专利名称：半导体激光器阵列的光束整形系统的制作方法
技术领域：
半导体激光器阵列的光束整形系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种光学系统，具体说，涉及一种半导体激光器阵列的光束整形系统。
背景技术：
[0002]半导体激光器因电光转换效率高、体积小以及重量轻而得到了广泛的应用。但单个半导体激光器无法输出极高的功率(大于百瓦)，因此出现了将多个半导体激光器排列在一起形成条阵、以及将多个条阵堆叠形成面阵的激光器阵列。受工艺、冷却、整形方法等限制，半导体激光器阵列不能做得很长，目前一般约为10mm。构成半导体激光器阵列的半导体激光器一般为边缘发射型半导体激光器，这种半导体激光器包括一个p-n结，电流垂直于该p-n结注入，激光则从该p-n结的侧面边缘发射出来。
图1示出了现有的一维半导体激光器阵列的示意图。在
图1所示的一维半导体激光器阵列1的一个例子中，阵列长度约为10mm，单个发光区的出光侧面的尺寸为150 μ mXl μ m，相邻发光区的间距为500 μ m。由于边缘发射型半导体激光器的发光区的断面狭窄，因而其输出的光束在平行于P-n结的方向(称为慢轴方向，也即
图1中的X方向)和垂直于P-n结的方向(称作快轴方向，也即图 1中的Y方向)上有不同的发散角，在快轴方向的发散角为50°到60°，在慢轴方向的发散角为5°到10°，而且其输出的光束在快轴方向和慢轴方向上的束腰的位置和直径也不同，具有严重的像散，因而不能简单地通过透镜系统进行聚焦。[0003]激光光束质量优劣通过光束参数乘积(BPP)来评价，光束参数乘积BPP定义为某个方向上的束腰半径(R)与远场发散角半角(Θ)的乘积，单位是mm*mrad。快轴的光束参数乘积BPPf —般为1 2mm .mrad,慢轴的光束参数乘积BPPs为500mm · mrad，快慢轴的光束参数乘积相差上百倍，因而很难对该光束进行聚焦。[0004]为了提高半导体激光器阵列的输出光束的质量，必须对其进行整形，以获得发散角和光斑直径均很小的对称光斑。光束整形就是将光束的快慢轴的光束参数乘积均勻化， 即通过光学元件将条形准直光束从慢轴方向分割成N段，然后将这N段在快轴方向上叠加， 这样，慢轴方向上的光束参数积减小到原来的1/N，而快轴上的光束参数积增加到原来的N 倍，从而光束的快慢轴的光束参数乘积均勻化。图2是对一维半导体激光器阵列的光束进行整形的示意图，其中，在图2中的上部示出了整形光学系统，在图2中的下部示意地示出了所述整形光学系统中的某些节点处的光束的断面形状。如图2所示，首先，一维半导体激光器阵列1发出的激光束通过快慢轴准直透镜2分别进行准直以得到准平行光。准直后的光束在节点Bl处的断面形状为长条形。然后，准直后的光束通过光束切割单元4，通过光束切割单元4后的光束在节点B2处变为台阶状分布的N段光束，台阶状分布的N段光束再通过光束重排单元5，通过光束重排单元5后的光束在节点B3处变为所述N段光束的叠加。 节点B3处的光束在慢轴方向(即图2中的X方向)的尺寸小，经过慢轴扩束准直单元7后在节点B4处变为断面为快慢轴光束参数乘积均勻化了的矩形光斑。最后光束经过球面聚焦透镜8可以聚焦成均勻的点光斑。[0005]目前，用于半导体激光阵列的光束整形系统中的光束切割单元4和光束重排单元 5等光学元件一般分为反射式光学元件、折反射式光学元件和折射式光学元件。所述反射式整形用光学元件包括两个完全对称的阶梯型反射镜，每个阶梯型反射镜又包括N个高反射率镜面，光束通过第一个阶梯型反射镜后在慢轴方向上被分割成N段子光束，各段子光束经过第二个阶梯型反射镜中的相应镜面的反射后，在快轴方向上对齐排列起来。这种整形用的光学元件的缺点是阶梯型反射镜的加工难度大。所述折反射式整形用光学元件利用两组棱镜的折射和全反射来实现光束的分割和重排。这种整形用的光学元件的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，棱镜的装配比较困难。所述折射式整形用光学元件则通过对光束进行一次或多次折射来实现光束的勻化。此类整形用光学元件可以通过GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此类整形用光学元件由多个光学玻璃薄片紧密叠加而成，整形的效率比较高。上述在光束整形系统中用于光束切割和光束重排的光学元件都在不同程度上存在设计制造比较复杂、装配困难、不易调节以及累积误差大等问题。
实用新型内容本实用新型的目的在于提供一种半导体激光器阵列的光束整形系统以克服上述光束整形系统中所使用的光束切割单元和光束重排单元设计复杂、装配困难、定位不精确、 累积误差大、不易调节等缺点中的一个或多个缺点。