專利名稱：半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排整形，介紹了一種將半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排的裝置，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)，使得它的應(yīng)用變得越來越廣泛。但是，與其他激光器相比，半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量比較差，快慢軸的光束質(zhì)量不均勻，遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)呈橢圓高斯分布，聚焦難度較大，在一定程度上限制了它的進(jìn)一步發(fā)展。 為滿足應(yīng)用上的需求，必須首先對(duì)半導(dǎo)體激光的光束進(jìn)行重排整形處理。半導(dǎo)體激光器的研究朝著大功率高光束質(zhì)量的方向發(fā)展，因此對(duì)于半導(dǎo)體激光二維陣列的整形，特別是快軸方向高填充因子的大功率半導(dǎo)體激光陣列的光束整形，意義重大。半導(dǎo)體激光器的二維陣列也稱為堆棧(stack)，是由半導(dǎo)體激光一維陣列巴條(Bar)沿快軸方向排列組成?？燧S方向是指垂直于發(fā)光PN節(jié)的方向，慢軸方向是指平行于發(fā)光PN節(jié)的方向。光束在快軸方向的發(fā)散角為50° 60°，慢軸方向發(fā)散角為5° 10°。評(píng)價(jià)激光光束質(zhì)量?jī)?yōu)劣的光束參數(shù)乘積(BPP)定義為某個(gè)方向上的束腰半徑(R) 乘以遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角(半角θ )，單位是mm ^mracL對(duì)于半導(dǎo)體激光的巴條(Bar)，經(jīng)過快慢軸微透鏡準(zhǔn)直之后，快軸的束腰直徑在幾百個(gè)微米，快軸的發(fā)散角為幾個(gè)毫弧度，快軸的光束參數(shù)乘積BPPf為1 2mm · mrad ；慢軸方向光斑尺寸的典型值為10mm，慢軸的發(fā)散全角為 0. 2rad，慢軸的光束參數(shù)乘積BPPs為500mm mrad,快慢軸的光束參數(shù)乘積在整形前相差上百倍。光參數(shù)乘積是衡量激光光束質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，它反映了激光的聚焦能力?？炻S的光參數(shù)乘積相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束整形就是將快慢軸的光參數(shù)乘積均勻化，方法是對(duì)光束進(jìn)行分割、旋轉(zhuǎn)、重排，增加快軸的光參數(shù)乘積、降低慢軸的光參數(shù)乘積，從而達(dá)到快慢軸光參數(shù)乘積均勻化的目的。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前采用比較多的幾何整形方法主要有反射式整形法、折射式整形法和折反射式整形法。階梯反射鏡法是將經(jīng)過微柱透鏡準(zhǔn)直后的光束，通過兩組完全對(duì)稱的階梯型發(fā)射鏡，每組都由N個(gè)高反射率表面組成，光束通過第一組階梯反射鏡后在慢軸方向被分割成N 段，每個(gè)子光束經(jīng)過第二組階梯反射鏡，再被反射到快軸方向上。原本是一條線狀的光束就在同一高度上沿慢軸方向被重新排列為平行的N條子光束。整形結(jié)果光場(chǎng)分布為一正方形光斑，實(shí)現(xiàn)了快慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。其缺點(diǎn)是階梯鏡鏡面的加工難度大。折反射整形法的整形思想是利用棱鏡組的折反射，通過兩組棱鏡來分割和重排光束。兩組棱鏡中各片棱鏡以斜邊為基準(zhǔn)，依次按一定距離錯(cuò)位放置。線光源出射光束從第一個(gè)棱鏡組斜邊入射，線光源與棱鏡組的內(nèi)表面成一定的角度，在各片棱鏡中反射兩次后從斜邊出，沿著慢軸方向被分成η段，由于棱鏡片錯(cuò)位，所以出射光束段也順次產(chǎn)生錯(cuò)位。沿快軸方向成臺(tái)階形分布。然后出射光進(jìn)入第2個(gè)棱鏡組，按著相同的原理將光束在快軸方向進(jìn)行重排。結(jié)果出射光經(jīng)過棱鏡組以后，光參數(shù)積在慢軸方向被減小1/η倍，而快方向上增加了n倍，從而達(dá)到光束整形的目的。這種方法的缺點(diǎn)是棱鏡間的精確定位不好控制，裝配困難。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y. Wang提出的。折射式整形法是利用光學(xué)元件對(duì)光束的一次或多次折射實(shí)現(xiàn)光束均衡的方式。能實(shí)現(xiàn)折射式光束整形的光學(xué)元件很多，包括GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列、棱鏡組合、光學(xué)玻璃板片堆、分束堆置折射器等。它的基本原理是利用整形模塊將入射光束沿慢軸方向分割，并沿快軸方向錯(cuò)位排列，然后通過另一組整形模塊進(jìn)一步將偏折后的光束沿慢軸方向進(jìn)行重排，從而使出射光變成具有一定形狀的光束，實(shí)現(xiàn)光束整形的目的。這種方法的整形模塊是由多個(gè)光學(xué)玻璃薄板片緊密排列而成，能夠?qū)崿F(xiàn)光束整形，且效率較高。但是這種方法有一定的局限，隨著半導(dǎo)體激光陣列bar條數(shù)量的增多，需要用的到光學(xué)玻璃薄板片的數(shù)量隨之成倍增加，光學(xué)玻璃薄板片的累積誤差越來越大，超出了整形模塊的承受范圍，整形效果變差，存在裝配困難、累積誤差大、不好調(diào)節(jié)的問題。隨著中國(guó)國(guó)內(nèi)光學(xué)加工工藝的提高，將不斷有新的整形方案得以提出和實(shí)現(xiàn)。
