專利名稱：用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，具體說，涉及一種用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器因電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小以及重量輕而得到了廣泛的應(yīng)用。但單個(gè)半導(dǎo)體激光器無法輸出極高的功率(大于百瓦)，因此出現(xiàn)了將多個(gè)半導(dǎo)體激光器排列在一起形成條陣、以及將多個(gè)條陣堆疊在一起形成面陣的激光器陣列。受工藝、冷卻、整形方法等限制，半導(dǎo)體激光器陣列不能做得很長，目前一般約為10mm。構(gòu)成半導(dǎo)體激光器陣列的半導(dǎo)體激光器一般為邊緣發(fā)射型半導(dǎo)體激光器，這種半導(dǎo)體激光器包括一個(gè)p-n結(jié)，電流垂直于該p-n結(jié)注入，激光則從該p-n結(jié)的側(cè)面邊緣發(fā)射出來。圖1示出了現(xiàn)有的一維半導(dǎo)體激光器陣列的示意圖。在圖1所示的一維半導(dǎo)體激光器陣列1的一個(gè)例子中，陣列長度約為10mm，單個(gè)發(fā)光區(qū)的出光側(cè)面的尺寸為150 μ mX 1 μ m，相鄰發(fā)光區(qū)的間距為500 μ m。 由于邊緣發(fā)射型半導(dǎo)體激光器的發(fā)光區(qū)的斷面狹窄，因而其輸出的光束在平行于P-n結(jié)的方向(稱為慢軸方向，也即圖1中的X方向)和垂直于P-n結(jié)的方向(稱作快軸方向，也即圖1中的Y方向)上有不同的發(fā)散角，在快軸方向的發(fā)散角為50°到60°，在慢軸方向的發(fā)散角為5°到10°，而且其輸出的光束在快軸方向和慢軸方向上的束腰的位置和直徑也不同，具有嚴(yán)重的像散，因而不能簡單地通過透鏡系統(tǒng)進(jìn)行聚焦。激光光束質(zhì)量的優(yōu)劣通過光參數(shù)積(BPP)來評(píng)價(jià)，光參數(shù)積BPP定義為某個(gè)方向上的束腰半徑(R)與遠(yuǎn)場發(fā)散角半角(Θ)的乘積，單位是mm ^racL上述半導(dǎo)體激光器快軸的光參數(shù)積BPPf —般為1 2mm .mrad,慢軸的光參數(shù)積BPPs為500mm · mrad，快慢軸的光參數(shù)積相差上百倍，因而很難對該光束進(jìn)行聚焦。為了提高半導(dǎo)體激光器陣列的輸出光束的質(zhì)量，必須對其進(jìn)行勻化，以獲得發(fā)散角和光斑直徑均很小的對稱光斑。光束勻化就是將光束的快慢軸的光參數(shù)積均勻化，即通過光學(xué)元件將條形準(zhǔn)直光束在慢軸方向上分割成N段，然后將這N段在快軸方向上疊加， 這樣，慢軸方向上的光參數(shù)積就減小到原來的1/N，而快軸上的光參數(shù)積則增加到原來的N 倍，從而光束的快慢軸的光參數(shù)積被均勻化。圖2是對一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束進(jìn)行勻化的示意圖，其中，在圖2中的上部示出了勻化光學(xué)系統(tǒng)，在圖2中的下部示意地示出了所述勻化光學(xué)系統(tǒng)中的一些節(jié)點(diǎn)處的光束的斷面形狀。如圖2所示，首先，一維半導(dǎo)體激光器陣列1發(fā)出的激光束通過快慢軸準(zhǔn)直透鏡2分別進(jìn)行準(zhǔn)直以得到準(zhǔn)平行光。準(zhǔn)直后的光束在節(jié)點(diǎn)Bl處的斷面形狀為長條形，該長條形的長度為Len，寬度為W。然后，準(zhǔn)直后的光束沿著Z軸通過光束切割單元4，通過光束切割單元4后的光束在節(jié)點(diǎn)B2處變?yōu)榕_(tái)階狀分布的N段光束(例如圖2中的光束段a、b、c、d、e、f)，臺(tái)階狀分布的N段光束再通過光束重排單元5，通過光束重排單元5后的光束在節(jié)點(diǎn)B3處變?yōu)樗鯪段光束的疊加。節(jié)點(diǎn)B3 處的光束在慢軸方向(即圖2中的X方向)的尺寸小，經(jīng)過慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元7后在節(jié)點(diǎn) B4處變?yōu)榭炻S光參數(shù)積被均勻化了的矩形光斑。最后光束經(jīng)過球面聚焦透鏡8可以聚焦成均勻的點(diǎn)光斑。目前，用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光束切割單元4和光束重排單元5 等光學(xué)元件一般分為反射式光學(xué)元件、折反射式光學(xué)元件和折射式光學(xué)元件。所述反射式勻化用光學(xué)元件包括兩個(gè)完全對稱的階梯型反射鏡，每個(gè)階梯型反射鏡又包括N個(gè)高反射率鏡面，光束通過第一個(gè)階梯型反射鏡后在慢軸方向上被分割成N段子光束，各段子光束經(jīng)過第二個(gè)階梯型反射鏡中的相應(yīng)鏡面的反射后，在快軸方向上對齊排列起來。這種勻化用的光學(xué)元件的缺點(diǎn)是階梯型反射鏡的加工難度大。