双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器整形的方法

专利名称：双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器整形的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器光束整形的新方法。
背景技术：
带尾纤输出的高功率半导体激光器(Laser Diode，LD)在医疗、材料加工、固体激光器和光纤激光器的泵浦、军事、印刷和打印等方面得到了重要的应用。条阵半导体激光器(LD bar)是由水平方向按周期排列的一系列发光单元组成，但受工艺、冷却、整形方法等多方面的限制，条阵半导体激光器不可能做得水平方向无限的长，所以目前条阵半导体激光器一般长约1cm，连续输出功率一般低于100W。为了获得超过100W、甚至上千瓦的连续高功率，人们把条阵半导体激光器沿垂直方向堆积起来组成面阵半导体激光器(LD stack)。
半导体激光器输出光束的主要特点是在水平方向(习惯称作“慢轴”)光束发散角小(约8-10度，FWHM)、发光区厚(条阵约1cm)；在垂直方向(习惯称作“快轴”)光束发散角大(约36-40度，FWHM)、发光区薄(约1μm)。要将其耦合进圆对称的多模光纤，光束整形是必须的。
高功率方面，条阵半导体激光器的整形方法很多，较为实用有阶梯反射镜整形(K.Du，M.Baumann，B.Ehlers，et al，“Fiber-coupling techniquewith micro step-mirrors for high-power diode-laser bars”，OSA TOPS，Vol.10，1997390-393)、棱镜组折反射整形(Optical coupling system for ahigh-power diode-pumped solid state laser，U S Patent，6,377,410，2002-04-23)、微片棱镜堆整形(线光束整形装置，中国发明专利ZL99124019，2000-05-1)等。但上述条阵整形方法都无法直接应用于面阵。
国内外关于面阵半导体激光器整形方法的报道也仅在最近10年左右。总结起来，整形方法主要有折射型、衍射型和折反混合型。折射型又有几种实现方法，比如B.Faircloth的方法(“High-brightness high-power fibercoupled diode laser system for material processing and laser pumping”，SPIE，Vol.4973，34-41(2003))需要很多独立的折射棱镜，这些棱镜需要放置在特定的位置和角度，所以系统结构相当复杂，也难于调节。R.H.Rediker等人提出的衍射元件整形方法(“Use of diffractive opticstransformer preceded by a corrector lens in a high-power semiconductorlaser system”，SPIE，Vol.2131，301-307(1994))存在的主要问题是受衍射元件衍射效率以及制作方法和工艺设备分辨率影响，系统的效率不高、制作过程繁琐、体积庞大等，所以在实用性上还需大力的改进。F.Dorsch等人提出的折、反混合型整形方法(“2kW cw fiber-coupled diode laser system”，SPIE，Vol.3889，45-53(2000))充分利用了条阵整形的阶梯反射镜方法，但因为增加了三块分离的折射棱镜，整个系统自由度较多，调节困难。F.Bachmann(“high power diode laser technology and applications”，SPIE，Vol.3888，394-403(2000))采用折射棱镜堆阵列实现光束整形，该方法光学元件数目较少，比较实用，但还是有较多缺点(1)折射棱镜对光线的偏折角度并不大，对于小的棱角，必须扩大系统长度才能达到偏折位置，扩大棱角能相对缩小系统长度，但又意味着增加棱镜加工难度；(2)折射元件偏折角依赖于棱镜材料的折射率和激光器激射波长，在设计和加工上必须考虑这些因素；(3)当棱角较大时，折射元件的偏折角度不再与棱角保持线性关系，而是还与入射角度有关，有可能扩大入射光束的发散角，从而需要更宽的后组棱镜来接受光线；(4)折射元件需要双面镀增透膜，增加成本。

发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、紧凑、调节方便、偏折效率高、不受棱镜材料和激光器波长影响、成本低廉等优点双棱角反射微棱镜列阵，实现一种结构紧凑、调节方便、整形效率高、成本低廉的双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器光束整形的方法。
