专利名称：衍射微光学元件实现半导体激光器面阵的光束整形方法
技术领域：
本发明涉及一种利用衍射微光学元件—二维闪耀光栅阵列(透射式)来对半导体激光器面阵的输出光束进行整形的方法。
背景技术：
近年来，大功率半导体激光器面阵(stacks)被广泛应用于泵浦固体激光器、光纤激光器及激光医疗、材料加工等领域，但由于其输出光束的质量较差而影响了它的直接应用。光束质量一般常用光参数积来衡量，光参数积(BPP)定义为激光束的光腰半径与远场发散角半角的乘积，光参数积的值越小，光束质量就越好。半导体激光器面阵由若干个吧(bar)叠层列阵构成，各吧之间具有不发光的间隙，其输出光束在垂直于结平面(快轴)方向和平行于结平面(慢轴)方向是非对称的，具有不同的光束质量，其中慢轴方向的光束质量较差，光参数积达到几百毫米.毫弧度，是快轴方向的几十甚至上百倍。在实际应用中，往往需要激光器与光纤进行耦合，根据光参数积匹配原则，只有光参数积不大于光纤的光参数积的光束才能与光纤进行有效的耦合(光纤的光参数积由光纤芯径和数值孔径决定，一般为几十毫米.毫弧度)，因此就必须要对面阵的输出光束进行整形，实现快慢轴方向光参数积的均衡，同时消除各吧之间的间隙，提高光功率密度。所谓整形，就是把准直后各吧的输出光束在慢轴方向分割成若干段，通过一个整形系统使得这些子光束在快轴方向重新排列，一方面可以填满快轴方向不发光的间隙，另一方面可以改善慢轴方向的光参数积，使两个方向基本一致。这样再通过合适的聚焦透镜就可以实现有效的光纤耦合了。
现有的光束整形方法主要有反射整形法和折射整形法。
德国JENOPTIK Laserdiode GmbH的Friedhelm Dorsch等人(SPIEVol.3285，pp.192-128)在1998年用反射整形法实现了由三个吧构成的面阵与800μm-0.2NA的光纤耦合。他们先用阶梯反射镜消除面阵中各吧之间不发光的间隙，再用布儒斯特角棱镜压缩快轴方向的尺寸，得到线形的输出光束，最后用两个反射镜堆实现光束重排。此方法的缺点是器件个数多，且对较大的面阵，由于快轴方向尺寸压缩困难而不适用。
2000年时Friedhelm Dorsch等人(SPIE Vol.3945，pp.42-49)又用折射整形法实现了半导体激光器面阵与600μm-0.22NA(或400μm-0.33NA)的光纤耦合。他们采用两个棱镜阵列来实现光束整形，此方法的缺点是所需棱镜个数较多，器件加工装调困难。
用衍射光学元件来实现面阵的光束整形，至今没有见到相关的实验报导。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种简单、实用的方法对半导体激光器面阵的输出光束进行整形。
本发明的技术解决方案是利用两个闪耀光栅阵列实现半导体激光器面阵的光束整形，其特点在于包括下列步骤(1)根据激光器的特点及应用要求设计两个闪耀光栅阵列的结构及参数；即根据面阵激光器快慢轴方向的光参数积、吧间的间隙和应用要求确定各吧输出光束准直后的高度及在慢轴方向需分割的段数。第一个光栅阵列水平方向的阵列数就等于子光束的个数，竖直方向的阵列数等于面阵中吧的个数，光栅的高度由准直光束的高度决定，长度等于子光束的长度。各子光束通过该阵列后进行偏转，实现重排。光栅的相位结构由光束偏转角度决定。第二个光栅阵列为叠层列阵，阵列数等于子光束的个数，位于光束重排面上，作用是校正各子光束的传播方向，使其平行于系统的光轴方向。光栅的高度等于准直光束的高度，长度由入射光束决定，相位结构由入射光束的角度决定。
(2)利用二元光学加工工艺在石英基片上制作出所需器件；
即根据两个闪耀光栅阵列的结构及参数制作相应的掩模图形，再经过光刻和刻蚀工艺制作出所需台阶型器件。
(3)根据激光器的激射波长在器件表面镀上相应的增透膜；(4)将两个闪耀光栅阵列按设计的位置放入光路中，激光器的输出光束通过这两个器件后实现重排，达到光束整形的目的。
