专利名称：离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器阵列光束的整形方法，属于激光技术应用领域。
背景技术：
光参数积是衡量激光光束的一个重要指标。光参数积即光束的直径与其远场发散角的乘积。当激光束在一般的光学系统中传输时，光束的光参数积是不变的。半导体激光器由于体积小、功率大、电光转换效率高而得到越来越广泛的应用。目前普遍应用的多量子阱(Multi-Quantum-Well，MQW)半导体激光器发光具有以下特点第一，半导体激光器发光腔几何尺寸不对称，水平和垂直方向分别为100～150微米和1微米，远场分布呈像散椭圆状，垂直于发光面即快轴方向发散角(典型值为36°)大于平行即慢轴方向(典型值为8°)。第二，大功率半导体激光器不是单一一个发光区，而是由多个发光区构成的阵列，因此发光区的面积较大，往往都超过10毫米，因此其快、慢轴方向的光参数积相差很大，达到500倍，由多条线型半导体激光器构成的堆栈型面阵的光参数积也相差10多倍，所以为了平衡快、慢轴光参数积，必须减小慢轴方向的光参数积，同时增大快轴方向的光参数积，即所谓的光束整形变换。
在实际应用中，需要能量集中，发散角小，准直度高的聚焦光束或者光纤耦合的激光光束，对于高功率的半导体激光器而言，光纤耦合是最方便、也是最重要的一种光束整形。光束整形就是减小慢轴方向的光参数积、增大快轴方向的光参数积，达到两个方向的光参数积平衡。简单地说，就是使光束传输到任意位置时均呈圆形或正方形。现有的整形方法有折射整形方法、反射整形方法和折/反射结合整形法。对于折射整形方法，就是根据折射原理，光束以一定的角度入射到透明介质(如玻璃等)中，方向将发生改变。如果此介质是平行均匀介质，光束穿过此介质后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质的厚度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排，从而达到光束整形的目的。武汉凌云光电有限公司就是采用此办法。
折/反结合整形法，一般是利用一个等腰直角棱镜的斜边为折射面，两个直角边为反射面，通过两个阶梯状的棱镜阵列按一定的位置放置来完成光束的重排，从而达到整形的目的。但是折射整形法和折反射结合整形法，由于经过的折射和反射的次数较多，在光束准直度较差的情况下，光束经过多次反射和折射后会弥散开来，整形后的光束的尺寸会远大于高准直情形下的光束重排的尺寸。美国Apollo Instruments公司就是采用折反射结合整形技术。
反射式整形法就是由互相垂直的两组反射镜构成，每组反射镜由具有一定位移差的几个反射镜组成，这个位移差就是快轴方向上的光束宽度。准平行线光束通过第一组反射后，在快轴方向形成具有一定位移偏差的几条光斑，这些光斑经过第二组反射镜堆，形成互相平行、在快轴方向方形光斑。这样快轴方向的光参数积就增大若干倍，慢轴方向就减小到原来的若干分之一。国外Jenoptik公司就是采用技术。这种技术一方面光路发生了偏折，形成非同轴光路，另一方面反射过程中光斑的每一部分都要反射，效率要降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法，采用该方法使整形器件减少了一半，一方面节约了成本，另一方面降低了调整难度，而且由于光是在玻璃介质内部反射，满足全反射条件所以减少了反射面镀膜这个环节。
本发明的技术解决方案是离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法，其特点在于在光轴上采用具有不同位移的反射棱镜构成的光束分割阵列，使该棱镜的直角边与光轴垂直，准直后的线光束通过棱镜的第一垂直面后，被分割成数目相同的N段光束，进入棱镜内部达到45°反射面后，进入与第一个反射面互相垂直的第二个45°反射面，通过该面全反射后，从棱镜的另一个垂直面出射，由于各个棱镜有一定的位移差，被分割的光束产生旋转叠加后形成光束堆，使快轴方向的光斑尺寸增大了N倍，慢轴方向的光斑尺寸减小到原来的1/N，这样就实现了线光束到圆光束或正方形光束的变换。
本发明与现有反射、折射整形技术相比具有如下优点第一，采用一组反射棱镜阵列实现光束在棱镜内部反射2次实现光束分割、离轴旋转及叠加整形，比传统的反射整形而言，整形器件减少了一半，一方面节约了成本，另一方面降低了调整难度；第二，由于光是在玻璃介质内部反射，满足全反射条件所以可以减少反射面镀膜这个环节，而仅需在入射、出面镀增透膜，最后还可以方便地在整形系统中加入可见光波段内观测指示光而不需像外反射那样需在反射面镀制双色膜，使能量光束具有高反射而观测指示光具有高透过率，使系统的能量光和指示光束同轴。
