專利名稱：一種面陣半導體激光器的光束整形裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種大功率面陣半導體激光器的光束整形裝置。
技術背景相對于其它類型的激光器，半導體激光器(LD)具有體積小、重量輕、效率高、壽命長、 可以直接電流調制等優(yōu)點，因此在工業(yè)、醫(yī)療、軍事、通訊等各個領域被廣泛的應用。但是 半導體激光器也有其與生俱來的缺陷，在垂直于p-n結平面方向(快軸方向)上有源層尺寸 約為l"m，光束發(fā)散角30°_60°，在平行于p-n結平面方向(慢軸方向)上有源層的尺寸約 為100 200ym，發(fā)散角6-10°，快慢軸束腰尺寸和發(fā)散角的不對稱使得其光束質量相差很 大，輸出光束還具有嚴重的像散(快軸和慢軸方向上的束腰位置不在同一位置，距離一般超 過40ym)，這都不利于光束聚焦得到小光斑。衡量光束質量，我們通常用光束參量積(BPP)， 其定義為激光束的束腰直徑^。(一般采用半導體激光器件的有源層尺寸作為束腰直徑的近 似值)與發(fā)散角S (FWl/e2)的乘積，其單位為mm*mrad。金屬切割、焊接、打孔等材料加工要求激光具有高功率高亮度。為了提高輸出功率將多 個LD集成為線性排列的LD Bar和進一步將LD Bar堆疊得到二維面陣(LD Stack)。由于單 管半導體激光器快慢軸光束質量相差很大，因而二維面陣輸出的光束也存在光束質量差、難 以獲得高亮度小光斑的問題。發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種將二維面陣半導體激光器輸出的光束重排，以提高 光束質量，從而通過聚焦得到高亮度小光斑的面陣半導體激光器的光束整形裝置。為了解決上述技術問題，本發(fā)明的面陣半導體激光器的光束整形裝置包括快軸準直鏡， 慢軸準直鏡，階梯鏡，第一平行六面體棱鏡組，第二平行六面體棱鏡組；所述的快軸準直鏡 和慢軸準直鏡放置在面陣半導體激光器的光束輸出端，分別用于降低快軸發(fā)散角和慢軸發(fā)散 角；階梯鏡放置在光束的光路上，用于去除bar條之間的發(fā)光空隙，并使光束在快軸方向得 到壓縮；第一平行六面體棱鏡組放置在階梯鏡的反射光路上，用于使部分光束沿快軸方向平 移；第二平行六面體棱鏡組放置在第一平行六面體棱鏡組的出射光路上，用于使沿快軸方向 平移后的光束再沿慢軸方向平移。所述的快軸準直鏡采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。所述的慢軸準直鏡采用微柱透鏡陣列。所述的階梯鏡構成每個臺階的兩個面之間的夾角為135°，其中反射面與光束之間的夾 角為45°。所述的第一平行六面體棱鏡組由至少一個平行六面體棱鏡構成。 所述的第二平行六面體棱鏡組由至少一個平行六面體棱鏡構成。所述的平行六面體棱鏡上有兩個斜側面；兩個底面與兩個斜側面之間的夾角為45°，與 另兩個側面垂直；階梯鏡反射的光束由平行六面體棱鏡的一個底面垂直入射，經過兩個斜側 面的反射，再由另一底面垂直出射后，平移了一段距離。通過改變平行六面體棱鏡兩個斜側 面的放置方向，可以使部分光束沿快軸或者慢軸方向平移，達到光束重新排列的目的。本發(fā)明首先采用準直鏡降低快軸發(fā)散角和慢軸發(fā)散角，使激光光束變?yōu)榻叫泄馐?然后用階梯鏡去除bar條之間發(fā)光空隙，并使光束在快軸方向得到壓縮；用平行六面體棱鏡 將部分光束沿快軸方向和慢軸方向平移，使半導體激光面陣光束重新排列，達到快慢軸光束 質量趨于一致的目的。經過重新排列后的光束經過聚焦能夠得到高亮度的小光斑。本發(fā)明所 用的光學器件易于制造，結構簡單，方便調節(jié)。下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細說明。


圖l為本發(fā)明結構示意圖。圖中l(wèi)為激光器，2為快軸準直鏡，3為慢軸準直鏡，4為 階梯鏡，5為第一平行六面體棱鏡組，6為第二平行六面體棱鏡組，51、 52、 61、 62為平行 六面體棱鏡。圖2為平行六面體棱鏡立體圖。 圖3為光束經過第一平行六面體棱鏡組發(fā)生快軸方向平移示意圖。圖中51、 52、 61、 62為平行六面體棱鏡。圖4為光束經過第二平行六面體棱鏡組發(fā)生慢軸方向平移示意圖。圖中51、 52、 61、 62為平行六面體棱鏡。圖5光束經過階梯鏡、第一平行六面體棱鏡組和第二平行六面體棱鏡組光束變化過程 示意圖。
