专利名称：半导体激光阵列快慢轴光束重排装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及半导体激光阵列快慢轴光束重排整形，介绍了一种将半导体激光阵列快慢轴光束重排的装置，属于激光技术应用领域。
背景技术：
半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、重量轻等优点，使得它的应用变得越来越广泛。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，快慢轴的光束质量不均勻，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，在一定程度上限制了它的进一步发展。 为满足应用上的需求，必须首先对半导体激光的光束进行重排整形处理。半导体激光器的研究朝着大功率高光束质量的方向发展，因此对于半导体激光二维阵列的整形，特别是快轴方向高填充因子的大功率半导体激光阵列的光束整形，意义重大。半导体激光器的二维阵列也称为堆栈(stack)，是由半导体激光一维阵列巴条(Bar)沿快轴方向排列组成。快轴方向是指垂直于发光PN节的方向，慢轴方向是指平行于发光PN节的方向。光束在快轴方向的发散角为50° 60°，慢轴方向发散角为5° 10°。评价激光光束质量优劣的光束参数乘积(BPP)定义为某个方向上的束腰半径(R) 乘以远场发散角(半角θ )，单位是mm ^mracL对于半导体激光的巴条(Bar)，经过快慢轴微透镜准直之后，快轴的束腰直径在几百个微米，快轴的发散角为几个毫弧度，快轴的光束参数乘积BPPf为1 2mm · mrad ；慢轴方向光斑尺寸的典型值为10mm，慢轴的发散全角为 0. 2rad，慢轴的光束参数乘积BPPs为500mm mrad,快慢轴的光束参数乘积在整形前相差上百倍。光参数乘积是衡量激光光束质量的一个重要指标，它反映了激光的聚焦能力。快慢轴的光参数乘积相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束整形就是将快慢轴的光参数乘积均勻化，方法是对光束进行分割、旋转、重排，增加快轴的光参数乘积、降低慢轴的光参数乘积，从而达到快慢轴光参数乘积均勻化的目的。通过调研发现，目前采用比较多的几何整形方法主要有反射式整形法、折射式整形法和折反射式整形法。阶梯反射镜法是将经过微柱透镜准直后的光束，通过两组完全对称的阶梯型发射镜，每组都由N个高反射率表面组成，光束通过第一组阶梯反射镜后在慢轴方向被分割成N 段，每个子光束经过第二组阶梯反射镜，再被反射到快轴方向上。原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。整形结果光场分布为一正方形光斑，实现了快慢轴光参数乘积的均勻化。其缺点是阶梯镜镜面的加工难度大。折反射整形法的整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重排光束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出，沿着慢轴方向被分成η段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次产生错位。沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第2个棱镜组，按着相同的原理将光束在快轴方向进行重排。结果出射光经过棱镜组以后，光参数积在慢轴方向被减小1/η倍，而快方向上增加了n倍，从而达到光束整形的目的。这种方法的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，装配困难。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y. Wang提出的。折射式整形法是利用光学元件对光束的一次或多次折射实现光束均衡的方式。能实现折射式光束整形的光学元件很多，包括GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、分束堆置折射器等。它的基本原理是利用整形模块将入射光束沿慢轴方向分割，并沿快轴方向错位排列，然后通过另一组整形模块进一步将偏折后的光束沿慢轴方向进行重排，从而使出射光变成具有一定形状的光束，实现光束整形的目的。这种方法的整形模块是由多个光学玻璃薄板片紧密排列而成，能够实现光束整形，且效率较高。但是这种方法有一定的局限，随着半导体激光阵列bar条数量的增多，需要用的到光学玻璃薄板片的数量随之成倍增加，光学玻璃薄板片的累积误差越来越大，超出了整形模块的承受范围，整形效果变差，存在装配困难、累积误差大、不好调节的问题。随着中国国内光学加工工艺的提高，将不断有新的整形方案得以提出和实现。
实用新型内容本实用新型将提供一种依靠超声加工工艺得以实现的半导体激光快慢轴光束重排装置。本实用新型的目的在于克服上述几种方案的技术缺点，提供了一种半导体激光阵列透射式重排装置。本装置能够实现半导体激光阵列重排的目的，大大减小了加工装配时的累积误差，降低了光功率的损耗，而且更易于装配和调节。为了实现上述目的，本实用新型利用了光以不同入射角通过相同厚度的平行平板后发生不同偏移量的原理，如图8所示，光束入射到平行平板，在入射面Si，处发生折射，然后在平行平板内传输到出射面Sl处，光束再次发生折射，平行平板的厚度为L，依据平行平板的原理，出射后的光束与入射光束的传播方向相同，只是位置上发生偏移，偏移量Δ与镜片的折射率nl，空气的折射率ηΟ，入射角α以及平行平板厚度L有关，如下图公式所示， 当玻璃的折射率nl，以及平行平板厚度L确定以后，偏移量△就只入射角α有关，通过不同入射角α的大小，即可获得不同的偏移量八。
型采取了以下技术方案
权利要求1.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光一维阵列(1)、快慢轴准直微透镜阵列(2)、慢轴扩束准直柱面镜组(6)和球面聚焦透镜(7)；其特征在于还包括有用于切割慢轴的整形光学元件(4)和用于光束旋转重排的整形光学元件(5)；从半导体激光一维阵列(1)发出的激光，经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直以后，入射到用于切割慢轴的整形光学元件(4)，激光经过用于切割慢轴的整形光学元件(4)后，激光光束以不同入射角入射到平行平板产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过用于光束旋转重排的整形光学元件(5)后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均勻分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜(7)聚焦成均勻的点光斑。
