CN1670564A - 同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法 - Google Patents
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Abstract
同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法，首先半导体激光器阵列准直光束在方向校正微反射镜阵列通光窗口位置处以线光斑的形式入射到光束分割微反射镜阵列，中间部分光束直接穿过光束分割微反射镜阵列窗口，左边的分割微反射镜将入射到该反射镜上的光束向下和向中间反射，右边的分割微反射镜对入射到该微反射镜的光束向上向和向中间反射，在往回反射到方向校正微反射镜阵列的位置处，这两部分光束都与中间直接穿过部分形成线光束堆，经过方向校正微反射镜阵列后，所有的光束均沿原先光路的光轴方向传输，此时，快轴方向的光斑尺寸增大了N倍，慢轴方向的光斑尺寸减小到原来的1/N。这样就实现了线光束到圆光束或正方形光束的变换。本发明具有光束整形效率高、结构简单的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器阵列光束的整形方法，属于激光技术应用领域。
背景技术
光参数积是衡量激光光束的一个重要指标。光参数积即光束的直径与其远场发散角的乘积。当激光束在一般的光学系统中传输时，光束的光参数积是不变的。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。目前普遍应用的多量子阱(Multi-Quantum-Well，MQW)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，水平和垂直方向分别为100～150微米和1微米，远场分布呈像散椭圆状，垂直于发光面即快轴方向发散角(典型值为36°)大于平行即慢轴方向(典型值为8°)的发散角。第二，大功率半导体激光器不是单一的一个发光区，而是由多个发光区构成的阵列，因此发光区的面积较大，往往都超过10毫米，因此其快、慢轴方向的光参数积相差很大，达到500倍。
在实际应用中，需要能量集中，发散角小，准直度高或者光纤耦合的激光光束，对于高功率的半导体激光器而言，光纤耦合是最方便、也是最重要的一种光束整形。光束整形就是减小慢轴方向的光参数积、增大快轴方向的光参数积，达到两个方向的光参数积平衡。简单地说，就是使光束传输到任意位置时均呈圆形或正方形。现有的整形方法有：折射整形方法、反射整形方法和折/反射结合整形法。对于折射整形方法，就是根据折射原理，光束以一定的角度入射到透明介质(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质是平行均匀介质，光束穿过此介质后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质的厚度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排，从而达到光束整形的目的。武汉凌云光电有限公司就是采用此办法。
折/反结合整形法，一般是利用一个等腰直角棱镜的斜边为折射面，两个直角边为反射面，通过两个阶梯状的棱镜阵列按一定的位置放置来完成光束的重排，从而达到整形的目的。 但是折射整形法和折反射结合整形法，由于经过的折射和反射的次数较多，在光束准直度较差的情况下，光束经过多次反射和折射后会弥散开来，整形后的光束的尺寸会远大于高准直情形下的光束重排的尺寸。美国Apollo Instruments公司就是采用折反射结合整形技术。
