专利名称：一种半导体激光器光学整形的设计方法及其整形系统的制作方法
技术领域：
本发明属于激光器制造领域，具体涉及一种半导体激光器光学整形的设计方法及其整形系统。
背景技术：
半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制 Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了 MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。半导体激光器及其光纤耦合系统在工业、医疗、军事等领域得到越来越广泛的应用。在众多应用中，体积小，重量轻，成本低的半导体激光器的耦合模块成为市场的关注重点和各国研究的焦点。由于半导体激光器的出射光束的发散角在快慢轴上各不相同并且相差很大，对于单管半导体激光器而言，两者的BPP参数相差约20倍，这就造成了后续光学整形的难题，目前对半导体激光器进行光学整形，通常是在半导体激光器(LD)前端加相应的光束整形系统，如对光束进行切割，旋转，重排等，将激光束压缩至需要的光斑输出(牛岗，樊仲维，王培峰等，“大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术”，半导体学报，2007二8(10) 1607-1610)，这样使得耦合模块体积大，结构和工艺复杂，成本高。国内外相关产品很多，但多为两种芯片基础上开发出的产品，都存在一定的缺点(1)单管(Single Emitter)产品，该产品只有一个发光点，可以做到808nm， 50 μ m，5W的激光输出，尽管光纤芯径很小，但由于功率的限制，亮度并不是很高。(2)单Bar产品，该产品的发光点一般为19个或19个以上(如47个，62个)，针对这种Bar条，多使用切割、翻转、重排、聚焦的光束整形方式来实现光纤耦合输出，这类产品可以达到很高的功率，但由于采用了复杂的光学系统，成本很高，而且输出光纤芯径也不能做到很小，较难达到高亮度输出的目的。(3)多Bar条产品，这类产品在功率方面具有绝对的优势，但很难使激光耦合进小芯径的光纤内，这就决定了该类产品的亮度不高。综上所述，传统的半导体激光器光学整形方案中，激光芯片一般采用单管(Single Emitter)或者单Bar，而光学整形系统(主要是Bar条类)则往往需要进行复杂的光学切割、旋转、重排。传统技术具有以下缺点(1)基于Bar条的光纤耦合产品成本高，要求的驱动电流大。由于加入了复杂的光学系统，使得整个产品成本提高，降低了该类产品的市场竞争力，同时该类产品往往需要很高的驱动电流，这严重限制了产品的应用。(2)功率和亮度偏低。对于单管光纤耦合产品，由于其功率的限制，很难做出大功率、高亮度的激光器产品。而对于Bar条光纤耦合产品，由于很难将光束耦合进小芯径的光纤中，所以亮度也不高。(3)工艺复杂。常见的Bar条光纤耦合产品通常采用复杂的光学系统，以达到小芯径光纤耦合输出的目的，这种光学系统包含了复杂的光束整形透镜，在实际生产中，每增加一个透镜，工艺难度大大增加，同时也带来功率的损失。(4)结构复杂。传统技术中，为了得到好的光束质量，无论是单管类还是Bar条类产品，均采用了复杂的光学整形系统，因此使得耦合模块的结构复杂，体积庞大。
发明内容
