專利名稱：半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及一種光學系統(tǒng)，具體說，涉及一種半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
[0002]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)了將多個半導(dǎo)體激光器排列在一起形成條陣、以及將多個條陣堆疊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的一個例子中，陣列長度約為10mm，單個發(fā)光區(qū)的出光側(cè)面的尺寸為150 μ mXl 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，具有嚴重的像散，因而不能簡單地通過透鏡系統(tǒng)進行聚焦。[0003]激光光束質(zhì)量優(yōu)劣通過光束參數(shù)乘積(BPP)來評價，光束參數(shù)乘積BPP定義為某個方向上的束腰半徑(R)與遠場發(fā)散角半角(Θ)的乘積，單位是mm*mrad?？燧S的光束參數(shù)乘積BPPf —般為1 2mm .mrad,慢軸的光束參數(shù)乘積BPPs為500mm · mrad，快慢軸的光束參數(shù)乘積相差上百倍，因而很難對該光束進行聚焦。[0004]為了提高半導(dǎo)體激光器陣列的輸出光束的質(zhì)量，必須對其進行整形，以獲得發(fā)散角和光斑直徑均很小的對稱光斑。光束整形就是將光束的快慢軸的光束參數(shù)乘積均勻化， 即通過光學元件將條形準直光束從慢軸方向分割成N段，然后將這N段在快軸方向上疊加， 這樣，慢軸方向上的光束參數(shù)積減小到原來的1/N，而快軸上的光束參數(shù)積增加到原來的N 倍，從而光束的快慢軸的光束參數(shù)乘積均勻化。圖2是對一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束進行整形的示意圖，其中，在圖2中的上部示出了整形光學系統(tǒng)，在圖2中的下部示意地示出了所述整形光學系統(tǒng)中的某些節(jié)點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直透鏡2分別進行準直以得到準平行光。準直后的光束在節(jié)點Bl處的斷面形狀為長條形。然后，準直后的光束通過光束切割單元4，通過光束切割單元4后的光束在節(jié)點B2處變?yōu)榕_階狀分布的N段光束，臺階狀分布的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B3處變?yōu)樗鯪段光束的疊加。 節(jié)點B3處的光束在慢軸方向(即圖2中的X方向)的尺寸小，經(jīng)過慢軸擴束準直單元7后在節(jié)點B4處變?yōu)閿嗝鏋榭炻S光束參數(shù)乘積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光斑。[0005]目前，用于半導(dǎo)體激光陣列的光束整形系統(tǒng)中的光束切割單元4和光束重排單元 5等光學元件一般分為反射式光學元件、折反射式光學元件和折射式光學元件。所述反射式整形用光學元件包括兩個完全對稱的階梯型反射鏡，每個階梯型反射鏡又包括N個高反射率鏡面，光束通過第一個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。這種整形用的光學元件的缺點是階梯型反射鏡的加工難度大。所述折反射式整形用光學元件利用兩組棱鏡的折射和全反射來實現(xiàn)光束的分割和重排。這種整形用的光學元件的缺點是棱鏡間的精確定位不好控制，棱鏡的裝配比較困難。所述折射式整形用光學元件則通過對光束進行一次或多次折射來實現(xiàn)光束的勻化。此類整形用光學元件可以通過GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列、棱鏡組合、光學玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此類整形用光學元件由多個光學玻璃薄片緊密疊加而成，整形的效率比較高。上述在光束整形系統(tǒng)中用于光束切割和光束重排的光學元件都在不同程度上存在設(shè)計制造比較復(fù)雜、裝配困難、不易調(diào)節(jié)以及累積誤差大等問題。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)以克服上述光束整形系統(tǒng)中所使用的光束切割單元和光束重排單元設(shè)計復(fù)雜、裝配困難、定位不精確、 累積誤差大、不易調(diào)節(jié)等缺點中的一個或多個缺點。