專利名稱：離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體激光器陣列光束的整形方法，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光參數(shù)積是衡量激光光束的一個(gè)重要指標(biāo)。光參數(shù)積即光束的直徑與其遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積。當(dāng)激光束在一般的光學(xué)系統(tǒng)中傳輸時(shí)，光束的光參數(shù)積是不變的。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越廣泛的應(yīng)用。目前普遍應(yīng)用的多量子阱(Multi-Quantum-Well，MQW)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)光腔幾何尺寸不對稱，水平和垂直方向分別為100～150微米和1微米，遠(yuǎn)場分布呈像散橢圓狀，垂直于發(fā)光面即快軸方向發(fā)散角(典型值為36°)大于平行即慢軸方向(典型值為8°)。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，因此發(fā)光區(qū)的面積較大，往往都超過10毫米，因此其快、慢軸方向的光參數(shù)積相差很大，達(dá)到500倍，由多條線型半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的堆棧型面陣的光參數(shù)積也相差10多倍，所以為了平衡快、慢軸光參數(shù)積，必須減小慢軸方向的光參數(shù)積，同時(shí)增大快軸方向的光參數(shù)積，即所謂的光束整形變換。
在實(shí)際應(yīng)用中，需要能量集中，發(fā)散角小，準(zhǔn)直度高的聚焦光束或者光纖耦合的激光光束，對于高功率的半導(dǎo)體激光器而言，光纖耦合是最方便、也是最重要的一種光束整形。光束整形就是減小慢軸方向的光參數(shù)積、增大快軸方向的光參數(shù)積，達(dá)到兩個(gè)方向的光參數(shù)積平衡。簡單地說，就是使光束傳輸?shù)饺我馕恢脮r(shí)均呈圓形或正方形?，F(xiàn)有的整形方法有折射整形方法、反射整形方法和折/反射結(jié)合整形法。對于折射整形方法，就是根據(jù)折射原理，光束以一定的角度入射到透明介質(zhì)(如玻璃等)中，方向?qū)l(fā)生改變。如果此介質(zhì)是平行均勻介質(zhì)，光束穿過此介質(zhì)后傳播方向不變，但在入射面內(nèi)位置將發(fā)生移動(dòng)。不同的移動(dòng)量可以通過不同的入射角和介質(zhì)的厚度來控制。采用多層透明介質(zhì)即可實(shí)現(xiàn)光束的重排，從而達(dá)到光束整形的目的。武漢凌云光電有限公司就是采用此辦法。
折/反結(jié)合整形法，一般是利用一個(gè)等腰直角棱鏡的斜邊為折射面，兩個(gè)直角邊為反射面，通過兩個(gè)階梯狀的棱鏡陣列按一定的位置放置來完成光束的重排，從而達(dá)到整形的目的。但是折射整形法和折反射結(jié)合整形法，由于經(jīng)過的折射和反射的次數(shù)較多，在光束準(zhǔn)直度較差的情況下，光束經(jīng)過多次反射和折射后會(huì)彌散開來，整形后的光束的尺寸會(huì)遠(yuǎn)大于高準(zhǔn)直情形下的光束重排的尺寸。美國Apollo Instruments公司就是采用折反射結(jié)合整形技術(shù)。