本发明提供一种半导体激光器光学整形的设计方法及其整形系统，以解决现有半导体激光器聚焦系统聚焦能量密度不高，无法将激光输出耦合入更小芯径的光纤内，从而导致输出亮度有限的技术问题。本发明的原理是半导体激光器激光光源作为激光产生装置，其出射光束的发散角在快慢轴上各不相同并且相差很大，本发明利用梯度聚焦对半导体激光器的出射光束进行光学整形其中，梯度聚焦的作用在于当激光光束通过它以后，激光光束进行梯度聚焦，输出的光束耦合进50um的光纤之中。本发明的技术方案如下大功率半导体激光器光学整形的设计方法，包括以下步骤(1)对半导体激光光源进行快轴压缩或者慢轴压缩或者先后进行快轴、慢轴压缩；(2)对压缩后的激光光源进行梯度聚焦。上述步骤( 所述梯度聚焦是通过具有梯度聚焦性质的光学元件/组件实现，该光学元件/组件在径向上按照由中间向两端折射率依次减小的方式进行梯度聚焦。上述光学元件/组件为自聚焦透镜。上述光学元件/组件是由多层折射率不同的透明材料在径向上顺序粘贴组成。上述多层折射率不同的透明材料可以由五层组成，排列方式为中间折射率大两侧折射率小，在光路径向上依次为有机玻璃，K9玻璃，聚碳酸酯，K9玻璃，有机玻璃(相邻层的折射率差值小于0. 1)。一种大功率半导体激光器光学整形系统，包括在光轴上沿光源输出方向依次设置的压缩准直元件/组件、具有梯度聚焦性质的光学元件/组件。上述光学元件/组件为自聚焦透镜或者是由多层折射率不同的透明材料在径向上顺序粘贴组成。上述压缩准直元件/组件为快轴准直镜或者慢轴准直镜；上述压缩准直元件/组件也可以是由沿光源输出方向依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜组成，快轴压缩和慢轴压缩也可以在同一光学器件实现。具体选择何种压缩方式，取决于整个耦合系统的设计，一般情况下，小功率的耦合模块由于结构简单，光路短，多采用只进行快轴压缩；功率大一些的耦合模块结构要复杂一些，光路长，多需要快慢轴都压缩。本发明利用梯度聚焦的方式对半导体激光器出射光束进行光学整形，其具有制作工艺简单、功率高、亮度高的优点。应用本发明的方法，可以将输出光束耦合进50um的光纤之中，功率密度可达IO5 的数量级。
图1为本发明实施例一示意图结构原理图；图2为本发明实施例二示意图结构原理图；图3为本发明实施例三示意图结构原理图。附图标号说明1-激光光源，2-快轴准直镜，3-聚碳酸酯，4-K9玻璃，5_有机玻璃，6_慢轴准直镜，7-具有梯度聚焦性质的光学元件/组件。
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步的详细描述实施例一如图1，一种半导体激光器的光学整形设计方法，按照以下步骤进行(1)对激光光源进行快轴压缩处理，具体是在激光光源1光出射端安装快轴准直镜2 (D型透镜)对激光光源快轴进行压缩 (准直)。(2)对压缩后的激光光源进行梯度聚焦处理，具体是(2. 1)选用折射率不同的透明材料；3为聚碳酸酯，4为K9玻璃，5为有机玻璃；(2. 2)将材料按照中间折射率大两侧折射率依次减小的顺序依次粘贴在一起；中间聚碳酸酯3两侧依次贴K9玻璃4、有机玻璃5 ；(2. 3)压缩后的激光光源依次通过折射率逐渐减小的材料进行梯度聚焦；激光光源1经过快轴准直镜2压缩后，依次通过聚碳酸酯3、K9玻璃4、有机玻璃5后输出。根据此方案选用的激光芯片为巴条芯片，测试得耦合效率在87 %以上，功率为 30ffo实施例二如图2所示，一种半导体激光器的光学整形设计方法，按照以下步骤进行(1)对激光光源进行慢轴压缩处理，具体是(1. 1)在激光光源光出射端安装慢轴准直镜(0型透镜)对激光光源慢轴进行压缩。慢轴准直镜6置于激光光源1之后对激光光源进行慢轴压缩。(2)对压缩后的激光光源进行梯度聚焦处理，具体是(2. 1)选用透明梯度折射率材料，选用梯度折射率材料7 ；(2. 2)压缩后的激光光源通过梯度折射率材料进行梯度聚焦。激光光源1经过慢轴准直镜6压缩后，通过径向梯度折射率材料7进行梯度聚焦后输出。根据此方案选用的激光芯片为微型巴条芯片，测试得耦合效率在85%以上，功率为 20W。实施例三
