CN200944157Y - 半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及高功率半导体激光列阵光束整形的光束转换器及光束整形装置，包括：激光列阵的输出光方向上依次放置柱透镜、光束方向转换器、第一柱面镜、第二柱面镜、第三柱面镜和光纤。本实用新型采用了45度倾角的光束方向转换器的结构，解决了设计和制作均十分困难，耦合效率较低的问题，使得设计和制作比较简单易行。本实用新型设计出新型的相对简单的微光学系统以保证较高的耦合效率。本实用新型实现了在保证输出高功率、高亮度、高质量光束的基础上解决批量生产问题，使半导体激光列阵光束整形制作简单、调整容易、成本低廉。为此，本实用新型将要提供一种用于高功率半导体激光列阵光束方向转换及光束整形装置。

Description

半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置

技术领域

本实用新型属于半导体激光器领域，特别是涉及一种半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置。

背景技术

半导体激光列阵由于具有体积小、重量轻、寿命长、功率高等优点，在军事、公安、工业和医疗等领域有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，因而已成为世界各国竞相追逐的研究热点。但是由于半导体激光列阵固有的结构缺陷，其各发光单元输出光束质量很差，具体表现为：各发光单元在垂直于p-n结方向(快轴)的发散角为25°～40°，平行于p-n结方向(慢轴)的发散角为5°～10°。由于垂直于p-n结方向和平行于p-n结方向上有不同的发散角和严重的像散以及光斑极度不对称呈椭圆形光斑，这严重阻碍了半导体激光列阵的实际应用。为了克服这一障碍，提高半导体激光列阵的输出光束质量，必须进行光束整形以获得发散角和光斑直径均很小的对称光斑。

目前，有两种比较成熟的光束整形技术。其中一种是采用多根光纤的光束整形技术，具体实施方式是：将各光纤的一端(耦合端)与半导体激光列阵中的发光单元一一对应以进行光束耦合，另一端(输出端)则汇聚成一束光纤束以获得圆对称的输出光斑。考虑到各发光单元垂直PN结方向上的光束发散角一般要大于与光纤数值孔径对应的最大光线接收角，通常需要在光纤列阵和半导体激光列阵之间加一个圆柱透镜，或者将所有光纤的耦合端端面制成半球形微透镜。这种耦合技术相对简单耦合效率一般在70％～80％之间。虽然这种方法能使激光列阵输出的线阵光斑汇聚成一束圆对称的光斑，但光纤束的直径比较大(一般大于1mm)光斑是分立的点状圆光斑而不是一个光强度均匀的圆光斑。

另外一种技术是采用微光学元件的光束整形技术，具体实施方式是：首先利用微柱透镜压缩各发光单元在垂直PN结方向上的较大光束发散角，然后利用特殊设计的非成像微光学元件压缩平行PN结方向上的发散角，最后通过汇聚透镜将光束耦合进入一根直径为200μm～800μm之间任意一种直径的光纤中。耦合效率可达80％左右。但由于微光学元件的结构过于复杂，设计和制作均十分困难并且成本很高不适合批量生产。

发明内容

本实用新型的目的在于：提供一种高功率、高亮度、高质量光束输出的用于半导体激光列阵光束方向转换器及光束整形装置，该装置在保证输出高功率、高亮度、高质量光束的基础上解决批量生产问题，使半导体激光列阵光束整形制作简单、调整容易、成本低廉。

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型提供的用于半导体激光列阵光束方向转换器及光束整形装置包括：半导体激光列阵1、柱透镜2和光纤7；其特征在于，还包括光束方向转换器3、第一柱面镜4、第二柱面镜5和第三柱面镜6；所述的半导体激光列阵1的输出光方向上依次放置所述的柱透镜2、光束方向转换器3、第一柱面镜4、第二柱面镜5、第三柱面镜6和光纤7；其中所述的柱透镜2的输入端面与半导体激光列阵1输出端面相对放置，所述的柱透镜2输出端面输出的光束与所述的光束方向转换器3中的N条光纤一一对应，该光束方向转换器3相对柱透镜2有45倾角安置，光纤列阵排3输出端面与第一柱面镜4的平面相互对应放置，第一柱面镜4的柱面与第二柱面镜5的柱面镜相互对应放置，第二柱面镜5的平面与第三柱面镜6的柱面相互对应放置，第三柱面镜6的平面与光纤7输入端面相互对应放置。

在上述的技术方案中，所述的半导体激光列阵1的每一个发光单元发射的激光光束在垂直于p-n结方向(快轴)的发散角为25°～40°，平行于p-n结方向(慢轴)的发散角为5°～10°。

