专利名称：一种半导体激光器光束切割重排的方法及其光束耦合系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种半导体激光器光束切割重排的方法及其光束耦合系统，尤其适用于采用如巴条芯片等多发光单元的半导体激光器的光束耦合。
背景技术：
半导体激光二极管(LD)由于具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，被广泛地应用在激光材料加工、信息与通信、医疗保健和国防军事等主要领域。目前，LD 抽运的全固态激光器(DPL)和光纤激光器已得到广泛重视和研究。为了提高半导体激光器的出射功率及亮度，目前主要采用的有单发光点耦合出射，阵列光纤巴条耦合出射，巴条阵列经过整形直接出射等方法，可以使半导体激光芯片的光电转换效率达到60% -70%，出射功率达600W-1000W以上。由于半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束的质量因子不一致，要使高功率的半导体激光器耦合入更小芯径的光纤里，改善巴条的慢轴质量因子更显重要。目前改善慢轴质量的方法很多，比如微阶梯反射镜、双反射镜、二元光学法等。这些方法总体上来说零件加工难度比较大，而且耦合效率比较低，只能达到70%。发明内容
本发明提供一种半导体激光器光束切割重排的方法及其光束耦合系统，尤其针对多发光单元半导体激光器的光束耦合，以提高激光器光束的聚焦效率，从而达到耦合进更小芯径光纤的目的，实现高功率、高亮度的耦合系统。
本发明的技术方案如下
一种多发光单元半导体激光器光束切割重排的方法，至少采用一对棱镜堆，每对棱镜堆由第一棱镜堆和第二棱镜堆组成，均是由多个棱镜片沿其斜边依次错位堆叠而成； 所述多个棱镜片均为直角棱镜以使得入射光束与出射光束平行；
多发光单元半导体激光器发出的光束经第一棱镜堆反射，分割形成与所述多个棱镜片一一对应的多个错位排列的光束单元；
多个错位排列的光束单元入射至第二棱镜堆后再次反射，所述第二棱镜堆的公共斜面与第一棱镜堆的公共斜面平行，且第二棱镜堆中每个棱镜片的斜边均与第一棱镜堆中每个棱镜片的斜边垂直；使这些光束单元在与第一棱镜堆错位方向垂直的方向上再次错位排列完成这些光束单元的整合。
基于上述方案，具体可设 为第一棱镜堆中棱镜片的斜边长度； 为第二棱镜堆中棱镜片的斜边长度；b为第一、第二棱镜堆中棱镜片的厚度；c为光斑到第一棱镜堆处的宽度尺寸；e为光斑到第一棱镜堆处的长度尺寸；d为第一和第二棱镜堆沿斜边错开的距离；η为第一、第二棱镜堆中棱镜片的个数；则d彡13/2且13>(^/13 = 11， >2〔(1(11-1)+6〕， a2 > 2〔nb-(n-l)d〕。
上述棱镜片是进行两次内反射或外反射实现入射光束与出射光束平行。
一种应用上述光束切割重排方法的半导体激光器光束耦合系统，包括依次设置的半导体激光器模块、用以进行光束切割重排的一对棱镜堆、用以将切割重排后光束聚焦耦合入光纤的聚焦模块；所述的半导体激光器模块是加了微透镜的多个半导体激光器芯片堆叠组成。
上述微透镜组可以采用球面透镜或非球面透镜，与半导体激光器芯片的个数一一对应设置。
上述棱镜片可以采用光学玻璃、金属或者全反射膜的形式。
上述半导体激光器芯片可以采用微型巴条、半巴条芯片或者标准厘米巴条芯片。
本发明的技术效果在于
本发明采用了制作工艺简单的棱镜堆对激光光束进行分割重排的光学整形设计， 解决了光束的快慢轴光参积均勻平衡问题，使光束耦合效率达80%以上，比现有同类产品提高10%以上，光纤出射端光功率密度可以达到105瓦/平方厘米，不仅满足了市场对高功率、高电光转换率激光器系统的需求，而且元件加工工艺简单、成本低，便于工业化应用。
(1)可同时实现对快轴和慢轴光束准直，减小激光光学准直系统的体积，从而减小半导体激光器整形及耦合的系统尺寸。