如图3所示，一种半导体激光器的光学整形设计方法，按照以下步骤进行(1)对激光光源进行快轴和慢轴压缩处理，具体是在激光光源光出射端安装快轴准直镜和慢轴准直镜对激光光源快轴和慢轴进行压缩，即快轴轴准直镜2置于激光光源1之后对激光光源进行快轴轴压缩，然后经过慢轴准直镜6对激光光源进行慢轴压缩。(2)对压缩后的激光光源进行梯度聚焦处理，具体是(2. 1)选用折射率不同的透明材料；3为聚碳酸酯，4为K9玻璃，5为有机玻璃；(2. 2)将材料按照中间折射率大两侧折射率依次减小的顺序依次粘贴在一起冲间聚碳酸酯3两侧依次贴K9玻璃4、有机玻璃5 ；(2. 3)压缩后的激光光源依次通过折射率逐渐减小的材料进行梯度聚焦；激光光源1经过快轴准直镜2压缩后，依次通过聚碳酸酯3、K9玻璃4、有机玻璃5后输出。上述折射率材料具体选择聚碳酸酯(1. 586)、K9玻璃(1. 5168)、有机玻璃(1. 49)、 石英玻璃(1.45843)较佳。根据此方案选用的激光芯片为单管芯片，测试得耦合效率在89%以上，功率可达
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权利要求
1.高功率半导体激光器光学整形的设计方法，其特征在于半导体激光光源所发出的激光光束经过快轴压缩或者快轴和慢轴压缩后，对压缩的的激光光源进行梯度聚焦。
2.根据权利要求1所述的光学整形的设计方法，其特征在于所述梯度聚焦是通过具有梯度聚焦性质的光学元件/组件实现，该光学元件/组件在径向上按照由中间向两端折射率依次减小的方式进行梯度聚焦。
3.根据权利要求2所述的光学整形的设计方法，其特征在于所述光学元件/组件为自聚焦透镜。
4.根据权利要求2所述的光学整形的设计方法，其特征在于所述光学元件/组件是由多层折射率不同的透明材料在径向上顺序粘贴组成。
5.根据权利要求4所述的光学整形的设计方法，其特征在于所述多层折射率不同的透明材料共有五层，排列方式为中间折射率大两侧折射率小，在光路径向上依次为有机玻璃，K9玻璃，聚碳酸酯，K9玻璃，有机玻璃。
6.大功率半导体激光器光学整形系统，其特征在于包括在光轴上沿光源输出方向依次设置的压缩准直元件/组件、具有梯度聚焦性质的光学元件/组件。
7.根据权利要求6所述的大功率半导体激光器光学整形系统，其特征在于所述光学元件/组件为自聚焦透镜或者是由多层折射率不同的透明材料在径向上顺序粘贴组成。
8.根据权利要求7所述的大功率半导体激光器光学整形系统，其特征在于所述压缩准直元件/组件为快轴准直镜。
9.根据权利要求7所述的大功率半导体激光器光学整形系统，其特征在于所述压缩准直元件/组件是由沿光源输出方向依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜组成。
全文摘要
本发明提供一种半导体激光器光学整形的设计方法及其整形系统，以解决现有半导体激光器聚焦系统聚焦能量密度不高，无法将激光输出耦合入更小芯径的光纤内，从而导致输出亮度有限的技术问题。本发明的半导体激光器激光光源作为激光产生装置，其出射光束的发散角在快慢轴上各不相同并且相差很大，本发明利用梯度聚焦对半导体激光器的出射光束进行光学整形其中，梯度聚焦的作用在于当激光光束通过它以后，激光光束进行梯度聚焦，输出的光束耦合进大于等于50μm的光纤之中。本发明的制作工艺简单、功率高、亮度高。
文档编号G02B27/30GK102354054SQ201110282580
公开日2012年2月15日 申请日期2011年9月22日 优先权日2011年9月22日
发明者刘兴胜, 周倩倩, 杨凯, 郑艳芳, 高毅 申请人:西安炬光科技有限公司