CN1664688A - 折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法 - Google Patents

Abstract

折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在于：(1)利用一个或多个平行平板对条阵半导体激光器的慢轴方向光斑进行分割；(2)采用一组阶梯式反射棱镜堆将分割后的光斑沿快轴方向对齐，实现光束整形的目的。用该方法涉及折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形与传统方法相比具有结构简单、紧凑、设计灵活、调节方便、成本低廉等优点。

Description

折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法

所属技术领域

本发明涉及一种采用折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法。

背景技术

带尾纤输出的高功率半导体激光器(Laser Diode，LD)在医疗、材料加工、固体激光器和光纤激光器的泵浦、军事、印刷和打印等方面得到了重要的应用。条阵半导体激光器(LD bar)是由水平方向按周期排列的一系列发光单元组成，但受工艺、冷却、整形方法等多方面的限制，条阵半导体激光器不可能做得水平方向无限的长，所以目前条阵半导体激光器一般长约1cm，连续输出功率一般低于100W。

半导体激光器输出光束的主要特点是在水平方向(习惯称作“慢轴”)光束发散角小(约8-10度，FWHM)、发光区厚(条阵约1cm)；在垂直方向(习惯称作“快轴”)光束发散角大(约36-40度，FWHM)、发光区薄(约1μm)。要将其耦合进圆对称的多模光纤，光束整形是必须的。

条阵半导体激光器的整形方法很多，较有实用价值的有阶梯反射镜整形(K.Du，M.Baumann，B.Ehlers，et al，“Fiber-coupling technique with microstep-mirrors for high-power diode-laser bars”，OSA TOPS，Vol.10，1997：390-393)、棱镜组折反射整形(Optical coupling system for a high-powerdiode-pumped solid state laser，U S Patent，6,377,410，2002-04-23)、微片棱镜堆整形(线光束整形装置，中国发明专利：ZL99124019，2000-05-1)等。但上述条阵整形方法都存在一定的不足之处。比如阶梯反射镜对系统光轴进行了两次90度的空间偏转，造成整形元件在空间上彼此独立，给调节和机械件设计带来不便；棱镜组折反射的整形方式对光轴的方向偏转更多，同样存在调节不便的问题；微片棱镜堆不仅需要相当的棱镜加工精度，还需要相当的棱镜之间的对准胶合精度，不利于成本的降低。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有结构简单、紧凑、设计灵活、调节方便、成本低廉等优点的折反棱镜堆，实现一种结构紧凑、调节方便、整形效率高、成本低廉的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法。

本发明的技术解决方案是：折反棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，采用一组平行平板和一组反射棱镜堆实现条阵半导体激光器的光束整形，平行平板的作用是完成慢轴方向光斑的分割，反射式棱镜堆的作用是将分割后的光斑沿快轴方向对齐，达到光束整形的目的，具体包括以下步骤：

(1)根据光斑折叠要求确定整形元件的参数。如果光斑折叠的次数为N，则需要平行平板的数目为N-1，反射棱镜的数目为N。平行平板的材料可根据激光波长选择，要求透过率高，对于常用的近红外激光器如808nm，980nm一般可选择廉价的K9玻璃，其长度根据其位置选择大于或等于慢轴方向需要折叠的光斑的尺寸，宽度无需明确的限制，高度上则要求平行平板放在底座上倾斜工作时偏折前后的光斑都只接触前后的工作面。反射棱镜堆的高度需要根据折叠次数和激光器实际情况进行不同的设计，其基本原则是保证棱镜堆能够放在底座上，并且折叠后的光斑能够准确的落在反射面，棱镜堆的长度要求包络住所有偏折光，宽度没有明确的限制。反射棱镜之间在光的传播方向上需要错开一定距离，这个距离等于慢轴被折叠的光斑的尺寸；

(2)用光学冷加工的方法加工出所需的平行平板、反射棱镜。平行平板的前后工作面可根据平行平板的旋转角度来镀增透膜，以保证足够的能量透过率，在效率要求不高的场合也可以不镀；反射棱镜则需要镀45°入射的高反膜。反射棱镜需要胶合组成反射棱镜堆，胶合时要保证反射面相互平行，反射棱镜堆位于平行平板之后，它的反射面与光轴及慢轴方向成45°倾角；

(3)将平行平板和反射棱镜堆组成的折反棱镜堆系统放入条阵半导体激光器的快慢轴分别准直后的准平行光中，平行平板在光轴方向要尽量靠近激光器，在慢轴方向的位置要求能按照设计的要求分割光斑，平行平板需要绕慢轴旋转以满足快轴方向光斑的错位，顺时针旋转时光斑向下偏，逆时针旋转时光斑向上偏，旋转的角度大小以满足偏转后的光斑接触到反射棱镜设计位置为准；

(4)整形后的出射光斑将以垂直于光轴并平行于底座方向出射，在出射光适当位置加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤。