反射式整形法就是由互相垂直的兩組反射鏡構(gòu)成，每組反射鏡由具有一定位移差的幾個(gè)反射鏡組成，這個(gè)位移差就是快軸方向上的光束寬度。準(zhǔn)平行線光束通過第一組反射后，在快軸方向形成具有一定位移偏差的幾條光斑，這些光斑經(jīng)過第二組反射鏡堆，形成互相平行、在快軸方向方形光斑。這樣快軸方向的光參數(shù)積就增大若干倍，慢軸方向就減小到原來的若干分之一。國外Jenoptik公司就是采用技術(shù)。這種技術(shù)一方面光路發(fā)生了偏折，形成非同軸光路，另一方面反射過程中光斑的每一部分都要反射，效率要降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法，采用該方法使整形器件減少了一半，一方面節(jié)約了成本，另一方面降低了調(diào)整難度，而且由于光是在玻璃介質(zhì)內(nèi)部反射，滿足全反射條件所以減少了反射面鍍膜這個(gè)環(huán)節(jié)。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法，其特點(diǎn)在于在光軸上采用具有不同位移的反射棱鏡構(gòu)成的光束分割陣列，使該棱鏡的直角邊與光軸垂直，準(zhǔn)直后的線光束通過棱鏡的第一垂直面后，被分割成數(shù)目相同的N段光束，進(jìn)入棱鏡內(nèi)部達(dá)到45°反射面后，進(jìn)入與第一個(gè)反射面互相垂直的第二個(gè)45°反射面，通過該面全反射后，從棱鏡的另一個(gè)垂直面出射，由于各個(gè)棱鏡有一定的位移差，被分割的光束產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)疊加后形成光束堆，使快軸方向的光斑尺寸增大了N倍，慢軸方向的光斑尺寸減小到原來的1/N，這樣就實(shí)現(xiàn)了線光束到圓光束或正方形光束的變換。
本發(fā)明與現(xiàn)有反射、折射整形技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)第一，采用一組反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)光束在棱鏡內(nèi)部反射2次實(shí)現(xiàn)光束分割、離軸旋轉(zhuǎn)及疊加整形，比傳統(tǒng)的反射整形而言，整形器件減少了一半，一方面節(jié)約了成本，另一方面降低了調(diào)整難度；第二，由于光是在玻璃介質(zhì)內(nèi)部反射，滿足全反射條件所以可以減少反射面鍍膜這個(gè)環(huán)節(jié)，而僅需在入射、出面鍍增透膜，最后還可以方便地在整形系統(tǒng)中加入可見光波段內(nèi)觀測指示光而不需像外反射那樣需在反射面鍍制雙色膜，使能量光束具有高反射而觀測指示光具有高透過率，使系統(tǒng)的能量光和指示光束同軸。


圖1為本發(fā)明整個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列光束的準(zhǔn)直、準(zhǔn)直光束的5次整形、整形光束的聚焦以及聚焦光束的多模光纖耦合光路圖。其中1為條陣半導(dǎo)體激光器LDA，2為快軸光束準(zhǔn)直器FAC，3為慢軸光束準(zhǔn)直器SAC，4為整形微反射鏡陣列SMM，5為柱面望遠(yuǎn)擴(kuò)束系統(tǒng)，6為雙膠合聚焦透鏡，7為多模耦合光纖。
圖2顯示了整形折疊5次的離軸型全內(nèi)反射整形微反射棱鏡陣列結(jié)構(gòu)。
圖3(a)為整形前的條陣光束，圖3(b)為經(jīng)過5次整形折疊后的光束，圖3(c)為整形光束經(jīng)過慢軸擴(kuò)束兩倍后，光束由線形變成了正方形。
圖4為本發(fā)明中整個(gè)半導(dǎo)體激光器陣列光束的準(zhǔn)直、準(zhǔn)直光束的折疊7次整形和光束的聚焦和聚焦光束的多模光纖耦合光路圖，1為條陣半導(dǎo)體激光器LDA，2為快軸光束準(zhǔn)直器FAC，3為慢軸光束準(zhǔn)直器SAC，4為整形微反射棱鏡陣列SMM，5為柱面望遠(yuǎn)擴(kuò)束系統(tǒng)，6為雙膠合聚焦透鏡，7為多模耦合光纖。
圖5顯示了整形折疊7次的離軸型全內(nèi)反射整形微反射棱鏡陣列結(jié)構(gòu)。
