一種半導(dǎo)體激光器光束整形裝置制造方法
【專利摘要】一種半導(dǎo)體激光器光束整形裝置，其特征在于：包括在光路上依次的半導(dǎo)體激光器管芯、光學(xué)放大元件、90°旋轉(zhuǎn)元件、平移光學(xué)元件、光學(xué)縮小元件。本實用新型提出的裝置有效地減小了半導(dǎo)體激光器輸出光束的束參數(shù)積（BPP），改善了光束質(zhì)量，為大功率半導(dǎo)體泵浦激光器的制造和大功率直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)的制造提供了有力的技術(shù)路徑。
【專利說明】一種半導(dǎo)體激光器光束整形裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種光束整形裝置，尤其涉及半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著半導(dǎo)體大功率激光技術(shù)在光纖激光器栗浦和直接半導(dǎo)體激光器中的應(yīng)用不斷深入，要求半導(dǎo)體激光器能夠輸出更高的功率和具有更好的光束質(zhì)量。在大功率光纖激光器系統(tǒng)中，半導(dǎo)體栗浦激光器的功率越大，要求的光纖合束器的分岔路數(shù)越少，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也更加簡單，便于制造和維護。在大功率直接半導(dǎo)體激光器中，需要將盡可能多的半導(dǎo)體激光器的光束合在一起，同時要求光束質(zhì)量盡可能好。但是目前的困難在于，由于半導(dǎo)體激光器的發(fā)光區(qū)上，慢軸(水平)方向比較寬，大約在百微米的量級；而快軸(豎直)方向比較窄，大約在I微米的量級。這就造成了輸出光束嚴重偏離了對稱性，在快軸(豎直)方向，基本處于衍射極限的范圍，光束參數(shù)積(BPP)比較??；而在慢軸(水平)方向，非常遠離衍射極限，光束參數(shù)積(BPP)非常大。目前的半導(dǎo)體光束合束技術(shù)雖然能夠把多個半導(dǎo)體激光器的輸出光束合為一路，但是由于BPP在快軸和慢軸方向的巨大差異，導(dǎo)致多管芯合束后的功率值不容易做的很大，同時光束質(zhì)量差。為了彌補現(xiàn)有技術(shù)的不足，并滿足日益增長的大功率激光系統(tǒng)的需求，本專利提出一種新的裝置，該裝置能夠?qū)蝹€半導(dǎo)體激光器的輸出光束進行空間整形，減小慢軸方向的BPP，適當增加快軸方向的BPP，使得兩個方向的BPP的差異減小，總體BPP得到優(yōu)化，光束質(zhì)量得到提高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷和不斷增長的大功率激光系統(tǒng)的需求，本實用新型提出一種半導(dǎo)體激光器光束整形裝置，該裝置能夠?qū)蝹€半導(dǎo)體激光器的輸出光束進行空間整形，減小慢軸(水平)方向的BPP，適當增加快軸(豎直)方向的BPP，使得兩個方向的BPP趨于平衡，輸出光束更加向趨于對稱的方向靠近，總體BPP減小。
[0004]為了達到上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案為:一種半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，其特征在于:包括在光路上依次的半導(dǎo)體激光器管芯、光學(xué)放大元件、90°旋轉(zhuǎn)元件、平移光學(xué)元件、光學(xué)縮小元件。
[0005]所述的光學(xué)放大元件可以是光學(xué)透鏡或透鏡組，它形成放大的實像或虛像。
[0006]所述的光學(xué)縮小元件是光學(xué)透鏡或透鏡組，它形成縮小的實像或虛像。
[0007]所述的90°旋轉(zhuǎn)元件為45°斜切的圓柱透鏡、或V形槽反射器。
[0008]所述的光學(xué)平移元件是平行四邊形棱鏡、復(fù)合棱鏡及棱鏡組或反射鏡組。
[0009]所述的各個光學(xué)元件的端面都鍍有增透AR膜。