为了实现上述目的，一方面，本实用新型提供一种一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其包括顺序地光学偶合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元和慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元包括层叠的N个厚度相等的透明光学材料层，N为自然数，N > 2，所述每个透明光学材料层均为扁平的直平行六面体，该直平行六面体的一对平行的侧面分别为所述半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，该直平行六面体的另一对平行的侧面平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向，该直平行六面体的平行四边形底面与相邻透明光学材料层的底面部分叠在一起，其中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束入射方向的所述侧面所成的角度递增或递减，所述各个透明光学材料层中的所述入射端面和出射端面之间的垂直距离相同或沿所述光束入射方向的距离相同；所述光束重排单元由长方体透明光学材料制成，该长方体透明光学材料沿着厚度方向也均勻地分为N个层叠的层，每个所述层中包含与该层等厚的、在所述长方体的包含长度维度和厚度维度的两个表面之间延伸的空气间隙带，该空气间隙带的两个边缘面为平行于所述厚度方向且相互平行的两个平面，任意两个所述层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度相同或互补，沿所述厚度方向顺序排列的各个所述层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值构成递减等差数列，其中，第一个层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值设为正值，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相同， 则表示与这两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度和厚度维度的表面所成的角度相同，如果该递减等差数列中的两个 垂直有向距离的值的符号相反，则表示与该两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所 述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度 互补，如果该递减等差数列中的ー个垂直有向距离的值为零，则表示与该垂直有向距离相 对应的层为不包含空气间隙带的连续的透明光学材料层；以及所述光束切割単元与所述光 束重排单元中的所述N个透明光学材料层的层叠方向相互垂直。 优选地，所述光束切割単元和所述光束重排单元可以通过所述N个透明光学材料 层一体化形成，或可以通过所述N个透明光学材料层拼合形成。进ー步优选地，在所述光束 切割単元中，沿着所述层叠方向順序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端 面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向的所述侧面所成的角度可以构成 等差数列。[0013] 另外，优选地，可以取
权利要求1.一种一维半导体激光器阵列的光束整形系统，包括顺序地光学偶合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元和慢轴扩束准直单元， 其特征在于，所述光束切割单元包括层叠的N个厚度相等的透明光学材料层，N为自然数，N >2，所述每个透明光学材料层均为扁平的直平行六面体，该直平行六面体的一对平行的侧面分别为所述半导体激光器阵列光束的入射端面和出射端面，该直平行六面体的另一对平行的侧面平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向，该直平行六面体的平行四边形底面与相邻透明光学材料层的底面部分叠在一起，其中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向的所述侧面所成的角度递增或递减，所述各个透明光学材料层中的所述入射端面和出射端面之间的垂直距离相同或沿所述光束入射方向的距离相同；所述光束重排单元由长方体透明光学材料制成，该长方体透明光学材料沿着厚度方向也均勻地分为N个层叠的层，每个所述层中包含与该层等厚的、在所述长方体的包含长度维度和厚度维度的两个表面之间延伸的空气间隙带，该空气间隙带的两个边缘面为平行于所述厚度方向且相互平行的两个平面，任意两个所述层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度相同或互补，沿所述厚度方向顺序排列的各个所述层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值构成递减等差数列，其中，第一个层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值设为正值，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相同，则表示与这两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度和厚度维度的表面所成的角度相同，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相反，则表示与该两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度互补，如果该递减等差数列中的一个垂直有向距离的值为零，则表示与该垂直有向距离相对应的层为不包含空气间隙带的连续的透明光学材料层；以及所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述N个透明光学材料层的层叠方向相互垂直。
