专利名称：用半导体激光产生强照明的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明属于半导体激光光泵的方法和系统，主要特点是产生高功率密度照明，用以产生高效率光泵激光或用细光纤维传输高功率半导体激光。
用半导体激光光泵以产生激光(DPLDiode Pumped Lasers)已经发表过大量工作，例如由Y.Fan和D.F.Welch编的专题文集IEEE J.Quant.Electr，1992 QE-28，N.4.p.940-1160，和D.Hughes，J.Phys.D25 1992，P.563-586，的综述。已经注意到，为达到高效率时，光泵应有尽可能高的功率密度。但是实际上所有实验中做到的光泵功率密度都离可能的极限值很远。我们下面将论证此极限值约为兆瓦/平方厘米，而现有实验值低于10千瓦/平方厘米。与此相关的激光斜率效率差别很大，以半导体光泵NdYAG为例由20%以下到接近60%，离极限值(约76%)还有相当距离，所以考虑照明功率密度极限值以及如何接近此极限是有意义的。
高功率密度照明对于用光纤传输半导体激光束也很重要，这将使细光纤能传送高功率，使光纤能输出高功率密度激光，这将有利于半导体激光作医疗等应用。
由光度学定律(王之江，光学设计理论基础，科学出版社，1985，p.454-456)，照明功率密度E由光束亮度B及照明孔径角U决定(设光阑为圆孔)E＝πBsin2U
所以照明功率密度由光源亮度B所限制。半导体激光的亮度B大致如下表1所列其中LD指简单的单个二极管，LDA1是十个间距10微米的LD形成的列阵器件，LDA2是将20个间距500微米的LDA1列阵形成的器件。由于列阵形成不发光的空间使平均亮度下降。
由此可见，用半导体激光形成兆瓦/平方厘米的功率密度是可能的，一般实验中光泵功率密度远低于此，是由于其发光面积的形状特殊，使用的照明孔径角U很小，或者在此孔径角内并未充满光束，或者被照面积内未充满光束。
表1
照明孔径角并不能任意加大，例如光纤仅能传输一定数值孔径(NA)的光束，照明光束孔径角应与之相等。再如作为光泵以产生激光，则在光泵吸收长度内的照明区域应与激光模体积一致，否则光泵是无效的，由此规定了照明区光管的形状-包括孔径角大小。由此可见照明问题也如波导联接问题一样，要考虑联接处的模式匹配，在几何光学范围内的模式匹配也就是光管匹配。大家知道，光管由一端孔径x和孔径角u决定，如
图1，乘积是一个不变量，拉格朗奇(Lagrange)不变量II＝nxu＝n′x′u′.
式中n是介质折射率，图中光管的一个截面由光线AB，AD，CB，CD所定，A′、B′、C′、D′分别是A，B，C，D的象，光管A′、B′、C′、D′是光管A，B，C，D的象，适当选择光学系统时，光管一端的孔径x可以被任意放大或缩小，成为予定值x′，但由Lagrange不变量，角u′一定同时变化。图2表示二个光管，其x，u，I都相同，但一个光管较短，另一个较长。光束结构也有所不同。一般而言光管长度是可变的，若模式匹配不单要求光管一端有予定尺寸(倍率)，而且要求光管一端在予定位置(光管有予定长度)，这种光学系统的设计要难些。
用光管描述半导体激光束时，光管的一端即表面发光区，光管另一端则在无限远(光束中心线与发光表面垂直)。
由于半导体激光的发光区常呈线状或细长的长方形，经过变形光学系统成象后，可以变为方形或予定的长方形，但难以变为任意形状，所以照明一个圆形目标时可以象图3所示的种种方式，虽然各有利弊，但都可算是充分照明或光束充满了这个圆形面积。这也反映光管匹配中的损耗有些是不能避免的。
表1中也列出了半导体激光束在二个截面中的拉格朗奇不变量Ix，Iy之值，由于Ix，Iy在传输中的不变性，它的大小已决定了模式匹配的可能性。例如光泵固体激光的模体积所定的I值若小于LDA2的Iy＝1700，则不可能用简单的光学系统把LDA2的光束完全射入振荡模体积内，反之，如I＞Ix，则在x截面内可以将多个LDA2发出的光束都射入振荡模体积内。