實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型將提供一種依靠超聲加工工藝得以實(shí)現(xiàn)的半導(dǎo)體激光快慢軸光束重排裝置。本實(shí)用新型的目的在于克服上述幾種方案的技術(shù)缺點(diǎn)，提供了一種半導(dǎo)體激光陣列透射式重排裝置。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光陣列重排的目的，大大減小了加工裝配時(shí)的累積誤差，降低了光功率的損耗，而且更易于裝配和調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型利用了光以不同入射角通過相同厚度的平行平板后發(fā)生不同偏移量的原理，如圖8所示，光束入射到平行平板，在入射面Si，處發(fā)生折射，然后在平行平板內(nèi)傳輸?shù)匠錾涿鍿l處，光束再次發(fā)生折射，平行平板的厚度為L(zhǎng)，依據(jù)平行平板的原理，出射后的光束與入射光束的傳播方向相同，只是位置上發(fā)生偏移，偏移量Δ與鏡片的折射率nl，空氣的折射率ηΟ，入射角α以及平行平板厚度L有關(guān)，如下圖公式所示， 當(dāng)玻璃的折射率nl，以及平行平板厚度L確定以后，偏移量△就只入射角α有關(guān)，通過不同入射角α的大小，即可獲得不同的偏移量八。
型采取了以下技術(shù)方案
權(quán)利要求1.半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，包括有半導(dǎo)體激光一維陣列(1)、快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)、慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6)和球面聚焦透鏡(7)；其特征在于還包括有用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)和用于光束旋轉(zhuǎn)重排的整形光學(xué)元件(5)；從半導(dǎo)體激光一維陣列(1)發(fā)出的激光，經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)對(duì)激光光束的快軸和慢軸都進(jìn)行準(zhǔn)直以后，入射到用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)，激光經(jīng)過用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)后，激光光束以不同入射角入射到平行平板產(chǎn)生了不同的偏移，形成階梯型分布傳播，呈階梯型分布傳播的激光光束經(jīng)過用于光束旋轉(zhuǎn)重排的整形光學(xué)元件(5)后，形成沿豎直方向排列的光束，沿豎直方向排列的光束在慢軸方向尺寸小，發(fā)散角大，經(jīng)過慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6)后，快軸和慢軸的尺寸和發(fā)散角接近相等，光斑形狀為快慢軸均勻分布的矩形光斑，最后經(jīng)過球面聚焦透鏡(7)聚焦成均勻的點(diǎn)光斑。
2.半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，包括有半導(dǎo)體激光二維密排型陣列(8)、快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)、用于壓縮快軸尺寸的柱面鏡組(9)、慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6) 和球面聚焦透鏡(7)；其特征在于還包括有整形光學(xué)元件(4)和整形光學(xué)元件(5)；從半導(dǎo)體激光二維密排型陣列(8)發(fā)出的激光，先經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)對(duì)激光光束的快軸和慢軸都進(jìn)行準(zhǔn)直，再經(jīng)過用于壓縮快軸尺寸的柱面鏡組(9)，入射到用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)，激光經(jīng)過用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)后，激光光束產(chǎn)生了不同的偏移，形成階梯型分布傳播，呈階梯型分布傳播的激光光束經(jīng)過用于光束旋轉(zhuǎn)重排的整形光學(xué)元件(5)后，形成沿豎直方向排列的光束，沿豎直方向排列的光束在慢軸方向尺寸小，發(fā)散角大，經(jīng)過慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6)后，快軸和慢軸的尺寸和發(fā)散角接近相等， 光斑形狀為快慢軸均勻分布的矩形光斑，最后經(jīng)過球面聚焦透鏡(7)聚焦成均勻的點(diǎn)光斑。