本发明的技术解决方案是双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器光束整形的方法，通过以下步骤完成(1)根据面阵半导体激光器的bars之间的间隙，将慢轴分割的光斑填充其中，达到压缩慢轴光斑、填充bar间隙的目的；(2)采用一对双棱角反射棱镜列阵元件实现整形功能，第一个棱镜列阵的作用是对入射光重排，第二个棱镜列阵的作用是校正重排光束的方向，使之一致；(3)两微棱镜列阵对应单元棱角大小相同，方向相反；(4)根据系统对微棱镜列阵偏折光的要求，计算每一块微棱镜在两个方向的棱角以及合成棱角，用光学冷加工的方法加工出该合成棱角的一维棱镜，然后按角度切割成满足两方向棱角的双棱角微棱镜；(5)将加工好的双棱角微棱镜按照其功能组成两组，分别胶合、镀反射膜；(6)将双棱角微棱镜阵列组放入快慢轴分别准直后的准平行光中，精确调节位置和角度，在后组棱镜后加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤。
本发明与现有技术相比的优点如下本发明所涉及的双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器光束整形的方法在国内外尚无相关报道。与国外唯一与本发明原理接近的折射棱镜阵列方法(F.Bachmann，“high power diode laser technology and applications”，SPIE，Vol.3888，394-403(2000))相比，本发明的优点体现在1、若反射棱镜的棱角为α，偏折角度高达2α，大约是折射棱镜的(2-4)倍，这就意味着即使是小的棱角，棱镜组的间距也不必很大，从而缩短系统长度；2、反射棱镜的偏折角与其制作材料的折射率和激光器激射波长无关，这就意味着在材料选择的灵活性和波长适应性很强；
3、反射棱镜的偏折角始终与棱角保持线性关系(偏折角为2α)，而与入射角无关，所以不会扩大入射光束的发散角；4、反射棱镜只需一个工作面镀高反膜，节约了成本。


图1是本发明描述的面阵半导体激光器输出光束的原理图，该例子中的面阵半导体激光器由三条LD bar沿垂直方向堆积而成，bar之间具有一定的间隙；图2是本发明实施例1的反射式微棱镜阵列整形面阵半导体激光器的慢轴方向光学系统图，由ZEMAXEE光学软件完成；图3是本发明实施例1的棱镜结构三维图；图4是本发明的二维棱镜结构示意图，其中实线是每块二维微棱镜的结构，虚线是用来加工二维微棱镜的一维棱镜结构；图5是本发明实施例1的、利用ZEMAXEE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其中图5a为快慢轴准直后、整形前的光斑分布图；图5b是经过两组反射式微棱镜阵列整形后的光斑分布图；图5c是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后的光斑图；图6是本发明实施例2的反射式微棱镜阵列整形面阵半导体激光器的慢轴方向光学系统图，由ZEMAXEE光学软件完成；图7是本发明实施例2的、利用ZEMAXEE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其中图7a是经过两组反射式微棱镜阵列整形后的光斑分布图；图7b是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后的光斑图。
上述各图中，1-组成面阵半导体激光器的LD bar；2-半导体激光器的单个发光区；3-快轴准直微柱透镜；4-慢轴准直微柱面镜阵列；5-ZEMAXEE虚拟的能量探测器之一；6，11-反射式微棱镜阵列前组；7，12-反射式微棱镜阵列后组；8-ZEMAXEE虚拟的能量探测器之二；9-聚焦透镜；10-ZEMAXEE虚拟的能量探测器之三，放多模光纤的位置；13-单个微棱镜。
具体实施例方式
实施例1描述了通过本发明的方法设计的由三条LD bar组成的面阵半导体激光器实现800μm芯径、0.22数值孔径的整形过程，其设计过程如下(1)本实施例中面阵半导体激光器的bar之间的间隙是1.8mm，利用双棱角反射微棱镜阵列将每条bar的慢轴光斑偏折成三段，分别填充于bars之间的间隙中，实现压缩慢轴光斑尺寸的目的。
(2)双棱角反射微棱镜阵列具有二维棱角，所以能够对入射光束实现x、y两个方向任意角度的偏折，前组棱镜的作用是实现步骤(1)中描述的快、慢轴方向光斑重排。由于前组微棱镜对入射光束的不同偏折，破坏了入射光束的方向性，必须采用后组棱镜把偏折后的光线校正过来。
(3)双棱角反射微棱镜阵列的前组由三块微棱镜组成，如图3所示。微棱镜a使光束在慢轴方向上向x方向偏转、在快轴方向上向y方向偏转；微棱镜c的偏转方向则是-x/-y方向；微棱镜b作用类似于平面镜。后组棱镜同样由三块微棱镜组成，作用是校正重排光束的方向，如图3所示。为了保持入射光束的方向性，微棱镜a与前阵列的微棱镜a具有一一对应的关系，并且x、y方向棱角相同、方向相反，以保证对偏折光线的正确校正；同理，微棱镜c’与微棱镜c对应；微棱镜b′与微棱镜b对应。
