CN1885094A - 全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法 - Google Patents

Abstract

全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法，根据面阵激光器的参数和快慢轴准直透镜参数确定准直后输出光斑两个方向的尺寸和发散角，得到需要整形的次数以及在快轴方向上的通光口径大小；选择倒置的开普勒望远系统进行快轴压缩，根据整形器在慢轴方向的尺寸选择开普勒望远系统进行慢轴扩束；加工出单个棱镜，由两个斜角为45°的面构成全反射面；将多个单棱镜按照等差梯形结构由小到大排列，粘接起来放置在压缩/扩束后的光路中，调整好了之后将整形后的光斑用聚焦透镜耦合进入多模光纤中。本发明具有调节简单、可模块化生产、装校容易以及结构紧凑等优点，且不受光学薄膜和环境温度的影响，提高了激光能量的通过率，降低了器件对耐辐射的要求。

Description

全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法

技术领域

本发明涉及一种面阵大功率半导体激光器光束整形方法，属于微细加工光学技术应用范畴。

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，但单发光区半导体激光器无法做到极高的功率(大于百瓦)，因此出现了将多个半导体单发光区排列在一起形成条阵(BAR)半导体激光器，将两个甚至更多的条阵半导体激光器堆叠在一起就形成了面阵(STACK)激光器，典型的面阵激光器由七条条阵激光器组成，可获得大于250W的高功率激光输出，但是由于半导体激光具有发散角大、像散大(平行和垂直于结平面两方向的发散角很大)等因素，限制了其进一步的应用。附图1是半导体激光器在远场的分布，可见，其光能量分布在快轴方向和慢轴方向是不一致的(其光参数积相差上百倍)，这种不一致性导致半导体激光器无法直接应用于实际场合，必须通过微光学方法进行光束准直和整形。对于面阵半导体激光器，其排列方式见附图2，由于在快轴方向上的堆叠，使得应用于条阵半导体激光器的光学整形方法不再适用，需要另外的方法进行光束整形。

国内外报道的应用于面阵半导体激光器整形的方法也仅在最近10年左右，从光学角度来讲可分为衍射式整形和折反射式整形。(1)衍射式整形利用微光刻技术制作出来的衍射元件进行波前调制，以达到光束重排的目的，但是由于微细加工技术的限制，衍射式元件往往达不到设计的理论值，从而大大降低了衍射效率，光束整形的效率因此也变得极其低，如R.H.Rediker等人提出的衍射元件整形方法(“Use of diffractive opticstransformer preceded by a corrector lens in a high-power semiconductorlaser system”，SPIE，Vol.2131，301-307(1994))，其存在的主要问题是受衍射元件衍射效率以及制作方法和工艺设备分辨率影响，系统的效率不高、制作过程繁琐、体积庞大等，这也是衍射整形目前普遍存在的问题；(2)折反射式整形基于传统的几何光学原理，对面阵半导体光束进行波前分割，在空间上进行重组，但由于面阵半导体激光器结构的特殊性，使用常规的折射或反射整形方式存在整形元件不易加工、难于调节等缺点，比如B.Faircloth的方法(“High-brightness high-power fiber coupled diode lasersystem for material processing and laser pumping”，SPIE，Vol.4973，34-41(2003))需要许多独立的折射棱镜，这些棱镜需要放置在特定的位置和角度，所以系统结构相当复杂，也难于调节，又如F.Dorsch等人提出的折、反混合型整形方法(“2kW cw fiber-coupled diode laser system”，SPIE，Vol.3889，45-53(2000))充分利用了条阵整形的阶梯反射镜方法，但该方法有三块分离的折射棱镜，整个系统自由度较多，调节困难，同时，在高功率激光作用下，对光学薄膜抗损伤阈值的要求苛刻，成本也相应增加。F.Bachmann(“high power diode laser technology and applications”，SPIE，Vol.3888，394-403(2000))采用折射棱镜堆阵列实现光束整形，该方法优点是光学元件数目较少，比较实用，但还是有较多缺点：(a)折射棱镜对光线的偏折角度并不大，对于小的棱角，必须扩大系统长度才能达到偏折位置，扩大棱角能相对缩小系统长度，但又意味着增加棱镜加工难度；(b)折射元件偏折角依赖于棱镜材料的折射率和激光器激射波长，在设计和加工上必须考虑这些因素；(c)当棱角较大时，折射元件的偏折角度不再与棱角保持线性关系，而是还与入射角度有关，有可能扩大入射光束的发散角，从而需要更宽的后组棱镜来接受光线；(d)折射元件需要双面镀增透膜，增加成本。

