專利名稱：用于激光二極管列陣的激光望遠鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種激光望遠鏡，特別是一種適用于(20瓦)激光二極管(線性)列陣(以下簡稱為LDBAR)作為光源的激光望遠鏡。
一個典型的LDBAR，其近場發(fā)光面W×H為1cm×1μm，分別對應(yīng)慢軸方向?qū)挾?cm，光束平行方向上的發(fā)散角θ‖～10°和快軸方向高度1μm，光束發(fā)散角40°(FWHM)。這種LDBAR1cm寬度內(nèi)包含25個寬度為100μm，節(jié)距為400μm的不連續(xù)發(fā)光子列陣元。通常的成象光學(xué)元件不可能將LBDAR發(fā)射的光束準直成對稱的平行光束或再聚焦。為了高效耦合LDBAR發(fā)射的激光功率，首先要解決的是高效準直這個難題。為此，九十年代國際光學(xué)界提出了多種準直方案①用柱面微透鏡或微棒透鏡準直慢軸平面內(nèi)列陣元的發(fā)散束，用大柱面透鏡準直快軸平面內(nèi)列陣元的發(fā)散束(已有技術(shù)[1]OPTICS LETTERS Vol.16，No.51991 P318-P320)，但準直效率僅為80-84％；②用大柱面鏡準直慢軸平面內(nèi)的發(fā)散束，再用大柱面透鏡準直快軸平面內(nèi)的發(fā)散束，雖準直效率高達89％(已有技術(shù)[2]OPTICS LETTERS Vol.17，No.14，1992.P1000-P1002)，但由于光束發(fā)散角太大，只適用于泵浦源要求聚焦的光學(xué)系統(tǒng)；③用柱面微透鏡列陣準直慢軸平面內(nèi)的發(fā)散束，再用大柱面透鏡準直快軸平面內(nèi)發(fā)散束，得到近長條矩形準直束，準直效率達到90％(已有技術(shù)[3] OPTICS LETTERS Vol.20，No.2，1995，P154)，但快軸平面內(nèi)光束發(fā)散度還偏大，不適合望遠鏡中應(yīng)用，不然望遠鏡的體積將很龐大。
本發(fā)明的目的為克服上述已有技術(shù)中的不足，提供一種用于LDBAR的激光望遠鏡，它將能把近紅外CW20瓦LDBAR的1cm×1μm發(fā)光源上發(fā)射出垂直方向上的發(fā)散角為θ～40°(FWHM)，平行方向上的發(fā)散角為θ∥～10°(FWHM)的高度發(fā)散不對稱的激光束經(jīng)過本發(fā)明的激光望遠鏡之后，獲得光束發(fā)散度僅為0.5mrad×1.3mrad的近對稱平行光束，整套望遠鏡的透過率達到T≥85％。將能基本消除人為的攔光損耗。
本發(fā)明的激光望遠鏡如圖1所示結(jié)構(gòu)。含有置于調(diào)整架15上的鏡筒17內(nèi)一端置放有(半導(dǎo)體)激光二極管列陣頭(列陣頭內(nèi)設(shè)有半導(dǎo)體微致冷器、溫度傳感熱敏電阻，以及散熱器空氣冷卻)的頭架1，由頭架1向鏡筒17內(nèi)同光軸地依次置于鏡筒17內(nèi)的有準直光學(xué)元件12，前擴束光學(xué)元件13，整形光學(xué)元件14和后擴束光學(xué)元件16。
所說的準直光學(xué)元件12是由含有微柱面透鏡列陣3的準直光學(xué)模塊構(gòu)成的。準直光學(xué)模塊中除含有微柱面透鏡列陣3外，還含有微柱面透鏡2，或者還含有非球面柱面大透鏡。具體地說，構(gòu)成準直光學(xué)元件12的準直光學(xué)模塊是含有微柱面透鏡列陣3和置于微柱面透鏡列陣3之前與激光二極管列陣頭架1之間的微柱面透鏡2(見圖2)；或者是含有微柱面透鏡列陣3和置于微柱面透鏡列陣3之后與前擴束光學(xué)元件13中擴束付透鏡4之間的非球面柱面大透鏡。上述兩兩均是膠合而成的。
所說的前擴束光學(xué)元件13含有擴束付透鏡4和擴束主透鏡5。
所說的整形光學(xué)元件14是由第一柱面透鏡6和第二柱面透鏡7構(gòu)成的，或是由變形棱鏡對構(gòu)成的。
所說的后擴束光學(xué)元件16含有第一擴束付透鏡8和第二擴束付透鏡9，第一擴束主透鏡10和第二擴束主透鏡11。
所說的鏡筒17置于調(diào)整架15上，調(diào)整架15具有上下、前后、左右以及俯仰的精密調(diào)節(jié)，因此鏡筒17可以做多維的調(diào)節(jié)。
