專利名稱：半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及條陣大功率半導(dǎo)體激光器光束整形時(shí)微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，屬于微細(xì)加工光學(xué)技術(shù)應(yīng)用范疇。
背景技術(shù)：
條陣半導(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。但是其發(fā)散角大、像散大(平行和垂直于結(jié)平面兩方向的發(fā)散角很大)等因素，限制了它的更進(jìn)一步的應(yīng)用。圖1是半導(dǎo)體激光器的子午方向(也叫快軸方向)的光能量分布圖?？梢姡饽芰渴浅矢咚狗植嫉模m然在120°的范圍內(nèi)包絡(luò)了絕大部分能量，但是發(fā)散角太大使其光能量很快發(fā)散，幾乎不能直接應(yīng)用?；∈阜较?也叫慢軸方向)的發(fā)散角比較小，在10°的范圍內(nèi)包絡(luò)了95％以上的能量。慢軸方向的光能量也呈高斯分布。
在激光的實(shí)際應(yīng)用中，需要高能量密度、小發(fā)散角的光束，所以就需要對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。由于大功率半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性，使用宏透鏡準(zhǔn)直的方法對(duì)它無(wú)能為力。首先，由于其發(fā)散角大，相應(yīng)的準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑也必須較大，大數(shù)字孔徑的微透鏡制作起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單；其次，由于存在較大像散，所以不能采用具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的透鏡，更不能采用一個(gè)透鏡來(lái)準(zhǔn)直如此大像散的光束，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；而且，要實(shí)現(xiàn)大功率，激光器的結(jié)構(gòu)必然是陣列化，其單元發(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)?，不能采用傳統(tǒng)的單一長(zhǎng)焦距、大口徑的宏透鏡進(jìn)行陣列光束準(zhǔn)直而只能采用陣列型的微透鏡；最后，為了得到小發(fā)散角、高質(zhì)量的準(zhǔn)直光束，還須采用非球面面形透鏡?？傊?，為了實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束的準(zhǔn)直，必須采用非球面、大數(shù)值孔徑微透鏡陣列對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。(參見《條陣半導(dǎo)體激光器陣列光束混合光學(xué)準(zhǔn)制聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，作者周崇喜、杜春雷，V3 NO.1 JUNE5 2000《光學(xué)儀器》。)系統(tǒng)的光路圖如圖2(a)和圖2(b)所示，光源是由19個(gè)發(fā)光區(qū)組成的條陣半導(dǎo)體激光器，需要對(duì)兩個(gè)方向分別準(zhǔn)直。光源發(fā)出的光經(jīng)過(guò)快軸透鏡后，快軸方向被準(zhǔn)直，慢軸方向并沒有被準(zhǔn)直；然后光束經(jīng)過(guò)慢軸透鏡陣列后，慢軸方向被準(zhǔn)直，兩個(gè)方向合成后，出射光束就成了平行光。
對(duì)條陣激光器而言，快軸微透鏡陣列只有一個(gè)透鏡，(為了便于說(shuō)明，現(xiàn)以國(guó)產(chǎn)19發(fā)光區(qū)的激光器為例。)慢軸微透鏡陣列有多于19個(gè)微透鏡，(實(shí)際上只有19個(gè)微透鏡可用，多于19個(gè)是便于調(diào)節(jié)。)兩個(gè)微透鏡陣列是以正交的方式組合的。由于激光器兩個(gè)方向的發(fā)散角的差異太大，所以準(zhǔn)直的效果上看，快軸方向的效果十分明顯。
由于微透鏡陣列的尺寸比較小，在裝夾和調(diào)節(jié)時(shí)比較困難，一般的方法是先調(diào)節(jié)快軸透鏡，將其固定；再調(diào)節(jié)慢軸透鏡，再固定。這樣就需要兩次的裝夾和精密調(diào)節(jié)，增加了調(diào)節(jié)工序和調(diào)節(jié)設(shè)備，而且調(diào)節(jié)精度也降低。

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，提供一種先將微透鏡陣列組合成一個(gè)微透鏡陣列對(duì)，用一次裝夾和調(diào)節(jié)完成整個(gè)工作，而且還可以得到比分步調(diào)節(jié)更高的精度的半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特點(diǎn)在于包括下列步驟(1)將兩個(gè)微透鏡陣列在加入光路前組合成微透鏡對(duì)；(2)用一次裝夾和調(diào)節(jié)完成兩個(gè)微透鏡的精密調(diào)節(jié)。
