专利名称：用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统的制作方法
技术领域：
用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统技术领域[0001]本实用新型涉及一种光学元件和光学系统，具体说，涉及一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统。
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在一起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 mX 1 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]激光光束质量的优劣通过光参数积(BPP)来评价，光参数积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 ^racL上述半导体激光器快轴的光参数积BPPf —般为1 2mm .mrad,慢轴的光参数积BPPs为500mm · mrad，快慢轴的光参数积相差上百倍，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参数积均勻化，即通过光学元件将条形准直光束在慢轴方向上分割成N段，然后将这N段在快轴方向上叠加， 这样，慢轴方向上的光参数积就减小到原来的1/N，而快轴上的光参数积则增加到原来的N 倍，从而光束的快慢轴的光参数积被均勻化。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一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，该长条形的长度为Len，宽度为W。然后，准直后的光束沿着Z轴通过光束切割单元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(例如图2中的光束段a、b、c、d、e、f)，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处变为快慢轴光参数积被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，用于半导体激光器阵列光束整形的光束切割单元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。[0006]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。[0007]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。[0008]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。但其缺陷是，随着光学玻璃薄片的数量的增加，光学玻璃薄片的累积误差越来越大，以至于超出合理的误差范围，使整形效果变差。另外，还存在装配困难、不易调节的问题。实用新型内容[0009]本实用新型的目的在于提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统以克服上述定位不精确、装配困难、累积误差大、不易调节的缺点。[0010]为了实现上述目的，本实用新型提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，该光学元件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均勻地分为N层，N为自然数，N > 2，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。[0011]优选地，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所述第N层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值可以是绝对值相等，符号相反，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。进一步优选地，当N为偶数时，所述第1层到第N/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第1层到第N/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N/2)+l层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第(N/2)+l层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，当N为奇数时，第1层到第(N-l)/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第1层到第(N-l)/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+3V2层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第(N+3V2层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(Ν+1)Λ层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。[0012]另一方面，本实用新型提供一种用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学系统，其包括顺序地光学耦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、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，所述光束重排单元也可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件；所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同；所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。[0013]另外，本实用新型还提供一种用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学系统，其包括顺序地光学耦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、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，所述光束重排单元也可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件；所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同；所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。[0014]优选地，可以取
权利要求1.一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，其特征在于，该光学元件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均勻地分为N层，N为自然数， N ^ 2，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。
2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，其特征在于， 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所述第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绝对值相等，符号相反，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。
3.根据权利要求2所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，其特征在于， 当N为偶数时，所述第1层到第N/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第1层到第N/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N/2)+l层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第(N/2)+l层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，当N为奇数时，第1层到第(N-l)/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第1层到第(N-1V2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第 (N+3V2层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第(N+3V2 层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+1V2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。
4.一种用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学系统，包括顺序地光学耦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、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其特征在于，所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同，所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。
5.一种用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学系统，包括顺序地光学耦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、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其特征在于，所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同， 所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。
6.根据权利要求4或5所述的光学系统，其特征在于，
7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于，通过Wzk(Cipni)A1确定Altj
8.一种用于二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学系统，包括顺序地光学耦合起来的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、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其特征在于，所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，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至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元所包含的多个所述光学元件中的每个光学元件与所述光束切割单元划分出的所述层的数目相同，所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元中的每个光学元件的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。
专利摘要提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的一体化成型的光学元件以及利用该光学元件构成的用于一维、二维密排和二维非密排半导体激光器阵列光束整形的系统。所述光学元件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N层，N为自然数，N≥2，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彼此相同或互补，沿厚度方向顺序排列的各层中的空气间隙带的带宽值构成递减等差数列，其中将第一层中的空气间隙带的带宽值设为正数，如果两个层中的空气间隙带的带宽值的符号相同，则表示该两层中的空气间隙带的倾角相同，如果所述符号相反，则表示该两层中的空气间隙带的倾角互补，如果所述带宽值为零，则表示该层不含空气间隙带。
文档编号G02B27/30GK202256887SQ20112033331
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