[0010]本實用新型的有益效果是:1、通過光學(xué)整形，適當增加快軸方向的BPP，減小慢軸方向的BPP，使得半導(dǎo)體激光器的綜合光束質(zhì)量得到提高。2、有利于制造更大功率光纖輸出的半導(dǎo)體栗浦激光器。3、有利于制造更大功率和更好光束質(zhì)量的直接大功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0011]圖1是半導(dǎo)體激光器光束整形的整體結(jié)構(gòu)。
[0012]圖2是各節(jié)點的發(fā)光區(qū)或其像的近場圖。
[0013]圖中:半導(dǎo)體激光器管芯1，快軸準直透鏡2，線性放大透鏡3，90°旋轉(zhuǎn)元件4，光學(xué)平移元件5，線性縮小透鏡6，輸出光纖或后端光學(xué)系統(tǒng)7，原始的半導(dǎo)體激光器管芯發(fā)光面11，經(jīng)過放大的發(fā)光面的像12，經(jīng)過分段旋轉(zhuǎn)的發(fā)光面的像13，經(jīng)過平移的發(fā)光面的像14，經(jīng)過縮小的發(fā)光面的像15。
【具體實施方式】
[0014]一種半導(dǎo)體激光器光束整形裝置，依次由半導(dǎo)體激光器管芯1、快軸準直透鏡2、線性放大透鏡3、90°旋轉(zhuǎn)元件4、光學(xué)平移元件5、線性縮小透鏡6和輸出光纖或后端光學(xué)系統(tǒng)7組成，半導(dǎo)體激光器管芯I產(chǎn)生激光束，快軸準直透鏡2接收激光束并會聚，線性放大透鏡3接收會聚后的激光束在發(fā)光區(qū)線性放大，90°旋轉(zhuǎn)元件4對發(fā)光區(qū)分段、每段分別進行90°光學(xué)變換旋轉(zhuǎn)，并通過光學(xué)平移元件5將各段進行空間平移、減小各段之間的間隙，最后線性縮小透鏡6將發(fā)光區(qū)的像進行線性縮小、通過輸出光纖或后端光學(xué)系統(tǒng)7輸出光束。
[0015]先用光學(xué)透鏡或透鏡組將半導(dǎo)體激光器的發(fā)光面近場，從初始的尺寸變換為更大的尺寸，為后端的光束空間處理做準備。然后將放大的發(fā)光面近場沿著慢軸方向劃分為N段，N值通常選為3-6，用相應(yīng)的N個光學(xué)整形元件分別對這N段進行90°旋轉(zhuǎn)，將它們從水平方向變換為豎直方向。之后，通過棱鏡、反射鏡、或其它光學(xué)元件，將該N個豎直的虛擬發(fā)光面進行相應(yīng)的平移，減小它們之間的空間間隙，提高填充因子(fillingfactor)。最后通過光學(xué)元件，將發(fā)光區(qū)的像縮小，綜合調(diào)節(jié)其尺寸和發(fā)散角使其與輸出的光纖或后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)的接收孔徑(Aperture)和數(shù)值孔徑(NA)相適應(yīng)。這樣，我們就可以得到了一個新的
虛擬發(fā)光區(qū)，該發(fā)光區(qū)在快軸方向的線度變大了約倍，f為快軸方向的填充因子，發(fā)散角
基本不變；在慢軸方向，線度變短了 N/f倍，發(fā)散角基本不變。
[0016]所述的各個光學(xué)元件的端面都鍍有增透(AR)膜，減小光功率在光學(xué)變換過程中的能量損失，同時減小各個光學(xué)元件的發(fā)熱。
[0017]本實用新型的合束原理說明如下:
[0018]對于大功率半導(dǎo)體激光器的有源區(qū)，可以如下方式建立本地坐標，分為三個方向:橫向(Lateral,簡稱x方向)、整向(Transversal,簡稱y方向)、縱向(Longitudinal,簡稱z方向)。其中X方向和y方向組成了垂直于光傳播方向的界面的光波導(dǎo)。有源區(qū)一般是由量子阱組成的，y方向的發(fā)光模場厚度一般在I微米的量級。由于是大功率工作，波導(dǎo)的橫向尺寸比較寬，以降低平均光子密度，通常X方向的發(fā)光區(qū)寬度在幾百微米的量級。這種波導(dǎo)的幾何尺寸嚴重不對稱就造成了輸出光束發(fā)散角的嚴重不一致。通常豎向，也就是快軸方向的光束發(fā)散角在60-70° ;而橫向，也就是慢軸方向的光束發(fā)散角在12-18°左右。在傳統(tǒng)方案中，一般使用透鏡或透鏡組進行快軸準直和慢軸準直，但是不論任何準直，它們只能改變光束的發(fā)散角，也相應(yīng)地改變像的尺寸。而橫向和豎向的光束參數(shù)積(BPP)都無法改變。固有的BPP差異仍然保留下來，也就是快軸BPP小，慢軸BPP大。本實用新型的方法的獨特點在于，打破了傳統(tǒng)的把發(fā)光區(qū)作為整體來進行變換的模式，創(chuàng)新地將發(fā)光區(qū)分成N個片段，分別變換然后組合在一起。由于片段的劃分是沿著慢軸方向的，這樣每個片段的BPP在慢軸方向減小了 N倍。之后N個片段的重新組合是發(fā)生在快軸方向，這樣重組后的BPP在快軸方向增加了 N倍?？傮w的BPP是快軸BPP和慢軸BPP的平方和的平方根，也就