由于LDA2发光区太长，Iy过大，它的光束难以完全进入振荡模体积内，H.Zbinden等(Opt.Lett.1990，V.15，p.1014)建议用光纤列阵将列阵激光束引出，然后排列光纤在圆形内输出。但他所用光纤的I值(拉格朗奇不变量)远大于激光二极管(约0.68)，亦即二者模式不匹配，故输出端亮度已大大下降，再加光纤损耗，故效率不高。
也可以用微透镜(或微柱透镜)列阵，将LDA2的发光区列阵一一成象于一点，而且同时使光管成为是充满光束的。这就是说，用微透镜列阵可以将不充满光线的光管转变为I值较小的充满光线的光管。S.Yamaguchi(IEEE J.Quant.Electr，1992，V.28.p.1101)已采用了列阵微透镜，但他未考虑模式匹配，也未能使光管内充满光线，因此达到的照明功率密度仍然不高。
本发明的目的就是提供一种用半导体激光器产生强照明的光学系统，以实现高效率光泵激光，或用细光纤传输高功率半导体激光。
本发明以用于半导体激光器产生强照明的系统由被照明目标、光源即多个半导体激光器和光学系统组成被照明目标，具有一定形状的被照明面积，容许一定大小的照明孔径角Ua、Ub，它在二个截面内的拉格朗奇不变量有定值Ia、Ib；光源-多个半导体激光器，它们各有一定的发光面积和发散角，在两个截面内的拉格朗奇不变量是Ix、Iy；光学系统，它把半导体激光光管的一端成象在被照明目标上，象的大小充满被照明面积。组合多个带有这种光学系统的半导体激光器，使孔径角Ua、Ub被半导体激光束充满，从而使光源和被照明目标的拉格朗奇不变量相匹配。
在上述系统中，在两个截面内可以组合使用的同类型半导体激光器数量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整数部分决定。当然，所使用的半导体激光器的数量可以少小上述比值，此时孔径角Ua、Ub不完全充满光束。
上述光学系统可以用透镜或反射镜组成;为在二个截面有很不相同的倍率，这种光学系统中最简单的情况是由二个母线正交的柱透镜组成，它们分别在两个截面内将半导体激光光管成象，使光管一端象的位置与所说的被照明目标重合，分别选定二个成象倍率，使象的尺寸恰好充满被照明面积。
对于光源是内部具有列阵结构的半导体激光器，还可以在光学系统中采用微透镜列阵，列阵微透镜的焦距f、孔径l满足f＝d＝l/2·tan(u/2)其中l也是激光列阵间距，u是激光发散角，d是列阵微透镜与半导体激光器的间距，列阵微透镜与列阵激光器数量相等。采用微透镜(或微柱透镜)列阵后，使光管充满光线，并使此半导体激光束的拉格朗奇不变量I变小。
所说的被照明目标，可以是光纤的端面，也可以是激光介质，对激光介质而言，其尺寸应与振荡模体积相符，从而使照明光束限于振荡模体积内，不散开逸出。
下面结合附图对本发明及其实施例作进一步说明。
图1光管成象光路图;
图2具有不同长度和形状的光管图;
图3充分照明示意图;
图4单个半导体激光器，光纤和两个柱透镜组成的光学系统光路结构示意图，实施例1;
图5实施例2光学系统光路结构示意图;
图6实施例4的光学系统光路结构示意图;
图7实施例5的光学系统光路示意图。
实施例1用光纤传输半导体激光，或用半导体激光光泵光纤激光器。
若光纤OF直径1微米，相对孔径NA0.35，则I＝0.7×10-4恰与半导体激光器LD的Ix＝Iy相当，用图4所示的二个柱透镜即可将LD发出的激光完全耦合进入光纤。柱透镜CL1在x截面内将LD发光区1∶1成象，柱透镜CL2则在y截面内将LD发光区成出4∶1的象，所以LD成象光斑是1微米×1微米发散角40°×40°。故光纤直径1.4微米才能把光斑完全容纳。这里只决定了二个柱透镜的倍率，透镜的焦距可以由予定的LD到OF间距L而算出。计算公式如下
公式中a为半导体激光器发光面到透镜的距离，b为被照明目标到透镜的距离，f为透镜的焦距，M为透镜的放大倍率。这里设透镜是薄透镜，实际上透镜有一定厚度，而且为校正象差以保证光束质量，透镜须作仔细设计校正。
