CN1933260A - 半导体激光器整形装置 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器整形装置，在支架上设置半导体激光器，在支架上半导体激光器射出激光束的方向上设置一维梯度折射率透镜，一维梯度折射率透镜为平板透镜，激光沿一维梯度折射率透镜的厚度方向入射，一维梯度折射率透镜的激光入射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面，一维梯度折射率透镜与半导体激光器的距离为0.05～2.5mm。本发明具有结构简单、体积小、容易安装调试、光能量集中、光能损失小等优点。可用于光盘存储器件、激光全息、激光打印机、光通信、激光准直仪、条形码阅读器、医疗、航空航天、激光指示器等技术领域。

Description

半导体激光器整形装置

技术领域

本发明属于激光器，即利用受激发射对红外线、可见光或紫外线进行振荡、放大、调制、解调或变频的器件技术领域，具体涉及到激光器，具有从发出激光的部位或方向改变其位置或方向的装置。

背景技术

半导体激光器(LD)具有体积小、功耗低、寿命长、转换效率高、能直接内调制的优点，是激光光纤通讯的理想光源，并广泛应用于光盘存储器件、激光全息、激光打印机、光通信、激光准直仪、条形码阅读器、医疗、航空航天、激光指示器等技术领域。

光纤与半导体激光器的结合更使半导体激光器得到了更广泛的应用，例如在通信领域，如何使激光器的输出光能更稳定、更长距离的传输，在二极管激光器、泵浦固体激光器中如何使半导体激光器的输出光功率能更有效的传输到激光增益介质上，从而得到更高的泵浦效率，这些都涉及到半导体激光器与光纤的耦合问题。因此，半导体激光器到光纤的耦合，一直是光纤通信传输系统以及光电子器件领域的一项关键技术。耦合技术的进步直接影响到整个光纤系统的性能。如何改进耦合技术，提高耦合效率，从而提高光器件的性能价格比，也成为光电领域研究的热门课题。

半导体激光器发出的光束为椭圆高斯光束。如果不加整形直接进行耦合效率为29％。为了使半导体激光器更有效的耦合进光纤，必须采用透镜耦合方式对于大发散角的高斯光束进行修正。大发散角的影响主要表现在：引起严重的球差，导致高斯光束的等相位面严重畸变，由此而引起耦合损耗在耦合系统总损耗中占有相当的比重；对于相对孔径较小的光学耦合系统而言，大发散角会使得高斯光束中的一部分光能量无法通过耦合系统，这不仅造成光功率的直接损耗，还使得通过耦合系统的光场分布发生畸变，从而影响模式耦合；大发散角高斯光束在耦合系统中的各光学界面上的菲涅尔反射随入射角的不同而在相当大范围内变化，造成了高斯光束的光功率直接损耗和场振幅分布发生畸变，从而进一步影响模式耦合。

半导体激光器输出光束是像散椭圆光束，其垂直于结平面的方向，称为快轴方向，发散角为25°～60°；平行于结平面方向为慢轴，其发散角为5°～15°。在实际使用中，要想获得质量高的光束，必须要对光束进行准直，整形和像散校正。

目前现有的半导体激光器光束整形装置由三种，一种是柱透镜进行快轴方向的角度准直和整形，柱透镜的调整容差较小，而且很难将焦距加工得很小。另一种采用单透镜对半导体激光器输出光束的准直，这种半导体激光器光束整形装置具有结构简单、方便经济，但是效果较差，准直度较低，以及像差所带来的负面影响，不易对远距离的激光束进行准直。还有一种采用发射望远镜对半导体激光器输出光束进行准直，即预先用一个短焦距的透镜将高斯光束聚焦，以便获得极小的腰斑，然后再用一个长焦距的透镜来改善其方向性，可得到很好的准直效果，该半导体激光器光束整形装置的主要缺点是结构复杂，成本高，体积大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服上述半导体激光器光束整形装置的缺点，提供一种结构简单、体积小、成本低、耦合效率高、易于调整和安装的半导体激光器整形装置。

解决上述技术问题所采用的技术方案是：在支架上设置半导体激光器，在支架上半导体激光器射出激光束的方向上设置一维梯度折射率透镜，一维梯度折射率透镜为平板透镜，激光沿一维梯度折射率透镜的厚度方向入射，一维梯度折射率透镜的激光入射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面，一维梯度折射率透镜与半导体激光器的距离为0.05～2.5mm。

