CN2566291Y - 半导体激光器光束整形装置 - Google Patents

Abstract

一种采用光束整形器24的半导体激光器光束整形装置，包括在被整形半导体激光器光源21发射光束S前进方向上，依次置放的微柱透镜22、柱面透镜23、光束整形器24、由透镜或棱镜组成的聚焦系统25和光纤26，其特点是，微柱透镜22与光束整形器24之间置有柱面透镜23。半导体激光器光源21被置放在柱面透镜23的焦平面上，光束整形器24对慢方向准直过的光源21的输出光进行远场分割，可在一定程度上改整形效果，并且具有结构简单，加工和装配容易的优点。

Description

半导体激光器光束整形装置

技术领域

本实用新型涉及一个由光束整形器制成的半导体激光器光束整形装置，特别涉及适用于线度尺寸为毫米级的半导体激光器光源输出光束的整形，也可用于把一般输出不对称的线光束整形为圆形光束。

背景技术

图1是现有的一种采用一种微片棱镜堆线光束整形器对大功率的线列阵半导体激光器线光束整形的装置。其核心技术是一种称之为“微片棱镜堆”的整形装置，在“99240339.1线光束整形器”专利中有详细描述。图1中被整形光源即线阵列半导体激光器1发出的线光束经微柱透镜2准直所谓的快方向发散角后，被微片棱镜堆3重组光场结构，以得到大致对称的发散光束，再经柱面透镜4和球面透镜5的组合，会聚到光纤6的输入端面上，经光纤6耦合输出。这种结构可以得到很好的整形效果，缺点是：首先，上述专利中整形采用的是大功率的线列阵半导体激光器，这样的激光器在慢方向上长一般为10mm左右，因此微片棱镜堆对激光束进行近场分割这样的长度就可以了，而对于光束在慢方向上长度较短，例如只有几百μm的半导体激光器，如果把微片棱镜堆放在激光束附近进行近场分割，入射光束宽度太小，用于分割的每片棱镜的厚度小，难于加工和装配；其次，半导体激光器光束在慢方向上存在10°左右的发散角，光线进入微片棱镜堆后在侧面上的损耗较大。

发明内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术的缺点，提供一种由光束整形器对激光光束进行远场分割，能够减少光线进入光束整形器后在侧面上损耗，并能提高整形效率的半导体激光器光束整形装置。

本实用新型的技术方案是这样来完成的，一种半导体激光器光束整形装置，包括在被整形半导体激光器光源发射的线光束前进方向上，依次置放的微柱透镜、柱面透镜、光束整形器、由透镜或棱镜组成的聚焦系统和光纤，其特点是在微柱透镜与光束整形器之间置有柱面透镜。半导体激光器光源被置放在柱面透镜的焦平面上，光束整形器对慢方向准直过的半导体激光器光源的光束进行远场分割整形。

由于采用了上述方案，半导体激光器发出的光在快方向上经过微柱透镜准直，慢方向经过柱面透镜进行准直，被准直后的光束慢方向的尺寸达到五到十几毫米。光束整形器对准直后的光束进行分割、旋转和重排，最后用由透镜或棱镜组成的聚焦系统将重组后的光束聚焦成一光斑，这样的光斑就可以耦合进一定数值孔径和芯径的光纤中。本方案的光束整形器可以采用微片棱镜堆，亦可用其他如两块相互平行的反射镜所组成等。因本实用新型中采用了远场分割，其优点是：光束在慢方向上经过准直，一定程度上减少了光线在进入光束整形器后由于慢方向上的发散在侧面上引起的损耗，有利于提高整形效率；可放大进入到光束整形器的光束宽度，若用微片棱镜堆光束整形器，则每片棱镜厚度可增加，减少了加工和装配上的困难，同时也减少了边缘损耗，有利于提高整形效率；半导体激光器可以是线列阵，单管或面列阵半导体激光器。

附图说明：

图1大功率线列阵半导体激光器微片棱镜整形装置示意图；

图2半导体激光器整形装置示意图；

图3原始光束截面形状示意图；

图4重排列后的光束截面形状示意图。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例进一步说明本实用新型的整形装置。

由图2所示，半导体激光器光束整形装置，包括在被整形半导体激光器光源21发射的线光束S前进方向上，依次置放的微柱透镜22、柱面透镜23、光束整形器24、由透镜或棱镜组成的聚焦系统25和光纤26，其特点是，微柱透镜22与光束整形器24之间置有柱面透镜23。作为半导体激光器21发射的线光束S的整形元件一光束整形器24，其整形原理是利用光学上的拉格朗日不变量经过光学系统不变的原理，用特殊的光束整形器对半导体激光器的线状激光光束，如图3所示，进行分割、旋转及重排，从而实现半导体激光的光束重组，如图4所示，使经过光束整形器的半导体激光束在快方向和慢方向上的拉格朗日不变量接近，这样就可以用常规的光学元件将其聚焦成一个很小的角分布均匀的光斑，达到整形的目的，并且与光纤的数值孔径匹配，进而可以耦合进光纤。

