CN201166741Y - 光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，属于激光光电子技术及其应用领域。本装置包括含有m个发光单元的半导体激光阵列bar(2)，m根光纤柱透镜(7)组成的阵列，固化后的折射率匹配液(8)，光纤柱透镜(7)嵌在折射率为n₂的折射率匹配液(8)中。每个发光单元emitter(1)的光束经非球面柱透镜(3)快轴准直后为光束(4)，光束(4)再经过光纤柱透镜(7)和折射率匹配液(8)所组成的装置后，实现了半导体激光阵列(2)慢轴光束的准直整形，减小了像差，慢轴方向输出为平行光。本实用新型实现了半导体激光阵列慢轴光束的准直整形，制作简单，调整容易，成本低廉，易于实现工业化应用。

Description

光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置

技术领域

本实用新型涉及一种光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，属于激光光电子技术及其应用领域。

背景技术

半导体激光阵列(这里包括一维半导体激光阵列和二维半导体激光阵列即半导体激光叠层阵列(stack)，叠层阵列是由一维阵列叠放在一起构成的)是实现高功率激光输出的有效技术途径。由于半导体激光器有源区截面为矩形，慢轴方向宽度一般在100um～200um左右，而快轴方向只有1um，有源区截面的不对称性决定了远场发散角的不对称性。在快轴方向，由于狭缝作用，出射光束达到衍射极限，横模光束质量很好，但是其远场发散角很大，θ_⊥的典型值在30°～40°(FWHM，峰值半高的全宽度)，通常采用微透镜进行准直，如图1所示。而慢轴方向由于发光面比较宽，衍射作用比较小，处于多侧模状态，远场发散角比较小，θ_‖一般为10°(FWHM，峰值半高的全宽度)。半导体激光阵列的光束不仅依赖于每个发光单元的光参数，而且依赖于发光单元间的非发射区宽度，通过增加或减少非发射区宽度可以改变半导体激光阵列的光束质量。其数学表达式为：

${\mathrm{BPP}}_{\mathrm{bar},\mathrm{slow}}=\frac{{\mathrm{BPP}}_{\mathrm{emitter},\mathrm{slow}}\·N_{\mathrm{emitter},\mathrm{bar}}}{F_{\mathrm{bar},\mathrm{slow}}}$

其中：填充因子F_bar，slow＝w/s(w为发光单元的宽度；S为发光单元的间距)，光束参数积BPP_{emitter，slow}＝d₀θ(d₀为慢轴光束的束腰宽度，θ慢轴光束的发散角)。N_{emitter，bar}为每个bar条所含的发光单元数目。

若每两个发光单元中心的间隔为500um或大于500um时，如有19个发光单元的半导体激光阵列，则可采用微柱透镜来实现对慢轴方向光束准直整形，如图2所示(图中仅画了3个发光单元)，增加了填充因子，提高了慢轴方向的光束质量，然而当每两个发光单元中心的间隔比较小时，也就是发光单元数目比较大时，如25、49或64等，这时每两个发光单元中心的间隔远低于500um，而加工如此小尺寸的微柱透镜就非常困难。在这种情况下，通常采用一个长焦距的柱透镜对半导体激光阵列慢轴方向的光束进行整体准直，如图3所示(图中仅画了3个发光单元)，这将带来两方面的问题，一是半导体激光阵列的填充因子没有得到提高，将降低半导体激光阵列在慢轴方向的光束质量；二是带来半导体激光阵列偏离中心位置的发光单元通过柱透镜后将存在比较大的像差，进一步降低慢轴方向的光束质量。如果直接采用小尺寸半径的光纤柱透镜来进行准直，如图4所示(图中仅画了3个发光单元)，根据光纤柱透镜在空气中的焦距公式：