所述折反射式勻化用光學(xué)元件利用兩組棱鏡的折射和全反射來實(shí)現(xiàn)光束的分割和重排。這種勻化用的光學(xué)元件的缺點(diǎn)是棱鏡間的精確定位不好控制，棱鏡的裝配比較困難。所述折射式勻化用光學(xué)元件則通過對光束進(jìn)行一次或多次折射來實(shí)現(xiàn)光束的勻化。此類勻化用光學(xué)元件可以通過GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列、棱鏡組合、光學(xué)玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此類勻化用光學(xué)元件由多個(gè)光學(xué)玻璃薄片緊密疊加而成，勻化的效率比較高。但其缺陷是，隨著光學(xué)玻璃薄片的數(shù)量的增加，光學(xué)玻璃薄片的累積誤差越來越大，以至于超出合理的誤差范圍，使勻化效果變差。另外，還存在裝配困難、不易調(diào)節(jié)的問題。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)以克服上述定位不精確、裝配困難、累積誤差大、不易調(diào)節(jié)的缺點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，一方面，本實(shí)用新型提供一種用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件，該光學(xué)元件包括一體化層疊的N個(gè)厚度相等的透明光學(xué)材料層，N為自然數(shù)，N ^ 2，所述每個(gè)透明光學(xué)材料層均為扁平的直平行六面體，該直平行六面體的一對平行的側(cè)面分別為所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射端面和出射端面，該直平行六面體的另一對平行的側(cè)面平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向，該直平行六面體的平行四邊形底面與相鄰?fù)该鞴鈱W(xué)材料層的底面部分重合；其中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束入射方向的所述側(cè)面所成的角度遞增或遞減，所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述入射端面和出射端面之間的垂直距離或沿所述光束入射方向的距離相同。優(yōu)選地，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束入射方向的所述側(cè)面所成的角度可以構(gòu)成等差數(shù)列。另一方面，本實(shí)用新型還提供一種用于勻化一維半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其包括順序地光學(xué)耦合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其中，所述光束切割單元為上述一方面本實(shí)用新型所提供的光學(xué)元件，所述光束重排單元為上述優(yōu)選的光學(xué)元件，所述光束切割單元和所述光束重排單元所包含的所述透明光學(xué)材料層的數(shù)目相同，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。再一方面.本實(shí)用新型還提供一種用于勻化二維密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其包括順序地光學(xué)耦合起來的二維密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、快軸光束壓縮單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其中，所述光束切割單元為上述一方面本實(shí)用新型所提供的光學(xué)元件，所述光束重排單元為上述優(yōu)選的光學(xué)元件，所述光束切割單元和所述光束重排單元所包含的所述透明光學(xué)材料層的數(shù)目相同，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。[0014]優(yōu)選地，在上述的光學(xué)系統(tǒng)中，可以取n=[,jbpps/bppf ]，bpps為所述半導(dǎo)體激光器陣列的慢軸方向的光參數(shù)積，BPPf為所述半導(dǎo)體激光器陣列的快軸方向的光參數(shù)積，[] 為取整符號(hào)；所述光束切割單元的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向上的厚度Cl1可以為入射到所述光束切割單元的所述光束入射端面上的條形光斑的長度len，所述光束重排單元的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向上的厚度d2可以為d2 = I μ (Ii1) · L1 · Δ α i · (N-I) +W, 