具體實施方式
如圖l所示，本發(fā)明的面陣半導體激光器的光束整形裝置包括快軸準直鏡2，慢軸準直 鏡3，階梯鏡4，第一平行六面體棱鏡組5，第二平行六面體棱鏡組6。*面陣半導體激光器出射的光束沿Z軸方向傳播；光束未經階梯鏡4改變方向前，快軸 方向即圖中1所示的Y軸方向，慢軸方向即圖中1所示的X軸方向；光束經階梯鏡4改變 方向后，快軸方向即圖中1所示的Z軸方向，慢軸方向即圖中1所示的X軸方向。所述的快軸準直鏡2采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡；所述的慢軸準直鏡3 采用微柱透鏡陣列?？燧S準直鏡2和慢軸準直鏡3相接觸，兩者放置在面陣激光器光束輸出 端，分別用于降低快軸發(fā)散角和慢軸發(fā)散角，使激光光束變?yōu)榻叫泄馐?。所述的階梯鏡4構成每個臺階的兩個面之間的夾角為135 °。該階梯鏡4放置在激光光 束的光路上，各臺階的棱與光束的慢軸為同一個方向，即沿X軸方向延伸。光束經過階梯 鏡4反射后，其傳播方向轉過90°角，即光束沿Y軸方向傳播，并且去除了bar條之間的發(fā) 光空隙，同時在快軸方向得到壓縮。以20條LD Bar組成的半導體激光面陣為例，每個LD Bar由49個單管半導體激光器組成， 每個單管的長度為100um，相鄰單管之間的距離為200ym，各Bar條的間距為l. 8腿。激光在 垂直于P-n結平面方向(快軸方向)上有源層尺寸約為lum，發(fā)散角為38°;在平行于p-n結 平面方向(慢軸方向)上有源層的尺寸約為100um，發(fā)散角為10。， Bar長10咖。面陣半導體 激光的快軸方向光束總高度34.2mm。可計算得出BPPfast=0. 001鵬X38。X 17. 45*20=12. 662mm*mrad BPPsl。 =0. 1醒X 10°X 17. 45*49=855. 05mm*mrad經過半柱透鏡的快軸準直后，快軸發(fā)散角降低到8mrad，快軸單Bar光束尺寸變?yōu)镺. 6mm, 快軸光參量積BPPfast=0. 6nrapK8mrad氺20二96mm氺mrad用微透鏡陣列對光束慢軸進行準直，準直后的發(fā)散角約在90mrad，慢軸光束尺寸為10mm。 慢軸光束參量積為BPPs,ow=10mmX 90mrad=900mm*mrad快慢軸準直后的近平行光束在階梯鏡4上反射，去除了Bar條間的發(fā)光空隙，并使快軸光 束尺寸變?yōu)?2mm，為原來的三分之一，光能量分布更加均勻化，如圖1所示。 通過下式可以得出光束在慢軸方向需要被分割的段數(shù) N=sqrt (BPPslOT / BPPslOT)按照上式計算可知，面陣半導體激光器的光束應沿慢軸方向分割成左、中、右三個部分， 對于10mm長的LD Bar,每個部分的寬度就是3. 33mm;用來將左、右兩部分光束沿快軸方向 移動的第一平行六面體棱鏡組5由兩個平行六面體棱鏡51、 52組成，用來將左、右兩部分 光束沿慢軸方向移動的第二平行六面體棱鏡組6由兩個平行六面體棱鏡61、 62組成，中間 部分光束不動；如圖2所示，平行六面體棱鏡51、 52的厚度應該等于每個部分的寬度，即 d=3.33mm，高度等于光束在快軸方向的尺寸，即h=12mm。平行六面體棱鏡的底面A A' CC'、 B B' D D'與兩個斜側面A A' B B'、 C C' D D'之間的夾角為45°;底面A A' C C'、 B B' D D'與另兩個側面ABCD、 A' B' C' D'垂直。如圖3所示，光束的左部分由平行六面體棱鏡51的底面A A' C C'垂直入射，經過斜 側面C C' D D'和斜側面A A' B B'兩次反射后，由底面B D 垂直出射，光束的左 部分沿快軸方向向上平移了 12mrn。光束的右部分由平行六面體棱鏡52的底面AA' C C'垂 直入射，經過斜側面C C' D D'和斜側面A A' B B'兩次反射后，由底面B B' D D'垂直 出射，光束的右部分沿快軸方向向下平移了 12mm。這樣光束被分割為三部分,如圖5(c)所示。如圖4所示，用平行六面體棱鏡61、 62繼續(xù)平移光束，使三部分光束在快軸方向層疊。 平行六面體棱鏡61、 62的厚度c^l2mm，高度h=3. 33mm。平行六面體棱鏡51底面B B' DD' 出射的左部分光束由平行六面體棱鏡61的底面AA' CC'垂直入射，經過斜側面CC' DD' 和斜側面A A' B B'兩次反射后，由底面B B' D D'垂直出射。