(n₁为光纤柱透镜的折射率，r为光纤柱透镜的半径)，由于光纤柱透镜的半径小焦距短，假设光纤柱透镜的折射率n₁＝1.5，光纤直径为200μm，则光纤柱透镜焦距为150μm，焦距非常短，受快轴准直微透镜的厚度太大(通常大于400μm)的影响，光纤慢轴准直镜的焦点位置不能放置在发光单元面上，根据透镜成像公式，将导致准直后慢轴光束会聚，不能达到慢轴光束准直整形的目的。

实用新型内容

本实用新型针对目前小间距发光单元激光阵列所存在的慢轴发光单元准直整形的问题，提出了一种光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置。本装置通过嵌入在折射率为n₂的折射率匹配液中的光纤柱透镜，实现半导体激光阵列慢轴光束的准直整形，减小准直后的像差，使得半导体激光阵列各个发光单元所发出的激光在慢轴方向成平行输出光束，达到了准直整形的目的。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案。本装置包括有m个发光单元1的半导体激光阵列bar、非球面柱透镜3、由m根光纤柱透镜7组成的透镜阵列和已固化的或盛放在容器内的折射率为n₂的折射率匹配液8。每个发光单元1发出的光束经非球面柱透镜3快轴准直为光束4。其中，光纤柱透镜7所组成的透镜阵列嵌在折射率匹配液8中，每个光纤柱透镜7与半导体激光阵列2中的发光单元1一一对应，并且与发光单元1的快轴方向平行、慢轴方向垂直。每个光纤柱透镜7的直径大小与半导体激光阵列2中的任意两个相邻发光单元1之间的间隔相当；光纤柱透镜7的折射率n₁大于折射率匹配液8的折射率n₂。光束4经过光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置后实现了半导体激光阵列2慢轴光束的准直整形。

所述的m的取值范围为1～1000。

所述的半导体激光阵列bar为一维阵列或二维面阵列。

本装置采用折射率为n₁的光纤作为柱透镜，在光纤周围填充折射率为n₂(1＜n₂＜n₁)的折射率匹配液，这时光纤柱透镜在折射率匹配液中的焦距为：

(n₂为匹配液的折射率)，此时光纤柱透镜的焦距f_液＞f_空，如果假设折射率匹配液的折射率为1.4，那么可得被折射率匹配液包围的光纤柱透镜的焦距为750μm，这样焦距大大增加，远大于快轴准直镜的厚度，这样光纤慢轴准直镜的焦点位置就可以放置在半导体激光阵列发光单元出光面上，根据透镜聚焦公式，放置在透镜前焦点位置的出射光束通过透镜后将呈平行光输出。因此，经准直后慢轴光束将会平行输出，从而实现慢轴光束准直整形的目的，同时根据焦距越长，像差越小的原理，本发明也达到减小输出激光像差的目的。

光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，其所用的光纤柱透镜7的折射率n₁大于折射率匹配液8的折射率n₂。本装置也可用于对半导体激光二维面阵列的快轴光束进行准直整形，达到激光二维面阵列快轴方向平行光输出。此外，折射率匹配液8为固化后的固体，或者为容器盛装的液体。

半导体激光阵列2的每个发光单元emitter 1的光束经非球面柱透镜3快轴准直后为光束4，光束4再经过光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置后，此时光纤柱透镜的焦距f_液＞f_空，这时光纤慢轴准直镜的焦点位置就能放置在半导体激光阵列2发光单元1的出光面上了，又根据透镜聚焦公式，放置在透镜前焦点位置的出射光束通过透镜后将呈平行光输出，因此，光束4经光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置后将会平行输出。同时根据焦距越长，像差越小的原理，本实用新型也达到减小输出激光像差的目的。

附图说明

图1为非球面柱透镜对半导体激光阵列快轴准直整形的立体图

图2为微透镜对半导体激光阵列慢轴准直整形的原理图，该图所在平面平行于半导体激光阵列的慢轴方向(图中仅画了3个发光单元)

图3为柱透镜对半导体激光阵列慢轴整体准直整形的原理图，该图所在平面平行于半导体激光阵列的慢轴方向(图中仅画了3个发光单元)

