专利名称：半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法
技术领域：
本发明涉及条阵大功率半导体激光器光束整形时微透镜阵列对的组合和调节方法，属于微细加工光学技术应用范畴。
背景技术：
条阵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。但是其发散角大、像散大(平行和垂直于结平面两方向的发散角很大)等因素，限制了它的更进一步的应用。图1是半导体激光器的子午方向(也叫快轴方向)的光能量分布图。可见，光能量是呈高斯分布的，虽然在120°的范围内包络了绝大部分能量，但是发散角太大使其光能量很快发散，几乎不能直接应用。弧矢方向(也叫慢轴方向)的发散角比较小，在10°的范围内包络了95％以上的能量。慢轴方向的光能量也呈高斯分布。
在激光的实际应用中，需要高能量密度、小发散角的光束，所以就需要对光束进行准直。由于大功率半导体激光器结构的特殊性，使用宏透镜准直的方法对它无能为力。首先，由于其发散角大，相应的准直透镜的数值孔径也必须较大，大数字孔径的微透镜制作起来相对简单；其次，由于存在较大像散，所以不能采用具有旋转对称的透镜，更不能采用一个透镜来准直如此大像散的光束，而需采用两不同焦距、不同数值孔径的柱面透镜进行两方向的光束分别准直；而且，要实现大功率，激光器的结构必然是阵列化，其单元发光区尺寸及间距周期均较小，一般为微米量级，根据几何光学的拉氏不变原理，不能采用传统的单一长焦距、大口径的宏透镜进行阵列光束准直而只能采用阵列型的微透镜；最后，为了得到小发散角、高质量的准直光束，还须采用非球面面形透镜。总之，为了实现高质量的大功率半导体激光器阵列光束的准直，必须采用非球面、大数值孔径微透镜阵列对光束进行准直。(参见《条阵半导体激光器阵列光束混合光学准制聚焦系统设计》，作者周崇喜、杜春雷，V3 NO.1 JUNE5 2000《光学仪器》。)系统的光路图如图2(a)和图2(b)所示，光源是由19个发光区组成的条阵半导体激光器，需要对两个方向分别准直。光源发出的光经过快轴透镜后，快轴方向被准直，慢轴方向并没有被准直；然后光束经过慢轴透镜阵列后，慢轴方向被准直，两个方向合成后，出射光束就成了平行光。
对条阵激光器而言，快轴微透镜阵列只有一个透镜，(为了便于说明，现以国产19发光区的激光器为例。)慢轴微透镜阵列有多于19个微透镜，(实际上只有19个微透镜可用，多于19个是便于调节。)两个微透镜阵列是以正交的方式组合的。由于激光器两个方向的发散角的差异太大，所以准直的效果上看，快轴方向的效果十分明显。
由于微透镜阵列的尺寸比较小，在装夹和调节时比较困难，一般的方法是先调节快轴透镜，将其固定；再调节慢轴透镜，再固定。这样就需要两次的装夹和精密调节，增加了调节工序和调节设备，而且调节精度也降低。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种先将微透镜阵列组合成一个微透镜阵列对，用一次装夹和调节完成整个工作，而且还可以得到比分步调节更高的精度的半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法。
本发明的技术解决方案是半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特点在于包括下列步骤(1)将两个微透镜阵列在加入光路前组合成微透镜对；(2)用一次装夹和调节完成两个微透镜的精密调节。
上述的步骤(1)中组合成微透镜对采用粘结方法，快轴透镜在前，慢轴透镜在后，且粘结时采用透镜架，以便微透镜阵列在光路调节完毕后进行固定；微透镜对之间的距离是经过计算得出的，即通过实测微透镜的矢高、面形、口径来计算微透镜阵列的焦距差，然后计算微透镜阵列之间的焦距差后，来确定微透镜之间的距离。
上述步骤(2)中透镜对的调节过程中，以快轴为准，快轴的最佳位置就是慢轴的最佳位置。
本发明相比于现有技术有以下优点现有技术应用微透镜阵列队对半导体激光光束的准直过程中，需要对微透镜阵列进行多次精密调节，微透镜阵列尺寸小，装夹和调节难度很大，调节的精度不容易提高；本发明是将两个微透镜阵列在加入光路前组合成微透镜对，这样可以减少精密调节的次数，降低装夹和调节难度，同时还大大提高了调节精度。
图1为条阵半导体激光器阵列包络能量随光束包络散角的关系图(快轴方向)；图2(a)为条阵半导体激光器阵列光束准直方案俯视图；图2(b)为条阵半导体激光器阵列光束准直方案侧视图；图3为本发明中带基片的微透镜阵列对，1为快轴透镜，2为慢轴透镜；图4为本发明中微透镜阵列对的装载示意图(快慢轴透镜的图形面均朝向光源)，其中1为快轴透镜，2为慢轴透镜，3为支架；图5(a)和图5(b)分别为条阵半导体激光器准直前后光斑的对比，其中图5(a)为准直前的光斑，图5(b)为准直后的光斑；图6(a)为本发明进行调节过程中采用的微透镜对透镜架的结构侧视图；图6(b)为本发明进行调节过程中采用的微透镜对透镜架的结构主视图；图6(c)本发明进行调节过程中采用的微透镜对透镜架的结构俯视图。