总的说来，由于面阵半导体激光器结构的特殊性，使得目前应用于该领域的整形方式存在整形效率不高、整形元件难于加工和调节、抗损伤阈值受光学薄膜影响等缺点，这些缺点也是进一步发展光束整形方法所要解决的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种调节方便、整形效率高、不受棱镜材料和激光器波长影响，成本低，且适应多型号规格面阵半导体激光器的全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法。

本发明的方法可以通过以下步骤完成：

(1)根据面阵激光器的参数和快慢轴准直透镜参数确定准直后输出光斑两个方向的尺寸和发散角，得到需要整形的次数以及在快轴方向上的通光口径大小，整形次数由下式决定：

$N=\mathrm{int}\left(\sqrt{\frac{{\mathrm{\ω}}_s\×{\mathrm{\θ}}_s}{{\mathrm{\ω}}_f\×{\mathrm{\θ}}_f}}\right)---(1-1)$

其中N为整形次数，ω_s、ω_f分别是慢、快轴方向的光斑尺寸，θ_s、θ_f分别是慢、快轴方向的发散角；

(2)根据快轴方向的尺寸和整形器的通光口径确定快轴的压缩倍率(1-2)，选择合适的倒置望远系统(柱面透镜组成)进行快轴压缩。根据整形器在慢轴方向的尺寸选择合适的望远系统(柱面透镜组成)进行慢轴扩束(1-3)

$\mathrm{\α}=\frac{{\mathrm{\ω}}_f}{d_f}---(1-2)$

$\mathrm{\β}=\frac{{\mathrm{\ω}}_s}{d_s}---(1-3)$

其中α、β为压缩、扩束倍率，ω_f、ω_s为快、慢轴方向的尺寸，d_f、d_s为整形器在快、慢轴方向的尺寸；

(3)利用冷光学加工方法加工出如附图3的单个棱镜，由两个斜角为45°的面构成全反射面，每个单棱镜在慢轴方向上的通光口径均是一致的，棱镜厚度在快轴方向上构成一个等差的梯形结构；

(4)将上述多个单棱镜按照等差梯形结构由小到大排列，粘接起来，如附图4。全内反射棱镜阵列的整形过程如附图3和附图4所示，单个棱镜的光束传播方向如附图4所示，当光束垂直入射棱镜后，由于棱镜材料的折射率大于空气，因而在反射面(1)处发生全反射，从而无需在反射面上镀膜，光束由反射面1反射90度后向上传播至反射面2处，基于同样的原因，在反射面2处发生全反射，直至光束从图中所示方向出射，将不同厚度的单棱镜组成整形器后，光束整形过程如附图5所示，当一束激光从整形器的通光口径中入射后，光束传播方式与单个棱镜的光束传播方式相同，但由于每个棱镜的厚度不同，且构成一个等差结构，因而光束在每个棱镜中的反射点均不相同，从而形成在横向上的分割，经第二次反射后形成如附图5的整形光斑；

(5)将粘接好的全内反射整形器放置在压缩/扩束后的光路中，只需确保通光面与光轴保持垂直即可，如附图6，调整好了之后将整形后的光斑用聚焦透镜耦合进入多模光纤中。

附加步骤：按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先分别准直，得到准平行光，如附图5，分别将正交的快、慢轴准直透镜对激光器进行调焦，获得准平行光束。