是BPP= ,j&PP,1+ SPPv2,不難發(fā)現(xiàn)，按同樣比例增大快軸BPP和減小慢軸BPP，將使整體
的BPP減小。直到快軸BPP等于慢軸BPP的時候，總體的BPP達到最小。本實用新型并未將快軸BPP和慢軸BPP調(diào)整到完全相等，但是也顯著地減小了總體BPP的大小。這就是本實用新型進行光束整形并實現(xiàn)BPP減小的原理。
[0019]在光路上，依次為半導(dǎo)體激光器管芯、光學(xué)透鏡或透鏡組、90 °旋轉(zhuǎn)光學(xué)元件、平移光學(xué)元件、光學(xué)透鏡或透鏡組。
[0020]所述的各個光學(xué)元件的端面都鍍有增透(AR)膜，減小光功率在光學(xué)變換過程中的能量損失，同時減小各個光學(xué)元件的發(fā)熱。
[0021]實施例1:
[0022]本實用新型的裝置如圖1所示。
[0023]下面結(jié)合附圖，對本實用新型優(yōu)選的具體實施例進行說明:
[0024]采用975nm、輸出功率為10W、輸出條寬Lx=150微米、光模場厚度Ly=I微米的半導(dǎo)體激光器管芯I，其快軸(y軸)發(fā)散角為70°，慢軸(X軸)發(fā)散角為18°，安裝在氮化鋁過渡熱沉和銅熱沉上。這個半導(dǎo)體激光器管芯I的原始BPP為y軸0.34mm.mrad、x慢軸9.8mm.mrad。用第一個快軸準直透鏡2對半導(dǎo)體激光器管芯I的快軸進行部分的準直，使得管芯發(fā)光面的像在快軸方向和慢軸方向基本重合，形成統(tǒng)一的像，這個像的y發(fā)散角為30°，X發(fā)散角為18°，光模場大小變?yōu)長x=150微米，Ly=2.3微米。采用線性放大透鏡3對半導(dǎo)體激光器管芯I發(fā)光面進行成像，得到5x大小的像。這個像的長度為約750微米，寬度為11.5微米，y軸發(fā)散角為6°，X軸發(fā)散角為3.6°。用3個45°斜切的圓柱透鏡對準上述的實像，對該像的3段分別進行90°的旋轉(zhuǎn)，得到3個有間隔的豎直的實像，每個實像的長度為250微米，寬度11.5微米，它們之間的間距為250微米，它們的快慢軸發(fā)散角不變。采用光學(xué)平移元件5對這3個實像進行平移，左邊的片斷向中心移動，右邊的片斷也向中心移動，使這3個片段之間的間隙小于20微米。這樣3個片段的輪廓就形成了一個長度250微米，寬度50微米的近似矩形，X軸發(fā)散角為6°，y軸發(fā)散角為3.6°。再采用另外一個線性縮小透鏡6對這個像進行線性縮小，縮小倍率為x3倍。這時，新的像是83x17微米的矩形，X軸發(fā)散角為18°，y軸發(fā)散角為10.8°。對X軸進行一個附加的準直，使其發(fā)散角為9度，寬度變?yōu)?4微米。半導(dǎo)體激光器管芯I經(jīng)過上述光學(xué)變換后的BPP為:x軸1.3mm.mrad.y軸3.9mm.mrad。這時將該光束耦合進芯徑為105微米、數(shù)值孔徑(NA)為0.15的光纖中。
[0025]在本實例中，僅將管芯的發(fā)光面分成了 3段，如果劃分的片斷數(shù)目更多，將填充因子更加接近1，將會更加提高輸出光束的質(zhì)量和與光纖的耦合效率。
[0026]由圖2知，是各節(jié)點的發(fā)光區(qū)或其像的近場圖。所述的線性放大透鏡3，是光學(xué)透鏡或透鏡組，作用是使發(fā)光區(qū)線性放大，放大倍率3-10倍。經(jīng)過放大的發(fā)光面的像12所
7J\ ο[0027]所述的90°旋轉(zhuǎn)元件4，是一組45度斜切的圓柱透鏡或V形槽反射器、個數(shù)大于等于3，作用是對發(fā)光區(qū)分段、每段分別進行90°旋轉(zhuǎn)的光學(xué)變換。經(jīng)過分段旋轉(zhuǎn)的發(fā)光面的像13。