反射式整形法就是由互相垂直的两组反射镜构成，每组反射镜由具有一定位移差的几个反射镜组成，这个位移差就是快轴方向上的光束宽度。准平行线光束通过第一组反射后，在快轴方向形成具有一定位移偏差的几条光斑，这些光斑经过第二组反射镜堆，形成互相平行、在快轴方向方形光斑。这样快轴方向的光参数积就增大若干倍，慢轴方向就减小到原来的若干分之一。国外Jenoptik公司就是采用技术。这种技术一方面光路发生了偏折，形成非同轴光路，另一方面反射过程中光斑的每一部分都要反射，效率降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种光束整形效率高、结构简单的同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法。
本发明的技术解决方案是：同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法，其特点在于包括下列步骤：
(1)根据整形光束折叠要求选择两组对称的光束分割微反射镜阵列，每组光束分割微反射镜阵列的分割次数为奇数；
(2)根据所述两组光束分割微反射镜阵列光束中心的间距，设计所有微反射镜反射面的方向，使一组光束分割微反射镜阵列中的光束向下、向中间偏转，另外一组光束分割微反射镜阵列中的光束向上、向中间偏转；
(3)光束分割微反射镜阵列中微反射镜单独加工以后胶合在一块玻璃基底材料上；
(4)选择方向校正微反射镜组，方向校正微反射镜中的每个微反射镜也是单独加工后经过中间的胶合薄玻璃片胶合形成；
(5)将方向校正微反射镜组置于半导体激光器准直光束光路中，让光束从中间窗口通过，再将两对称的光束分割微反射镜组置于光路中调节其位置，使其反射的光束入射到方向校正微反射镜的上下反射镜面上后再次射出，形成堆栈型的叠加光束；
(6)将整形光束通过一个双胶合的聚焦透镜，在其焦面上形成一个聚焦光斑，将其耦合进多模光纤中。
本发明的原理是：首先半导体激光器阵列准直光束在方向校正微反射镜阵列通光窗口位置处以线光斑的形式入射到光束分割微反射镜阵列，中间部分光束直接穿过光束分割微反射镜阵列窗口，中间部分为空气，不对入射的线光束发生任何作用，左边的光束分割微反射镜将入射到该反射镜上的光束向下和向中间反射偏转，右边的光束分割微反射镜对入射到该反射镜的光束向上向中间反射偏转，在方向校正微反射镜位置处，这些光束都与中间分割部分形成堆栈型线光束堆，但此时各部分的方向是不同的。经过方向校正微反射镜阵列后，所有光束均沿原来的光轴方向传输，所以第二组微反射镜组叫做方向校正微反射镜(DAR)，第一组叫做光束分割反射镜组(BSR)，通过这两组微反射镜后，快轴方向的光斑尺寸增大了N倍，慢轴方向的光斑尺寸减小到原来的1/N，这样就实现了线光束到圆光束或正方形光束的变换。
本发明与现有技术相比这些优点在于：本发明待整形光斑中的大部分光直接从空气中透过，后入射到聚焦透镜表面，而且这部分光束为中央光束，能量所占比例较高，这样整个整形光束的效率即可提高；另一方面，由于其余部分的光束是同轴光束，光路与原先相比没有发生改变，只是在原先的快轴方向上增加堆积条数，因此光路结构简单，光能损耗较小，整形效率与常规方法相比有较大的提高。
附图说明
图1为本发明的整个半导体激光器阵列光束的准直、准直光束的整形和整形光束的聚焦和聚焦光束的多模光纤耦合光路主视图；
图2为本发明的整个半导体激光器阵列光束的准直、准直光束的整形和整形光束的聚焦和聚焦光束的多模光纤耦合光路俯视图；
图3为本发明实施例整形折叠光束分割微反射镜示意图；为了使准直后约10mm长的光斑被均匀分割，以实现整形后各条光斑相等，那么分割反射镜之间的间距对于3次、5次、7次和19次整形折叠的值为4mm、2mm、1.5mm及0.5mm，其余元件的结构尺寸和空间位置均保持不变；
图4为本发明实施例整形折叠的方向校正反射镜示意图；
图5为本发明实施例整形折叠3次中的几个过程中的光斑示意图，其中5(a)为整形前的准直光斑图，图5(b)为整形折叠3次后的光斑图；
图6为本发明实施例整形折叠5次中几个过程中的光斑分布示意图，其中6(a)为整形前的准直光斑图，图6(b)为整形折叠一次后的光斑图，图6(c)为整形折叠5次后的光斑图；
图7为本发明实施例整形折叠7次中几个过程的光束斑分布示意图，其中7(a)为整形前的准直光斑图，图7(b)为整形折叠一次后的光斑图，图7(c)为整形折叠7次后的光斑图；
图8为本发明实施例整形折叠19次中几个过程中的光斑分布示意图，其中8(a)为整形前的准直光斑图，图6(b)为整形折叠一次后的光斑图，图6(c)为整形折叠19次后的光斑图。