本发明所涉及的全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法在国内外尚无相关报道，相比于前述的面阵整形方法，本发明的优点体现在：

(1)可以应用于多种型号多种规格的面阵激光器，不受其结构和发光特性的影响，不仅仅限于本文所述由七条或三条BAR组成的面阵半导体激光器，也不受到半导体激光波长改变的影响；

(2)在整形系统中引入望远系统实现光束的压缩和扩束，快轴方向光束的压缩使得光束能够进入全内反射整形器中，减小了整形器的体积和整形难度，同时也大大提高了在慢轴方向上的光束质量；

(3)采用全内反射棱镜阵列元件实现整形功能，相比于其他传统整形器件，该器件为一体化整形器，在结构上具有调节简单、可模块化生产、装校容易以及结构紧凑等优点；

(4)全内反射棱镜整形过程均是在器件内部完成，不受光学薄膜和环境温度的影响，对高功率的激光而言，不仅提高了激光能量的通过率，而且降低了器件对耐辐射的要求。

附图说明

图1半导体激光器出射光斑的远场分布图；

图2七条BAR所组成的面阵激光器示意图；

图3全内反射整形棱镜列阵中的单个棱镜；

图4粘接好的全内反射整形棱镜列阵(6次整形)；

图5快慢轴透镜对半导体激光的准直；

图6将望远系统加上全内反射整形棱镜阵列置于光路中的光学系统图(慢轴方向)，由ZEMAX^-EE光学软件完成；

图7在ZEMAX^-EE光学软件中模拟得到的整形前与整形后的光斑结果(6次整形)；

图8在聚焦焦面上得到的聚焦光斑；

图9粘接好的全内反射整形棱镜列阵(3次整形)；

图10在ZEMAX^-EE光学软件中模拟得到的整形前与整形后的光斑结果(3次整形)。

图中，1.面阵半导体激光器，2.用于光束准直的快轴准直微透镜及慢轴准直微透镜阵列，3、5.组成慢轴扩束望远系统的柱面透镜，4、6.组成快轴压缩望远系统的柱面透镜，7.全内反射微棱镜阵列，8.ZEMAX^EE虚拟的能量探测器之一，9.聚焦透镜.10.ZEMAX^EE虚拟的能量探测器之二，放多模光纤的位置。

具体实施方式

实施例1

该例演示了通过本发明方法设计的对由七条LD bar组成的面阵半导体激光器的整形过程，并最终得到聚焦光斑尺寸为800μm、数值孔径为0.22。

其设计过程如下：

(1)本例中面阵激光器由七条LD bar组成，各个bar之间间距1.8mm，经快、慢轴准直透镜准直后得到两个方向的准平行光，在快轴方向上光斑尺寸为11.8mm，发散角为0.2°，慢轴方向上光斑尺寸为10mm，发散角8°，由式(1-1)可以得到整形次数为：

$N=\mathrm{int}\left(\sqrt{\frac{10\×8}{11.8\×0.2}}\right)=6;$

(2)准平行光在快轴方向上的光斑尺寸为11.8mm，根据整形器在快轴方向上的通光口径为2mm，确定由两块柱面透镜组成的快轴压缩系统，由式(1-2)计算得到需要对光斑进行5.9倍以上的压缩，如附图6中所标注的4、6元件；准平行光在慢轴方向上的光斑尺寸为10mm，根据整形器在慢轴方向上的通光口径为60mm，由式(1-3)确定由两块柱面透镜组成的慢轴扩束系统对光斑进行6倍扩束，如附图6中所标注的3、5元件；

(3)按照图3所示的结构加工出六个单棱镜，单棱镜在快轴方向上的通光口径为2mm，在慢轴方向上的口径为10mm，六个棱镜的厚度分别为5mm、7mm、9mm、11mm、13mm、15mm；