3.半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，包括有半導(dǎo)體激光二維非密排型陣列(11)、 快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)、慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6)和球面聚焦透鏡(7)；其特征在于 還包括有用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)和η個(gè)整形光學(xué)元件(5)，η為二維非密排型陣列巴條條數(shù)；從半導(dǎo)體激光二維非密排型陣列(11)發(fā)出的激光，先經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列(2)對(duì)激光光束的快軸和慢軸都進(jìn)行準(zhǔn)直，入射到用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)， 激光經(jīng)過用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)后，激光光束產(chǎn)生了不同的偏移，形成階梯型分布傳播，呈階梯型分布傳播的激光光束經(jīng)過η個(gè)上下疊放的用于光束旋轉(zhuǎn)重排的整形光學(xué)元件(5)后，其中η為二維非密排型陣列巴條條數(shù)，形成沿豎直方向排列的光束，沿豎直方向排列的光束在慢軸方向尺寸小，發(fā)散角大，經(jīng)過慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直柱面鏡組(6)后，快軸和慢軸的尺寸和發(fā)散角接近相等，光斑形狀為快慢軸均勻分布的矩形光斑，最后經(jīng)過球面聚焦透鏡(7)聚焦成均勻的點(diǎn)光斑。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，其特征在于所述的用于切割慢軸的整形光學(xué)元件(4)前后側(cè)面為光滑的拋光平面， 厚度為半導(dǎo)體激光慢軸方向光束的寬度K，上下底面為平面毛面或者是開有限位槽的毛面， 左右側(cè)面分別是激光的入射面和出射面，在左右側(cè)面上，沿前后側(cè)面厚度方向分別加工有IbppN個(gè)小面，其中N為激光束在慢軸方向被分割的份數(shù)，由公式# =計(jì)算得出，其中，BPPs為慢軸的光參數(shù)乘積，BPPf為快軸的光參數(shù)乘積，N個(gè)小面的寬度相同，都為K/N，N 個(gè)小面與底面的角度不同N為偶數(shù)時(shí)，N個(gè)小面與底面的角度分別為α” α2,…，αΝ/2, ji-aN/2，…，Ji-Q2, JI-Ci1 ;N為奇數(shù)時(shí)，N個(gè)小面與側(cè)面的角度分別為a ” a 2,…， Q (N-I)/2' 90 ，31 ~ Q (N-I)/2' .··，31 ~ Q 2' Ji-Q1 ；沿前后側(cè)面厚度方向，左右側(cè)面上的N個(gè)對(duì)應(yīng)的小面相互平行，且對(duì)應(yīng)的小面之間的間距相等；角度值是依據(jù)平行平板的折射原理，對(duì)應(yīng)不同的偏移量計(jì)算得出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、權(quán)利要求2或權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，其特征在于所述的用于光束旋轉(zhuǎn)重排的整形光學(xué)元件(5)上下底面為光滑的拋光平面，上下底面之間的厚度為半導(dǎo)體激光在快軸方向被分割的寬度H，前后側(cè)面為平面毛面或者是開有限位槽的毛面，左右側(cè)面分別是激光的入射面和出射面，在左右側(cè)面上，沿上下底面厚度方向分別加工有N個(gè)小面，N個(gè)小面的寬度相同，都為Η/Ν，N個(gè)小面與側(cè)面的角度不同N為偶數(shù)時(shí)，N個(gè)小面與側(cè)面的角度分別為β2，…，βΝ/2, π-βΝ/2,…， π-β2，π-β ;Ν為奇數(shù)時(shí)，N個(gè)小面與側(cè)面的角度分別為β2，…，β(Ν_1)/2，90°， (Ν-1)/2,…，η_β2，Ji-P1 ；沿上下底面厚度方向，左右側(cè)面上的N個(gè)對(duì)應(yīng)的小面相互平行，且對(duì)應(yīng)的小面之間的間距相等；角度值是依據(jù)平行平板的折射原理，對(duì)應(yīng)不同的偏移量計(jì)算得出。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束重排裝置，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。本實(shí)用新型利用了光以不同入射角通過相同厚度的平行平板后發(fā)生不同偏移量的原理，在激光光路傳輸過程中增加了具有多個(gè)小面的光學(xué)整形元件4和光學(xué)整形元件5。本實(shí)用新型裝置不僅能夠?qū)崿F(xiàn)快慢軸光束質(zhì)量的均勻化，而且通過改變以前依靠薄片波導(dǎo)傳輸?shù)姆绞?，進(jìn)一步降低了光功率的損耗，提高了整形效率，特別適合大功率半導(dǎo)體激光光束整形，同時(shí)該實(shí)用新型裝置具有結(jié)構(gòu)更緊湊、無累積誤差、裝調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK202067024SQ20112001472
公開日2011年12月7日 申請(qǐng)日期2011年1月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月18日
發(fā)明者劉友強(qiáng), 曹銀花, 王智勇, 秦文斌 申請(qǐng)人:山西飛虹激光科技有限公司