一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，包含多個并行放置形成一維陣列半導體激光器陣列的前端先后放置一個快軸準直透鏡和一個慢軸準直透鏡；每個半導體激光器單元的輸出光通過快軸準直透鏡和慢軸準直透鏡后在與x方向垂直的z方向上經(jīng)過一棱鏡堆并被在y方向上平移；棱鏡堆由多個棱鏡片組成，棱鏡片的數(shù)目和半導體激光器單元數(shù)目一致；每個半導體激光器單元的輸出光束通過棱鏡堆后在z方向上分別經(jīng)過一重新指向光學器件和一聚焦器件；聚焦后的光束耦合進入一輸出光纖。
【專利說明】一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]以激光器的排布方向為X軸，由于半導體激光器一維陣列在X方向?qū)挾?通常為10毫米)和光束發(fā)散角(通常為8-12° )與在y方向高度(大約為I微米)和光束發(fā)散角(通常為30-60° )差別很大，光纖耦合比較困難。傳統(tǒng)的做法采用與激光器數(shù)量相同的光纖集合成一條光纖束。耦合時在半導體激光器陣列前在X方向平行放置一快軸準直透鏡，將光纖與各個半導體激光器一一對準，各個半導體激光器的輸出光一一耦合到光纖束的各個光纖里。這種方法的缺點是由于光纖束的端面面積大，單位面積上的輸出能量低。
[0003]為了提高光纖輸出單位面積上的能量通常采用的方法是把半導體激光器陣列的輸出光束在X方向上米用一光學器件進行分割，同時使分隔的光束在y方向上產(chǎn)生錯位，通過另一光學器件分別把每個分隔的光束在y方向上疊加，重排后得到在χ-y平面里勻稱化光斑，通過聚焦器件耦合進一根光纖。這種方法的缺點是在考慮光束分隔數(shù)目時在X方向上要把所有半導體激光器的發(fā)光尺寸和兩個鄰近半導體激光器之間非發(fā)光區(qū)域尺寸都計算在內(nèi)，對光纖輸出單位面積上的能量提高有一定限制。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對上述問題，本發(fā)明提供一種半導體激光器一維陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的若干半導體激光器，以所述激光器的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為Z軸，所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸;
[0006]所述系統(tǒng)還包括所述激光器器前端依次設置的快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡、棱鏡堆和重新指向光學器件以及對應所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設有光纖，其中
[0007]所述快軸準直透鏡，用于將各個所述激光器輸出的光束進行y軸方向上的準直并將所述光束平行輸出；
[0008]所述慢軸準直透鏡，用于將所述快軸準直透鏡輸出的所述光束進行X軸方向上的準直并將所述光束平行輸出；
[0009]所述棱鏡堆，用于對所述慢準直透鏡輸出的所述光束進行在y-z平面內(nèi)進行偏移，并輸出所述光束，其中平行排布的所述光束分為三部分，中間部分的光束在I軸方向不發(fā)生偏移輸出，兩側(cè)部分的光束發(fā)生相反方向的偏移輸出；
[0010]所述重新指向光學器件，用于對所述棱透鏡輸出的所述光束在X方向上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行；
[0011]所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
[0012]進一步地，所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
[0013]進一步地，所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的子柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
[0014]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述光束一一對應，所述棱鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0015]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述光束一一對應，所述反射鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0016]進一步地，所述光纖的端面為平面、半球面、圓錐面。
[0017]本發(fā)明的有益效果:
[0018]本發(fā)明中棱鏡堆的每個棱鏡可以通過棱鏡的內(nèi)角和長度來控制對應激光器輸出光束在y軸方向上的偏移量，在一定程度上可以補償由半導體激光器一維陣列貼片過程和快軸準直透鏡調(diào)節(jié)誤差引起的輸出光束在X方向上的彎曲現(xiàn)象，對輸出光束進行勻稱化。
[0019]本發(fā)明在對導體激光器一維陣列進行光束勻稱化時不用考慮兩個相鄰半導體激光器之間的非發(fā)光區(qū)域，通過棱鏡堆對每個單獨激光器在慢軸準直透鏡后的準直輸出光束的位置進行重新排列，盡可能使輸出光束在y軸方向以高密度疊加，提高光束勻稱化后單位面積上的能量密度和亮度，允許把光束耦合進入一根小芯徑的光纖里。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的在x-z平面里半導體激光器一維陣列光束勻稱化和光纖耦合示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的在y-z平面里半導體激光器一維陣列光束勻稱化和光纖耦合示意圖；