(2)准直效果好，通常情况下半导体激光器的快轴半发散角为35°，慢轴半发散角为5°，象散为0. 5，本发明的棱镜堆，慢轴准直后角度可以小于8mrad，快轴小于2mrad。
(3)由于采用该棱镜堆的准直度好，因此准之后的光束在用于光纤耦合时耦合效率高，且容易实现高亮度的耦合。
图1为为本发明半导体激光器光束耦合系统示意图2为单个棱镜片内反射工作原理图3为单个棱镜片外反射工作原理图4为巴条芯片出射激光光斑图经过第一、第二棱镜堆后出射的激光光斑图5为本发明半导体激光器光束耦合系统实施例示意图。
附图标号说明
1、半导体激光器模块；2、棱镜堆模块；3、聚焦模块；4、半导体激光器芯片；5、微透镜；6、第一棱镜堆；7、第一棱镜堆；8、9、19为透镜；10、光纤；11、12为棱镜片；13、14、15、 16、17、18为激光光束；具体实施方式
下面结合附图对本发明半导体激光器光束耦合系统的具体实施方式
作进一步说明。
本发明是通过以下技术方案实现的，这种半导体激光器光束耦合系统，由按光路依次排列的半导体激光器模块、聚焦模块和光纤组成，在半导体激光器模块和聚焦模块之间的光路上布设有棱镜堆模块，棱镜堆模块由相互直角排列的两个棱镜堆组成，分别为第一棱镜堆和第二棱镜堆，每个棱镜堆由一组呈错位堆叠排列的棱镜片组成。
所述半导体激光器模块是加了微透镜的多个半导体激光器芯片堆叠组成，半导体激光器芯片为多发光单元芯片，可以是微型巴条和半巴条芯片或者标准厘米巴条芯片，半导体激光器的芯片个数为1个或者多个；微透镜是球面透镜、非球面透镜或者其它透镜，微透镜个数与半导体激光器芯片个数相同；
所述棱镜堆的材料可以是光学玻璃、金属，也可以是全反射膜，棱镜片可以是任何几何形状的立体镜片，可以是内反射原理，也可以是外反射原理，棱镜堆可以是一体成型的，也可以是由2-100个棱镜片组成一组，当棱镜片数量大于1个时，将它们按规则错位堆叠排列，相互紧固连接；
所述聚焦模块为球面透镜或非球面等聚焦透镜。
本发明半导体激光器光束耦合系统中，棱镜堆模块置于半导体激光器模块后端用于对半导体激光器模块所发出的激光光束切割重排，其中第一棱镜堆的反射面与半导体激光器器模块出射的光束相对应；聚焦模块置于棱镜堆模块后端用于对切割重排后的光束进行聚焦耦合进光纤，光纤置于聚焦模块后端用于出射激光。在本发明的耦合系统中，当半导体激光器模块的数量大于2个时，可选择加入PBS棱镜。
图1为本发明所述的半导体激光器光束耦合系统，是由半导体激光器模块1、棱镜堆模块2、聚焦模块3和光纤10按光束路径依次排列组成。
每个棱镜片的工作原理见图2和图3，半导体激光器模块中半导体激光器芯片经过微透镜进行快、慢轴预准直，准直后的激光光束再经过棱镜堆模块进行切割重排，使光束的快慢轴的光束达到近似平衡，而后激光光束通过的聚焦模块进行聚焦耦合后出射。
图4为半导体激光器芯片出射激光光斑图经过第一、第二棱镜堆后出射的激光光斑图，其中SlOl为半导体激光器芯片出射激光光斑图；S102为SlOl中出射光斑图经过第一棱镜堆后的出射激光光斑图，出射的光斑宽度总和与SlOl中出射的光斑宽度相同；S103 为S102中出射光斑图经过第二棱镜堆后的出射激光光斑图，出射的光斑高度与S102中出射的光斑高度之和相同。
本发明的一个实施例如图5所示，首先在每个半导体激光器芯片4的发光区附近安装微透镜5，将包括第一棱镜堆7和第二棱镜堆6的棱镜堆模块2置于半导体激光组模块 1后端，把聚焦模块3置于棱镜堆模块2的后端，光纤10置于聚焦模块3的后端。半导体激光器模块1中，半导体激光器芯片4发出的光束经过微透镜5进行快、慢轴预准直，准直后的激光光束再经过棱镜堆模块2中的第一棱镜堆7和第二棱镜堆6进行切割重排，使光束的快、慢轴的光参积达到近似平衡，经过光学整形的激光光束再经过聚焦模块3进行聚焦耦合后，通过光纤10出射。本实施例中，棱镜堆模块2中的第一棱镜堆7和第二棱镜堆6， 分别由一组包括7个错位堆叠排列的三角体棱镜片组成，其排列规则是d > b/2且b > c， e/b = η, B1 > 2 (d(n-l)+e),a2 > 2〔nb-(n-l) d〕；其中 为第一棱镜堆中棱镜片的斜边长度为第二棱镜堆中棱镜片的斜边长度；b为第一、第二棱镜堆中棱镜片的厚度；c为光斑到第一棱镜堆处的宽度尺寸；e为光斑到第一棱镜堆处的长度尺寸；d为第一、第二棱镜堆沿斜边错开的距离；η为第一、第二棱镜堆中棱镜片的个数。