圖6(a)為采用本發(fā)明整形前的條陣光束，6(b)為經(jīng)過本發(fā)明折疊7次整形后的光束，6(c)為整形光束經(jīng)過慢軸擴(kuò)束兩倍后，光束由線形變成了正方形。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明采用一組微反射棱鏡陣列即可實(shí)現(xiàn)條陣光束到方形光束的整形變換，光束在整形齊內(nèi)進(jìn)行了2次反射，整形后光束與整形前光束離軸，因此整形效率有一定提高，具體步驟如下(1)針對不同整形光束折疊要求，選用不同尺寸厚度、不同數(shù)目的微棱鏡構(gòu)成的光束整形器，分割次數(shù)為任意整數(shù)，因此微棱鏡的個(gè)數(shù)為任意整數(shù)。
(2)根據(jù)整形折疊次數(shù)的需要，設(shè)計(jì)整形器的厚度及個(gè)數(shù)。微棱鏡單獨(dú)加工如圖2所示，然后按圖2的組合方式進(jìn)行膠合。
(3)將方向校正微反射鏡組置于半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直光束光路中，讓微棱鏡的直角邊與光束的光軸垂直，光束通過直角邊后進(jìn)入棱鏡的第一斜面，各個(gè)被分割的光束在各個(gè)棱鏡的斜面向上反射后到達(dá)第二斜面，經(jīng)過第二斜面向左反射后從棱鏡的另一直角邊垂直射出，形成圖3(b)所示的矩形光斑，經(jīng)過柱面透鏡構(gòu)成望遠(yuǎn)擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成正方形的光斑，如圖3(c)所示。
(4)將整形光束通過一個(gè)雙膠合的聚焦透鏡，在其焦面上形成一個(gè)聚焦光斑，將其耦合進(jìn)多模光纖中。
本發(fā)明以光束折疊5和7次為例進(jìn)一步詳細(xì)說明。
實(shí)施例1，光束折疊5次。
(1)如圖1所示，條陣半導(dǎo)體激光器經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列后，形成10mm×0.8mm的線型光斑，發(fā)散角為0.2°×2.4°，為了在長度方向上均勻分割10mm光斑，整形微反射鏡陣列中的每個(gè)反射棱鏡的厚度應(yīng)為2mm，微反射鏡的個(gè)數(shù)為5個(gè)。
(2)根據(jù)整形折疊次數(shù)5次的需要，整形微反射鏡陣列中的每個(gè)反射棱鏡的厚度應(yīng)為2mm，棱鏡的兩個(gè)直角邊邊長為0.8mm，各個(gè)棱鏡的位移也為0.8mm，考慮到實(shí)際制作及裝調(diào)情況，設(shè)計(jì)成圖2所示的五塊微反射鏡陣列構(gòu)成的整形器。微棱鏡單獨(dú)加工，然后按圖2的組合方式進(jìn)行膠合。
(3)將方向校正微反射鏡組置于半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直光束光路中，讓微棱鏡的直角邊與光束的光軸垂直，光束通過直角邊后進(jìn)入棱鏡的第一斜面，各個(gè)被分割的光束在各個(gè)棱鏡的斜面向上反射后到達(dá)第二斜面，經(jīng)過第二斜面向左反射后從棱鏡的另一直角邊垂直射出，形成圖3(b)所示的矩形光斑，經(jīng)過柱面透鏡構(gòu)成望遠(yuǎn)擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成正方形的光斑，如圖3(c)所示。
(4)將整形光束通過一個(gè)雙膠合的聚焦透鏡，在其焦面上形成一個(gè)聚焦光斑，將其耦合進(jìn)多模光纖中。