其中，l1為所述光束切割單元上各透明光學(xué)材料層的光束入射端面和光束出射端面之間的垂直距離或沿光束入射方向的距離，δ ci1為所述光束切割單元的相鄰兩層中的光束入射端面相對于平行于光入射方向的側(cè)面所成的角度之差，W為所述條形光斑的寬度，μ (ii1)為函數(shù)k(a，η)對角度α求偏導(dǎo)數(shù)后再對角度α求平均值所得的函數(shù)μ (η)在η = ii1時(shí)的值，而f. Hr, ■ COSCCcos a + arcsin—-[0015]k(a,n) = ~-h \\ . nn ■ coscc ] cos arcsin—-^η J[0016]H1為形成所述光束切割單元的透明光學(xué)材料的折射率，η0是空氣的折射率；所述光束重排單元上的相鄰兩層中的光束入射端面相對于平行于光入射方向的側(cè)面所成的角度之差Δ Ci2可以為Len[0018]其中，μ (η2)為函數(shù)μ (η)在η = η2時(shí)的值，η2為形成所述光束重排單元的透明光學(xué)材料的折射率，l2為所述光束重排單元中的各層透明光學(xué)材料的光束入射端面和光束出射端面之間的垂直距離或沿光束入射方向的距離。[0019]進(jìn)一步優(yōu)選地，可以通過w = I μ (Ii1) -l1-a Q1確定δ α lt)[0020]最后，本實(shí)用新型還提供一種用于勻化二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其包括順序地光學(xué)耦合起來的二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其中，所述光束切割單元為上述一方面本實(shí)用新型所提供的光學(xué)元件，所述光束重排單元包括多個(gè)沿所述層疊方向排列的上述優(yōu)選的光學(xué)元件，所述光束重排單元所包含的多個(gè)所述光學(xué)元件中的每個(gè)光學(xué)元件和所述光束切割單元具有數(shù)目相同的所述透明光學(xué)材料層，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。[0021]如上所述，本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的勻化目的，并且所述光學(xué)元件具有定位精確、結(jié)構(gòu)緊湊、一體化成型、無累積誤差、容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，大大地方便了上述光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和使用，并能降低光功率的損耗，提高勻化效率，特別適合于大功率半導(dǎo)體激光器陣列的光束勻化。

圖1是透視示意圖，示出了現(xiàn)有的一維半導(dǎo)體激光器陣列；圖2是原理圖，示出了一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束質(zhì)量勻化的原理，其中，該圖上部示出了勻化光學(xué)系統(tǒng)，該圖下部示出了該勻化光學(xué)系統(tǒng)中的一些節(jié)點(diǎn)處的光束的斷面形狀；圖3是透視圖，示出了本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例所述的用于半導(dǎo)體激光器陣列光束分割的光學(xué)元件；圖4是平面圖，示出了圖3中的光學(xué)元件的沿透明光學(xué)材料層的層疊方向的投影；圖5是平面圖，示出了圖3中的光學(xué)元件的沿透明光學(xué)材料層的層疊方向順序排列的第1層透明光學(xué)材料中的光的兩次折射；圖6是平面圖，示出了圖3中的光學(xué)元件的沿透明光學(xué)材料層的層疊方向順序排列的第6層透明光學(xué)材料中的光的兩次折射；圖7是函數(shù)k(a，η)與角度α的變化關(guān)系圖；圖8是透視圖，示出了本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例所述的用于半導(dǎo)體激光器陣列光束重排的光學(xué)元件；圖9是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第一實(shí)施例所述的用于勻化一維半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)；圖10是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第二實(shí)施例所述的用于勻化二維密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)；以及圖11是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第三實(shí)施例所述的用于勻化二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)。
具體實(shí)施方式