实施例2光纤直径6微米，相对孔径NA0.35，由于I＞0.7×10-4，可以将多个LD发出的光都耦合进入光纤。由于光纤在二个截面的I值都比Ix＝Iy＝0.7×10-4大四倍，可以容纳4×4＝16个LD激光束。具体结构如图5，柱透镜CL3在x截面内将LD成1∶4的象，象在此截面内尺寸是4微米，发散角则为10°，这就可以组合四个LD形成总张角40°(NA0.35);在y截面内则由柱透镜CL4将LD成出1∶1的象，象尺寸也是4微米，张角10°，所以在y截面也可以组合四个LD形成张角40°，所以组合16个LD形成光斑尺寸4微米×4微米，张角40°×40°。由此可见直径5.6微米NA0.35的光纤可以传送800毫瓦半导体激光;或者说，直径5.6微米长1厘米的掺钕钇铝石榴石(NdYAG)光纤可以成为输入800毫瓦的高效激光器。
和例1相同，柱透镜焦距是任意的，可由予定的LD到OF间距及予定的倍率而算出。
实施例3直径32微米，NA0.35的光纤传输10W半导体激光。
由于光纤的I＝22×10-4已大于LDA1的Iy，而且大于LDA1的Ix的20倍20Ix，所以可以在x截面组合20个LDA1输入此光纤。仍然对每一个半导体激光器用二个柱透镜成象，使象斑尺寸为20微米×25微米x截面放大20倍，y截面缩小4倍。此时x截面光束张角2°，y截面张角40°。在x截面将20个带有相同光学系统的半导体激光组合，成为张角40°的光束。
由于LDA1在100微米的发光长度内并不到处发光，所以上述20微米×25微米，40°×40°的光管内并未完全充满光束，但已可传输10瓦半导体激光。
实施例4将LDA1加列阵微柱透镜，使发散角减小。
如前所述LDA1是由相距10微米的10个发光二极管LD所组成，为使光管内充满光线，采用10个柱透镜，每个孔径为10微米，孔径角10°，故焦距为57微米，透镜到LD表面距等于焦距，由于发光区宽4微米故经微透镜后的发散角是4°，如图6。所以LDA1经微柱透镜列阵后成为发散角40°×4°，亮度10兆瓦/平方厘米/立体弧度，Ix＝0.68×10-4，Iy＝6.8×10-4的光束，可以用更细的光纤传输。
类似于例3，将图6所示的y截面再经柱透镜成象缩小10倍，在x截面则用另一柱透镜放大10倍，则形成光斑尺寸10微米×10微米，发散角4°×40°的光束。将带有这种光学系统的LDA1组合十个，可以在直径15微米NA0.35的光纤内传送5瓦半导体激光，这比例3的功率密度高一倍。
假若图6所示的是列阵透镜而非列阵柱透镜，则LDA1经此微透镜列阵后，成为发散角1°×4°，发光尺寸(透镜表面尺寸)40微米×100微米的光束，也达到相同的亮度改善。
实施例5用列阵微透镜使LDA2的发散角变小。
例4已经表明如何用微柱透镜列阵使光管内充满光线，从而提高光束的亮度。其基本原则可表述为透镜数与列阵激光器数相等;透镜孔径等于列阵激光间距l;列阵透镜将列阵激光器成象于同一点(例3中象点在无限远，这是特例，但也最易于实施)。微柱透镜列阵与列阵激光间距为d应满足d＝l/2tan(u/2)u是激光发散角，如图7。微柱透镜焦距f≤d。
因此，采用f＝d＝2.87毫米，l＝0.5毫米的柱透镜20个列阵置于LDA2之前，就可以将LDA2的激光束变成发光面积1微米×1厘米，发散角40°×2°，亮度4兆瓦/平方厘米/立体弧度，Ix＝0.68，Iy＝340的光束。
若再用例3中的更小微透镜(20×10个)，将每个激光二极管成象，还可以把LDA2的亮度再提高2.5倍，达到10兆瓦/平方厘米/立体弧度。
实施例6输入半导体激光达千瓦级的光泵结构。
当光泵功率数十瓦以至数千瓦时，采用0.5瓦输出的LDA1数量太多，结构上不太方便;当采用LDA2时，由于Iy＝1700厘米-弧度，故当NA＝0.35时，激光棒直径须大于3毫米。此时在y截面将LDA2缩小4倍成象，x截面则可放大2000倍成象，所以可以有2000个LDA2的光束在x截面组合输入直径3毫米的棒(二万瓦)。