本发明与现有技术相比的优点在于它是通过两个闪耀光栅阵列来实现光束整形的，器件结构简单，易于实现，可提高制作精度。同时由于衍射器件具有体积小、重量轻、集成性好、易于复制等特点，不但可以克服折、反射器件装调困难的缺点，而且适合批量生产，可以降低系统成本。
图1是实施例1中闪耀光栅阵列一的结构示意图；图2是实施例1中闪耀光栅阵列二的结构示意图；图3是光束通过两个闪耀光栅阵列的变换光路图；图4是实施例2中闪耀光栅阵列一的结构示意图；图5是实施例2中闪耀光栅阵列二的结构示意图。
具体实施例方式
实施例1，如图1、图2和图3所示。
本发明的实例1是对由10个吧构成的面阵进行整形，各吧之间的间距为1.8mm，实现与400μm-0.37NA的光纤耦合，具体整形步骤如下(1)根据激光器的特点及光参数积匹配原则决定将每个吧的输出光束在慢轴方向分割成3段，准直光束的高度为1.8/3＝0.6mm，由此设计出闪耀光栅阵列一的结构如图1所示。该阵列由10条相同器件构成，分别对每个吧的输出光束进行变换，以实现光束重排。由于把光束分割成奇数段，中间部分的光束不需偏转，所以每条器件左右两部分为二维闪耀光栅，中间为平板。
(2)重排后各子光束的传播方向不同，故设计闪耀光栅阵列二来校正各子光束的传播方向，如图2所示，该阵列由10组相同的器件构成，每组上下两部分为二维闪耀光栅，中间为平板。
(3)根据设计结果在石英基片上制作出所需二元器件，并镀上相应的增透膜。
(4)将两个闪耀光栅阵列按设计的位置放入光路中，光束通过两个整形器件的变换情况如图3所示(以三个吧为例)。经过阵列一后，各光束在慢轴方向分成3部分，左右两部分在慢轴方向向系统中心偏转，在快轴方向向远离系统中心的方向偏转，中间部分传播方向不变，当传播到阵列二前表面时，各部分光束在快轴方向实现层叠排列，形成矩形的输出光场，消除了吧间不发光的间隙，但传播方向互不相同。经过阵列二后，各光束平行传播。整形后慢轴方向的光参数积减小3倍，快轴方向则扩大3倍，使得两个方向的光参数积比较对称，从而实现与光纤的有效耦合。
实施例2本发明的实例2仍是对由10个吧构成的面阵进行整形，实现与400μm-0.37NA的光纤耦合，不过各吧之间的间距为2.4mm，具体整形步骤如下(1)根据激光器的特点及光参数积匹配原则决定将每个吧的输出光束在慢轴方向分割成4段，准直光束的高度为2.4/4＝0.6mm，由此设计出闪耀光栅阵列一的结构如图4所示。该阵列与实施例1一样由10条器件构成，不同的是每条器件由4个具有不同闪耀角的二维闪耀光栅构成，对各子光束进行偏转变换。
(2)闪耀光栅阵列二如图5所示，该阵列由10组相同器件构成，每组由4个二维闪耀光栅叠层列阵构成，分别校正各子光束的传播方向。
(3)根据设计结果在石英基片上制作出所需二元器件，并镀上相应的增透膜。
(4)将两个闪耀光栅阵列按设计的位置放入光路中，光束通过两个整形器件后在慢轴方向分割成4部分，在快轴方向实现重排。整形后慢轴方向的光参数积减小4倍，快轴方向则扩大4倍。
权利要求
1.衍射微光学元件实现半导体激光器面阵的光束整形方法，其特征在于(1)根据激光器的特点及应用要求设计两个闪耀光栅阵列的结构及参数；(2)利用二元光学加工工艺在石英基片上制作出所需器件，并镀上相应的增透膜；(3)将两个闪耀光栅阵列按设计的位置放于整形光路中，对光束进行重排变换，达到改变光参数积的目的。
全文摘要
本发明提出了一种利用衍射微光学元件——二维闪耀光栅阵列(透射式)来对半导体激光器面阵的输出光束进行整形的方法。该方法首先根据激光器的特点及应用要求设计出闪耀光栅阵列的结构及参数，再利用二元光学加工工艺制作出所需器件，通过这两个器件对准直后的激光束进行重排变换，以实现快慢轴方向光参数积的对称化。该系统具有体积小、重量轻、集成性好等特点，克服了折、反射系统器件加工装调困难的缺点，结构简单，方便实用。
文档编号G02B27/42GK1740844SQ200410009489
公开日2006年3月1日 申请日期2004年8月27日 优先权日2004年8月27日
发明者郑春艳, 周崇喜, 杜春雷 申请人:中国科学院光电技术研究所