[0022]圖3是本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的棱鏡堆的俯視圖；
[0023]圖4是本發(fā)明本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的棱鏡堆的側(cè)視圖；
[0024]圖5是本發(fā)明本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射棱鏡的重新指向光學器件的俯視圖；
[0025]圖6是本發(fā)明本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射棱鏡的重新指向光學器件的側(cè)視圖；
[0026]圖7是本發(fā)明本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射鏡的重新指向光學器件的俯視圖；
[0027]圖8是本發(fā)明本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射鏡的重新指向光學器件的側(cè)視圖。
【具體實施方式】
[0028]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
[0029]本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的若干半導體激光器，以所述激光器的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為z軸，所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸；
[0030]所述系統(tǒng)還包括所述激光器器前端依次設置的快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡、棱鏡堆和重新指向光學器件以及對應所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設有光纖，其中
[0031]所述快軸準直透鏡，用于將各個所述激光器輸出的光束進行y軸方向上的準直并將所述光束平行輸出；
[0032]所述慢軸準直透鏡，用于將所述快準直透鏡輸出的所述光束進行X軸方向上的準直并將所述光束平行輸出；
[0033]所述棱鏡堆，用于對所述慢準直透鏡輸出的所述光束進行在y-z平面內(nèi)進行偏移，并輸出所述光束，其中平行排布的所述光束分為三部分，中間部分的光束在I軸方向不發(fā)生偏移輸出，兩側(cè)部分的光束發(fā)生相反方向的偏移輸出；
[0034]所述重新指向光學器件，用于對所述棱透鏡輸出的所述光束在X方向上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在x-z和y-z平面里均平行；
[0035]所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
[0036]進一步地，所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
[0037]進一步地，所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的子柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
[0038]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述光束一一對應，所述棱鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0039]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述光束一一對應，所述反射鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0040]進一步地，所述光纖的端面為平面、半球面、圓錐面。
[0041]如圖1至8所示，本發(fā)明一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，多個半導體激光器單元2，在這里為了說明方便只畫了 6個半導體激光器單元以一定間距沿X方向在一平面內(nèi)并行放置在熱沉I上形成一維半導體激光器陣列。每個半導體激光器單兀輸出光束3沿與X方向垂直的z方向傳播。
[0042]每個半導體激光器前面放置一個高數(shù)值口徑的快軸準直透鏡4，對半導體激光器陣列輸出光束3在y方向進行準直。在快軸準直透鏡4后沿z方向放置一慢軸準直透鏡5，慢軸準直透鏡的每個子柱透鏡與每個半導體激光器單元一一對應，壓縮每個導體激光器單元輸出光束3在x-z平面里的發(fā)散角。
[0043]在慢軸準直透鏡后z方向上放置一與z軸垂直的棱鏡堆6。該棱鏡堆對半導體激光器單元輸出光束3在y-z平面里進行偏移。
[0044]該棱鏡堆6由多個棱鏡片組成，棱鏡片的數(shù)目可以和半導體激光器單元數(shù)目一致，也可以不同。如圖3和4所示，本實施例的棱鏡堆由三片棱鏡片10、11和12組成，每個棱鏡片分別對應兩條相鄰半導體激光器單兀輸出光束3。該多個棱鏡片在X方向非常緊密排列，每個棱鏡片的寬度等于半導體激光器單元排列中間間距的兩倍，確保相鄰兩棱鏡片的界面位于兩個半導體激光器單元中間。