图1为本发明整个半导体激光器阵列光束的准直、准直光束的5次整形、整形光束的聚焦以及聚焦光束的多模光纤耦合光路图。其中1为条阵半导体激光器LDA，2为快轴光束准直器FAC，3为慢轴光束准直器SAC，4为整形微反射镜阵列SMM，5为柱面望远扩束系统，6为双胶合聚焦透镜，7为多模耦合光纤。
图2显示了整形折叠5次的离轴型全内反射整形微反射棱镜阵列结构。
图3(a)为整形前的条阵光束，图3(b)为经过5次整形折叠后的光束，图3(c)为整形光束经过慢轴扩束两倍后，光束由线形变成了正方形。
图4为本发明中整个半导体激光器阵列光束的准直、准直光束的折叠7次整形和光束的聚焦和聚焦光束的多模光纤耦合光路图，1为条阵半导体激光器LDA，2为快轴光束准直器FAC，3为慢轴光束准直器SAC，4为整形微反射棱镜阵列SMM，5为柱面望远扩束系统，6为双胶合聚焦透镜，7为多模耦合光纤。
图5显示了整形折叠7次的离轴型全内反射整形微反射棱镜阵列结构。
图6(a)为采用本发明整形前的条阵光束，6(b)为经过本发明折叠7次整形后的光束，6(c)为整形光束经过慢轴扩束两倍后，光束由线形变成了正方形。
具体实施例方式
本发明采用一组微反射棱镜阵列即可实现条阵光束到方形光束的整形变换，光束在整形齐内进行了2次反射，整形后光束与整形前光束离轴，因此整形效率有一定提高，具体步骤如下(1)针对不同整形光束折叠要求，选用不同尺寸厚度、不同数目的微棱镜构成的光束整形器，分割次数为任意整数，因此微棱镜的个数为任意整数。
(2)根据整形折叠次数的需要，设计整形器的厚度及个数。微棱镜单独加工如图2所示，然后按图2的组合方式进行胶合。
(3)将方向校正微反射镜组置于半导体激光器准直光束光路中，让微棱镜的直角边与光束的光轴垂直，光束通过直角边后进入棱镜的第一斜面，各个被分割的光束在各个棱镜的斜面向上反射后到达第二斜面，经过第二斜面向左反射后从棱镜的另一直角边垂直射出，形成图3(b)所示的矩形光斑，经过柱面透镜构成望远扩束系统后，形成正方形的光斑，如图3(c)所示。
(4)将整形光束通过一个双胶合的聚焦透镜，在其焦面上形成一个聚焦光斑，将其耦合进多模光纤中。
本发明以光束折叠5和7次为例进一步详细说明。
实施例1，光束折叠5次。
(1)如图1所示，条阵半导体激光器经过快慢轴准直微透镜阵列后，形成10mm×0.8mm的线型光斑，发散角为0.2°×2.4°，为了在长度方向上均匀分割10mm光斑，整形微反射镜阵列中的每个反射棱镜的厚度应为2mm，微反射镜的个数为5个。
(2)根据整形折叠次数5次的需要，整形微反射镜阵列中的每个反射棱镜的厚度应为2mm，棱镜的两个直角边边长为0.8mm，各个棱镜的位移也为0.8mm，考虑到实际制作及装调情况，设计成图2所示的五块微反射镜阵列构成的整形器。微棱镜单独加工，然后按图2的组合方式进行胶合。
(3)将方向校正微反射镜组置于半导体激光器准直光束光路中，让微棱镜的直角边与光束的光轴垂直，光束通过直角边后进入棱镜的第一斜面，各个被分割的光束在各个棱镜的斜面向上反射后到达第二斜面，经过第二斜面向左反射后从棱镜的另一直角边垂直射出，形成图3(b)所示的矩形光斑，经过柱面透镜构成望远扩束系统后，形成正方形的光斑，如图3(c)所示。
(4)将整形光束通过一个双胶合的聚焦透镜，在其焦面上形成一个聚焦光斑，将其耦合进多模光纤中。
本实施例的工作过程为如图1、2所示，条阵半导体激光器阵列发出的光束经快、慢轴准直后形成一条形准平行光束，其光斑尺寸大约为10mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，入射到由5个微棱镜构成的整形器的垂直表面，这三个棱镜相互之间有0.8mm的位移差，光束通过直角边后被分割成2mm长的5部分后进入各自棱镜，分别到达45°斜边反射面均向上反射，到达与第一棱镜斜边成45°的第二斜边，然后分别向右反射通过棱镜的另一个直角边出射，形成相互平行的5条，长宽分别为2mm×0.8mm，整个光斑形成4mm×2mm的准方形光斑，发散角为2.4°×0.1°，在慢轴方向采用焦距为-19mm和38mm，口径为19mm和25.4mm的柱面透镜组成的望远系统扩束2倍，此时整个光斑变为4mm×4mm，发散角变为0.2°×1.2°，采用焦距为15mm，口径为6mm的双胶合聚焦透镜后，光斑尺寸为60um×312um，孔径角正弦为0.2，所以满足耦合芯径400um、数值孔径0.22的多模光纤中，形成光纤耦合半导体激光器。
如图3所示，图3(a)为整形前的条阵光束，图3(b)为经过本发明的方法整形后，光束在慢轴上尺寸缩小到原来的1/5，在快轴方向增加到原来的5倍，整个光束由线形变成了准正方形，图3(c)显示是整形光束经过慢轴扩束两倍后，光束由线形变成了正方形。