实施例：

本实施例中光束整形器24为微片棱镜堆，采用微片棱镜堆对光束进行远场分割，半导体激光器发出的线光源21在快方向上的发散角被微柱透镜22准直为光束质量很好的平行光了，但与图1不同的是在光源和微片棱镜堆之间还放置了一个柱面透镜23将光束在慢方向上进行准直，微片棱镜堆对准直后的激光光束进行分割，一定程度上减少了光线在进入微片堆后由于慢方向上的发散在侧面上引起的损耗，对整形效率有一定的改善。对于进入微片棱镜堆宽度一定的光束，由于慢方向发散引起的侧面损耗与微片棱镜底面的长宽比成正比，为了减少侧面损耗，也就必须缩短棱镜的长度或是加大棱镜的厚度，当微片棱镜堆的有效尺寸即进入微片棱镜堆的光束宽度一定时，若增加棱镜片的厚度，有效片数N就会减少，而N的大小又直接影响了光束的重组，进而影响到了最终的整形结果；另一方面，棱镜的长度也受到进入棱镜堆的光束宽度的限制而不能太短，因此不能通缩短棱镜长度或增加棱镜片厚度来减小侧面损耗，这样微片棱镜堆每片的加工厚度较小，加工困难，加工过程中的崩边还会带来一定的边缘损耗。如图2所示，本实用新型是通过远场分割来大大放大进入到微片棱镜堆的光束宽度，通过柱面透镜23对半导体激光器发出的线光源21的慢方向进行准直，结果棱镜片的厚度就可以增加，一定程度上减少了加工和装配上的困难，有利于改善整形效果。本实施例中被整形半导体激光器光源21是三个节半导体激光器。其光束的慢方向长度为D_∥＝500μm，发散角θ_S≈8°，拉格朗日不变量为L_∥＝D_∥×θ_S≈7.0×10⁴μm.mrad；快方向长度为D_⊥＝1μm，发散角θ_f≈50°，L_⊥＝D_⊥×θ_f≈0.9×10³μm.mrad。选取微柱透镜22焦距为f₁＝0.63mm，柱面透镜23焦距f＝55mm；则微片棱镜堆前的入射光束为D_∥＝7.3×10³μm，θ_S＝9.6mrad，D_⊥≈5.5×10²μm，θ_f≈1.6mrad；微片棱镜堆片数N＝5，片厚δ＝1.1mm，底边长15mm的等腰直角三角形；经过微棱镜堆后，D_∥＝7.3×10³μm，θ_S＝1.6mrad，L_∥＝11.7×10³μm.mrad，D_⊥＝2.0×10³μm，θ_f＝9.6mrad，L_⊥＝19.2×10³μm.mrad，均小于光纤能接收的光束的拉格朗日不变量；聚焦系统25由一个非球面透镜组成，聚焦f_c1＝65mm；耦合光纤芯径Φ＝50μm，数值孔径N.A.＝0.22，L＝50μm×25.4°＝2.2×10⁴μm.mrad。加工和装配由片厚δ＝1.1mm的等腰直角三角形组成的微片棱镜是完全可行的，实施的结果可获得发散角内各向均匀对称的圆光斑，通过50μm，N.A＝0.22的光纤耦合输出。如果图2中被整形半导体激光源21是半导体激光器线列阵，将其慢方向长度D_∥增加即可，例如长10mm的线列阵则有D_∥＝10mm；如果图2中被整形半导体激光器光源21是单管半导体激光器，则将其慢方向长度D_∥减少即可，例如发光区长100μm，则有D_∥＝100μm；如图2中被整形半导体激光器光源21是半导体激光器面列阵，将其快方向长度D_⊥增加即可，结果均可获得发散角内各向均匀对称的圆光斑，详细计算结果可分别通过一定芯径和数值孔径的光纤耦合输出。通过上述实施例，充分说明了本实用新型的优点。

Claims (2)

1、一种半导体激光器光束整形装置，包括在被整形半导体激光器光源(21)发射的线光束(S)前进方向上，依次置放的微柱透镜(22)、柱面透镜(23)、光束整形器(24)、由透镜或棱镜组成的聚焦系统(25)和光纤(26)，其特征在于微柱透镜(22)与光束整形器(24)之间置有柱面透镜(23)。

2、根据权利要求1所述的半导体激光器光束整形装置，其特征在于所述的半导体激光器光源(21)被置放在柱面透镜(23)的焦平面上。