上述的步驟(1)中組合成微透鏡對(duì)采用粘結(jié)方法，快軸透鏡在前，慢軸透鏡在后，且粘結(jié)時(shí)采用透鏡架，以便微透鏡陣列在光路調(diào)節(jié)完畢后進(jìn)行固定；微透鏡對(duì)之間的距離是經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的，即通過(guò)實(shí)測(cè)微透鏡的矢高、面形、口徑來(lái)計(jì)算微透鏡陣列的焦距差，然后計(jì)算微透鏡陣列之間的焦距差后，來(lái)確定微透鏡之間的距離。
上述步驟(2)中透鏡對(duì)的調(diào)節(jié)過(guò)程中，以快軸為準(zhǔn)，快軸的最佳位置就是慢軸的最佳位置。
本發(fā)明相比于現(xiàn)有技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)有技術(shù)應(yīng)用微透鏡陣列隊(duì)對(duì)半導(dǎo)體激光光束的準(zhǔn)直過(guò)程中，需要對(duì)微透鏡陣列進(jìn)行多次精密調(diào)節(jié)，微透鏡陣列尺寸小，裝夾和調(diào)節(jié)難度很大，調(diào)節(jié)的精度不容易提高；本發(fā)明是將兩個(gè)微透鏡陣列在加入光路前組合成微透鏡對(duì)，這樣可以減少精密調(diào)節(jié)的次數(shù)，降低裝夾和調(diào)節(jié)難度，同時(shí)還大大提高了調(diào)節(jié)精度。


圖1為條陣半導(dǎo)體激光器陣列包絡(luò)能量隨光束包絡(luò)散角的關(guān)系圖(快軸方向)；圖2(a)為條陣半導(dǎo)體激光器陣列光束準(zhǔn)直方案俯視圖；圖2(b)為條陣半導(dǎo)體激光器陣列光束準(zhǔn)直方案?jìng)?cè)視圖；圖3為本發(fā)明中帶基片的微透鏡陣列對(duì)，1為快軸透鏡，2為慢軸透鏡；圖4為本發(fā)明中微透鏡陣列對(duì)的裝載示意圖(快慢軸透鏡的圖形面均朝向光源)，其中1為快軸透鏡，2為慢軸透鏡，3為支架；圖5(a)和圖5(b)分別為條陣半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直前后光斑的對(duì)比，其中圖5(a)為準(zhǔn)直前的光斑，圖5(b)為準(zhǔn)直后的光斑；圖6(a)為本發(fā)明進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中采用的微透鏡對(duì)透鏡架的結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；圖6(b)為本發(fā)明進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中采用的微透鏡對(duì)透鏡架的結(jié)構(gòu)主視圖；圖6(c)本發(fā)明進(jìn)行調(diào)節(jié)過(guò)程中采用的微透鏡對(duì)透鏡架的結(jié)構(gòu)俯視圖。
具體實(shí)施例方式
如圖3所示，本發(fā)明中的微透鏡陣列是用微細(xì)加工的方法制作出來(lái)的，口徑只有幾百個(gè)微米，它是帶基片的快慢軸透鏡陣列(實(shí)際的比例比圖示的小，基片厚度是矢高的幾十倍)。在將微透鏡陣列加入光路前，先計(jì)算微透鏡陣列之間的距離，再采用精密對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，將兩個(gè)微透鏡陣列按照正交的方向粘結(jié)起來(lái)，快軸透鏡在前，慢軸透鏡在后，組成微透鏡陣列對(duì)，如圖4所示。組合粘結(jié)的過(guò)程是激光器的發(fā)光區(qū)的尺寸為1×100微米，可以按照幾何光學(xué)等效為點(diǎn)光源，通過(guò)實(shí)測(cè)的微透鏡的矢高、面形、口徑來(lái)計(jì)算微透鏡陣列的焦距差，計(jì)算微透鏡陣列之間的焦距差后，可以確定微透鏡之間的距離，發(fā)光區(qū)的兩個(gè)方向的垂直度是完全可以保證的。實(shí)際應(yīng)用中，采用圖6(a)和6(b)所示的透鏡架來(lái)裝載兩個(gè)微透鏡陣列，先將快軸微透鏡1裝載到支架3上，粘結(jié)固緊，再將慢軸微透鏡陣2裝載到支架3上，將兩個(gè)微透鏡陣列的光軸調(diào)節(jié)到正交位置，粘結(jié)固緊，這樣就組成了微透鏡陣列對(duì)，裝載后的微透鏡對(duì)如圖4所示。