下面將參考附圖來描述本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以認(rèn)識(shí)到，在不偏離本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，可以用各種不同的方式或其組合對所描述的實(shí)施例進(jìn)行修正。 因此，附圖和描述在本質(zhì)上是說明性的，而不是用于限制權(quán)利要求的保護(hù)范圍。此外，在本說明書中，附圖未按比例畫出，并且相同的附圖標(biāo)記表示相同的部分。圖3是透視圖，示出了本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例所述的用于半導(dǎo)體激光器陣列的光束分割的光學(xué)元件，圖4是平面圖，示出了圖3中的光學(xué)元件的沿透明光學(xué)材料層的層疊方向的投影。如圖3和圖4所示，本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件40包括一體化層疊的N個(gè)(這里為方便描述，取N = 6，事實(shí)上，N 可以為大于等于2的自然數(shù))厚度相等的透明光學(xué)材料層Ρ11-Ρ16，每個(gè)透明光學(xué)材料層均為扁平的直平行六面體(即底面為平行四邊形且側(cè)面垂直于底面的四棱柱)。所述透明光學(xué)材料包括例如透明光學(xué)玻璃、透明樹脂等，其折射率為H1，空氣的折射率為IV每個(gè)直平
7行六面體P11-P16的一對平行的側(cè)面45和46分別為所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射端面和出射端面，另一對平行的側(cè)面41和42平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向， 一對平行四邊形底面43和44與相鄰?fù)该鞴鈱W(xué)材料層的底面部分重合。在圖3和圖4中， 6個(gè)實(shí)心點(diǎn)S1-S6示出了入射方向平行于側(cè)面41和側(cè)面42的六條光線入射到各透明光學(xué)材料層P11-P16時(shí)在入射端面45上形成的六個(gè)光斑，該六個(gè)光斑分別處于光學(xué)元件40的層疊起來的6個(gè)層的入射端面45中，所述六個(gè)光斑所對應(yīng)的光線分別在各自所在的層中傳播、折射。圖3和圖4中右側(cè)像平面上的6個(gè)空心點(diǎn)Si’ -S6’表示所述六個(gè)光斑S1-S6各自對應(yīng)的光線若沿直線前進(jìn)而落在像平面上的位置，右側(cè)像平面上的6個(gè)實(shí)心點(diǎn)Sl”-S6” 則示出了所述六個(gè)光斑S1-S6各自對應(yīng)的光線經(jīng)過各自所在透明光學(xué)材料層的兩次折射而落在像平面上的實(shí)際位置。另外，如圖所示，從透明光學(xué)材料層Pll到P16，每個(gè)透明光學(xué)材料層的光束入射端面45相對于側(cè)面42所成的角度(即，從側(cè)面42所在的平面按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)到光束入射端面45所在平面時(shí)所轉(zhuǎn)動(dòng)的角度)遞增，此外，每個(gè)透明光學(xué)材料層的光束入射端面45和光束出射端面46之間的垂直距離或沿所述光束入射方向的距離相同。顯然，從透明光學(xué)材料層Pll到P16，每個(gè)透明光學(xué)材料層的光束入射端面45相對于側(cè)面42所成的角度也可以是遞減的，這樣也不影響本實(shí)用新型的實(shí)施。較佳地，從透明光學(xué)材料層Pll到P16，每個(gè)透明光學(xué)材料層的側(cè)面45相對于側(cè)面42所成的角度成遞增或遞減等差數(shù)列。[0035]圖5和圖6是平面圖，分別示出了圖3中的光學(xué)元件40的沿透明光學(xué)材料層的層疊方向順序排列的第1層和第6層透明光學(xué)材料中的光的兩次折射。[0036]如圖5所示，所述第1層透明光學(xué)材料Pll的光束入射端面45和光束出射端面46 相互平行，且光束入射端面45和光束出射端面46之間的垂直距離為Lp光束入射端面45 相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度為α η。入射到該透明光學(xué)材料層的入射端面45上的點(diǎn)Sl所對應(yīng)的光線在該層中經(jīng)過兩次折射從該層的出射端面46上的點(diǎn)Si”出射。[0037]如圖6所示，所述第6層透明光學(xué)材料Ρ16的光束入射端面45和光束出射端面46 相互平行，且光束入射端面45和光束出射端面46之間的垂直距離為Lp光束入射端面45 相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度為α 16。入射到該透明光學(xué)材料層的入射端面45上的點(diǎn)S6所對應(yīng)的光線在該層中經(jīng)過兩次折射從該層的出射端面46上的點(diǎn)S6”出射。