图4为未填充折射率匹配液后光纤柱透镜实现半导体激光阵列慢轴准直整形的原理图，该图所在平面平行于半导体激光阵列的慢轴方向(图中仅画了3个发光单元)

图5为本发明装置实现对半导体激光阵列慢轴准直整形的原理图，该图所在平面平行于半导体激光阵列的慢轴方向(图中仅画了3个发光单元)

图6为本发明装置实现对半导体激光阵列快轴方向整形的原理图，该图所在平面垂直于半导体激光阵列的慢轴方向

图中：1、半导体发光单元emitter，2、半导体激光器阵列bar，3、非球面柱透镜，4、经快轴准直后的光束，5、微柱透镜，6、柱透镜，7、折射率为n₁的光纤柱透镜，8、折射率为n₂(1＜n₂＜n₁)的折射率匹配液。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本实用新型的实施方式：

如图5所示，本实施例包括有19个发光单元1的半导体激光阵列bar2(图中仅画了3个发光单元)、非球面柱透镜3、由19根光纤柱透镜7组成的透镜阵列和已固化的或盛放在容器内的折射率为n₂的折射率匹配液8，光纤柱透镜7的折射率n₁大于折射率匹配液8的折射率n₂。每个光纤柱透镜7与半导体激光阵列2中的发光单元emitter 1一一对应，并且与发光单元emitter 1的快轴方向平行；慢轴方向垂直。光纤柱透镜7的直径大小与半导体激光阵列2中的任意两个相邻发光单元1之间的间隔相当或相同。每个发光单元emitter 1的光束经非球面柱透镜3快轴准直后为光束4。

如图5所示，半导体激光阵列2慢轴方向上的光束4在经过光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置后，光纤柱透镜在折射率匹配液中的焦距为：

(n₁为光纤柱透镜的折射率，r为光纤柱透镜的半径，n₂为匹配液的折射率)，此时光纤柱透镜7的焦距f_液＞f_空，这样就不会由于快轴准直镜的存在而影响光纤慢轴准直镜的焦点位置放置在半导体激光阵列2发光单元1的出光面上，又根据透镜聚焦公式，放置在透镜前焦点位置的出射光束通过透镜后将呈平行光输出，因此，光束4经过光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置后将会平行输出，从而实现了慢轴光束准直整形的目的，同时根据焦距越长，像差越小的原理，本发明装置也达到减小输出激光像差的目的。另外，如图6所示，在快轴方向上，光纤柱透镜7和折射率匹配液8所组成的装置对快轴准直非球面柱透镜3准直后的光束4的作用相当于一块平行玻璃板，通过此装置后，不改变其在快轴方向上的传播方式。

Claims (3)

1、光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，包括有m个发光单元(1)的半导体激光阵列bar(2)和非球面柱透镜(3)，每个发光单元(1)发出的光束经非球面柱透镜(3)快轴准直为光束(4)；其特征在于：还包括有由m根光纤柱透镜(7)组成的透镜阵列和已固化的或盛放在容器内的折射率为n₂的折射率匹配液(8)；其中，光纤柱透镜(7)所组成的透镜阵列嵌在折射率匹配液(8)中，每个光纤柱透镜(7)与半导体激光阵列(2)中的发光单元(1)一一对应，并且与发光单元(1)的快轴方向平行、慢轴方向垂直；每个光纤柱透镜(7)的直径大小与半导体激光阵列(2)中的任意两个相邻发光单元(1)之间的间隔相当；光纤柱透镜(7)的折射率n₁大于折射率匹配液(8)的折射率n₂；光束(4)经过光纤柱透镜(7)和折射率匹配液(8)所组成的装置后实现了半导体激光阵列(2)慢轴光束的准直整形。

2、根据权利要求1所述的光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，其特征在于：所述的m的取值范围为1～1000。

3、根据权利要求1所述的光纤柱透镜实现半导体激光阵列准直整形的装置，其特征在于：所述的半导体激光阵列bar(2)为一维阵列或二维面阵列。

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