專利名稱：采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光束的準(zhǔn)直方法，特別是對(duì)采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，屬于微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器由于體積小、功率大、電光轉(zhuǎn)換效率高而得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器發(fā)光具有以下特點(diǎn)第一，半導(dǎo)體激光器發(fā)光腔幾何尺寸不對(duì)稱，遠(yuǎn)場(chǎng)分布呈像散橢圓狀，垂直于發(fā)光面方向(快軸)發(fā)散角大于平行方向(慢軸)。一般半導(dǎo)體激光器快軸方向的光強(qiáng)分布呈高斯分布，慢軸方向呈超高斯分布，發(fā)散角定義為光強(qiáng)下降到最大值一半(WHHM)或 時(shí)的包絡(luò)角度，也有按積分能量包絡(luò)的多少來(lái)定義其發(fā)散角；第二，大功率半導(dǎo)體激光器不是單一一個(gè)發(fā)光區(qū)，而是由多個(gè)發(fā)光區(qū)構(gòu)成的陣列，如條陣(線陣)或面陣，因此發(fā)光區(qū)的面積較大，往往都超過(guò)10毫米。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要能量集中，發(fā)散角小，準(zhǔn)直度高的激光光束，這就需要對(duì)半導(dǎo)體激光器光束進(jìn)行準(zhǔn)直。因此諸如準(zhǔn)直、聚焦折疊、耦合等光束整形問(wèn)題必須解決。鑒于大功率半導(dǎo)體激光器的特殊性，使常規(guī)準(zhǔn)直方法對(duì)它無(wú)能為力，其原因是首先，由于其發(fā)散角大，相應(yīng)的準(zhǔn)直微透鏡的數(shù)值孔徑也必須較大；其次，由于存在像散，所以不能采用具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透鏡，而需采用兩不同焦距、不同數(shù)值孔徑的柱面透鏡進(jìn)行兩方向的光束分別準(zhǔn)直；另外，其中單元發(fā)光區(qū)尺寸及間距周期均較小，一般為微米量級(jí)，根據(jù)幾何光學(xué)的拉氏不變?cè)恚绮捎贸Ｒ?guī)宏光學(xué)系統(tǒng)，那么需采用焦距很長(zhǎng)的光學(xué)透鏡，而且還必須滿足成完善像的條件，這樣的系統(tǒng)這兩個(gè)條件往往不能同時(shí)滿足。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，使用該方法能夠得到能量集中，發(fā)散角小，準(zhǔn)直度高的激光光束。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，其特征在于采用正交連續(xù)微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直。
所述的正交連續(xù)微透鏡中的兩柱面微透鏡分別對(duì)垂直結(jié)方向(快軸方向)和平行結(jié)方向(慢軸方向)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直?？燧S方向采用每一個(gè)柱面鏡分別對(duì)每一條激光器的光束實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直，使柱面透鏡的焦點(diǎn)位于大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)光區(qū)位置，口徑等于或小于陣列激光器中各條之間的間距；同理慢軸方向采用多個(gè)柱面透鏡排列起來(lái)形成線陣，每一個(gè)微透鏡和每一條激光器的一個(gè)發(fā)光區(qū)(emitter)一一對(duì)應(yīng)，其柱面透鏡的口徑等于或小于發(fā)光區(qū)的周期，焦點(diǎn)位于發(fā)光區(qū)位置，分別對(duì)每一個(gè)發(fā)光區(qū)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)目前有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的宏透鏡準(zhǔn)直方法和光纖準(zhǔn)直方法。宏光學(xué)準(zhǔn)直法主要是針對(duì)發(fā)光區(qū)域較小的面陣激光器，總面積小于1mm×mm的激光器，由于結(jié)構(gòu)的限制，該系統(tǒng)不適于較大面陣的激光器，為了得到較小的發(fā)散角，須使用長(zhǎng)焦距物鏡，這樣必然使整個(gè)系統(tǒng)體積增大。同時(shí)，由于半導(dǎo)體激光器存在像散，采用旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)不利于消除子午和弧矢方向的像散，也限制了其應(yīng)用領(lǐng)域。光纖透鏡準(zhǔn)直方法由于光纖柱面結(jié)構(gòu)的限制，存在球差，使準(zhǔn)直精度和準(zhǔn)直效率不能同時(shí)達(dá)到平衡。采用正交微透鏡陣列的方法既可以實(shí)現(xiàn)大面陣半導(dǎo)體激光器陣列光束的準(zhǔn)直，又能實(shí)現(xiàn)高效、小發(fā)散角的光束準(zhǔn)直。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的俯視圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的側(cè)視圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例1中的15W激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的俯視圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施2的側(cè)視圖；圖6為本發(fā)明實(shí)施2中的40W激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2、3、4、5、6所示，本發(fā)明的原理是半導(dǎo)體激光器A和A′快軸方向所發(fā)出的光束為高斯光束，根據(jù)激光原理，高斯光束的波前為球面，但是其球心并非位于束腰中心，而是位于束腰前面，并且大小隨時(shí)變化的，其球面波半徑隨傳播距離z的變化而變化，可表示為R(z)=z+z02z---(1)]]>其中，z0為高斯光束的瑞利長(zhǎng)度(或共焦參數(shù))，z為傳播位置離束腰的距離。