本實(shí)施例的工作過程為如圖1、2所示，條陣半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)出的光束經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直后形成一條形準(zhǔn)平行光束，其光斑尺寸大約為10mm×0.8mm，發(fā)散角為2.4°×0.1°，入射到由5個(gè)微棱鏡構(gòu)成的整形器的垂直表面，這三個(gè)棱鏡相互之間有0.8mm的位移差，光束通過直角邊后被分割成2mm長的5部分后進(jìn)入各自棱鏡，分別到達(dá)45°斜邊反射面均向上反射，到達(dá)與第一棱鏡斜邊成45°的第二斜邊，然后分別向右反射通過棱鏡的另一個(gè)直角邊出射，形成相互平行的5條，長寬分別為2mm×0.8mm，整個(gè)光斑形成4mm×2mm的準(zhǔn)方形光斑，發(fā)散角為2.4°×0.1°，在慢軸方向采用焦距為-19mm和38mm，口徑為19mm和25.4mm的柱面透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴(kuò)束2倍，此時(shí)整個(gè)光斑變?yōu)?mm×4mm，發(fā)散角變?yōu)?.2°×1.2°，采用焦距為15mm，口徑為6mm的雙膠合聚焦透鏡后，光斑尺寸為60um×312um，孔徑角正弦為0.2，所以滿足耦合芯徑400um、數(shù)值孔徑0.22的多模光纖中，形成光纖耦合半導(dǎo)體激光器。
如圖3所示，圖3(a)為整形前的條陣光束，圖3(b)為經(jīng)過本發(fā)明的方法整形后，光束在慢軸上尺寸縮小到原來的1/5，在快軸方向增加到原來的5倍，整個(gè)光束由線形變成了準(zhǔn)正方形，圖3(c)顯示是整形光束經(jīng)過慢軸擴(kuò)束兩倍后，光束由線形變成了正方形。
實(shí)施例2，光束折疊7次。
(1)如圖4所示，條陣半導(dǎo)體激光器經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列后，形成10.5mm×0.8mm的線型光斑，發(fā)散角為0.2°×2.4°，為了在長度方向上均勻分割10.5mm的光斑，整形微反射棱鏡陣列中的每個(gè)反射棱鏡的厚度應(yīng)為1.5mm，總個(gè)數(shù)為7個(gè)。
(2)根據(jù)整形折疊次數(shù)7次的需要，整形微反射棱鏡陣列中的每個(gè)反射棱鏡的厚度應(yīng)為1.5mm，棱鏡的兩個(gè)直角邊邊長為0.8mm，各個(gè)棱鏡的位移也為0.8mm，考慮到實(shí)際制作及裝調(diào)情況，設(shè)計(jì)成圖5所示的五塊微反射棱鏡陣列構(gòu)成的整形器。微棱鏡單獨(dú)加工，然后按圖5的組合方式進(jìn)行膠合。
(3)將方向校正微反射棱鏡組置于半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直光束光路中，讓微棱鏡的直角邊與光束的光軸垂直，光束通過直角邊后進(jìn)入棱鏡的第一斜面，各個(gè)被分割的光束在各個(gè)棱鏡的斜面向上反射后到達(dá)第二斜面，經(jīng)過第二斜面向左反射后從棱鏡的另一直角邊垂直射出，形成圖6(b)所示的矩形光斑，經(jīng)過柱面透鏡構(gòu)成望遠(yuǎn)擴(kuò)束系統(tǒng)后，形成正方形的光斑，如圖6(c)所示。
(4)將整形光束通過一個(gè)雙膠合的聚焦透鏡，在其焦面上形成一個(gè)聚焦光斑，將其耦合進(jìn)多模光纖中。
本實(shí)施例的工作過程為如圖4、5所示，條陣半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)出的光束經(jīng)快、慢軸準(zhǔn)直后形成一條形準(zhǔn)平行光束，其光斑尺寸大約為10.5mm×0.8mm，發(fā)散角為2.4°×0.1°，入射到由7個(gè)微棱鏡構(gòu)成的整形器的垂直表面，這三個(gè)棱鏡相互之間有0.8mm的位移差，光束通過直角邊后被分割成1.5mm長的7部分后進(jìn)入各自棱鏡，分別到達(dá)45°斜邊反射面均向上反射，到達(dá)與第一棱鏡斜邊成45°的第二斜邊，然后分別向右反射通過棱鏡的另一個(gè)直角邊出射，形成相互平行的7條，長寬分別為1.5mm×0.8mm，整個(gè)光斑形成5.6mm×1.5mm的準(zhǔn)