本发明的一维梯度折射率透镜是具有折射率按照下式

$n\left(x\right)=n_0(1-\frac{1}{2}A{x}^2)$

分布的矩形平板透镜，式中n₀是透镜中心的折射率，n₀为1.5～1.7，x是透镜内某一点距透镜中心的距离，

是聚焦常数，一维梯度折射率透镜的厚度为0.1～2mm、通光长度为0.1～9.5mm、宽度为0.1～8mm、聚焦常数 为0.36～7.5。

本发明的一维梯度折射率透镜优选厚度为0.1～1.5mm、优选通光长度为1～8mm、优选宽度为0.5～6mm、优选聚焦常数

为1～6。

本发明的一维梯度折射率透镜最佳厚度为0.3mm、最佳通光长度为1.5mm、最佳宽度为2mm、最佳聚焦常数 为2.51。

本发明的一维梯度折射率透镜的激光入射圆柱侧面的曲率半径R1为0.1～5mm、激光出射圆柱侧面的曲率半径R2为0.1～5mm。

本发明的一维梯度折射率透镜的激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1优选为0.2～4mm、激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2优选为0.2～4mm。

本发明的一维梯度折射率透镜的激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1最佳为2.5mm、激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2最佳为2.5mm。

本发明的一维梯度折射率透镜的激光入射圆柱侧面的曲率半径R1与激光出射圆柱侧面的曲率半径R2相同。

本发明的一维梯度折射率透镜与半导体激光器的优选距离为0.1～0.8mm。

本发明的一维梯度折射率透镜与半导体激光器的最佳距离为0.2mm。

本发明采用一维梯度折射率透镜对半导体激光器的输出光束进行整形为圆对称光束，使半导体激光器的准直和耦合非常方便，提高了准直度和耦合效率，降低了准直和耦合的成本。本发明具有结构简单、体积小、容易安装调试、光能量集中、光能损失小等优点。可用于光盘存储器件、激光全息、激光打印机、光通信、激光准直仪、条形码阅读器、医疗、航空航天、激光指示器等技术领域。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图。

图2是图1中一维梯度折射率透镜2的结构示意图。

图3是实施例4～6中一维梯度折射率透镜2的结构示意图。

图4是实施例7～9中一维梯度折射率透镜2的结构示意图。

图5是半导体激光器1(xz平面)快轴光束经一维梯度折射率透镜2整形示意图。

图6是半导体激光器1(yz平面)慢轴光束经一维梯度折射率透镜2整形示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步详细说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例1

在图1中，本实施例的半导体激光器整形装置由支架3、半导体激光器1、一维梯度折射率透镜2联接构成。

在支架3上固定安装有半导体激光器1，本实施例的半导体激光器1的型号为QL65D5SA，波长为650nm，其发光面积为5um×2um。在支架3上半导体激光器1射出激光束的方向上水平放置固定安装有一维梯度折射率透镜2，一维梯度折射率透镜2为矩形平板透镜，这种透镜仅在透镜的厚度方向上具有梯度折射率，一维梯度折射率透镜2的厚度为0.3mm、通光长度为1.5mm、宽度为2mm、聚焦常数

为2.51。一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的平面，即激光沿一维梯度折射率透镜2的厚度方向入射，激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离为0.2mm。一维梯度折射率透镜2用于将半导体激光器1输出的椭圆光束整形为圆对称光束，一维梯度折射率透镜2的光学特性为仅在单方向上改变光路。一维梯度折射率透镜2是具有折射率按照下式

$n\left(x\right)=n_0(1-\frac{1}{2}A{x}^2)$

分布的矩形平板透镜，式中n₀是透镜中心的折射率，n₀为1.635，x是离透镜中心的距离， 是聚焦常数。

由上式可以看出一维梯度折射率透镜2的折射率分布仅在x方向即透镜的厚度方向渐变分布，一维梯度折射率透镜2的光学特性与柱透镜相似，仅单方向改变光路。因此，一维梯度折射率透镜2可以代替柱透镜用做半导体激光器1的光束整形和准直。采用一维梯度折射率透镜2来代替柱透镜进行整形，可以克服了柱透镜调整容差较小、加工困难的缺点，对半导体激光器1的快轴方向进行整形，使快轴输出激光束角度与慢轴输出激光束角度大小相同。

实施例2

在本实施例中，一维梯度折射率透镜2为矩形平板透镜，一维梯度折射率透镜2的厚度为0.1mm、通光长度为0.1mm、宽度为0.1mm、聚焦常数

为7.5，n₀为1.5。一维梯度折射率透镜2的激光面是与激光快轴方向垂直的平面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离为0.05mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例3