本发明与现有技术相比的优点如下：

本发明所涉及的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法在国内外尚无相关报道。和现有的各种整形方法相比，本发明的优点体现在：

1、采用加工方法简单而廉价的平行平板作为整形元件之一，非常有利于成本的降低和方法的推广；

2、折反棱镜堆整形方法中，可以通过灵活的移动平行平板在光路中的相对位置、调整倾斜角度来改变偏折光斑的尺寸和间隙，从而可以避免一些实际问题比如棱镜工作面瑕疵、边缘的崩边对光斑的影响等，而其他方法中一旦整形器件制作完成，就很难改变整形后光斑的尺寸和间隙；

3、由于平行平板的灵活性，可以通过人为改变平行平板的数目来改变光斑折叠的次数，从而实现激光器与不同芯径和数值孔径光纤耦合的目的；

4、激光器、平行平板、反射棱镜堆、聚焦透镜和光纤夹持器可以放在同一个平面上进行调节，所以不需要复杂的空间机械件结构来夹持整形元件，整个整形系统可以做到结构紧凑而简单，调节起来也非常方便。

附图说明

图1是本发明描述的条阵半导体激光器输出光束的原理图。

图2(a)是本发明中平行平板对光斑的偏折示意图，图2(b)是反射棱镜堆对偏折后的光束沿快轴方向对齐的示意图。

图3是本发明实施例1的折反棱镜堆整形条阵半导体激光器的原始比例空间立体结构图，由ZEMAX-EE光学软件完成；

图4是本发明实施例1的、利用ZEMAX-EE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其中图4a为快慢轴准直后、整形前的光斑分布图；图4b是经过折反棱镜堆整形后的光斑分布图；图4c是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后的光斑图；

图5是本发明实施例2的折反棱镜堆整形条阵半导体激光器的原始比例空间立体结构图，由ZEMAX-EE光学软件完成；

图6是本发明实施例2的、利用ZEMAX^EE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其中图6a是经过折反棱镜堆整形后的光斑分布图；图6b是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后的光斑图；

上述各图中，1-条阵半导体激光器；2-条阵半导体激光器的单个发光区；3-快轴准直微柱面透镜；4-慢轴准直微柱面镜阵列；5，9-平行平板；6-反射棱镜堆；7-聚焦透镜；8-激光器底座。

具体实施方式

实施例1

通过本发明的方法设计的条阵半导体激光器实现与800μm芯径、0.37数值孔径光纤耦合的整形过程，其设计过程如下：

(1)本实施例中条阵半导体激光器快慢轴准直后慢轴方向光斑尺寸大约为10mm，利用折反棱镜堆将慢轴光斑偏折2次，沿快轴方向对齐。该整形系统需要一块平行平板和两块反射棱镜组成的反射棱镜堆。针对808nm的激光波长可以选择廉价的K9玻璃制作平行平板，因为慢轴光束有一定发散性，所以平行平板的长度选择为7mm。如果激光器距离底座7.5mm，平行平板的高度可以选择为12mm。本例中平行平板宽度选择为5mm。为保证快轴方向光斑的尽量紧凑又不至于重叠，选择该方向两光斑中心的距离为1mm。接触底座的反射棱镜高度选择为8mm，上方棱镜的高度选择为2mm。在光轴方向两者错开慢轴折叠的长度5mm，并保持反射面的平行。

(2)平行平板和45°直角棱镜可以用光学冷加工工艺完成。棱镜的反射面需要镀45°入射的高反膜，使绝大多数光线(如99％以上)能够在膜面反射并发生90°偏转。该膜层还需保证一定的抗损伤阈值。两个棱镜的底面需要进行胶合以组成反射棱镜堆。

(3)按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先用图3所示的快轴准直微透镜3和慢轴准直微透镜4分别准直，得到准平行光，然后再加整形器件。由于慢轴方向具有较大的发散角、加上激光在空气中传输的能量损失，原则上在沿激光传播方向上器件越紧凑系统效率越高，所以应该尽可能满足平行平板5靠近激光器。平行平板5搁置在底座上，其边线对准激光器的中线，其位置如图3所示。按照步骤(1)的设计，平行平板5将绕慢轴方向逆时针旋转大约32°，以满足光斑位移1mm的设计要求。反射棱镜堆6位于平行平板5之后，出射光线将沿着垂直于光轴并平行于底座的方向出射，按照耦合光纤和参数和折叠后光斑的尺寸，选择孔径6.35mm和焦距15mm的聚焦镜聚焦，即完成800μm/0.37NA条阵半导体激光器整形和光纤耦合输出的工作。

图3是本发明实施例1的折反棱镜堆整形条阵半导体激光器的空间立体结构图，由ZEMAX-EE光学软件完成。

偏转前、偏转后、以及聚焦后的横截面光斑如图4所示。可以看到，慢轴方向的细长光斑被分割为二段后重排在快轴方向，聚焦后的光斑大部分能量集中于800μm圆圈内。

上述实施该例并不是说该方法只能进行二次光斑的折叠整形，由于本发明中棱镜组的设计具有较大的灵活性，为了进一步说明用折反棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的效果，实施例2描述了通过本发明的方法设计的上述同样的条阵半导体激光器实现400μm/0.37NA光纤耦合的整形过程。