然后，對(duì)微透鏡陣列對(duì)進(jìn)行調(diào)節(jié)。調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)在于第一，快慢軸透鏡準(zhǔn)直的是同一個(gè)光源，組合調(diào)節(jié)比分開調(diào)節(jié)減少了一次裝夾和精密調(diào)節(jié)的工序，如果分開調(diào)節(jié)，需要等到快軸透鏡粘結(jié)固化后才能裝夾和調(diào)節(jié)慢軸透鏡；第二，微透鏡陣列在光路外調(diào)節(jié)和粘結(jié)都十分方便，而且精度更高；第三，分開調(diào)節(jié)時(shí)，快軸方向調(diào)節(jié)好后，再調(diào)節(jié)慢軸，此時(shí)慢軸方向的變化較快軸方向小，這樣就很難通過(guò)探測(cè)或觀察來(lái)判斷是否達(dá)到了最好的效果；第四，若采用外加六維調(diào)節(jié)架調(diào)節(jié)兩個(gè)透鏡，固定一個(gè)透鏡架比較簡(jiǎn)單，將兩個(gè)透鏡分開固定比較麻煩；若采用系統(tǒng)內(nèi)置調(diào)節(jié)架，這種方法就更加簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)簡(jiǎn)易內(nèi)置調(diào)節(jié)架就可以將光路調(diào)節(jié)完畢，節(jié)省時(shí)間的同時(shí)也節(jié)省了空間；第五，微透鏡之間的透鏡架可以方便地將透鏡陣列固定在系統(tǒng)上，快軸微透鏡的基片被切成很小的形狀是為了縮小調(diào)節(jié)范圍，慢軸透鏡陣列的形狀比較大是避免快軸調(diào)節(jié)過(guò)程中慢軸透鏡陣列偏離光路，同時(shí)便于裝夾和粘結(jié)。將透鏡對(duì)粘結(jié)在透鏡架上不會(huì)影響光路。
實(shí)施例，采用本方法組合和調(diào)節(jié)以下系統(tǒng)，對(duì)國(guó)產(chǎn)19發(fā)光區(qū)40W半導(dǎo)體激光器。首先，根據(jù)包絡(luò)能量的90％計(jì)算微透鏡對(duì)的參數(shù)，見表一。
表一，激光器的參數(shù)和所設(shè)計(jì)的非球面透鏡對(duì)的參數(shù)主要參數(shù)快軸 慢軸波長(zhǎng)(um)0.808 0.808陣列數(shù) 1×1 1×19面型雙曲線雙曲線口徑(um)300 500數(shù)值孔徑0.31 0.1根據(jù)計(jì)算得到的參數(shù)快軸透鏡的焦距f1＝461um，慢軸透鏡的焦距f2＝2857um，發(fā)光區(qū)兩個(gè)方向的焦距差561um，快軸基片厚度1500um，所以，快慢軸之間的距離為635um。用精密光學(xué)技術(shù)調(diào)節(jié)和對(duì)準(zhǔn)快慢軸透鏡，采用粘結(jié)方法，按照快軸透鏡在前，慢軸透鏡在后將其粘結(jié)牢固，粘接時(shí)借助于透鏡架，以便微透鏡陣列在光路調(diào)節(jié)完畢后進(jìn)行固定；然后進(jìn)行快慢軸透鏡對(duì)的調(diào)節(jié)，其調(diào)節(jié)過(guò)程是以快軸為準(zhǔn)，快軸的最佳位置就是慢軸的最佳位置，調(diào)節(jié)過(guò)程中。準(zhǔn)直后光束參數(shù)為快軸方向?yàn)?mrad，慢軸方向?yàn)?8mrad，光能量達(dá)到了包絡(luò)能量的90％，達(dá)到了實(shí)際應(yīng)用的要求。光束照片如圖5所示。分開調(diào)節(jié)時(shí)，快軸方向可以達(dá)到8mrad，慢軸方向不易達(dá)到18mrad，一般大一到二倍。
權(quán)利要求
1.半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于包括下列步驟(1)將兩個(gè)微透鏡陣列在加入光路前組合成微透鏡對(duì)；(2)再用一次裝夾和調(diào)節(jié)完成精密調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述的步驟(1)中組合成微透鏡對(duì)采用粘結(jié)方法，快軸透鏡在前，慢軸透鏡在后。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述的步驟(1)中微透鏡對(duì)之間的距離是經(jīng)過(guò)計(jì)算得出的，即通過(guò)實(shí)測(cè)微透鏡的矢高、面形、口徑來(lái)計(jì)算微透鏡陣列的焦距差，然后計(jì)算微透鏡陣列之間的焦距差后，來(lái)確定微透鏡之間的距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述的步驟(2)中透鏡對(duì)的調(diào)節(jié)過(guò)程是，以快軸為準(zhǔn)，快軸的最佳位置就是慢軸的最佳位置。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于所述的粘結(jié)方法采用透鏡架，以便微透鏡陣列在光路調(diào)節(jié)完畢后進(jìn)行固定。
全文摘要
半導(dǎo)體激光器光束準(zhǔn)直微透鏡陣列對(duì)的組合和調(diào)節(jié)方法，其特征在于將兩個(gè)微透鏡陣列在加入光路前組合成微透鏡對(duì)，再用一次裝夾和調(diào)節(jié)完成精密調(diào)節(jié)，這樣可以減少精密調(diào)節(jié)的次數(shù)，降低裝夾和調(diào)節(jié)難度，同時(shí)提高了調(diào)節(jié)精度。
文檔編號(hào)G02B3/08GK1553244SQ0312357
公開日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)明者謝偉民, 周崇喜, 杜春雷, 鄧啟凌, 劉銀輝 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所