如圖1所示，由LDBAR發(fā)射的激光束經(jīng)準直光學(xué)模塊構(gòu)成的準直光學(xué)元件12準直后發(fā)送出一近平行長方矩形光束。平行于LDBAR線陣方向的光束發(fā)散度為P‖～40mrad，是對應(yīng)于光束的長邊；垂直于LDBAR線陣方向的光束發(fā)散度為P～3mrad，是對應(yīng)于光束的短邊。準直光學(xué)元件12的激光功率透過率為ηmax～95％。經(jīng)前擴束光學(xué)元件13的2倍擴束后改善光束方向性，光束發(fā)散度變?yōu)镻‖～20mrad和P～1.5mrad。經(jīng)整形光學(xué)元件14的5倍整形后發(fā)送出近方形光束，光束發(fā)散度為P‖～4mrad和P～1.5mrad。再經(jīng)擴束光學(xué)元件16的3倍擴束，進一步改善方向性，最后發(fā)送出發(fā)散度為P‖～1.3mrad和P～0.5mrad的近方形平行光束。2km遠處光束大小為2.6米×1米。
為了提高望遠鏡的透過率，(1)組成光路的所有光學(xué)元件12、13、14、16的透鏡的透光表面均鍍有對激光二極管(LD)的激光束透過率T＞99.5的增透膜層；(2)后級光學(xué)元件的接收通光孔徑略大于前一級光學(xué)元件的發(fā)送通光孔徑，并且前后級間盡可能挨近避免各元件的人為攔光損耗。
為了提高準直光學(xué)元件12的準直效果，準直光學(xué)模塊含有微柱面透鏡2時，微柱面透鏡2采用很大數(shù)字孔徑(NA＝0.85)和很短焦距(f＝0.91mm)的繞射限，微柱面透鏡列陣3所取參數(shù)必須與LDBAR1的結(jié)構(gòu)參數(shù)嚴格一致，微柱面透鏡列陣3中所包含的作為列陣元的微柱面透鏡的數(shù)目N等于或大于激光二極管列陣中所包含作為列陣元的激光二極管的數(shù)目M，即N≥M。并且兩者列陣元即微柱面透鏡和激光二極管的排列是一一對應(yīng)的，排列方向和布局結(jié)構(gòu)完全相同。并且為了獲得最佳耦合特性，微柱面透鏡2和微柱面透鏡列陣3的膠合間隙厚度d為最佳d＝50μm。構(gòu)成準直光學(xué)元件12的準直光學(xué)模塊的接收面與LDBAR的發(fā)光面間的最佳耦合距離L為L＝88±5μm(這時耦合效率最高)，并且最重要的是，微柱面透鏡列陣與LDBAR高精度對準，它決定了準直輸出光束的光軸是否與望遠鏡的光軸完全一致，也就決定了望遠鏡整機的耦合輸出激光功率的效率，也決定著準直束的發(fā)散度，沿線性列陣側(cè)向1μm的準直誤差就會導(dǎo)致準直束加大1mrad的發(fā)散度。由此，可見軸向與橫向微米(μm)量級的位置偏差都會導(dǎo)致激光輸出功率和光束的平行度降低，發(fā)散度增大。為解決這一高難技術(shù)問題，準直光學(xué)元件12中本發(fā)明設(shè)計有微調(diào)結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明的構(gòu)成準直光學(xué)元件12的準直光學(xué)模塊中含有非球面柱面大透鏡時，其中微柱面透鏡列陣3單獨完成對LDBAR的慢軸方向的準直，其后跟一塊非球面柱面大透鏡作快軸方向的準直，其它擴束、整形光學(xué)不變，最終仍是實現(xiàn)本發(fā)明總目的的可行技術(shù)結(jié)構(gòu)。
前擴束光學(xué)元件13、整形光學(xué)元件14、后擴束光學(xué)元件16的總損失≤6％，這樣本發(fā)明望遠鏡的激光功率的透過率T＝95％×92％＝87％。
本發(fā)明的優(yōu)點。
本發(fā)明的準直光學(xué)元件12，是含有微柱面透鏡列陣3的準直光學(xué)模塊，保證了準直光束的高耦合效率，和低束散。這種準直結(jié)構(gòu)比其它準直結(jié)構(gòu)，激光透射效率提高到T＝95％，從而使整機的耦合效率也可以達到T≥85％。對于LDBAR激光望遠鏡而言，發(fā)送出的光束發(fā)散度僅為0.5mrad×1.3mrad，這也是比已有技術(shù)先進的。本發(fā)明特別適用20瓦以上的激光二極管列陣。基本上消除了人為的攔光損耗。
本發(fā)明還可以方便地應(yīng)用到激光望遠鏡野戰(zhàn)與機載軍事應(yīng)用的領(lǐng)域。


圖1是平行于LDBAR激光發(fā)射面方向的光路示意圖。圖2是微柱面透鏡2和微柱透鏡列陣3構(gòu)成的準直光學(xué)模塊的示意圖。