(4)由于每个微棱镜都将某一段入射光线偏折特定的角度，据平面镜反射定律即可确定每一片棱镜的棱角，合成棱角可描述为tan2α＝tan2αx+tan2αy。用光学冷加工方法加工具有二维棱角的棱镜难于保证较高的精度，但事实上可以先加工出容易加工的棱角为α的一维棱镜，然后按照尺寸要求切割、研磨成二维棱角的棱镜，该方法原理可以在后面的附图4看出。
(5)每一片微棱镜都将某一段光线偏折到特定的位置，所以每片棱镜的功能各不一样，在粘合时必须依照预先的设计。不同微棱镜的入射角度各不相同，所以要分别镀不同的反射膜。
(6)按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先分别准直，得到准平行光。棱镜组在光路中的位置是固定的，比如前组棱镜必须包络住所有光线，而底线则必须与光轴保持预先设计的、特定的倾角；后组棱镜则必须放置在前组棱镜偏折好的位置。经过整形后的光束理论上应该和入射光束快慢轴方向相同。按照耦合光纤参数，选择适当孔径和焦距的聚焦镜聚焦，即完成800μm/0.22NA面阵半导体激光器整形和光纤耦合输出的工作。
偏转前、偏转后、以及聚焦后的光斑如图5所示。可以看到，慢轴方向每个bar的细长光斑被分割为三段后重排在快轴方向，整形后光斑近似方形，聚焦后的光斑大部分能量集中于800μm光圈内。
上述实施该例并不是说该方法只能由3条bar组成面阵。按照无源光学系统光参数积(BPP，Beam Parameter Product)不变原理，三折叠后慢轴方向BPP约60mm.mrad，快轴方向BPP约4mm.mrad，而800μm/0.22NA的多模光纤的BPP是88mm.mrad，所以快轴方向还可以增加一些bar(增加bar并不改变慢轴方向的BPP)，增加的数目仅受聚焦镜的孔径和焦距限制，而这方面的限制可以通过对慢轴方向二次准直、扩大聚焦镜的孔径和焦距来解决。
在很多工业应用中，更小芯径和数值孔径的高亮度光纤耦合输出具有更大的吸引力。本发明中棱镜组的设计具有较大的灵活性，为了进一步说明用双棱角棱镜实现面阵半导体激光器光束整形的效果，实施例2描述了通过本发明的方法设计的由三条LD bar组成的面阵半导体激光器实现200μm/0.22NA光纤耦合的整形过程。该设计过程与实施例1光斑折叠原理相同，不同的是为了实现更小的芯径和数值孔径，对慢轴光斑进行15次折叠。折叠后的光斑叠加在快轴方向，使得快轴方向光斑较大，难于平衡选择较大孔径的聚焦镜聚焦。为了解决这一问题，考虑到快轴方向发散角较小这一特点，采用了两块柱面透镜14、16构造成刻普勒望远系统进行快轴光斑的压缩，最后用聚焦镜聚焦。
图6是本发明实施例2的反射式微棱镜阵列整形面阵半导体激光器的慢轴方向光学系统图，由ZEMAXEE光学软件完成。
偏转后、以及聚焦后的光斑如图7所示。可以看到，每条bar的慢轴方向的细长光斑被分割为15段后重排在快轴方向，整形后光斑的快轴方向经过二次压缩，经聚焦镜聚焦后的光斑大部分能量集中于200μm光圈内。
权利要求
1.双棱角反射微棱镜列阵实现面阵半导体激光器整形的方法，其特征在于通过以下步骤完成(1)根据面阵半导体激光器的bars之间的间隙，将慢轴分割的光斑填充其中，达到压缩慢轴光斑、填充bar间隙的目的；(2)采用一对双棱角反射棱镜列阵元件实现整形功能，第一个棱镜列阵的作用是对入射光重排，第二个棱镜列阵的作用是校正重排光束的方向，使之一致；(3)两微棱镜列阵对应单元棱角大小相同，方向相反；(4)根据系统对微棱镜列阵偏折光的要求，计算每一块微棱镜在两个方向的棱角以及合成棱角，用光学冷加工的方法加工出该合成棱角的一维棱镜，然后按角度切割成满足两方向棱角的双棱角微棱镜；(5)将加工好的双棱角微棱镜按照其功能组成两组，分别胶合、镀反射膜；(6)将双棱角微棱镜阵列组放入快慢轴分别准直后的准平行光中，精确调节位置和角度，在后组棱镜后加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤。
全文摘要
双棱角反射微棱镜阵列实现面阵半导体激光器整形的方法，其特征在于(1)充分利用面阵半导体激光器的LD bar之间的间隙，将慢轴分割的光斑填充其中，达到压缩慢轴光斑、填充bar间隙的目的；(2)采用一对双棱角反射微棱镜列阵元件实现整形功能，第一个棱镜列阵的作用是对入射光重排，第二个棱镜列阵的作用是校正重排光束的方向，使之一致；(3)两微棱镜列阵对应单元棱角大小相同，方向相反。用该方法涉及微棱镜列阵对实现面阵半导体激光器整形与传统方法相比具有结构简单、紧凑、调节方便、偏折效率高、不受棱镜材料和激光器波长影响、成本低廉等优点。
文档编号G02B27/00GK1731237SQ20041000940
公开日2006年2月8日 申请日期2004年8月5日 优先权日2004年8月5日
发明者郑国兴, 杜春雷 申请人:中国科学院光电技术研究所