实施例2

(1)本实施例中条阵半导体激光器快慢轴准直后慢轴方向光斑尺寸大约为10mm，利用折反棱镜堆将慢轴光斑偏折3次，沿快轴方向对齐。该整形系统需要二块平行平板和三块反射棱镜组成的反射棱镜堆。和实施例一一样，用K9玻璃制作平行平板，因为慢轴光束有一定发散性，所以平行平板的长度选择为4mm。如果激光器距离底座7.5mm，平行平板的高度可以选择为12mm。本例中平行平板宽度选择为5mm。为保证快轴方向光斑的尽量紧凑又不至于重叠，选择该方向两光斑中心的距离为1mm。接触底座的反射棱镜高度选择为7mm，中间棱镜的高度选择为光斑的中心距离1mm，上方棱镜的高度选择为2mm。三者在光轴方向错开慢轴方向光斑折叠的长度3.5mm，并保持反射面的平行。

(2)和实施例1一样。

(3)按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先用图5所示的快轴准直微透镜3和慢轴准直微透镜4分别准直，得到准平行光，然后再加整形器件。由于慢轴方向具有较大的发散角、加上激光在空气中传输的能量损失，原则上在沿激光传播方向上器件越紧凑系统效率越高，所以应该尽可能满足平行平板5和9靠近激光器。平行平板5和9搁置在底座上，沿激光器的中线对称排列，两者近距离边线的间距为3.5mm，其位置如图5所示。按照步骤(1)的设计，平行平板5将绕慢轴方向逆时针旋转大约32°，以满足光斑向上位移1mm的设计要求；平行平板9将绕慢轴方向顺时针旋转大约32°，以满足光斑向上下移1mm的设计要求。反射棱镜堆6位于平行平板5和9之后，出射光线将沿着垂直于光轴并平行于底座的方向出射，按照耦合光纤和参数和折叠后光斑的尺寸，选择孔径5mm和焦距7.5mm的聚焦镜聚焦，即完成400μm/0.37NA条阵半导体激光器整形和光纤耦合输出的工作。

图5是本发明实施例2的折反棱镜堆整形条阵半导体激光器的空间立体结构图，由ZEMAX-EE光学软件完成。

偏转后、以及聚焦后的横截面光斑如图6所示。可以看到，慢轴方向的细长光斑被分割为3段后重排在快轴方向，整形后光斑的经聚焦镜聚焦后的光斑大部分能量集中于400μm圆圈内。

Claims (7)

1、折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：利用一个或多个平行平板对条阵半导体激光器的慢轴方向光斑进行分割，采用一组阶梯式反射棱镜堆将分割后的光斑沿快轴方向对齐，具体包括下列步骤：

(1)根据光斑折叠要求确定整形元件的参数，如果光斑折叠的次数为N，则需要平行平板的数目为N-1，反射棱镜的数目为N；

(2)用光学冷加工的方法加工出所需的平行平板、反射棱镜，反射棱镜需要镀45°入射的高反膜，反射棱镜之间在光的传播方向上需要错开一定距离，这个距离等于慢轴被折叠的光斑的尺寸，然后将反射棱镜胶合组成反射棱镜堆；反射棱镜堆位于平行平板之后，它的反射面与光轴及慢轴方向成45°倾角；

(3)将平行平板和反射棱镜堆组成的折反棱镜堆系统放入条阵半导体激光器的快慢轴分别准直后的准平行光中，平行平板绕慢轴旋转以满足快轴方向光斑的错位，顺时针旋转时光斑向下偏，逆时针旋转时光斑向上偏，旋转的角度大小以满足偏转后的光斑接触到反射棱镜设计位置为准；

(4)整形后的出射光斑将以垂直于光轴并平行于底座方向出射。在出射光适当位置加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤。

2、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的反射棱镜镀45°入射的高反膜。

3、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的平行平板为K9玻璃。

4、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的平行平板的长度根据其位置选择大于或等于慢轴方向需要折叠的光斑的尺寸，平行平板的高度上则要求平行平板放在底座上倾斜工作时偏折前后的光斑都只接触前后的工作面，平行平板的宽度无要求。

5、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的反射棱镜堆的高度需要根据折叠次数和激光器实际情况进行不同的设计，其基本原则是保证棱镜堆能够放在激光器底座上，并且折叠后的光斑能够准确的落在反射面。

6、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的反射棱镜堆的长度要求包络住所有偏折光，宽度没有明确的限制。

7、根据权利要求1所述的折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，其特征在：所述的反射棱镜之间在光的传播方向上需要错开一定距离，这个距离等于慢轴被折叠的光斑的尺寸。

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