专利名称：大功率半导体激光器阵列光束准直系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光器，特别是一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统。
技术背景半导体激光器由于具有光电转换效率高、体积小、寿命长、功率密度高 等优点，已成为固态激光器最有效的泵浦源。随着大功率半导体激光器的发 展，半导体激光器抽运的固态激光盔的研究工作取得了很大的进展。半导体激光器固有的结构特点决定了它存在一个严重的不足就是它的不 对称性，具有像散和较大发散角的输出光束。光束的光斑形状成椭圆状，垂直于发光面的方向(快轴)具有较大的发散角，通常为40。左右，平行于发光 面方向(慢轴)的发散角相对较小，大约在10。左右。通过阵列的方式提高半导体激光器的功率是现在常用的方法，如何提高 半导体激光器阵列的光束质量，是关系其应用的重要步骤。现在提高大功率半导体激光器阵列光束质量方面，有两条技术路线利用微光学系统或者光 纤阵列的方法。微光学系统的方法是通过微光学系统(微透镜、微棱镜阵列等)对光束 进行整形、变换，将阵列器件中的各发光单元的输出光束变换为平行光束。 微透镜系统方法的优点是可以同时对大功率半导体激光器阵列的快轴和慢轴 方向同时准直，并且准直效果不错；缺点是微透镜阵列加工难度大，相对来 说价格比较昂贵。光纤阵列准直方法是通过光学系统将激光器阵列各发光单元与相同数目 的光纤一一耦合，然后在光束出射端再进行集束。目前的光纤阵列准直方法 都没有解决准直后光束的填充因子和光束质量无法提高的缺点。发明内容本发明的目的在于提供一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统。该 系统具有准直后光束的准直度高、填充因子和光束质量极大改善、结构简单 和成本较低的优点。本发明的技术解决方案如下一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特点是多根柱面 自聚焦光纤与半导体激光器阵列的多个发光区一一对应并对准排列，所 述的柱面自聚焦光纤的直径等于半导体激光器阵列两相邻发光区的间 距，所述的柱面自聚焦光纤的两个端面均为平凸型柱面，其中第一端面 沿半导体激光器的快轴方向为曲面，沿半导体激光器的慢轴方向为平面， 第二端面沿半导体激光器的慢轴方向为曲面，沿半导体激光器的快轴方 向为平面，所述的柱面自聚焦光纤第一端面朝向所述的半导体激光器阵 列的发光区。所述的柱面自聚焦光纤的长度丄满足公式gy^_ 0.21 cos(VIz) +0.23sin2(VIZ) _ 2.61sin(Vlt) + 1.36cot(VI丄)'式中D是光纤半径，^是自聚焦光纤折射率特征参数，丄是光纤长度， 及端面柱面曲率半径。所述的柱面自聚焦光纤端面的柱面曲率半径R满足公式 l/i = 4.39VIcot(V2L) + 3.76VIsin(VIz)， 其中D是光纤半径，^是自聚焦光纤折射率特征参数，丄是光纤长度，i 端面柱面曲率半径。采用柱面自聚焦光纤阵列对半导体激光器阵列光束准直，重要的是一方 面在压縮激光束的发散角的同时，减少半导体激光器发光阵列间的暗光区域 的比例，即增大激光束的填充因子，提高光束质量因子，另一方面，使每一 个发光区域发出的光在准直后由原来不对称的细长形变为对称的形状。所述的多根柱面自聚焦光纤的直径与半导体激光器阵列的发光区域的间 距相等，以提高准直后光束的填充因子和光束质量。本发明与现有技术相比具有如下优点现有的光纤阵列或光纤准直技术无法有效增大准直光束的填充因子和提 高光束质量，也没有考虑到准直光束的对称度问题。用微透镜系统准直半导 体激光器光束的技术，无法对高密度的半导体激光器进行准直，而且微透镜 组的加工难度大，成本昂贵，调试困难。本发明方法利用柱面自聚焦光纤阵
列对半导体激光器阵列进行准直，可以增大光束的填充因子和提高光束质量， 提高光束的对称度，结构简单、成本低、光束整形好，光能利用率高等优点 外，也完成了对大功率半导体激光器阵列光束快轴和慢轴的同时准直，对光 束的准直度也有了很大的提高。