[0038]根據(jù)光的折射定律，很容易計(jì)算出，在圖5和圖6中，經(jīng)過兩次折射后，第i層透明光學(xué)材料層中的出射光束相對于入射光束的偏移量Dli = k(aii，Ii1) · L1,其中，i = l，6， α 為第i層透明光學(xué)材料層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度，并且k(aii，ni)為函數(shù)[0040]在α = α π、η = ηι 時(shí)的值。[0041]圖7是函數(shù)k(a，n)隨角度α的變化關(guān)系圖，其中實(shí)心點(diǎn)示出了函數(shù)k ( α，η)隨角度α的變化關(guān)系，在計(jì)算中，透明光學(xué)材料的折射率Ii1取1.5。從圖7可以看到，k(a， η) =-k(Ji-a，n)，并且該變化關(guān)系在45°到135°的范圍內(nèi)非常接近線性關(guān)系。因此有 ADli ^ μ (II1) -L1 · Δ CIli，其中，Δ α π為光學(xué)元件40中的第i層處的相鄰兩層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度之差，Δ Dli為光學(xué)元件40中的第i層處的相鄰兩層中的出射光束相對于入射光束的偏移量之差；μ (Ii1)可以取為，例如， k(a,n)對角度α求偏導(dǎo)數(shù)后再對角度α求平均值所得的函數(shù)μ (η)在η = Ii1時(shí)的值。 如果對所有的i，都有Δ a = Δ a J即各透明光學(xué)材料層中的所述角度構(gòu)成等差數(shù)列)， 則有AD1 μ (Ii1) -L1-A Ci1,其中，Δ Ci1為光學(xué)元件40中的相鄰兩層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度之差，AD1為光學(xué)元件40中的相鄰兩層中的出射光束相對于入射光束的偏移量之差。另外，角度α在45°到135°之內(nèi)時(shí)，入射端面45和出射端面46之間的沿光束入射方向的距離與它們之間的垂直距離很接近，因此，在設(shè)計(jì)光學(xué)元件40時(shí)，如果角度α選在45°到135°之間，那么可以用入射端面45和出射端面46之間沿光束入射方向的距離作為上述公式中的L1，從而簡化了測量和制造。參看公式Dli = k(alijni) -L1和圖5_圖7，可以用出射光束相對于入射光束的偏移量的代數(shù)值的符號(hào)表示光束的兩個(gè)偏移方向。例如，當(dāng)a <90°時(shí)，Dli >0，光束向下偏折，并且隨著a u的增加，該偏折線性地減?。欢?dāng)aii>90°時(shí)，Dn<0，光束向上偏折，并且隨著Cili的增加，該偏折線性地增大。應(yīng)該注意，通過上面參考圖3到圖6的描述可以容易地看到，首先，所述各透明光學(xué)材料層沿著所述光束入射方向的平移不會(huì)影響出射光束相對于入射光束的偏移量，另外，平行于所述透明光學(xué)材料層的側(cè)面41和底面43入射到入射端面45上的光束沿著入射端面平移時(shí)，從出射端面46出射的光束相應(yīng)地做同方向同幅度平移。這樣，就為光學(xué)元件 40的一體化設(shè)計(jì)和制造提供很大的靈活性，并且在制造時(shí)需要控制誤差的地方較少。參看圖3和圖4，在使用光學(xué)元件40對一維半導(dǎo)體激光器陣列的準(zhǔn)直光束進(jìn)行分割時(shí)，首先根據(jù)該半導(dǎo)體激光器陣列的慢軸方向的光參數(shù)積BPPs和該半導(dǎo)體激光器陣列的快軸方向的光參數(shù)積BPPf確定光學(xué)元件40的層數(shù)N=[^PiyjBPPf ]，其中，[]為取整
符號(hào)。然后，根據(jù)入射到光學(xué)元件40的入射端面45上的條形光斑的長度Len，確定光學(xué)元件40在所述層疊方向上的厚度Cl1 = Len0用于光束切割的光學(xué)元件40上的第i層(i = 1到N-1)處相鄰層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度之差Δ α 可以根據(jù)所述條形光斑的厚度W來確定。具體說，如果要將光束切割成圖2 所示的樣子，則通過『=汲k")/徹A來確定Δ απ。近似地，可以通過W = μ (Ii1) -L1-A Qli來確定Δ Cili，此時(shí)有Δ Cili = Δ a i，即各透明光學(xué)材料層中的所述角度構(gòu)成等差數(shù)列，△、為光束切割的光學(xué)元件40上的相鄰層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度之差。應(yīng)該注意，Δ α工還可以通過其它規(guī)則來選定，例如 W < I μ (Ii1) · L1 · Δ a u |。在對所述一維半導(dǎo)體激光器陣列的準(zhǔn)直光束進(jìn)行分割之后，再利用圖8所示的光學(xué)元件對分割后的光束進(jìn)行重排。圖8是透視圖，示出了本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例所述的用于半導(dǎo)體激光器陣列光束重排的光學(xué)元件。圖8所示的光學(xué)元件50與圖3所示的光學(xué)元件40的結(jié)構(gòu)是相同的(但結(jié)構(gòu)參數(shù)可以不同)。在使用光學(xué)元件50對一維半導(dǎo)體激光器陣列的被分割了的光束進(jìn)行重排時(shí)，使光學(xué)元件50的各層層疊方向相對于光學(xué)元件40 的各層層疊方向在垂直于光入射方向的平面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。光學(xué)元件50同樣被分成了 N層，BPPs/BPPf]，[]為取整符號(hào)，光學(xué)元件50的厚度d2可以由下式確定