[0045]棱鏡片的內(nèi)角度、長度和所采用光學材料的折射率決定在I方向上被偏移光束的高度。被偏移相鄰兩條光束在y方向上的高度差要稍大于半導體激光器單元光束通過快軸準直透鏡后在y方向上的高度。由于半導體激光器單元光束通過快軸準直透鏡后在y方向上的高度通常小于I毫米，被偏移相鄰兩條光束在y方向上的高度差可以為I毫米。
[0046]中間棱鏡片11的內(nèi)角度可以為90°，位于如圖1和2中，一維半導體激光器陣列I的中間兩條光束3通過中間棱鏡片11后在I方向上不發(fā)生偏移。通過選取棱鏡片10和12合適的內(nèi)角度、長度和光學材料使一維半導體激光器陣列I兩側(cè)光束3在y方向偏移量為I毫米左右。棱鏡片10和11的內(nèi)角度、長度和光學材料可以完全相同，在y-z平面里以I軸為中心軸鏡像放置，使相應光束3通過棱鏡片10和12后在y方向上偏移方向相反。
[0047]在z方向上棱鏡堆6后面放置一重新指向光學器件7，該重新指向光學器件7對經(jīng)過棱鏡堆6的所有偏移光束在x-z平面里進行偏轉(zhuǎn)。該重新指向光學器件7可以由階梯狀的底座13和棱鏡14組成。底座上相鄰階梯的高度差和通過棱鏡堆6后階梯光束條的相鄰間隔一致。每個階梯上放置一個棱鏡14，棱鏡14可以是直角棱鏡或者其它形狀的反射棱鏡。每個反射棱鏡14對應一條入射偏移光束,對入射偏移光束在X方向上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)，使所有偏移光束在離開重新指向光學器件7后在X方向上重合，在x-z和y-z平面里都平行。經(jīng)過偏轉(zhuǎn)后的光束集束與z方向成一定角度，這個角度可以是90°。
[0048]該重新指向光學器件7也可以由階梯狀的底座15和反射鏡16組成。底座上相鄰階梯在y方向上的錯開高度和通過棱鏡堆6后兩條相鄰階梯光束的間隔一致。每個階梯上放置一反射鏡16。
[0049]在重新指向光學器件7后面與光束傳輸方向垂直的方向上放置一聚焦透鏡8。該聚焦透鏡8可以是一非球面透鏡，非球表面面向重新指向光學器件。該聚焦透鏡把勻稱化的光束聚焦成一焦點，焦點位于耦合光纖91的端面前面、端面表面或端面后面。
[0050]最后需要說明的是:以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并非用于對本發(fā)明的限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領域的技術(shù)人員應當理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的若干半導體激光器，以所述激光器的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為z軸，所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸； 所述系統(tǒng)還包括所述激光器器前端依次設置的快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡、棱鏡堆和重新指向光學器件以及對應所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設有光纖，其中 所述快軸準直透鏡，用于將各個所述激光器輸出的光束進行y軸方向上的準直并將所述光束平行輸出； 所述慢軸準直透鏡，用于將所述快軸準直透鏡輸出的所述光束進行X軸方向上的準直并將所述光束平行輸出； 所述棱鏡堆，用于對所述慢軸準直透鏡輸出的所述光束進行在y-ζ平面內(nèi)進行偏移，并輸出所述光束，其中平行排布的所述光束分為三部分，中間部分的光束在y軸方向不發(fā)生偏移輸出，兩側(cè)部分的光束發(fā)生相反方向的偏移輸出； 所述重新指向光學器件，用于對所述棱透鏡輸出的所述光束在X方向上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在χ-ζ和y-z平面里均平行； 所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖稱合系統(tǒng)，其特征在于:所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖稱合系統(tǒng)，其特征在于:所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的子柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖稱合系統(tǒng)，其特征在于:所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述光束 對應，所述棱鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在χ-ζ和y-z平面里均平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖稱合系統(tǒng)，其特征在于:所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述光束一一對應，所述反射鏡將所述光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，輸出在X軸方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖稱合系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖的端面為平面、半球面、圓錐面。
【文檔編號】G02B6/43GK104049325SQ201410045318
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月8日
【發(fā)明者】王嘉宇 申請人:武漢柏漢激光技術(shù)有限公司