在本实施例中，一维梯度折射率透镜2为矩形平板透镜，一维梯度折射率透镜2的厚度为2mm、通光长度为9.5mm、宽度为8mm、聚焦常数 为0.36，n₀为1.7。一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的平面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离为2.5mm。其它零部件以及零部件的联接关系与实施例1相同。

实施例4

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为2.5mm。一维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例5

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为0.1mm。一维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例6

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为5mm。一维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例7

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为2.5mm，激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2为2.5mm。一维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例8

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为0.1mm，激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2为0.1mm。维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的实施例相同。

实施例9

在以上实施例1～3中，一维梯度折射率透镜2的激光入射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的圆柱侧面，激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1为5mm，激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2为5mm。一维梯度折射率透镜2的几何尺寸与相应的实施例相同。一维梯度折射率透镜2与半导体激光器1的距离与相应的实施例相同。其它零部件以及零部件的联接关系与相应的

实施例相同。

为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1制备的半导体激光器整形装置进行了试验，试验情况如下：

半导体激光器1发出的波长为650nm，在半导体激光器快轴方向(x方向)发散角为32°，经过一维梯度折射率透镜2后压缩为8°，光束半径为66um，见图5。在半导体激光器慢轴方向(y方向)发散角为8°，经过透镜2不改变角度，仍为8°，光束半径也为66um，见图6。经过一维梯度折射率透镜2对半导体激光器快轴的整形后，光束成为快轴和慢轴方向发散角度均为8°，高斯光束椭圆度为1，且光束半径为66um的圆形高斯光束。测量结果，经过L1为100mm的距离后，圆光斑半径A1为7.5mm，经过L2为250mm的距离后，圆光斑半径A2为17.5mm。按照光束发散角计算公式

$2\mathrm{\θ}=\arctan \left(\frac{A}{L}\right)$

式中A为光斑半径，L是光束传播距离，2θ为光束发散角全角。将A1为7.5mm、L1为100mm代入上式，得2θ1为8.6度。将A2为17.5mm，L1为250mm代入上式，得2θ2为8度。

由光斑半径和传播距离可以计算出整形后光束发散角为8度。

Claims (10)

1、一种半导体激光器整形装置，其特征在于：在支架(3)上设置半导体激光器(1)，在支架(3)上半导体激光器(1)射出激光束的方向上设置一维梯度折射率透镜(2)，一维梯度折射率透镜(2)为平板透镜，激光沿一维梯度折射率透镜(2)的厚度方向入射，一维梯度折射率透镜(2)的激光入射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面、激光出射面是与激光快轴方向垂直的平面或圆柱侧面，一维梯度折射率透镜(2)与半导体激光器(1)的距离为0.05～2.5mm。

2、按照权利要求1所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)是具有折射率按照下式

$n\left(x\right)=n_0(1-\frac{1}{2}{\mathrm{Ax}}^2)$

分布的矩形平板透镜，式中n₀是透镜中心的折射率，n₀为1.5～1.7，x是透镜内某一点距透镜中心的距离， 是聚焦常数，一维梯度折射率透镜2的厚度为0.1～2mm、通光长度为0.1～9.5mm、宽度为0.1～8mm、聚焦常数 为0.36～7.5。

3、按照权利要求2所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)其中厚度为0.1～1.5mm、通光长度为1～8mm、宽度为0.5～6mm、聚焦常数 为1～6。

4、按照权利要求2所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)其中厚度为0.3mm、通光长度为1.5mm、宽度为2mm、聚焦常数

为2.51。

5、按照权利要求1所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说一维梯度折射率透镜(2)的激光入射圆柱侧面的曲率半径R1为0.1～5mm、激光出射圆柱侧面的曲率半径R2为0.1～5mm。

6、按照权利要求3所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)的激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1其中为0.2～4mm、激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2其中为0.2～4mm。

7、按照权利要求3所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)的激光入射面圆柱侧面的曲率半径R1其中为2.5mm、激光出射面圆柱侧面的曲率半径R2其中为2.5mm。

8、按照权利要求5或6所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说一维梯度折射率透镜(2)的激光入射圆柱侧面的曲率半径R1与激光出射圆柱侧面的曲率半径R2相同。

9、按照权利要求1所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)与半导体激光器1的距离其中为0.1～0.8mm。

10、按照权利要求1所述的半导体激光器整形装置，其特征在于：所说的一维梯度折射率透镜(2)与半导体激光器(1)的距离其中为0.2mm。

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