N-ICi2 = Yjdk{a,n)jda \α=α^η=ηχ . Aau-L1 +W
i=l如果用于光束切割的光學(xué)元件40的各透明光學(xué)材料層中的光束入射端面45 相對于平行于光入射方向的側(cè)面42所成的角度構(gòu)成等差數(shù)列，那么可以近似地有d2 =
μ (H1) · L1 · Δα" (N-I) I +W。光學(xué)元件50上的相鄰層中的光束入射端面45相對于平行于光入射方向的側(cè)面42 所成的角度之差為常數(shù)Δ α 2，這樣可以保證將切割了的光束對齊排列。Δ Ci2可以由下式近似地確定
Len其中，L2為光學(xué)元件50中的各層透明光學(xué)材料的光束入射端面45和光束出射端面46之間的垂直距離或沿光束入射方向的距離，η2為形成光學(xué)元件50的透明光學(xué)材料的折射率。下面將參考圖9、圖10和圖11來描述本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)的三個(gè)實(shí)施例。圖9是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第一實(shí)施例所述的用于勻化一維半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其中，圖9上部示出了該系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖9中部示出了該系統(tǒng)的俯視圖，圖9下部示出了該系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)Bi、Β2、 Β3和Β4處的光束的斷面形狀。圖10是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第二實(shí)施例所述的用于勻化二維密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其中，圖10上部示出了該系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖10中部示出了該系統(tǒng)的俯視圖，圖10下部示出了該系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)Bi、Β2、 Β3和Β4處的光束的斷面形狀。圖11是光路示意圖，示出了本實(shí)用新型的第三實(shí)施例所述的用于勻化二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，其中，圖10上部示出了該系統(tǒng)的側(cè)視圖，圖10中部示出了該系統(tǒng)的俯視圖，圖10下部示出了該系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)Β1、Β2、 Β3和Β4處的光束的斷面形狀。如圖9所示，本實(shí)用新型的第一實(shí)施例所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列光束勻化的光學(xué)系統(tǒng)包括順序地光學(xué)耦合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列1、快慢軸光束準(zhǔn)直單元2、由光學(xué)元件40構(gòu)成的光束切割單元4、由光學(xué)元件50構(gòu)成的光束重排單元5以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元7。光束切割單元4和光束重排單元5所具有的所述層的數(shù)目相同。光學(xué)元件50 的各層層疊方向相對于光學(xué)元件40的各層層疊方向在垂直于光入射方向的平面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。光學(xué)元件40與光學(xué)元件50的各層層疊方向上的厚度、層數(shù)、以及相鄰層中的光束入射端面相對于平行于光入射方向的側(cè)面所成的角度之差根據(jù)前面的描述來選定。圖9 所示光學(xué)系統(tǒng)的工作原理類似于圖2所示光學(xué)系統(tǒng)，此處不再多做描述。如圖10所示，本實(shí)用新型的第二實(shí)施例所述的二維密排半導(dǎo)體激光器陣列光束勻化的光學(xué)系統(tǒng)包括順序地光學(xué)耦合起來的二維密排半導(dǎo)體激光器陣列1’、快慢軸光束準(zhǔn)直單元2、快軸光束壓縮單元3、由光學(xué)元件40構(gòu)成的光束切割單元4、由光學(xué)元件50構(gòu)成的光束重排單元5以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元7。