实施例2，光束折叠7次。
(1)如图4所示，条阵半导体激光器经过快慢轴准直微透镜阵列后，形成10.5mm×0.8mm的线型光斑，发散角为0.2°×2.4°，为了在长度方向上均匀分割10.5mm的光斑，整形微反射棱镜阵列中的每个反射棱镜的厚度应为1.5mm，总个数为7个。
(2)根据整形折叠次数7次的需要，整形微反射棱镜阵列中的每个反射棱镜的厚度应为1.5mm，棱镜的两个直角边边长为0.8mm，各个棱镜的位移也为0.8mm，考虑到实际制作及装调情况，设计成图5所示的五块微反射棱镜阵列构成的整形器。微棱镜单独加工，然后按图5的组合方式进行胶合。
(3)将方向校正微反射棱镜组置于半导体激光器准直光束光路中，让微棱镜的直角边与光束的光轴垂直，光束通过直角边后进入棱镜的第一斜面，各个被分割的光束在各个棱镜的斜面向上反射后到达第二斜面，经过第二斜面向左反射后从棱镜的另一直角边垂直射出，形成图6(b)所示的矩形光斑，经过柱面透镜构成望远扩束系统后，形成正方形的光斑，如图6(c)所示。
(4)将整形光束通过一个双胶合的聚焦透镜，在其焦面上形成一个聚焦光斑，将其耦合进多模光纤中。
本实施例的工作过程为如图4、5所示，条阵半导体激光器阵列发出的光束经快、慢轴准直后形成一条形准平行光束，其光斑尺寸大约为10.5mm×0.8mm，发散角为2.4°×0.1°，入射到由7个微棱镜构成的整形器的垂直表面，这三个棱镜相互之间有0.8mm的位移差，光束通过直角边后被分割成1.5mm长的7部分后进入各自棱镜，分别到达45°斜边反射面均向上反射，到达与第一棱镜斜边成45°的第二斜边，然后分别向右反射通过棱镜的另一个直角边出射，形成相互平行的7条，长宽分别为1.5mm×0.8mm，整个光斑形成5.6mm×1.5mm的准方形光斑，发散角为2.4°×0.1°，在慢轴方向采用焦距为-7.7mm和23mm，口径为5mm和12.7mm的柱面透镜组成的望远系统扩束3倍，此时整个光斑变为5.6mm×4.5mm，发散角变为0.2°×0.8°，采用焦距为12.7mm，口径为8mm的双胶合聚焦透镜后，光斑尺寸为60um×178um，孔径角正弦为0.2，所以满足耦合芯径200um、数值孔径0.22的多模光纤中，形成光纤耦合半导体激光器。
整形后的整个光路相对于原来光路旋转了90°，而且产生了平移，光束在整形器内均以全反射的形式传播，因此称之为离轴型全反射镜阵列光束整形。
如图6所示，图6(a)整形前的条阵光束，(b)显示是经过该方法整形后，光束在慢轴上尺寸缩小到原来的1/7，在快轴方向增加到原来的7倍，整个光束由线形变成了准正方形，6(c)为整形光束经过慢轴扩束两倍后，光束由线形变成了正方形。
本发明的光束的折叠整形次数不仅限于5或7次，还可以有更多次。
权利要求
1.离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法，其特征在于在光轴上采用具有不同位移的反射棱镜构成的光束分割阵列，使该棱镜的直角边与光轴垂直，准直后的线光束通过棱镜的第一垂直面后，被分割成数目相同的N段光束，进入棱镜内部达到45°反射面后，进入与第一个反射面互相垂直的第二个45°反射面，通过该面全反射后，从棱镜的另一个垂直面出射，由于各个棱镜有一定的位移差，被分割的光束产生旋转叠加后形成光束堆，使快轴方向的光斑尺寸增大了N倍，慢轴方向的光斑尺寸减小到原来的1/N，这样就实现了线光束到圆光束或正方形光束的变换。
2.根据权利要求1所述离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法，其特征在于所述的光束折叠整形次数为5次或7次。
全文摘要
离轴型全内反射棱镜阵列实现半导体激光器光束整形方法，其特点在于在光轴上采用具有不同位移的反射棱镜构成的光束分割阵列，使该棱镜的直角边与光轴垂直，准直后的线光束通过棱镜的第一垂直面后，被分割成数目相同的N段光束，进入棱镜内部达到45°反射面后，进入与第一个反射面互相垂直的第二个45°反射面，通过该面全反射后，从棱镜的另一个垂直面出射，由于各个棱镜有一定的位移差，被分割的光束产生旋转叠加后形成光束堆，使快轴方向的光斑尺寸增大了N倍，慢轴方向的光斑尺寸减小到原来的1/N，这样就实现了线光束到圆光束或正方形光束的变换。本发明具有调整容易、结构简单、成本低廉的特点。
文档编号G02B5/04GK1651972SQ20051001133
公开日2005年8月10日 申请日期2005年2月7日 优先权日2005年2月7日
发明者周崇喜, 谢伟民, 郑春燕, 杜春雷, 郑国兴, 杨欢 申请人:中国科学院光电技术研究所