實施例對于發(fā)光面為1cm×1μm，發(fā)散角為θ～40°(FWHM)，θ‖～10°(FWHM)，1cm長度內(nèi)含M＝25個寬度為100μm的列陣元激光二極管、兩列陣元之間的節(jié)距為400μm，發(fā)射波長λ＝806nm的典型CW20W LDBAR的實施例作為準直光學(xué)元件12的準直光學(xué)模塊長12mm，寬2mm，高3.26mm，含列陣元N＝25的微柱面透鏡，每只激光二極管與之對應(yīng)一個微柱面透鏡如圖2所示。通光孔為10.8mm×2mm，準直光學(xué)模塊與LDBAR耦合距離L＝85μm。擴束付透鏡4至擴束主透鏡11的光路中各元件的參數(shù)如下表

這一實施例，望遠鏡最后發(fā)送的近平行光束發(fā)散角僅為0.75mrad×1.5mrad，激光功率整機耦合效率T≥85％。這個結(jié)果，比已有技術(shù)好得多。
權(quán)利要求
1.一種用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，含有置于調(diào)整架(15)上的鏡筒(17)內(nèi)一端有放激光二極管列陣頭頭架(1)，由頭架(1)向鏡筒(17)內(nèi)同光軸地依次置于鏡筒(17)內(nèi)有準直光學(xué)元件(12)，整形光學(xué)元件(14)和后擴束光學(xué)元件(16)；其特征在于所說的準直光學(xué)元件(12)是由含有微柱面透鏡列陣(3)的準直光學(xué)模塊構(gòu)成的；在鏡筒(17)內(nèi)，在準直光學(xué)元件(12)與整形光學(xué)元件(14)之間有前擴束光學(xué)元件(13)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，其特征在于所說的構(gòu)成準直光學(xué)元件(12)的準直光學(xué)模塊中除含有微柱面透鏡列陣(3)外，還含有微柱面透鏡(2)，或者還含有非球面柱面大透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，其特征在于所說的前擴束光學(xué)元件(13)含有擴束付透鏡(4)和擴束主透鏡(5)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，其特征在于所說的后擴束光學(xué)元件(16)含有第一擴束付透鏡(8)和第二擴束付透鏡(9)，第一擴束主透鏡和第二擴束主透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，其特征在于所說的構(gòu)成準直光學(xué)元件(12)的準直光學(xué)模塊的接收面與激光二極管列陣的發(fā)光面之間的最佳耦合距離L為L＝88±5μm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于激光二極管列陣的激光望遠鏡，其特征在于所說的構(gòu)成準直光學(xué)元件(12)的準直光學(xué)模塊中的微柱面透鏡列陣中所含有作為列陣元的微柱面透鏡的數(shù)目N等于或大于激光二極管列陣中作為列陣元的激光二極管的數(shù)目M，即N≥M；并且兩列陣中的列陣元—微柱面透鏡和激光二極管的排列是一一對應(yīng)，排列方向和布局結(jié)構(gòu)完全相同。
全文摘要
一種用于用于激光二極管列陣的激光望遠鏡,含有置于調(diào)整架上的鏡筒內(nèi)由一端激光二極管列陣頭的頭架開始,依次置于鏡筒內(nèi)有含微柱面透鏡線性列陣的準直光學(xué)模塊構(gòu)成的準直光學(xué)元件、前擴束光學(xué)元件、整形光學(xué)元件和后擴束光學(xué)元件。本發(fā)明特別適用于激光二極管列陣。比已有技術(shù)有高的耦合效率和低束散。整機的耦合效率達到T≥85%。發(fā)送出的光束發(fā)散度僅為0.5mrad×1.3mrad。
文檔編號G02B27/09GK1251911SQ9911693
公開日2000年5月3日 申請日期1999年9月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年9月30日
發(fā)明者胡衍芝 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所