0.2°，慢轴方向的光束发散角为2.5°。

Claims (3)

1、采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，其特征在于：采用正交连续微透镜阵列实现光束的准直。

2、根据权利要求1所述的采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，其特征在于：所述的正交连续微透镜中的两柱面微透镜分别对垂直结方向(快轴方向)和平行结方向(慢轴方向)的光束进行准直。

3、根据权利要求1所述的采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，其特征在于：快轴方向采用单一柱面镜实现准直；慢轴方向采用多个柱面透镜排列起来形成线阵，每一个微透镜和一个发光区一一对应，分别对每一个发光区的光束进行准直。

Images