方形光斑，發(fā)散角為2.4°×0.1°，在慢軸方向采用焦距為-7.7mm和23mm，口徑為5mm和12.7mm的柱面透鏡組成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)擴(kuò)束3倍，此時(shí)整個(gè)光斑變?yōu)?.6mm×4.5mm，發(fā)散角變?yōu)?.2°×0.8°，采用焦距為12.7mm，口徑為8mm的雙膠合聚焦透鏡后，光斑尺寸為60um×178um，孔徑角正弦為0.2，所以滿足耦合芯徑200um、數(shù)值孔徑0.22的多模光纖中，形成光纖耦合半導(dǎo)體激光器。
整形后的整個(gè)光路相對于原來光路旋轉(zhuǎn)了90°，而且產(chǎn)生了平移，光束在整形器內(nèi)均以全反射的形式傳播，因此稱之為離軸型全反射鏡陣列光束整形。
如圖6所示，圖6(a)整形前的條陣光束，(b)顯示是經(jīng)過該方法整形后，光束在慢軸上尺寸縮小到原來的1/7，在快軸方向增加到原來的7倍，整個(gè)光束由線形變成了準(zhǔn)正方形，6(c)為整形光束經(jīng)過慢軸擴(kuò)束兩倍后，光束由線形變成了正方形。
本發(fā)明的光束的折疊整形次數(shù)不僅限于5或7次，還可以有更多次。
權(quán)利要求
1.離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法，其特征在于在光軸上采用具有不同位移的反射棱鏡構(gòu)成的光束分割陣列，使該棱鏡的直角邊與光軸垂直，準(zhǔn)直后的線光束通過棱鏡的第一垂直面后，被分割成數(shù)目相同的N段光束，進(jìn)入棱鏡內(nèi)部達(dá)到45°反射面后，進(jìn)入與第一個(gè)反射面互相垂直的第二個(gè)45°反射面，通過該面全反射后，從棱鏡的另一個(gè)垂直面出射，由于各個(gè)棱鏡有一定的位移差，被分割的光束產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)疊加后形成光束堆，使快軸方向的光斑尺寸增大了N倍，慢軸方向的光斑尺寸減小到原來的1/N，這樣就實(shí)現(xiàn)了線光束到圓光束或正方形光束的變換。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法，其特征在于所述的光束折疊整形次數(shù)為5次或7次。
全文摘要
離軸型全內(nèi)反射棱鏡陣列實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光束整形方法，其特點(diǎn)在于在光軸上采用具有不同位移的反射棱鏡構(gòu)成的光束分割陣列，使該棱鏡的直角邊與光軸垂直，準(zhǔn)直后的線光束通過棱鏡的第一垂直面后，被分割成數(shù)目相同的N段光束，進(jìn)入棱鏡內(nèi)部達(dá)到45°反射面后，進(jìn)入與第一個(gè)反射面互相垂直的第二個(gè)45°反射面，通過該面全反射后，從棱鏡的另一個(gè)垂直面出射，由于各個(gè)棱鏡有一定的位移差，被分割的光束產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)疊加后形成光束堆，使快軸方向的光斑尺寸增大了N倍，慢軸方向的光斑尺寸減小到原來的1/N，這樣就實(shí)現(xiàn)了線光束到圓光束或正方形光束的變換。本發(fā)明具有調(diào)整容易、結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B5/04GK1651972SQ20051001133
公開日2005年8月10日 申請日期2005年2月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月7日
發(fā)明者周崇喜, 謝偉民, 鄭春燕, 杜春雷, 鄭國興, 楊歡 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所