二維密排半導(dǎo)體激光器陣列1’中的相鄰兩行激光器之間的間距為國際通用標(biāo)準(zhǔn)間距1. 8mm。光束切割單元4和光束重排單元5劃分出的所述層的數(shù)目相同。光學(xué)元件50的各層層疊方向相對于光學(xué)元件40的各層層疊方向在垂直于光入射方向的平面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。光學(xué)元件40與光學(xué)元件50的各層層疊方向上的厚度、層數(shù)、以及相鄰層中的光束入射端面相對于平行于光入射方向的側(cè)面所成的角度之差根據(jù)前面的描述來選定。圖10所示光學(xué)系統(tǒng)的工作原理類似于圖2所示光學(xué)系統(tǒng)， 此處不再多做描述。[0054]如圖11所示，本實(shí)用新型的第三實(shí)施例所述的二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束勻化的光學(xué)系統(tǒng)包括順序地光學(xué)耦合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列1”、快慢軸光束準(zhǔn)直單元2、由光學(xué)元件40構(gòu)成的光束切割單元4、由多個(gè)沿層疊方向?qū)盈B的光學(xué)元件50構(gòu)成的光束重排單元5以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元7。二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列1”中的相鄰兩行激光器之間的間距為2mm-10mm。光束切割單元4和光束重排單元5所包含的每個(gè)光學(xué)元件50劃分出的所述層的數(shù)目相同。光學(xué)元件50的各層層疊方向與光學(xué)元件40的各層層疊方向在垂直于光入射方向的平面內(nèi)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°。光學(xué)元件40與光學(xué)元件50的各層層疊方向上的厚度、層數(shù)、以及相鄰層中的光束入射端面相對于平行于光入射方向的側(cè)面所成的角度之差根據(jù)前面的描述來選定。圖11所示光學(xué)系統(tǒng)的工作原理類似于圖9所示光學(xué)系統(tǒng)的簡單疊加，此處不再多做描述。[0055]圖9至圖11所示的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形的光學(xué)系統(tǒng)還可包括用于將慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元7輸出的均勻光斑聚焦成點(diǎn)光斑的球面聚焦透鏡8。[0056]如上所述，本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)半導(dǎo)體激光器陣列光束的勻化目的，并且所述光學(xué)元件具有定位精確、 結(jié)構(gòu)緊湊、一體化成型、無累積誤差、容易調(diào)節(jié)的優(yōu)點(diǎn)，大大地方便了上述光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、制造和使用，并能降低光功率的損耗，提高勻化效率，特別適合于大功率半導(dǎo)體激光器陣列的光束勻化。[0057]如上參照附圖以示例的方式描述了本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)。但是，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對于上述本實(shí)用新型所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，還可以在不脫離本實(shí)用新型內(nèi)容的基礎(chǔ)上做出各種改進(jìn)。因此，本實(shí)用新型的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)由所附的權(quán)利要求書的內(nèi)容確定。權(quán)利要求1.