為了實現(xiàn)上述目的，一方面，本實用新型提供一種一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其包括順序地光學偶合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準直單元、光束切割單元、光束重排單元和慢軸擴束準直單元，其中，所述光束切割單元包括層疊的N個厚度相等的透明光學材料層，N為自然數(shù)，N > 2，所述每個透明光學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材料層的底面部分疊在一起，其中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個透明光學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，所述各個透明光學材料層中的所述入射端面和出射端面之間的垂直距離相同或沿所述光束入射方向的距離相同；所述光束重排單元由長方體透明光學材料制成，該長方體透明光學材料沿著厚度方向也均勻地分為N個層疊的層，每個所述層中包含與該層等厚的、在所述長方體的包含長度維度和厚度維度的兩個表面之間延伸的空氣間隙帶，該空氣間隙帶的兩個邊緣面為平行于所述厚度方向且相互平行的兩個平面，任意兩個所述層中的所述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度維度和厚度維度的表面所成的角度相同或互補，沿所述厚度方向順序排列的各個所述層中的所述空氣間隙帶的兩個邊緣面之間垂直有向距離的值構(gòu)成遞減等差數(shù)列，其中，第一個層中的所述空氣間隙帶的兩個邊緣面之間垂直有向距離的值設(shè)為正值，如果該遞減等差數(shù)列中的兩個垂直有向距離的值的符號相同， 則表示與這兩個垂直有向距離的值相對應(yīng)的兩個層中的所述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度和厚度維度的表面所成的角度相同，如果該遞減等差數(shù)列中的兩個 垂直有向距離的值的符號相反，則表示與該兩個垂直有向距離的值相對應(yīng)的兩個層中的所 述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度維度和厚度維度的表面所成的角度 互補，如果該遞減等差數(shù)列中的ー個垂直有向距離的值為零，則表示與該垂直有向距離相 對應(yīng)的層為不包含空氣間隙帶的連續(xù)的透明光學材料層；以及所述光束切割単元與所述光 束重排單元中的所述N個透明光學材料層的層疊方向相互垂直。 優(yōu)選地，所述光束切割単元和所述光束重排單元可以通過所述N個透明光學材料 層一體化形成，或可以通過所述N個透明光學材料層拼合形成。進ー步優(yōu)選地，在所述光束 切割単元中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個透明光學材料層中的所述光束入射端 面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向的所述側(cè)面所成的角度可以構(gòu)成 等差數(shù)列。[0013] 另外，優(yōu)選地，可以取
權(quán)利要求1.一種一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，包括順序地光學偶合起來的一維半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準直單元、光束切割單元、光束重排單元和慢軸擴束準直單元， 其特征在于，所述光束切割單元包括層疊的N個厚度相等的透明光學材料層，N為自然數(shù)，N >2，所述每個透明光學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材料層的底面部分疊在一起，其中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個透明光學材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向的所述側(cè)面所成的角度遞增或遞減，所述各個透明光學材料層中的所述入射端面和出射端面之間的垂直距離相同或沿所述光束入射方向的距離相同；所述光束重排單元由長方體透明光學材料制成，該長方體透明光學材料沿著厚度方向也均勻地分為N個層疊的層，每個所述層中包含與該層等厚的、在所述長方體的包含長度維度和厚度維度的兩個表面之間延伸的空氣間隙帶，該空氣間隙帶的兩個邊緣面為平行于所述厚度方向且相互平行的兩個平面，任意兩個所述層中的所述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度維度和厚度維度的表面所成的角度相同或互補，沿所述厚度方向順序排列的各個所述層中的所述空氣間隙帶的兩個邊緣面之間垂直有向距離的值構(gòu)成遞減等差數(shù)列，其中，第一個層中的所述空氣間隙帶的兩個邊緣面之間垂直有向距離的值設(shè)為正值，如果該遞減等差數(shù)列中的兩個垂直有向距離的值的符號相同，則表示與這兩個垂直有向距離的值相對應(yīng)的兩個層中的所述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度和厚度維度的表面所成的角度相同，如果該遞減等差數(shù)列中的兩個垂直有向距離的值的符號相反，則表示與該兩個垂直有向距離的值相對應(yīng)的兩個層中的所述空氣間隙帶的邊緣面相對于所述長方體的包含長度維度和厚度維度的表面所成的角度互補，如果該遞減等差數(shù)列中的一個垂直有向距離的值為零，則表示與該垂直有向距離相對應(yīng)的層為不包含空氣間隙帶的連續(xù)的透明光學材料層；以及所述光束切割單元與所述光束重排單元中的所述N個透明光學材料層的層疊方向相互垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其特征在于，所述光束切割單元和所述光束重排單元通過所述N個透明光學材料層一體化形成，或通過所述 N個透明光學材料層拼合形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其特征在于，在所述光束切割單元中，沿著所述層疊方向順序排列的所述各個透明光學材料層中的所述光束入射端面相對于平行于所述半導(dǎo)體激光器陣列光束的入射方向的所述側(cè)面所成的角度構(gòu)成等差數(shù)列。