在上述的技术方案中，所述的光束方向转换器3由N个相同直径的石英光纤或玻璃丝，安装在一个框架内，石英光纤或玻璃丝相对于柱透镜2倾斜45度角排列，周期400μm-500μm。

在上述的技术方案中，所述的N条光纤的N为大于半导体激光列阵1的发光单元数。

激光光束经过柱透镜压缩垂直于所述的半导体激光列阵的p-n结方向(快轴)的发散角，柱透镜的输入端面与激光列阵输出端面相互对应放置，各发光单元发射的数条光束经过柱透镜后使数条光束的快轴发散角被压缩成数值孔径为0.09～0.2光束；柱透镜输出端面输出的数值孔径为0.09～0.2光束与光束方向转换器中的数条光纤一一对应，经过相对柱透镜有45度倾角的光纤列阵排使激光列阵的垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束旋转90°，压缩了垂直于p-n结方向(快轴)的激光光束经过光纤列阵排改善了垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束参量积的纵横比，光束方向转换器可以同时改变垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束轮廓线型以获得对称的光束；光束方向转换器输出端面与第一柱面镜的平面相互对应放置，通过光束方向转换器输出的对称光束轮廓线型的光束经过第一柱面镜压缩激光列阵平行于p-n结方向(慢轴)的发散角；第一柱面镜的柱面与第二柱面镜的柱面镜相互对应放置，通过第二柱面镜会聚X方向的光束；第二柱面镜的平面与第三柱面镜的柱面相互对应放置，通过第三柱面镜会聚Y方向的光束；第三柱面镜的平面与光纤输入端面相互对应放置，经过第二柱面镜、第三柱面镜使数条光束聚焦成一个对称光斑进入一根光纤中去，使半导体激光列阵实现高功率、高亮度的高质量光束输出，则完成用于高功率半导体激光列阵光束方向转换及光束整形装置的制作。

本实用新型提供的高功率半导体激光列阵光束方向转换及光束整形装置与现有半导体激光列阵光束整形技术相比具有如下优点：

1.本实用新型的光束方向转换器因相对于柱透镜有45度倾角使激光列阵的垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束旋转90°。激光光束经过光束方向转换器后改善了垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束参量积的纵横比，光束方向转换器可以同时改变垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束轮廓线型以获得对称的光束。

2.本实用新型的光束方向转换器是用普通石英光纤或玻璃丝制作，其成本低廉、精度高、加工容易、组装方便。

3.本实用新型提供了制作简单、调整容易、成本低廉、可以批量生产的半导体激光列阵光束方向转换及光束整形装置。

附图说明

图1a是本实用新型中光束转换整形装置结构示意图(Y方向的光束)

图1b是本实用新型中光束转换整形装置结构示意图(X方向的光束)

图2是本实用新型的光纤列阵排结构示意图

图面说明：

半导体激光列阵-1  柱透镜-2        光束方向转换器-3

第一柱面镜-4      第二柱面镜-5    第三柱面镜-6

光纤-7

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明，但本实用新型不限于这些实施例。

实施例1

参考图1a和图1b，在半导体激光列阵1的光束传播方向依次放置柱透镜2，柱透镜2的输入面靠近半导体激光列阵1的输出端，柱透镜2的输出面靠近光束方向转换器3的输入面，光束方向转换器3的输出面靠近第一柱面镜4的平面，第一柱面镜4的柱面靠近第二柱面镜5的柱面，第二柱面镜5的平面靠近第三柱面镜6的柱面，第三柱面镜6的平面靠近光纤7的输入面。

本实施例的光束方向转换器3由数个相同直径的石英光纤组成，本实施例采用24根或大于19根335μm石英光纤，安装在一个框架内，石英光纤相对于柱透镜2倾斜45度角排列，周期500μm，如图2所示。

本实施例使用的808nm大功率半导体激光列阵1有19个发光单元、各发光单元的条宽100μm或150μm、周期500μm，发光区面积为10mm×0.001mm，室温连续输出光功率为20W或40W。每条光束在垂直于p-n结方向(快轴)的发散角25°或30°或35°或40°；平行于半导体激光列阵1的p-n结方向(慢轴)的发散角为5°或7°或8°或9°或10°。激光光束经过柱透镜2压缩垂直于p-n结方向(快轴)的发散角，19发光单元发射的19条光束经过柱透镜2后使19条光束的快轴发散角被压缩成数值孔径为0.09～0.2光束；柱透镜2输出端面输出的数值孔径为0.09～0.2光束与光束方向转换器3中的19条光纤一一对应，经过相对柱透镜2有45度倾角的光束方向转换器3使半导体激光列阵1的垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束旋转90°，压缩了垂直于p-n结方向(快轴)的激光光束经过光束方向转换器3改善了垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束参量积的纵横比，光束方向转换器3可以同时改变垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束轮廓线型以获得对称的光束；通过光束方向转换器3输出的对称光束轮廓线型的光束经过第一柱面镜4压缩半导体激光列阵1平行于p-n结方向(慢轴)的发散角；通过第二柱面镜5会聚X方向的光束；通过第三柱面镜6会聚Y方向的光束；经过第二柱面镜5、第三柱面镜6使19条光束聚焦成一个对称光斑进入一根光纤7中去，使半导体激光列阵1实现高功率、高亮度的高质量光束输出，则完成用于高功率半导体激光列阵光束方向转换及光束整形装置的制作。

