CN1975507A - 添加导引光的条阵大功率半导体激光器的整形方法 - Google Patents

Abstract

添加导引光的条阵大功率半导体激光器(High－Power Laser Diode Bar，简称LD)的整形方法：(1)通过计算光纤纤芯半径和孔径角一半的乘积，以及LD光束在快慢轴两个方向上的光参数积，确定对LD光束整形所需要折叠的次数，制作高反射效率的整形器；(2)采用快慢轴准直透镜阵列对分别对LD的快慢轴两个方向进行准直，得到条形的准直光斑；(3)安装整形器，实现光束的整形；(4)安装聚焦透镜和光纤，调节光纤到合适的位置，使输出的LD的功率最大；(5)从整形器的合适位置入射导引光，调节导引光到适当的位置，使从光纤输出的导引光的光功率达到最大。本发明光路设计紧凑合理，不改变LD的光路，避免了在LD光路中引入新的散射和反射损失，保证了LD的光路稳定性。

Description

添加导引光的条阵大功率半导体激光器的整形方法

技术领域

本发明涉及一种条阵大功率半导体激光器(High-Power Laser Diode Bar，简称LD)光束整形方法，特别是一种添加导引光的LD的整形方法。

背景技术

光参数积是光束的一个重要参数。按照ISO标准，光参数积(Q)定义为束腰半径与远场发散角一半的乘积：

Q＝ω₀θ₀/2＝const.                                  (1)

按照ISO的规定，光参数积的标准单位为mm mrad。

Siegman的理论认为，具有一定束腰和发散角的光束被无源、没有截断、没有像差的理想光学元件(比如透镜和平面镜)变换时，变换前后的光参数积Q将保持不变。这个理论在LD光束变换系统中也适用。

LD虽然应用广泛，但是其发散角大(平行和垂直于结平面两方向的发散角很大)，像散大(在两个方向上的光参数积相差数千倍)等因素限制了它的应用，所以需要将LD的光束进行变换，以形成满足条件的聚焦光点耦合到光纤中。图1是LD的子午方向(也叫快轴方向)的光能量分布图；其弧矢方向(也叫慢轴方向)的分布与其类似，但发散角较小。

在光纤耦合LD系统中，首先用微透镜阵列对LD光束进行准直，见图2。(准直方法参见：1.《条阵半导体激光器阵列光束混合光学准制聚焦系统设计》，作者：周崇喜、杜春雷，V3 NO.1 JUNE 5 2000《光学仪器》；2.《大功率半导体激光器阵列光束光纤耦合研究》，作者：周崇喜、刘银辉、谢伟民、杜春雷，Vol.31，No.11，P1296-P1230，2004，《中国激光》。准直光路如附图2所示。)

为了使光点耦合进特定参数的光纤(比如芯径400μm，数值孔径0.37的光纤)，就要使光点的光参数积比光纤纤芯半径与孔径角的一半的乘积小。如果直接将准直光束聚焦耦合到光纤中，理论上聚焦光点在慢轴方向上的光参数积很大，不能满足耦合的需要。

这样就需要对LD两个方向上的光参数积进行变换，即整形，以满足耦合条件；同时为了使LD在医疗、农业等方面有更广泛的应用，需要在输出的LD光束中添加可见光波段的导引光(一般波长为650nm的红光)。

对LD的准直光束进行整形是指使用光学元件将条形准直光斑从慢轴方向山分割成N段，然后叠加在快轴方向上，整形的光学元件称为整形器。这样，慢轴方向上的光参数积减小到原来的1/N，满足了耦合条件；虽然快轴方向上的光参数积增加了N倍，但是由于LD在快轴方向上的光参数及本身很小，叠加后仍然满足耦合条件。

中国专利申请号：03123568.9，“利用反射镜片堆改变准直光束光参数积的方法”提供了一种对LD光束进行整形的方法，其基本原理是利用错开排列的一组反射棱镜堆分割光斑，棱镜结构如图3所示；然后用另一组反射棱镜堆实现光斑的重排，棱镜结构如图4所示。但是，该光路中并没有引入导引光。本发明以上述专利为基础，运用非相干合束的原理，通过对整形器进行了关键的改进，在不增加LD光路的元件的情况下添加导引光，实现了导引光和LD光束的同轴输出，满足了很多特殊用途的要求。

发明内容

本发明解决的问题：克服现有方法的不足，提供一种添加导引光的LD的整形方法，该方法运用非相干合束的原理，实现了两束光的光轴重合，然后耦合到同一根光纤中，实现两个光束从同一光纤输出。

本发明解决方案：添加导引光的LD的整形方法，其特点在于包括下列步骤：

(1)通过计算光纤纤芯半径与孔径角的一半的乘积，以及LD的光束在两个方向上的光参数积，确定对光束整形所需要折叠的次数N，然后制作整形器，其中，整形器的第二组反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄带宽反射膜；

(2)用快慢轴准直透镜阵列对分别对LD的快慢轴两个方向进行准直，得到条形的准直光斑；

(3)安装整形器，实现光束的整形；

(4)安装聚焦透镜和光纤，调节光纤到合适的位置，使输出的LD的功率最大；

(5)从整形器第二组反射器件工作面的对面入射导引光，调节导引光的位置，使从光纤输出的导引光的光功率达到最大。

所述的整形器由两组反射器件构成，其第二组反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄带宽反射膜。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)光路设计紧凑合理，不改变LD的光路，避免了在LD光路中引入新的散射和反射损失，保证了LD的光路稳定性。