对氙灯光泵热负载的实验和理论表明(周峰等，物理学报1989，V.38 p.247)，激光介质能负载的光泵功率体密度与棒直径(或平板厚度)平方成反比，直径10毫米的YAG棒负载极限为103瓦/立方厘米(直径1毫米为105瓦/立方厘米，0.1毫米时为107瓦/立方厘米)。
含Nd1%的NdYAG吸收长度约为7毫米，所以上述光泵体密度已达4×105瓦/立方厘米，虽然半导体激光泵时热效应会比氙灯小一个量级以上，但看来也接近光泵损伤。因此，高功率YAG激光介质的截面宜为薄板而非圆盘。例如2.5毫米×0.2毫米×10毫米，已可输入LDA2激光束200束(2000瓦)并安全工作。采用微透镜列阵改善的LDA2时，激光介质尺寸可更小。
综上所述，本发明的特点如下1.照明的光学系统要考虑模式匹配问题，即拉格朗奇(Laglange)不变量(I值)在二个截面匹配。
2.为将多个半导体激光束组合照明一个被照明目标，将每个激光束的光管一端成象充满整个被照明面积并占有一定张角，多个激光束在各张角组合以充满全张角。
3.对于内部具有列阵结构的半导体激光器可用列阵柱透镜(或列阵透镜)缩小发散角，从而提高光泵功率密度。
4.用半导体激光照明可以达到兆瓦/立方厘米的面功率密度，兆瓦/立方厘米的体功率密度。
5.照明容许一定的数值孔径(NA)是默认光束在介质中将如光纤中那样由内反射受限，否则光泵光束将在传输中扩大孔径。因此激光介质尺寸应与其模体积相当，不宜过大。
6.此照明方式不仅适用于端面光泵，也适用于侧面光泵。但用于侧面光泵时，为使光泵充分吸收，直径须大于吸收长度之半(一方镀反射膜时)，因此激光介质一定体积甚大，从热负载考虑，不适于高功率密度下工作。
权利要求
1.一种用于半导体激光器产生强照明的系统，包括1)被照明目标具有一定形状的被照明面积，容许一定大小的照明孔径角Ua、Ub，它在二个截面内的拉格朗奇不变量有定值Ia，Ib；2)光源-多个半导体激光器它们各具有一定的发光面积和发散角，在两个截面内的拉格朗奇不变量是Ix，Iy；3)光学系统其特征在于所说的光学系统将半导体激光光管的一端成象在被照明目标上，象的大小充满被照明面积；组合多个带有所说的光学系统的半导体激光器，使孔径角Ua，Ub被半导体激光束充满。
2.按照权利要求1的系统，其特征在于在两个截面内可以组合使用的同类型半导体激光器数量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整数部分决定。
3.按照权利要求1的系统，其特征在于所说的光学系统由二个母线正交的柱透镜组成，它们分别在二个截面内将半导体激光光管成象，使光管一端的位置与所说的被照明目标重合，并使象的尺寸恰好充满被照明面积。
4.按照权利要求1、2或3的系统，其特征在于所说的半导体激光器是简单的激光二极管。
5.按照权利要求1、2或3的系统，其特征在于所说的半导体激光器的内部具有列阵结构。
6.按照权利要求5的系统，其特征是所说的光学系统内具有微透镜列阵，列阵微透镜的焦距f、孔径l满足关系式f＝d＝l/2·tan(u/2)式中，l也就是激光器列阵间距，u是激光发散角，d是列阵微透镜与半导体激光器的间距，列阵微透镜数与列阵激光器数相等。
全文摘要
一种用半导体激光产生强照明的系统。它由被照明目标、多个半导体激光器组成的光源和光学系统组成，其特点是所说的光学系统将各个半导体激光器光管的一端成象在被照明目标上，而且象的大小充满被照明面积，组合多个带有光学系统的半导体激光器，使要求被照明的孔径角被半导体激光束充满。
文档编号H01S3/00GK1100187SQ9311255
公开日1995年3月15日 申请日期1993年9月7日 优先权日1993年9月7日
发明者王之江, 王颖 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所