具体实施例方式
如图3所示，本发明中的微透镜阵列是用微细加工的方法制作出来的，口径只有几百个微米，它是带基片的快慢轴透镜阵列(实际的比例比图示的小，基片厚度是矢高的几十倍)。在将微透镜阵列加入光路前，先计算微透镜阵列之间的距离，再采用精密对准技术，将两个微透镜阵列按照正交的方向粘结起来，快轴透镜在前，慢轴透镜在后，组成微透镜阵列对，如图4所示。组合粘结的过程是激光器的发光区的尺寸为1×100微米，可以按照几何光学等效为点光源，通过实测的微透镜的矢高、面形、口径来计算微透镜阵列的焦距差，计算微透镜阵列之间的焦距差后，可以确定微透镜之间的距离，发光区的两个方向的垂直度是完全可以保证的。实际应用中，采用图6(a)和6(b)所示的透镜架来装载两个微透镜阵列，先将快轴微透镜1装载到支架3上，粘结固紧，再将慢轴微透镜阵2装载到支架3上，将两个微透镜阵列的光轴调节到正交位置，粘结固紧，这样就组成了微透镜阵列对，装载后的微透镜对如图4所示。
然后，对微透镜阵列对进行调节。调节的优点在于第一，快慢轴透镜准直的是同一个光源，组合调节比分开调节减少了一次装夹和精密调节的工序，如果分开调节，需要等到快轴透镜粘结固化后才能装夹和调节慢轴透镜；第二，微透镜阵列在光路外调节和粘结都十分方便，而且精度更高；第三，分开调节时，快轴方向调节好后，再调节慢轴，此时慢轴方向的变化较快轴方向小，这样就很难通过探测或观察来判断是否达到了最好的效果；第四，若采用外加六维调节架调节两个透镜，固定一个透镜架比较简单，将两个透镜分开固定比较麻烦；若采用系统内置调节架，这种方法就更加简单，只需要一个简易内置调节架就可以将光路调节完毕，节省时间的同时也节省了空间；第五，微透镜之间的透镜架可以方便地将透镜阵列固定在系统上，快轴微透镜的基片被切成很小的形状是为了缩小调节范围，慢轴透镜阵列的形状比较大是避免快轴调节过程中慢轴透镜阵列偏离光路，同时便于装夹和粘结。将透镜对粘结在透镜架上不会影响光路。
实施例，采用本方法组合和调节以下系统，对国产19发光区40W半导体激光器。首先，根据包络能量的90％计算微透镜对的参数，见表一。
表一，激光器的参数和所设计的非球面透镜对的参数主要参数快轴 慢轴波长(um)0.808 0.808阵列数 1×1 1×19面型双曲线双曲线口径(um)300 500数值孔径0.31 0.1根据计算得到的参数快轴透镜的焦距f1＝461um，慢轴透镜的焦距f2＝2857um，发光区两个方向的焦距差561um，快轴基片厚度1500um，所以，快慢轴之间的距离为635um。用精密光学技术调节和对准快慢轴透镜，采用粘结方法，按照快轴透镜在前，慢轴透镜在后将其粘结牢固，粘接时借助于透镜架，以便微透镜阵列在光路调节完毕后进行固定；然后进行快慢轴透镜对的调节，其调节过程是以快轴为准，快轴的最佳位置就是慢轴的最佳位置，调节过程中。准直后光束参数为快轴方向为8mrad，慢轴方向为18mrad，光能量达到了包络能量的90％，达到了实际应用的要求。光束照片如图5所示。分开调节时，快轴方向可以达到8mrad，慢轴方向不易达到18mrad，一般大一到二倍。
权利要求
1.半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于包括下列步骤(1)将两个微透镜阵列在加入光路前组合成微透镜对；(2)再用一次装夹和调节完成精密调节。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于所述的步骤(1)中组合成微透镜对采用粘结方法，快轴透镜在前，慢轴透镜在后。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于所述的步骤(1)中微透镜对之间的距离是经过计算得出的，即通过实测微透镜的矢高、面形、口径来计算微透镜阵列的焦距差，然后计算微透镜阵列之间的焦距差后，来确定微透镜之间的距离。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于所述的步骤(2)中透镜对的调节过程是，以快轴为准，快轴的最佳位置就是慢轴的最佳位置。
5.根据权利要求2所述的半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于所述的粘结方法采用透镜架，以便微透镜阵列在光路调节完毕后进行固定。
全文摘要
半导体激光器光束准直微透镜阵列对的组合和调节方法，其特征在于将两个微透镜阵列在加入光路前组合成微透镜对，再用一次装夹和调节完成精密调节，这样可以减少精密调节的次数，降低装夹和调节难度，同时提高了调节精度。
文档编号G02B3/08GK1553244SQ0312357
公开日2004年12月8日 申请日期2003年5月29日 优先权日2003年5月29日
发明者谢伟民, 周崇喜, 杜春雷, 邓启凌, 刘银辉 申请人:中国科学院光电技术研究所