(2)两个光源可以分时工作，也可以同时工作。由于两个光源使用不同的外围电路进行控制，使用者可以先用导引光确定工作目标的位置、距离等，然后驱动LD进行工作，这样可以达到时间和空间上的精确控制。由于导引光的功率很小，不至于影响工作目的。

(3)本发明方法制作的LD模块包含了不带导引光的LD模块的所有功能。

附图说明

图1为LD包络能量随光束包络散角的关系；

图2为现有技术的LD光束准直方法示意图；

图3为现有的用于分割准直光束的错开排列的反射棱镜堆；

图4为现有的用于对分割后光束进行重排的错开排列的反射棱镜堆；

图5为本发明方法的准直后的光斑的分割和重排原理图；

图6为本发明中以三折叠光路系统为例，实现光束整形的同时加入导引光原理图。

具体实施方式

(1)对LD准直光斑的光参数积的计算和整形器的设计按照以下的计算进行。光束经过准直后变成准平行光束，快轴方向的发散角为10mrad左右，慢轴方向的发散角为40mrad左右。根据光参数积匹配的原理，聚焦光斑的光参数积需小于光纤纤芯半径和孔径角一半的乘积。通过计算可以知道，准直后的LD光斑快轴方向的光参数积远远小于光纤纤芯半径和孔径角一半的乘积，而慢轴方向的光参数积大于这个值。光斑的分割和重排如图5所示。分割的次数由以下公式确定：

$N=\sqrt{Q_{\mathrm{slow}}/Q_{\mathrm{fiber}}}...\left(2\right)$

Q_slow表示慢轴方向上的光参数积，运用公式(1)计算；Q_fiber表示光纤纤芯半径和孔径角一半的乘积，N表示分割的次数。

在光路设计中，使用两组反射镜组来实现LD光束的分割和重排，如图6所示。第一组制做成三角棱镜的形式，在斜面上镀上LD光束的高反膜，三角棱镜的错开排列将光束分割开来，同时，使光轴发生90°的偏转；然后用另外的一组同样错开排列的平行平板组成的反射镜将光束重排，同时，再使光轴发生90°的偏转。这样就完成了LD光束整形的设计。

(2)安装为透镜阵列对对LD两个方向分别准直，得到条形光斑。

(3)安装整形器。LD光束整形过程中光轴会变换两次，如图6所示，第二个整形器是一组平行平板，其工作面上制作有一定带宽反射膜，实现对LD的光束的反射，但是导引光又能透射。

(4)调节光纤到合适的位置，使LD的光功率输出最大。

(5)加入导引光。在第二个整形器件上加入导引光。导引光束通过平行平板后其光轴和LD光束的光轴在同一直线上时，就实现了两束光的合束。需要说明的是，导引光光源在两个方向上的光参数积都很小，完全满足耦合要求。当导引光束经过f＝12.7的透镜聚焦后，光斑只有60μm×60μm左右，完全能满足光纤的耦合要求。

实施例1，使用国产40W波长808nm连续波LD和10mW波长650nm光源，通过上述光路进行设计、加工和装配，耦合到芯径400μm、数值孔径0.37的光纤中，最终输出功率为LD输出功率28.2瓦，导引光输出5.2毫瓦，其具体过程如下：

(1)针对芯径400μm、数值孔径0.37的光纤，用公式(2)计算得知，将LD光束折叠3次即可满足光参数积匹配的原理。所以本系统中需要制作3折叠的反射器件。

(2)用微透镜正列对实现对LD(λ₁＝808nm)的准直，经过准直后的光束变成准平行光束。经测试，快轴方向的发散角为10.2mrad，光斑长度0.6mm，慢轴方向的发散角为42mrad，光斑长度10mm。

(3)将整形器件加入光路中，调节得到2.4mm×3.5mm的整形光斑。

(4)选用f＝7.5的透镜聚焦，获得大小(327μm-393μm)×80μm、数值孔径0.28的聚焦光斑，然后耦合到上述光纤中，使LD光束从光纤中输出功率达到最大。

(5)采用准直后光束直径φ1mm的红光光源(λ₂＝650nm)作为导引光，加入到LD光路中，调节到适当的位置，使导引光从光纤输出达最大值。导引光束通过第二棱镜堆后，光轴会下移2mm，当两光轴完全重合时，导引光束会通过LD的聚焦透镜，形成一个65μm×60μm的聚焦光斑，与LD光束同输出。

Claims (2)

1、添加导引光的条阵大功率半导体激光器的整形方法，其特征于包括下列步骤：

(1)通过计算光纤纤芯半径、孔径角一半的乘积和LD的光束在快慢轴两个方向上的光参数积，确定对光束整形所需要折叠的次数，制作整形器；

(2)采用快慢轴准直透镜阵列对分别对LD的快慢轴两个方向进行准直，得到条形的准直光斑；

(3)安装整形器，实现光束的整形；

(4)安装聚焦透镜和光纤，调节光纤的位置，使输出的LD功率最大；

(5)从整形器第二组反射器件工作面的对面入射导引光，调节导引光的位置，使从光纤输出的导引光的光功率达到最大。

2、根据权利要求1所述的添加导引光的条阵大功率半导体激光器的整形方法，其特征于：所述的整形器由两组反射器件构成，其第二组反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄带宽反射膜。

Images