平行六面體棱鏡52底面B B' D D'出射的右部分光束由平行六面體棱鏡62的底面A A' C C'垂直入射，經過斜側面 C C' D D'和斜側面A A' B B'兩次反射后，由底面B B' D D'垂直出射。這樣，如圖5 (c)、 5 (d)所示，光束的左部分沿慢軸方向向右平移了 3.33mm，光束的右部分沿慢軸方 向向左平移了 3.33mm，三部分光束在快軸方向層疊。分割重排后慢軸光束質量降低了為原來的三分之一，快軸光束質量變?yōu)樵瓉淼娜禕PPfast=96 X 3=288mm*mradBPPslOT=900/3=300mm*mrad 如此，快慢軸光束質量趨于一致。實際上，經計算15-25層的半導體激光面陣，分割成三份， 都可以達到很好的整形效果。用球透鏡對重排后的光束聚焦，就可以得到高亮度的小光斑。
權利要求
1、 一種面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于包括快軸準直鏡(2)，慢軸準 直鏡(3)，階梯鏡(4),第一平行六面體棱鏡組(5)，第二平行六面體棱鏡組(6);所述的 快軸準直鏡(2)和慢軸準直鏡(3)放置在面陣半導體激光器的光束輸出端，分別用于降低 快軸發(fā)散角和慢軸發(fā)散角；階梯鏡(4)放置在光束的光路上，用于去除bar條之間的發(fā)光 空隙，并使光束在快軸方向得到壓縮；第一平行六面體棱鏡組(5)放置在階梯鏡(4)的反 射光路上，用于使部分光束沿快軸方向平移；第二平行六面體棱鏡組(6)放置在第一平行 六面體棱鏡組(5)的出射光路上，用于使沿快軸方向平移后的光束再沿慢軸方向平移。
2、 根據權利要求1所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于所述的快軸 準直鏡(2)采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。
3、 根據權利要求2所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于所述的慢軸 準直鏡(3)采用微柱透鏡陣列。
4、 根據權利要求1所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于所述的階梯 鏡(4)構成每個臺階的兩個面之間的夾角為135°，其中反射面與光束之間的夾角為45°。
5、 根據權利要求l所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于所述的第一 平行六面體棱鏡組(5)由至少一個平行六面體棱鏡構成。
6、 根據權利要求5所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其特征在于所述的第二 平行六面體棱鏡組(6)由至少一個平行六面體棱鏡構成。
7、 根據權利要求5或6任一項權利要求所述的面陣半導體激光器的光束整形裝置，其 特征在于所述的平行六面體棱鏡上有兩個斜側面；兩個底面與兩個斜側面之間的夾角為45°， 與另兩個側面垂直；階梯鏡(4)反射的光束由平行六面體棱鏡的一個底面垂直入射，經過 兩個斜側面的反射，再由另一底面垂直出射。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種面陣半導體激光器的光束整形裝置，該裝置包括快軸準直鏡，慢軸準直鏡，階梯鏡，第一平行六面體棱鏡組，第二平行六面體棱鏡組。面陣半導體激光器發(fā)出的光束經過快軸準直鏡和慢軸準直鏡分別降低了快軸發(fā)散角和慢軸發(fā)散角；再由階梯鏡去除bar條之間的發(fā)光空隙，并在快軸方向得到壓縮；最后用第一平行六面體棱鏡組和第二平行六面體棱鏡組使部分光束沿快軸方向平移后，再沿慢軸方向平移。經過上述過程，光束被重新排列，達到了快慢軸光束質量趨于一致的目的。經過重新排列后的光束經過聚焦能夠得到高功率高亮度的光斑。本發(fā)明所用的光學器件易于制造，結構簡單，方便調節(jié)。
文檔編號G02B27/09GK101144909SQ200710056218
公開日2008年3月19日 申請日期2007年10月25日 優(yōu)先權日2007年10月25日
發(fā)明者馮廣智, 云 劉, 王立軍, 顧媛媛 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所