[0028]所述的光學(xué)平移元件5，是平行四邊形棱鏡、復(fù)合棱鏡及棱鏡組、或反射鏡組、個數(shù)大于等于3、與所述的90°旋轉(zhuǎn)元件4中透鏡個數(shù)相等，作用是將各段進行空間平移、減小各段間隙(10-30微米)，經(jīng)過平移的發(fā)光面的像14所示。
[0029]所述的線性縮小透鏡6，是光學(xué)透鏡或透鏡組，作用是將發(fā)光區(qū)的像進行線性縮小，綜合調(diào)節(jié)其尺寸和發(fā)散角使其與輸出光纖或后端光學(xué)系統(tǒng)I的接收孔徑和數(shù)值孔徑相適應(yīng)，縮小倍率3-5倍。例如，光纖的接收孔徑大而數(shù)值孔徑比較小而光束的直徑比較小且發(fā)散角比較大，在這種情況下，使用線性縮小透鏡6將光束進行適當?shù)臅?，使得光束發(fā)散角變小而直徑變大以更好地與光纖相匹配。經(jīng)過縮小的發(fā)光面的像15所示。
[0030]所述的輸出光纖或后端光學(xué)系統(tǒng)7，作用是傳輸激光。
[0031]本實用新型的特點:
[0032]1、拋棄了傳統(tǒng)技術(shù)對半導(dǎo)體激光器整體進行光學(xué)變換的方法，另辟蹊徑地將慢軸方向分成N段，逐段進行變換，從而實現(xiàn)了提高半導(dǎo)體激光器單管芯光束質(zhì)量的目的。
[0033]2、將半導(dǎo)體激光器單管芯的發(fā)光區(qū)進行了線性放大，克服了光學(xué)元件無法處理小尺寸光斑的困難。
[0034]3、根據(jù)實際半導(dǎo)體激光器管芯的尺寸，也稱為發(fā)光區(qū)條寬，可以靈活地選擇分段數(shù)目，也就是N的數(shù)值，以適應(yīng)光學(xué)元件尺寸和輸出光束質(zhì)量的要求。
[0035]4、可以靈活選擇最后的發(fā)光區(qū)像的尺寸和發(fā)散角，使其與輸出光纖或后端光學(xué)儀器的接收孔徑和數(shù)值孔徑相匹配。
[0036]上面結(jié)合對本實用新型所優(yōu)選的實施例進行了說明，但是上述實施例并不能理解為對本實用新型保護范圍的限制，凡根據(jù)本實用新型精神實質(zhì)所作的等效變化或修飾，例如推廣用于半導(dǎo)體激光器陣列等，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，其特征在于:包括在光路上依次的半導(dǎo)體激光器管芯、光學(xué)放大元件、90°旋轉(zhuǎn)元件、平移光學(xué)元件、光學(xué)縮小元件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，其特征在于:所述的光學(xué)放大元件可以是光學(xué)透鏡或透鏡組，它形成放大的實像或虛像。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，其特征在于:所述的光學(xué)縮小元件是光學(xué)透鏡或透鏡組，它形成縮小的實像或虛像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，其特征在于:所述的90°旋轉(zhuǎn)元件為45°斜切的圓柱透鏡、或V形槽反射器。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長激光器的合束裝置，其特征在于:所述的光學(xué)平移元件是平行四邊形棱鏡、復(fù)合棱鏡及棱鏡組或反射鏡組。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長激光器的合束裝置，其特征在于:所述的各個光學(xué)元件的端面都鍍有增透AR膜。
【文檔編號】G02B27/09GK203606567SQ201320510805
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年8月21日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】李豐, 黃偉, 談根林 申請人:江蘇天元激光科技有限公司