具体实施方式
实施例1，整形折叠3次
如图1和图2所示，条阵半导体激光器阵列1发出的光束经快轴光束准直器2、慢轴光束准直器3准直后形成一条准平行光束，其光斑尺寸大约为10.5mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，如图5(a)所示。通过方向校正反射镜镜阵列4中间一个15mm×1mm的窗口入射到光束分割反射镜5表面，为了3等份分割10.5mm长的光斑，透过窗口的尺寸应为3.5mm，为了设计方便，将这两个对称的反射镜的间距设计为4mm，中间4mm的光束不受任何限制地从空气中直接通过，左边的分割反射镜的反射面与光轴并不垂直，而是有一定的夹角，其法线方向与光轴在水平面(XZ平面)上投影角为8.5°，在垂直面(YZ平面)上的投影角为4°；右边的分割反射镜的反射面与光轴也不垂直，其法线方向与光轴在水平面上投影角为-8.5°，在垂直面上的投影角为-4°，如图3所示。因此根据反射定律，左边3mm部分被左边的分割微反射镜51往回向下和向中间反射，右边3mm部分被右边的分割微反射镜52往回向上及向中间反射，往回反射到方向校正器4位置处，这两部分光束与中间直接透过4mm的部分形成堆栈形线光束堆。但此时上下各部分的方向是不同的。方向校正器中上下两片微反射镜的反射面的法线方向与光轴也不是同轴，上面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为8.5°，在垂直方向上投影为4°；下面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为-8.5°，在垂直方向上投影为-4°，如图4所示。因此经过方向校正器4后，下面的微反射镜41使从反射镜51反射回来的光束向上、向左偏转，上面的微反射镜42使从反射镜52反射回来的光束向下、向右偏转。三部分光束形成图5(b)所示三条光束堆栈，且沿着原来光轴方向传播，光斑大小为4mm×3mm，发散角为2.4°×0.1°，快、慢轴方向的光参数积变为5.3mm*mard和168mm*mard，该整形光束可以耦合进入光纤芯径为400um，数值孔径为0.37的光纤中。
实施例2，整形折叠5次
如图1和图2所示，条阵半导体激光器阵列1发出的光束经快轴光束准直器2、慢轴光束准直器3准直后形成一条准平行光束，其光斑尺寸大约为10mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，如图6(a)所示。通过方向校正反射镜镜阵列4中间一个15mm×1mm的窗口入射到光束分割反射镜5表面，为了5等份分割10mm长的光斑，透过窗口的尺寸应为2mm，中间2mm的光束不受任何限制地从空气中直接通过，左边的分割反射镜的反射面与光轴并不垂直，而是有一定的夹角，平面的法线方向与光轴在水平面(XZ平面)上投影角为8.5°，在垂直面(YZ平面)上的投影角为4°；右边的分割反射镜的反射面与光轴也不垂直，其法线方向与光轴在水平面上投影角为-8.5°，在垂直面上的投影角为-4°，如图3所示。因此根据反射定律，左边的分割反射镜的反射面与光轴并不垂直，而是有一定的夹角，平面的法线方向与光轴在水平面上投影角为8.5°，在垂直面上的投影角为3.5°，因此根据反射定律，左边4mm部分被左边的分割微反射镜51往回向下和向中间反射，右边4mm部分被右边的分割微反射镜52往回向上向中间反射，往回反射到方向校正器4位置处，这两部分光束与中间直接透过2mm的部分形成堆栈形线光束堆。但此时各部分的方向是不同的。方向校正器中上下两片微反射镜的反射面的法线方向与光轴也不是同轴，上面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为8.5°，在垂直方向上投影为4°；下面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为-8.5°，在垂直方向上投影为-4°，如图4所示。