2.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维密排型阵列(8)、快慢轴准直微透镜阵列(2)、用于压缩快轴尺寸的柱面镜组(9)、慢轴扩束准直柱面镜组(6) 和球面聚焦透镜(7)；其特征在于还包括有整形光学元件(4)和整形光学元件(5)；从半导体激光二维密排型阵列(8)发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，再经过用于压缩快轴尺寸的柱面镜组(9)，入射到用于切割慢轴的整形光学元件(4)，激光经过用于切割慢轴的整形光学元件(4)后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过用于光束旋转重排的整形光学元件(5)后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等， 光斑形状为快慢轴均勻分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜(7)聚焦成均勻的点光斑。
3.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维非密排型阵列(11)、 快慢轴准直微透镜阵列(2)、慢轴扩束准直柱面镜组(6)和球面聚焦透镜(7)；其特征在于 还包括有用于切割慢轴的整形光学元件(4)和η个整形光学元件(5)，η为二维非密排型阵列巴条条数；从半导体激光二维非密排型阵列(11)发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，入射到用于切割慢轴的整形光学元件(4)， 激光经过用于切割慢轴的整形光学元件(4)后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过η个上下叠放的用于光束旋转重排的整形光学元件(5)后，其中η为二维非密排型阵列巴条条数，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均勻分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜(7)聚焦成均勻的点光斑。
4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，其特征在于所述的用于切割慢轴的整形光学元件(4)前后侧面为光滑的抛光平面， 厚度为半导体激光慢轴方向光束的宽度K，上下底面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面， 左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿前后侧面厚度方向分别加工有IbppN个小面，其中N为激光束在慢轴方向被分割的份数，由公式# =计算得出，其中，BPPs为慢轴的光参数乘积，BPPf为快轴的光参数乘积，N个小面的宽度相同，都为K/N，N 个小面与底面的角度不同N为偶数时，N个小面与底面的角度分别为α” α2,…，αΝ/2, ji-aN/2，…，Ji-Q2, JI-Ci1 ;N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为a ” a 2,…， Q (N-I)/2' 90 ，31 ~ Q (N-I)/2' .··，31 ~ Q 2' Ji-Q1 ；沿前后侧面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等；角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。
5.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，其特征在于所述的用于光束旋转重排的整形光学元件(5)上下底面为光滑的抛光平面，上下底面之间的厚度为半导体激光在快轴方向被分割的宽度H，前后侧面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿上下底面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为Η/Ν，N个小面与侧面的角度不同N为偶数时，N个小面与侧面的角度分别为β2，…，βΝ/2, π-βΝ/2,…， π-β2，π-β ;Ν为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为β2，…，β(Ν_1)/2，90°， (Ν-1)/2,…，η_β2，Ji-P1 ；沿上下底面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等；角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。
专利摘要本实用新型公开了一种半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，属于激光技术应用领域。本实用新型利用了光以不同入射角通过相同厚度的平行平板后发生不同偏移量的原理，在激光光路传输过程中增加了具有多个小面的光学整形元件4和光学整形元件5。本实用新型装置不仅能够实现快慢轴光束质量的均匀化，而且通过改变以前依靠薄片波导传输的方式，进一步降低了光功率的损耗，提高了整形效率，特别适合大功率半导体激光光束整形，同时该实用新型装置具有结构更紧凑、无累积误差、装调方便等优点。
文档编号G02B27/09GK202067024SQ20112001472
公开日2011年12月7日 申请日期2011年1月18日 优先权日2011年1月18日
发明者刘友强, 曹银花, 王智勇, 秦文斌 申请人:山西飞虹激光科技有限公司