但由于半導(dǎo)體激光器A和A′的諧振腔較小，因此其瑞利長(zhǎng)度較小，一般為微米量級(jí)，而考察波面一般距離束腰較遠(yuǎn)(一般為毫米量級(jí))，因此(1)式中的第二項(xiàng)可以忽略，這樣實(shí)際上高斯光束的等效球面波的球心可以近似為位于束腰的中心處。根據(jù)波動(dòng)光學(xué)，這樣的球面波準(zhǔn)直，只需使準(zhǔn)直透鏡的前焦點(diǎn)放于束腰位置處即可。需準(zhǔn)直的高斯光束束腰位于透鏡的前焦點(diǎn)時(shí)，出射光束的束腰達(dá)到極大值，發(fā)散角達(dá)到極小值，此時(shí)的發(fā)散角與準(zhǔn)直前發(fā)散角之比為M=θ′θ=πω02λ/f′=z0f′---(2)]]>準(zhǔn)直后的發(fā)散角為θmin=2ω0f---(3)]]>快軸方向若ω0＝0.5um，λ＝0.808um，z0＝0.97um，f′＝500um，M＝1/500，若入射激光束的發(fā)散角為36°，則理想準(zhǔn)直光束發(fā)散角為0.072°＝1.25mrad。若入射激光束的發(fā)散角為60°，則理想準(zhǔn)直光束發(fā)散角為0.12°＝2.1mrad。
慢軸方向是由多個(gè)線陣發(fā)光源構(gòu)成(典型值N＝19個(gè))，每個(gè)發(fā)光源長(zhǎng)度為δ＝50～200um(典型值為100um)，寬為1um，間距為Δ＝500um，發(fā)散角典型值為10°。采用一個(gè)微透鏡和一個(gè)發(fā)光區(qū)一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)直，此時(shí)的準(zhǔn)直微光學(xué)系統(tǒng)單元也滿足拉赫不變?cè)鞪unit＝nsin uyunit＝nsin u′y′unit(4)對(duì)應(yīng)每一個(gè)單元的拉赫不變量為Junit＝sin(10°/2)×(0.1/2)＝0.00436mm×rad。微透鏡子孔徑2y′unit須小于其陣列的周期間距0.500mm，根據(jù)(3)式可得發(fā)散角2uunit′最小為2.0°。
若發(fā)散角為11.4°，根據(jù)(3)式，即可計(jì)算出發(fā)散角為2.28°。
下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明。
實(shí)施例1如圖1、2、3所示，采用的條陣半導(dǎo)體激光器A為由19個(gè)發(fā)光區(qū)構(gòu)成的15瓦激光器，波長(zhǎng)為0.808微米，其每一個(gè)發(fā)光區(qū)的尺寸大小為1微米×100微米，相鄰發(fā)光區(qū)之間的間距為500微米，因此條陣半導(dǎo)體激光器A的總發(fā)光區(qū)為9.5毫米。為此采用的快軸準(zhǔn)直微柱面透鏡B的口徑為300微米，長(zhǎng)度為12毫米焦距為260微米。準(zhǔn)直慢軸的微透鏡陣列C的口徑為500微米，長(zhǎng)度為3毫米，焦距為2000微米，陣列數(shù)為19個(gè)，準(zhǔn)直后快軸方向的發(fā)散角為0.2°，慢軸方向的光束發(fā)散角為2.18°。
實(shí)施例2如圖4、圖5圖6所示，采用的條陣半導(dǎo)體激光器A′為由19個(gè)發(fā)光區(qū)構(gòu)成的40瓦激光器，波長(zhǎng)為0.808微米，其每一個(gè)發(fā)光區(qū)的尺寸大小為1微米×150微米，相鄰發(fā)光區(qū)之間的間距為500微米，因此條陣半導(dǎo)體激光器的總發(fā)光區(qū)為9.5毫米。為此采用的快軸準(zhǔn)直微柱面透鏡B′的口徑為300微米，長(zhǎng)度為12毫米，焦距為260微米。準(zhǔn)直慢軸的微透鏡陣列C′的口徑為500微米，長(zhǎng)度為3毫米，焦距為2000微米，陣列數(shù)為19個(gè)，準(zhǔn)直后快軸方向的發(fā)散角為0.2°，慢軸方向的光束發(fā)散角為2.5°。
權(quán)利要求
1.采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，其特征在于采用正交連續(xù)微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，其特征在于所述的正交連續(xù)微透鏡中的兩柱面微透鏡分別對(duì)垂直結(jié)方向(快軸方向)和平行結(jié)方向(慢軸方向)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，其特征在于快軸方向采用單一柱面鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直；慢軸方向采用多個(gè)柱面透鏡排列起來(lái)形成線陣，每一個(gè)微透鏡和一個(gè)發(fā)光區(qū)一一對(duì)應(yīng)，分別對(duì)每一個(gè)發(fā)光區(qū)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。
全文摘要
采用微透鏡陣列對(duì)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光束準(zhǔn)直的方法，正交連續(xù)微透鏡中的兩柱面微透鏡分別對(duì)垂直結(jié)方向(快軸方向)和平行結(jié)方向(慢軸方向)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直?？燧S方向采用單一柱面鏡實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直；慢軸方向采用多個(gè)柱面透鏡排列起來(lái)形成線陣，每一個(gè)微透鏡和一個(gè)發(fā)光區(qū)(emitter)一一對(duì)應(yīng)，分別對(duì)每一個(gè)發(fā)光區(qū)的光束進(jìn)行準(zhǔn)直。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了對(duì)大功率半導(dǎo)激光器光束的準(zhǔn)直和消像散，從而得到能量集中，發(fā)散角小，準(zhǔn)直度高的激光光束，本發(fā)明不僅適用于大功率條陣半導(dǎo)體激光器的光束整形，而且還適用于面陣的大功率半導(dǎo)體激光器的光束整形。
文檔編號(hào)G02B27/10GK1553243SQ0312357
公開(kāi)日2004年12月8日 申請(qǐng)日期2003年5月29日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月29日
發(fā)明者周崇喜, 杜春雷, 鄧啟凌, 劉銀輝, 謝偉民 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所