(4)六个单棱镜按照附图4所示方式粘接起来构成整形棱镜阵列，整形过程与附图4所示光束相同；

(5)将粘接好的整形棱镜阵列(附图6中标注7)置于光路中，通光面与光轴保持垂直即可，在光路的左方得到整形光斑，如附图7所示的模拟结果，可以看到光斑被分割成近似于方形的光斑。最终加上聚焦透镜(附图6中标注9)进行聚焦，聚焦光斑如附图8所示，聚焦后的光斑大部分能量集中在800μm光圈内。

上述实施例1并不是说该方法只适用于由七条bar组成面阵激光器。下面演示由三条bar组成的面阵激光器光束整形过程。

实施例2

该例演示了通过本发明方法设计的对由三条LD bar组成的面阵半导体激光器的整形过程，其设计过程如下：

(1)由三条LD bar组成的面阵半导体激光器经快、慢轴准直，在快轴方向上的光斑尺寸为4.6mm，发散角为0.5°，在慢轴方向上光斑尺寸为10mm，发散角为2.5°，为了消除在两个方向上的像散，由式(1-1)得到整形次数为

$N=\mathrm{int}\left(\sqrt{\frac{10\×2.5}{4.6\×0.5}}\right)=3;$

(2)准平行光在快轴方向上的光斑尺寸为4.6mm，根据整形器在快轴方向上的通光口径为2mm，确定由两块柱面透镜组成的快轴压缩系统，由式(1-2)计算得到对光斑进行2.3倍以上的压缩；准平行光在慢轴方向上的光斑尺寸为10mm，根据整形器在慢轴方向上的通光口径为30mm，由式(1-3)确定由两块柱面透镜组成的慢轴扩束系统对光斑进行3倍扩束，如图10(a)所示，得到整形前的模拟光斑；

(3)按照图3所示的结构加工出三个单棱镜，单棱镜在快轴方向上的通光口径为2mm，在慢轴方向上的口径为10mm，三个棱镜的厚度分别为5mm、7mm、9mm；

(4)三个单棱镜按照附图9所示方式粘接起来构成整形棱镜阵列，整形过程与附图9所示光束相同；

(5)将粘接好的整形棱镜阵列置于光路中，通光面与光轴保持垂直即可，在光路的左方得到整形光斑，如附图10(b)所示的模拟结果，可以看到光斑被分割为三条清晰的光斑。

Claims (3)

1、全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在于：通过以下步骤完成：

(1)根据面阵激光器的参数和快慢轴准直透镜参数确定准直后输出光斑两个方向的尺寸和发散角，得到需要整形的次数以及在快轴方向上的通光口径大小；

(2)根据快轴方向的尺寸和整形器的通光口径确定快轴的压缩倍率，并选择倒置的开普勒望远系统进行快轴压缩，根据整形器在慢轴方向的尺寸选择开普勒望远系统进行慢轴扩束；

(3)加工出单个棱镜，然后再由两个斜角为45°的面构成全反射面，每个单棱镜在慢轴方向上的通光口径均是一致的，棱镜厚度在快轴方向上构成一个等差的梯形结构；

(4)将上述多个单棱镜按照等差梯形结构由小到大排列，粘接起来；

(5)将粘接好的全内反射整形器放置在压缩/扩束后的光路中，只需确保通光面与光轴保持垂直即可，调整好了之后将整形后的光斑用聚焦透镜耦合进入多模光纤中。

2、根据权利要求1所述的全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在于：在所述的步骤(1)之前要对快慢轴方向分别准直，得到准平行光，分别将正交的快、慢轴准直透镜对激光器进行调焦，获得准平行光束。

3、根据权利要求1或2所述的全内反射式微棱镜阵列实现面阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在于所述步骤(2)中的倒置的开普勒望远系统和开普勒望远系统均由柱面透镜构成。

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