一種用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件，其特征在于，該光學(xué)元件包括一體化層疊的N個(gè)厚度相等的透明光學(xué)材料層，N為自然數(shù)，N >2，所述每個(gè)透明光學(xué)材料層均為扁平的直平行六面體，該直平行六面體的一對平行的側(cè)面分別為所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射端面和出射端面，該直平行六面體的另一對平行的側(cè)面平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向，該直平行六面體的平行四邊形底面與相鄰?fù)该鞴鈱W(xué)材料層的底面部分重合；其中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束入射方向的所述側(cè)面所成的角度遞增或遞減，所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述入射端面和出射端面之間的垂直距離或沿所述光束入射方向的距離相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)元件，其特征在于，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個(gè)透明光學(xué)材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束入射方向的所述側(cè)面所成的角度構(gòu)成等差數(shù)列。
3.一種用于勻化一維半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，包括順序地光學(xué)耦合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其特征在于，所述光束切割單元為權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，所述光束重排單元為權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，所述光束切割單元和所述光束重排單元所包含的所述透明光學(xué)材料層的數(shù)目相同，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。
4.一種用于勻化二維密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，包括順序地光學(xué)耦合起來的二維密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、快軸光束壓縮單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其特征在于，所述光束切割單元為權(quán)利要求1 所述的光學(xué)元件，所述光束重排單元為權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，所述光束切割單元和所述光束重排單元所包含的所述透明光學(xué)材料層的數(shù)目相同，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，通過W=I μ (II1) -L1. Δ CI1I確定Δ α工。
7.一種用于勻化二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的光學(xué)系統(tǒng)，包括順序地光學(xué)耦合起來的二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準(zhǔn)直單元、光束切割單元、光束重排單元以及慢軸擴(kuò)束準(zhǔn)直單元，其特征在于，所述光束切割單元為權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，所述光束重排單元包括多個(gè)沿所述層疊方向排列的如權(quán)利要求2所述的光學(xué)元件，所述光束重排單元所包含的多個(gè)所述光學(xué)元件中的每個(gè)光學(xué)元件和所述光束切割單元具有數(shù)目相同的所述透明光學(xué)材料層，所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述透明光學(xué)材料層的層疊方向相互垂直。
專利摘要提供一種用于勻化半導(dǎo)體激光器陣列光束質(zhì)量的一體化成型的光學(xué)元件以及利用該光學(xué)元件構(gòu)成的用于一維、二維密排和二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列光束勻化的系統(tǒng)。該光學(xué)元件包括一體化層疊的多個(gè)厚度相等的透明光學(xué)材料層，每個(gè)層均為扁平的直平行六面體，其一對平行的側(cè)面分別為半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射端面和出射端面，其另一對平行的側(cè)面平行于所述光束的入射方向，其平行四邊形底面與相鄰層的底面部分重合，其中，沿層疊方向順序排列的各個(gè)層中的光束入射端面相對于平行于所述光束入射方向的側(cè)面所成的角度遞增或遞減，各個(gè)層中的入射端面和出射端面之間的垂直距離或沿所述光束入射方向的距離相同。
文檔編號(hào)G02B5/00GK202256731SQ20112033315
公開日2012年5月30日 申請日期2011年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月6日
發(fā)明者劉友強(qiáng), 史元魁, 曹銀花, 王智勇, 王有順, 許并社, 陳玉士 申請人:北京工業(yè)大學(xué), 山西飛虹激光科技有限公司