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其特征在于， BPPs/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；所述光束切割單元的所述透明光學材料層的層疊方向上的厚度Cl1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材料層的層疊方向上的厚度d2為d2 =
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其特征在于，通過
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一維半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，其特征在于，在所述光束重排單元中，沿所述厚度方向順序排列的所述N個層中，第1層中的空氣間隙帶的邊緣面之間的垂直有向距離的值與第N層中的空氣間隙帶的邊緣面之間的垂直有向距離的值的符號相反，絕對值相等；其中當N為奇數(shù)時，沿所述厚度方向順序排列的第(N+l)/2層為不包含所述空氣間隙帶的連續(xù)的透明光學材料層。
7.—種二維密排半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，包括順序地光學偶合起來的二維密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準直單元、快軸光束壓縮單元、光束切割單元、光束重排單元和慢軸擴束準直單元，其特征在于，所述光束切割單元為權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光束整形系統(tǒng)中的光束切割單元，所述光束重排單元為權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光束整形系統(tǒng)中的光束重排單元，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材料層的數(shù)目N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材料層的層疊方向相互垂直。
8.—種二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)，包括二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列、快慢軸光束準直單元、光束切割單元、光束重排單元和慢軸擴束準直單元，其特征在于，所述光束切割單元為權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光束整形系統(tǒng)中的光束切割單元，所述光束重排單元包括多個沿厚度方向排列的如權(quán)利要求1到6中的任一權(quán)利要求所述的光束整形系統(tǒng)中的光束重排單元，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材料層的數(shù)目N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材料層的層疊方向相互垂直。
9.根據(jù)權(quán)利要求1、7和8中的任一權(quán)利要求所述的光束整形系統(tǒng)，其特征在于，所述光束切割單元用構(gòu)造與所述光束重排單元的構(gòu)造相同的光學元件替換，并且所述光束重排單元用構(gòu)造與所述光束切割單元的構(gòu)造相同的光學元件替換。
專利摘要提供一維、二維密排和二維非密排半導(dǎo)體激光器陣列的光束整形系統(tǒng)。這些光學整形系統(tǒng)中的光束切割單元包括層疊的多個厚度相等的直平行六面體透明光學材料層，沿層疊方向順序排列的各個層中的光束入射端面與平行于光束入射方向的側(cè)面之間的夾角遞增或遞減，各個層中的入射端面和出射端面之間的垂直距離或沿光束入射方向的距離相同。這些光學整形系統(tǒng)中的光束重排單元由長方體透明光學材料制成，該長方體沿厚度方向均勻地分為多層，每層中都包含一條空氣間隙帶，各層中的空氣間隙帶的傾角相同或互補，沿厚度方向順序排列的各層的空氣間隙帶的帶寬值構(gòu)成遞減等差數(shù)列。所述光束切割和重排單元所包含的層數(shù)相同，而這些層的層疊方向垂直。
文檔編號G02B27/09GK202256886SQ20112033317
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, 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, 山西飛虹激光科技有限公司