2.根据权利要求1所述的一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其特征在于，所述光束切割单元和所述光束重排单元通过所述N个透明光学材料层一体化形成，或通过所述 N个透明光学材料层拼合形成。
3.根据权利要求2所述的一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其特征在于，在所述光束切割单元中，沿着所述层叠方向顺序排列的所述各个透明光学材料层中的所述光束入射端面相对于平行于所述半导体激光器阵列光束的入射方向的所述侧面所成的角度构成等差数列。
4.根据权利要求1所述的一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其特征在于， BPPs/BPPf]，BPPs为所述半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积，BPPf为所述半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积，[]为取整符号；所述光束切割单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度Cl1为入射到所述光束切割单元的所述光束入射端面上的条形光斑的长度Len ；所述光束重排单元的所述透明光学材料层的层叠方向上的厚度d2为d2 =
5.根据权利要求4所述的一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其特征在于，通过
6.根据权利要求1所述的一维半导体激光器阵列的光束整形系统，其特征在于，在所述光束重排单元中，沿所述厚度方向顺序排列的所述N个层中，第1层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值与第N层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值的符号相反，绝对值相等；其中当N为奇数时，沿所述厚度方向顺序排列的第(N+l)/2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。
7.—种二维密排半导体激光器阵列的光束整形系统，包括顺序地光学偶合起来的二维密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、快轴光束压缩单元、光束切割单元、光束重排单元和慢轴扩束准直单元，其特征在于，所述光束切割单元为权利要求1到6中的任一权利要求所述的光束整形系统中的光束切割单元，所述光束重排单元为权利要求1到6中的任一权利要求所述的光束整形系统中的光束重排单元，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目N相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。
8.—种二维非密排半导体激光器阵列的光束整形系统，包括二维非密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元和慢轴扩束准直单元，其特征在于，所述光束切割单元为权利要求1到6中的任一权利要求所述的光束整形系统中的光束切割单元，所述光束重排单元包括多个沿厚度方向排列的如权利要求1到6中的任一权利要求所述的光束整形系统中的光束重排单元，所述光束切割单元和所述光束重排单元所包含的所述透明光学材料层的数目N相同，所述光束切割单元与所述光束重排单元中的所述透明光学材料层的层叠方向相互垂直。
9.根据权利要求1、7和8中的任一权利要求所述的光束整形系统，其特征在于，所述光束切割单元用构造与所述光束重排单元的构造相同的光学元件替换，并且所述光束重排单元用构造与所述光束切割单元的构造相同的光学元件替换。
专利摘要提供一维、二维密排和二维非密排半导体激光器阵列的光束整形系统。这些光学整形系统中的光束切割单元包括层叠的多个厚度相等的直平行六面体透明光学材料层，沿层叠方向顺序排列的各个层中的光束入射端面与平行于光束入射方向的侧面之间的夹角递增或递减，各个层中的入射端面和出射端面之间的垂直距离或沿光束入射方向的距离相同。这些光学整形系统中的光束重排单元由长方体透明光学材料制成，该长方体沿厚度方向均匀地分为多层，每层中都包含一条空气间隙带，各层中的空气间隙带的倾角相同或互补，沿厚度方向顺序排列的各层的空气间隙带的带宽值构成递减等差数列。所述光束切割和重排单元所包含的层数相同，而这些层的层叠方向垂直。
文档编号G02B27/09GK202256886SQ20112033317
公开日2012年5月30日 申请日期2011年9月6日 优先权日2011年9月6日
发明者刘友强, 史元魁, 曹银花, 王智勇, 王有顺, 许并社, 陈玉士 申请人:北京工业大学, 山西飞虹激光科技有限公司