图1为本发明装置的立体示意图。图2为本发明中自聚焦光纤的侧视示意图和激光束在光纤中沿快轴方向 的传播轨迹。图3为本发明中自聚焦光纤的示意图和激光束在光纤中沿慢轴方向的传播轨迹。图4为本发明实施例2的示意图。图中l一半导体激光阵列；2 —柱面自聚焦光纤；3 —光纤第一端面；4， 光纤第二端面；5—V型槽板。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明。先请参阅图1，图1为本发明实施例1的立体示意图。由图可见，本发明 大功率半导体激光器阵列光束准直系统，包括一个半导体激光器阵列l，多根柱面自聚焦光纤2用具有多个V型槽的槽板5排列成线阵，每一根柱面自聚 焦光纤2的第一端面与所述的半导体激光器阵列1的发光区一一对应对准。 同时柱面自聚焦光纤2的直径与半导体激光器阵列的发光区域的间距相等。 所述的柱面自聚焦光纤2的形状的侧视图和俯视图如图2和图3所示，其中 第一端面3沿半导体激光器的快轴方向为曲面，沿半导体激光器的慢轴方向 为平面，第二端面4沿半导体激光器的慢轴方向为曲面，沿半导体激光器的 快轴方向为平面。光纤的第一端面3朝向半导体激光器阵列。激光束在光纤 中沿快轴方向的传播轨迹6如图2所示，沿慢轴方向的传播轨迹7如图3所 示。激光束在光纤中经过不同的传播轨迹，准直后的激光束由原来不对称的 细长形变为对称的形状。 实施例1半导体激光器的阵列1由19个发光区域组成，间距500微米。把19根 自聚焦光纤2的前端面做成如图2和图3所示的柱面，并固定到V型槽板5
的V型槽中，形成光纤阵列，并保证光纤阵列端面对齐。通过V型槽板5可 以精确控制光纤阵列的排列与大功率半导体激光器阵列的发光区匹配。光纤直径500微米，光纤长度16.2毫米，端面柱面曲率半径1.4毫米。控制柱面 自聚焦光纤2到大功率半导体激光器1发光面的距离，使柱面自聚焦光纤2 的焦点位于大功率半导体激光器1光束的束腰处，并使每根自聚焦光纤2对 应一个发光区，从而实现对半导体激光器阵列光束的准直。准直后的激光束 的发散角等于0.20，填充因子提高到0.8。 实施例2如图4所示，将图1的技术方案加以扩展，将线阵大功率半导体激光器1 扩展为半导体激光器面阵，所述的柱面自聚焦光纤2发展为空间面阵分布并 保障每根柱面自聚焦光纤2的前端曲面与所述的面阵大功率半导体激光器1 的发光区一一对应，其中光纤直径、长度和折射率分布同实施例1。实验表明，本发明所采用的自聚焦光纤具有体积小、成本低、光能利用 率高、准直效果好等优点。柱面自聚焦光纤可以进一步增大数值孔径，减小 像差。本发明实现了对大功率半导体激光器阵列光束的准直和消像散。本发 明不仅适用于大功率条阵半导体激光器的光束准直，而且还适用于大功率面 阵半导体激光器的光束准直。准直后激光束发散角为0.1。数量级。
权利要求
1、 一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特征是多根 柱面自聚焦光纤(2)与半导体激光器阵列(1)的多个发光区一一对应 对准排列，所述的柱面自聚焦光纤(2)的直径等于半导体激光器阵列(1)两相邻发光区的间距，所述的柱面自聚焦光纤(2)的两个端面均 为平凸型柱面，其中第一端面(3)沿半导体激光器的快轴方向为曲面， 沿半导体激光器的慢轴方向为平面，第二端面(4)沿半导体激光器的 慢轴方向为曲面，沿半导体激光器的快轴方向为平面，所述的柱面自聚 焦光纤(2)第一端面(3)朝向所述的半导体激光器阵列(1)的发光 区。
2、 根据权利要求1所述的大功率半导体激光器阵列光束准直系统， 其特征是所述的柱面自聚焦光纤的长度丄满足公式—0.21 cos(VIZ) +0.23 sin22.61sin(VI丄)+ 1.36cot(VI丄)'式中D是光纤半径，J是自聚焦光纤折射率特征参数，丄是光纤长度， W端面柱面曲率半径。
3、 根据权利要求1所述的大功率半导体激光器阵列光束准直系统，其特征是所述的柱面自聚焦光纤(2)端面的柱面曲率半径R满足公式l/i = 4.39V^cot(VIi) + 3.76N/Isin(V^)， 其中Z)是光纤半径，4是自聚焦光纤折射率特征参数，L是光纤长度，尺 端面柱面曲率半径。
全文摘要
一种大功率半导体激光器阵列光束准直系统，该系统主要是利用柱面自聚焦光纤阵列对光束进行准直。柱面自聚焦光纤的两端面均为平凸型柱面，其中一个端面沿半导体激光器的快轴方向为曲面，沿半导体激光器的慢轴方向为平面，另一个端面沿半导体激光器的慢轴方向为曲面，沿半导体激光器的快轴方向为平面。使每一根自聚焦光纤对应一个发光区，同时自聚焦光纤的直径等于半导体激光器发光阵列的间距。选定特定的柱面自聚焦光纤的端面曲率半径和光纤长度，可以对每个发光区光束的快轴和慢轴同时进行准直，并提高准直光束的填充因子和光束质量因子，减小像差。本发明系统具有体积小、成本低、光能利用率高、准直效果好等优点。
文档编号G02B6/42GK101144877SQ20071004762
公开日2008年3月19日 申请日期2007年10月31日 优先权日2007年10月31日
发明者徐剑秋, 牛金福 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所