上述的仅为本发明的一种实施例，当然不能以此来限定本发明的权利范围，本领域技术人员能够根据本发明提出的基本方案和以上实施例做出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应当属于本发明的权利要求的保护范围。权利要求
1.一种多发光单元半导体激光器光束切割重排的方法，至少采用一对棱镜堆，每对棱镜堆由第一棱镜堆和第二棱镜堆组成，均是由多个棱镜片沿其斜边依次错位堆叠而成；所述多个棱镜片均为直角棱镜以使得入射光束与出射光束平行；多发光单元半导体激光器发出的光束经第一棱镜堆反射，分割形成与所述多个棱镜片一一对应的多个错位排列的光束单元；多个错位排列的光束单元入射至第二棱镜堆后再次反射，所述第二棱镜堆的公共斜面与第一棱镜堆的公共斜面平行，且第二棱镜堆中每个棱镜片的斜边均与第一棱镜堆中每个棱镜片的斜边垂直；使这些光束单元在与第一棱镜堆错位方向垂直的方向上再次错位排列完成这些光束单元的整合。
2.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器光束切割重排的方法，其特征在于设％为第一棱镜堆中棱镜片的斜边长度P2为第二棱镜堆中棱镜片的斜边长度；b为第一、第二棱镜堆中棱镜片的厚度；c为光斑到第一棱镜堆处的宽度尺寸；e为光斑到第一棱镜堆处的长度尺寸；d为第一和第二棱镜堆沿斜边错开的距离；η为第一、第二棱镜堆中棱镜片的个数；则(1彡13/2且13>(3，6/13 = 11，&1>2〔d(n-l)+e〕，a2 > 2〔nb-(n_l)d〕。
3.根据权利要求1所述的多发光单元半导体激光器光束切割重排的方法，其特征在于所述棱镜片是进行两次内反射或外反射实现入射光束与出射光束平行。
4.应用权利要求1所述的光束切割重排方法的半导体激光器光束耦合系统，其特征在于包括依次设置的半导体激光器模块、用以进行光束切割重排的一对棱镜堆、用以将切割重排后光束聚焦耦合入光纤的聚焦模块；所述的半导体激光器模块是加了微透镜的多个半导体激光器芯片堆叠组成。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器光束耦合系统，其特征在于微透镜组采用球面透镜或非球面透镜，与半导体激光器芯片一一对应设置。
6.根据权利要求4所述的半导体激光器光束耦合系统，其特征在于所述棱镜片采用光学玻璃、金属或者全反射膜的形式。
7.根据权利要求4所述的半导体激光器光束耦合系统，其特征在于所述半导体激光器芯片采用微型巴条、半巴条芯片或者标准厘米巴条芯片。
全文摘要
本发明提供一种半导体激光器光束切割重排的方法及其光束耦合系统。该光束耦合系统包括依次设置的半导体激光器模块、用以进行光束切割重排的一对棱镜堆、用以将切割重排后光束聚焦耦合入光纤的聚焦模块；所述的半导体激光器模块是加了微透镜的多个半导体激光器芯片堆叠组成。本发明的光束耦合系统能够提高激光器光束的聚焦效率，从而达到耦合进更小芯径光纤的目的，实现高功率、高亮度的耦合系统。
文档编号G02B6/34GK102520523SQ20111045415
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月20日 优先权日2011年12月20日
发明者刘兴胜, 栾凯, 王敏, 王晓飚, 郑艳芳, 高毅 申请人:西安炬光科技有限公司