因此经过方向校正器4后，下面的微反射镜41使从反射镜51反射回来的光束向上、向左偏转，上面的微反射镜42使从52反射镜反射回来的光束向下、向右偏转。三部分光束形成图6(b)所示的三条光束堆栈，且沿着原来光轴的方向传播，当这两束光再次传播到光束分割反射镜5时，受到窗口大小的限制，只有中间部分2mm×0.8mm通过，而左右两边各2mm×0.8mm部分再次反射，以同样方式被再次分割和整形，到达方向校正反射镜后再次沿光轴方向传播，但两部分光束相对原来的位置分别向上或向下平移了1.0mm，最后到达光束分割窗口的光斑变成图6(c)所示的5条光斑，大小为2mm×5mm，发散角为2.4°×0.1°，准直光束的边缘2mm×0.8mm部分总共进行了2个来回的反射，紧靠边缘的次边缘部分的光束实现一个来回反射，而中央2mm×0.8mm部分直接透过该分割窗口，这样就实现了折叠次数为5次的光束整形。
快、慢轴方向的光参数积变为8.8mm*mard和83.8m*mard，该整形光束可以耦合进入光纤芯径为400um，数值孔径为0.22的光纤中。
实施例3，整形折叠7次
如图1和图2所示，条阵半导体激光器阵列1发出的光束经快轴光束准直器2、慢轴光束准直器3准直后形成一条准平行光束，其光斑尺寸大约为10.5mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，如图7(a)所示。通过方向校正反射镜镜阵列4中间一个15mm×1mm的窗口入射到光束分割反射镜5表面，为了7等份分割10.5mm长的光斑，透过窗口的尺寸应为1.5mm，中间1.5mm的光束不受任何限制地从空气中直接通过，左边的分割反射镜的反射面与光轴并不垂直，而是有一定的夹角，平面的法线方向与光轴在水平面(XZ平面)上投影角为8.5°，在垂直面(YZ平面)上的投影角为4°；右边的分割反射镜的反射面与光轴也不垂直，其法线方向与光轴在水平面上投影角为-8.5°，在垂直面上的投影角为-4°，如图3所示。因此根据反射定律，左边4.5mm部分被左边的分割微反射镜51往回向下和向中间反射，右边4.5mm部分被右边的分割微反射镜52往回向上及向中间反射，往回反射到方向校正器4位置处，这两部分光束与中间直接透过1.5mm的部分形成堆栈形线光束堆。但此时各部分的方向是不同的。方向校正器中上下两片微反射镜的反射面的法线方向与光轴也不是同轴，上面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为8.5°，在垂直方向上投影为4°；下面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为-8.5°，在垂直方向上投影为-4°，如图4所示。因此经过方向校正器4后，下面的微反射镜41使从反射镜51反射回来的光束向上、向左偏转，上面的微反射镜42使从反射镜52反射回来的光束向下、向右偏转。三部分光束形成图7(b)所示的三条光束堆栈，且沿着原来光轴的方向传播，当上、下这两束光再次传播到光束分割反射镜5时，受到窗口大小的限制，只有中间部分1.5mm×0.8mm通过，而左右两边各3mm×0.8mm部分再次反射，同样方式被再次分割和整形，到达方向校正反射镜后再次沿光轴方向传播，但各部分光束位置分别向上和或下平移了1.0mm，最后到达光束分割窗口的光斑变成图7(c)所示的7条光斑，大小为1.5mm×7mm，发散角为2.4°×0.1°，准直光束的两边边缘1.5mm×0.8mm部分总共进行了3个来回的反射，紧靠边缘的次边缘的1.5mm×0.8mm部分的光束实现2个来回反射，再往里靠近中央的1.5mm×0.8mm部分光束进行了1个来回反射，中央1.5mm×0.8mm部分直接透过该分割窗口，就实现了折叠次数7次的光束整形，快、慢轴方向的光参数积变为12.3mm*mard和63mm*mard，该整形光束可以耦合进入光纤芯径为200um，数值孔径为0.22的光纤中。
实施例4，整形折叠19次
