CN2890961Y - 大功率半导体激光器阵列光束准直系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，包括一半导体激光器阵列(1)，其特征是：多根平凸自聚焦光纤(2)的凸端与所述的半导体激光器阵列(1)的多个发光区一一对应对准排列。所述的多根平凸自聚焦光纤(2)是用具有多个V型槽的槽板(3)将所述的多根平凸自聚焦光纤(2)排列成线阵而与所述的半导体激光器阵列(1)的发光区一一对应对准的。利用精密V型槽使每一根自聚焦光纤对应一个发光区，对每个发光区光束的快轴和慢轴同时进行准直。本实用新型所采用的自聚焦光纤具有体积小、成本低、光能利用率高、准直效果好等优点。平凸自聚焦光纤可以进一步增大数值孔径，减小像差。本实用新型实现了对大功率半导体激光器阵列光束的准直和消像散。

Description

大功率半导体激光器阵列光束准直系统

技术领域

本实用新型涉及激光器，特别是一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统。

背景技术

半导体激光器由于具有光电转换效率高、体积小、寿命长、功率密度高等优点，已成为固态激光器最有效的泵浦源。随着大功率半导体激光器的发展，半导体抽运的固态激光器的研究工作取得了很大的进展。

半导体激光器固有的结构特点决定了它存在一个严重的不足就是它的不对称性，具有像散和较大发散角的输出光束。光束的光斑形状成椭圆状，垂直于发光面的方向(快轴)具有较大的发散角，通常为40°左右，平行于发光面方向(慢轴)的发散角相对较小，大约在10°左右。

通过阵列的方式提高半导体激光器的功率是现在常用的方法，如何提高半导体激光器阵列的光束质量，是关系其应用的重要步骤。现在提高大功率半导体激光器阵列光束质量方面，有两条技术路线：利用微光学系统或者光纤阵列的方法。微光学系统的方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜阵列等)对光束进行整形、变换，将阵列器件中的各发光单元的输出光束变换为平行光束。微透镜系统方法的优点是可以同时对大功率半导体激光器阵列的快轴和慢轴方向同时准直，并且准直效果很好；缺点是微透镜阵列加工难度大，相对来说价格比较昂贵。光纤阵列方法是通过光学系统将激光器阵列各发光单元与相同数目的光纤一一耦合，然后在光束出射端再进行集束。现在光纤阵列中用的光纤都是阶跃光纤，这种光纤阵列方法的优点是耦合光纤系统相对较为简单，成本低，光束整形好；缺点是光束的发散角大。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统。该系统应具有结构简单、成本较低、光束的准直度高、发散角较小的优点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，包括一半导体激光器阵列，其特征是：多根平凸自聚焦光纤的凸端与所述的半导体激光器阵列的多个发光区一一对应对准排列。

所述的多根平凸自聚焦光纤是用具有多个V型槽的槽板将所述的多根平凸自聚焦光纤排列成线阵而与所述的半导体激光器阵列的发光区一一对应对准的。

所述的平凸自聚焦光纤具有的数值孔径为N.A.＞0.2。

所述的平凸自聚焦光纤的长度Z为：

$\frac{(m-1)L}{4}<z<\frac{\mathrm{mL}}{4}$

其中m为奇数，L为近轴光线的空间周期长度。

一种大功率半导体激光器阵列光束的准直系统，用V型槽使平凸自聚焦光纤排列成线阵，并通过精密调整台调整光纤阵列使自聚焦光纤与半导体激光器阵列的发光区一一对应来实现对大功率半导体激光器阵列光束的准直。

所述的自聚焦光纤是一种梯度折射率光纤，纤芯的折射率从光轴开始沿径向大致按抛物线型规律逐渐减小。在自聚焦光纤中传输的光束的光线轨迹是一族以光纤光轴为对称轴的正弦曲线。

由于半导体激光器的快轴方向发散角较大，所以在应用中把自聚焦光纤前端面加工成曲面，增大其数值孔径，完成对快轴方向的准直，并且可以消除像散。

采用平凸自聚焦光纤阵列对半导体激光器阵列光束准直，需要使每根自聚焦光纤对应一个发光区。半导体激光器的发光区成周期性排列，通过选择精密V型槽可以保证自聚焦光纤阵列与发光区阵列的对准，所选择的精密V型槽的周期长度应等于发光区的周期长度。利用三维精密调整台可以控制自聚焦光纤与发光区的对准以及自聚焦光纤到发光点的距离。

本实用新型的原理是：

自聚焦光纤要完成自聚焦作用，必须使通过光纤的所有光线满足光程相同。这样就要求自聚焦光纤中纤芯的折射率从光轴开始沿径向大致按抛物线规律分布而逐渐减小，基于几何光学中全反射定律，光在纤芯中传播自动地从折射率较小的界面向光轴会聚。

自聚焦光纤沿径向的折射率分布函数为：

      n²(r)＝n²(0)(1-g²r²)

其中，g称为折射率分布常数，且g＜＜1，n(0)为轴上折射率。选取光纤光轴为z轴，光纤光轴和光纤前端面交点为原点，则光线的轨迹方程：

      r(z)＝r_maxsin[(g/cosα₀)·z+Φ₀]