实施例2

本实施例制作的装置结构与实施例1相同，其中光束方向转换器3采用由数个相同直径的石英光纤组成，可采用24根或40根220μm或250μm或355μm光纤，该光束方向转换器3相对于柱透镜2倾斜25度角排列周期500μm。其它参数与实施例1相同。

实施例3

本实施例制作的装置结构与实施例1相同，其中光纤列阵排3可由数个相同直径的玻璃丝组成，光束方向转换器3中的每一根玻璃丝相对于柱透镜2倾斜45度角排列。其它参数与实施例1相同。

实施例4

本实施例制作的装置用于大功率激光列阵时，其结构与实施例1相同，其中半导体激光列阵1可采用25个发光单元的激光列阵、每个发光单元条宽100μm或150μm、周期400μm、发光区面积为10mm×0.001mm，室温连续输出光功率为20W或40W或60W，每条光束在垂直于p-n结方向(快轴)的发散角25°或35°或40°；平行于半导体激光列阵1的p-n结方向(慢轴)的发散角为5°或7°或8°或9°或10°。采用30根或大于25根220μm或250μm或283μm光纤相对于柱透镜2倾斜45度角排列周期400μm。光纤7为石英光纤。

半导体激光列阵1各发光单元发射数条激光光束，每条光束在垂直于p-n结方向(快轴)的发散角约25°～40°，平行于p-n结方向(慢轴)的发散角约5°～10°。激光光束经过柱透镜2压缩垂直于p-n结方向(快轴)的发散角，柱透镜2的输入端面与半导体激光列阵1输出端面相互对应放置，各发光单元发射的数条光束经过柱透镜2后使数条光束的快轴发散角被压缩成数值孔径为0.09～0.2光束；柱透镜2输出端面输出的数值孔径为0.09～0.2光束与光束方向转换器3中的数条光纤一一对应，经过相对柱透镜2有45度倾角的光束方向转换器3使半导体激光列阵1的垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束旋转90°，压缩了垂直于p-n结方向(快轴)的激光光束经过光束方向转换器3改善了垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束参量积的纵横比，光束方向转换器3可以同时改变垂直(快轴)和平行(慢轴)结平面方向上的光束轮廓线型以获得对称的光束。

Claims (3)

1、一种半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置，包括：半导体激光列阵(1)、柱透镜(2)和光纤(7)；其特征在于：还包括光束方向转换器(3)、第一柱面镜(4)、第二柱面镜(5)和第三柱面镜(6)；其中半导体激光列阵(1)的输出光方向上依次放置柱透镜(2)、光束方向转换器(3)、第一柱面镜(4)、第二柱面镜(5)、第三柱面镜(6)和光纤(7)；所述的柱透镜(2)的输入端面与半导体激光列阵(1)输出端面相互对应放置，所述的柱透镜(2)输出端面输出的光束与所述的光束方向转换器(3)中的N条光纤一一对应，该光束方向转换器(3)相对柱透镜(2)有45度倾角安置，光束方向转换器(3)输出端面与第一柱面镜(4)的平面相互对应放置，第一柱面镜(4)的柱面与第二柱面镜(5)的柱面镜相互对应放置，第二柱面镜(5)的平面与第三柱面镜(6)的柱面相互对应放置，第三柱面镜(6)的平面与光纤(7)输入端面相互对应放置。

2、按权利要求1所述的半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置，其特征在于：所述的光束方向转换器(3)包括N个相同直径的石英光纤或玻璃丝，该石英光纤或玻璃丝相对于柱透镜(2)倾斜45度角排列，周期400μm-500μm；其中N为大于半导体激光列阵(1)的发光单元数。

3、按权利要求1所述的半导体激光列阵的光束方向转换器及光束整形装置，其特征在于：所述的半导体激光列阵(1)的每一个发光单元发射的激光光束在垂直于p-n结方向的发散角为25°～40°，平行于p-n结方向的发散角为5°～10°。

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