如图1和图2所示，条阵半导体激光器阵列1发出的光束经快轴光束准直器2、慢轴光束准直器3准直后形成一条准平行光束，其光斑尺寸大约为9.5mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，如图8(a)所示。通过方向校正反射镜镜阵列4中间一个15mm×1mm的窗口入射到光束分割反射镜5表面，为了19等份分割9.5mm长的光斑，透过窗口的尺寸应为0.5mm，中间2mm的光束不受任何限制地从空气中直接通过，左边的分割反射镜的反射面与光轴并不垂直，而是有一定的夹角，平面的法线方向与光轴在水平面(XZ平面)上投影角为8.5°，在垂直面(YZ平面)上的投影角为4°；右边的分割反射镜的反射面与光轴也不垂直，其法线方向与光轴在水平面上投影角为-8.5°，在垂直面上的投影角为-4°，如图3所示。因此根据反射定律，左边5mm部分被左边的分割微反射镜51往回向下和向中间(右)反射，右边5mm部分被右边的分割微反射镜52往回向上向中间(左)反射，往回反射到方向校正器4位置处，这两部分光束与中间直接透过0.5mm的部分形成堆栈形线光束堆。但此时各部分的方向是不同的。方向校正器中上下两片微反射镜的反射面的法线方向与光轴也不是同轴，上面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为8.5°，在垂直方向上投影为4°；下面的微反射镜法线方向与光轴的夹角在水平面为-8.5°，在垂直方向上投影为-4°，如图4所示。因此经过方向校正器4后，下面的微反射镜41使从反射镜51反射回来的光束向上、向左偏转，下面的微反射镜42使从反射镜52反射回来的光束向下、向右偏转。三部分光束形成图8(b)所示的三条光束堆栈，且沿着原来光轴的方向传播，当这两束光再次传播到光束分割反射镜5时，受到窗口大小的限制，只有中间部分0.5mm×3mm通过，而左右两边各5mm×0.8mm部分再次反射，同样方式被再次分割和整形，边缘0.5mm×0.8mm部分光束总共进行了9个来回反射，两边紧靠边缘部分的次边缘的0.5mm×0.8mm部分的光束实现8个来回反射……以次类推一直到两边靠近中央0.5mm×0.8mm的部分光束在光束分割反射镜阵列和方向校正反射镜阵列间进行了1个来回反射，中央1.5mm×0.8mm部分直接透过光束分割反射镜阵列窗口，但各部分光束位置分别向上或向下平移了1.0mm，最后到达光束分割窗口的光斑变成图8(c)所示的19条光斑，光束大小为1.5mm×19mm，发散角为2.4°×0.1°，就实现了折叠次数19次的光束整形，快、慢轴方向的光参数积变为33mm*mard和21mm*mard，实现了消象散，该整形光束可以耦合进入光纤芯径为100um，数值孔径为0.22的光纤中。
Claims (2)
1、同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法，其特征在于包括下列步骤：
(1)根据整形光束折叠要求选择两组对称的光束分割微反射镜阵列，每组光束分割微反射镜阵列的分割次数为奇数，微反射镜个数为奇数；
(2)根据所述两组光束分割微反射镜阵列光束中心的间距，设计所有微反射镜反射面的方向，使一组光束分割微反射镜阵列中的光束向下、向中间偏转，另外一组光束分割微反射镜阵列中的光束向上、向中间偏转；
(3)光束分割微反射镜阵列中微反射镜单独加工以后胶合在一块玻璃基底材料上；
(4)选择方向校正微反射镜组，方向校正微反射镜中的每个微反射镜也是单独加工后经过中间的胶合薄玻璃片胶合形成；
(5)将方向校正微反射镜组置于半导体激光器准直光束光路中，让光束从中间窗口通过，再将两对称的光束分割微反射镜组置于光路中调节其位置，使其反射的光束入射到方向校正微反射镜的上下反射镜面上后再次射出，形成堆栈型的叠加光束；
(6)将整形光束通过一个双胶合的聚焦透镜，在其焦面上形成一个聚焦光斑，将其耦合进多模光纤中。
2、根据权利要求1所述的同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法，其特征在于：所述的(5)中的光束折叠整形为奇数。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Open date: 20050921 |