式中，r_max和Φ₀由原点o处光线的入射方向α₀和该光线在z＝0平面内的坐标来确定。由上式可知光线轨迹为一族以光纤光轴为对称轴的正弦曲线，空间周期长度为：

      L＝2π·(cosα₀/g)

即自聚焦光纤的周期长度与光线初始方向入射角有关。

对于半导体激光器慢轴方向光束：

      cosα₀＝cos(θ₀/2)＝cos(10°/2)＝0.9962

可以看出半导体激光器慢轴方向光束的发散对周期长度影响不大。

对于快轴方向光束：

      cosα₀＝cos(θ₀/2)＝cos(40°/2)＝0.9397

对周期长度有一定影响。通过把光纤前端面做成曲面，可以消除由于快轴方向光束太大对自聚焦光纤周期长度的影响，并且可以矫正像散。

通过选取自聚焦光纤的长度z

$\frac{(m-1)L}{4}<z<\frac{\mathrm{mL}}{4}$ m为奇数

使自聚焦光纤的焦点位于光纤端面以外，便于准直。其中L为近轴光线的空间周期长度。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

用微透镜系统准直阵列光束，发散角可以压缩到很小，但微透镜组加工难度太大，成本相对来说比较昂贵。而用阶跃光纤阵列对阵列光束准直，成本低，但对慢轴方向的发散角没有准直，所以发散角偏大。本实用新型继承了光纤阵列方法结构简单、成本较低、光束整形好，光能利用率高等优点外，也完成了对大功率半导体激光器阵列光束快轴和慢轴的同时准直，对光束的准直度也有了很大的提高。

附图说明

图1为本实用新型实施例1的立体示意图。

图2为本实用新型实施例1中自聚焦光纤的侧视示意图。

图3为本实用新型实施例2中自聚焦光纤的侧视示意图。

图4为发明实施例3的立体示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明。

先请参阅图1，图1为本实用新型实施例1的立体示意图。由图可见，本实用新型大功率半导体激光器阵列光束准直系统，包括一半导体激光器阵列1，其特征是：多根平凸自聚焦光纤2用具有多个V型槽的槽板3将所述的多根平凸自聚焦光纤2排列成线阵，每一根平凸自聚焦光纤2的凸端面与所述的半导体激光器阵列1的发光区一一对应对准。所述的平凸自聚焦光纤2的形状如图2所示，其凸端面为球面。使得所述的平凸自聚焦光纤(2)具有的数值孔径N.A.＞0.2。所述的平凸自聚焦光纤的长度Z满足下列条件：

$\frac{(m-1)L}{4}<z<\frac{\mathrm{mL}}{4}$

其中m为奇数，L为近轴光线的空间周期长度。

实施例1

把自聚焦光纤2的前端面做成球面21，如图2所示，固定到V型槽3中，形成光纤阵列，并保证光纤阵列前端面对齐。通过V型槽3可以精确控制光纤阵列的周期长度等于大功率半导体激光器阵列发光区的周期长度。

通过三维精密调整台控制平凸自聚焦光纤2到大功率半导体激光器1发光面的距离，使自聚焦光纤2的焦点位于大功率半导体激光器1光束的束腰处，并使每根自聚焦光纤对应一个发光区，从而实现对半导体激光器阵列光束的准直。

实施例2

自聚焦光纤2的前端面加工成抛物面22，如图3所示。通过V型槽3把平凸自聚焦光纤排列成线阵，并保证平凸自聚焦光纤阵列前端面对齐，从而组成大功率半导体激光器阵列准直系统，完成对阵列光束的准直。

实施例3

如图4所示，将图1的技术方案加以扩展，将线阵大功率半导体激光器1扩展为面阵，所述的平凸自聚焦光纤2发展为空间分布并保障每根平凸自聚焦光纤2的前端曲面与所述的面阵大功率半导体激光器1的发光区一一对应。

实验表明，本实用新型所采用的自聚焦光纤具有体积小、成本低、光能利用率高、准直效果好等优点。平凸自聚焦光纤可以进一步增大数值孔径，减小像差。本实用新型实现了对大功率半导体激光器阵列光束的准直和消像散。本实用新型不仅适用于大功率条阵半导体激光器的光束准直，而且还适用于大功率面阵半导体激光器的光束准直。准直后激光束发散角为0.01°数量级。

Claims (4)

1、一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，包括一半导体激光器阵列(1)，其特征是：多根平凸自聚焦光纤(2)的凸端与所述的半导体激光器阵列(1)的多个发光区一一对应对准排列。

2、根据权利要求1所述的大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特征是所述的多根平凸自聚焦光纤(2)是用具有多个V型槽的槽板(3)将所述的多根平凸自聚焦光纤(2)排列成线阵而与所述的半导体激光器阵列(1)的发光区一一对应对准的。

3、根据权利要求1所述的大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特征是所述的平凸自聚焦光纤(2)具有的数值孔径N.A.＞0.2。

4、根据权利要求1所述的大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特征是所述的平凸自聚焦光纤的长度Z为：

$\frac{(m-1)L}{4}<z<\frac{\mathrm{mL}}{4}$

其中m为奇数，L为近轴光线的空间周期长度。

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