专利名称：半导体激光器阵列光束整形结构的制作方法
技术领域：
本发明实现了半导体激光器阵的输出光整形合并，属于激光应用领域。
背景技术：
在激光加工、激光显示、激光医疗等激光应用领域，人们为了获得更高亮度、更高功率的激光输出付出了巨大和持之以恒的努力。随着半导体激光器技术的成熟和进步，高亮度、高功率半导体激光器得到了长足发展。但是，半导体激光器的功率以及功率密度的提高受到材料和结构的限制。传统上采用半导体激光器列阵芯片的方式来提高输出功率。但是列阵芯片的方式只能提升输出功率而并不能提高输出亮度。直接输出的列阵芯片的光束，由于发光单元之间有间隙，其光束质量比单个发光单元还要低。有不少技术方案采用各种手段对列阵输出的光束的各个单元的子光束进行整形、重排，将它们紧密地排列在一起，以提高总体亮度。这些方案都无一例外地用到了复杂的透镜、棱镜系统，安装、调试都比较困难。与列阵芯片相比，单发光区的单管芯半导体激光器有不少优点。它的封装散热更好，因此寿命和可靠性更好；它可以在使用前通过严格的程序进行筛选，提高了可靠性。但是单管功率有限，为了获得更高的功率，可以采用多只单管芯串联，通过一定光学手段将它们发出的光合并密排，这已经成为一种主流的获取高功率、高功率密度激光输出的方法，尤其应用于光纤耦合输出的激光模块中。这种多管芯方案使用便宜的分立透镜，在成本和制造难度上均优于列阵方式。目前，采用多管芯整形的方案，大多是对排列成一维，或变形一维的单管阵列进行整形，压缩间距形成密排光束，如7733932号美国专利，201010174581.2,200820180693.7、200720195326.X等专利。如果进一步加大输出功率，可以将一维单管阵列扩展为二维。有一些专利方案中描述了二维阵列的方式，如200610149340.6号专利中的方案，但它做不到将光束在二维方向都压缩密排，并且制作和工艺都比较麻烦。
发明内容本发明设计了一种二维半导体激光器阵列光束整形结构，由多行半导体激光器构成的阵列、准直透镜、反射镜构成，对半导体激光器阵列的光束进行整形，通过两次反射进行排列，获得二维密排准直光束输出。多只半导体激光器以行为单位排列成多行阵列形式，见图1和图2，每一个激光器I的光束先通过各自的准直透镜2准直。以每一行为一个组，如图1所示。每个组内的激光器经准直的光束3都在XY平面内共面，沿Y方向射出并分别被一个对应的反射镜4.1反射，反射后的光束在Y方向相互平行，相邻的反射镜在光传输方向Y方向上错开一个距离，使每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻光束的间距被压缩为最小，在光束出口 A处，形成一个一维线性紧密排列的组合准直光束5.1,其光束横截面的排列如6.1所不。[0009]第二次反射整形如图2所示。类似于前一个步骤，再将多个组的一维线性紧密排列的组合准直光束5.1各自再通过一个第二反射镜4.2反射，使各组一维线性紧密排列的组合准直光束之间互相平行并沿Z方向出射，相邻的反射镜在光传输方向上沿X方向错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻组的一维线性紧密排列的组合准直光束之间的间距被压缩为最小，在光束出口 B处，叠合形成二维紧密排列的准直光束5.2输出，其光束横截面排列方式如6.2所示，为二维紧密排列，达到最高亮度的合束效果。准直透镜2可以是一个对快、慢轴方向同时准直的单透镜。不过通常由于半导体激光器的快、慢轴方向上发散角相差比较大，也可以采用用柱面透镜组，在一定焦距上分别将光束在快、慢轴两个方向进行准直。所用透镜可以是自聚焦透镜、球面透镜、非球面透镜，柱面镜可以是圆柱面或非圆柱面。本发明所设计的结构是一个非常灵活的结构:二维半导体激光器阵列中每一行的激光器的数量可以相同，也可以不同；每个半导体激光器的输出功率、波长、封装形式可以相同，也可以各不相同。当需要将不同波长的光进行合束的时候，可以采用波长复用合束的方式，见图3的第一次反射不意图。相邻的两个激光器1.a和1.b分别发射波长为λ I和λ 2的光束,分别经各自的准直透镜2.a和2.b整成为3.a和3.b两束不同波长的准直光。按照前面所述方案，这两束光应当分别被在Y方向上错开一定距离的两个反射镜所反射，但是也可以采用另外一种方案，在光束传输方向上靠前的反射镜4.1可以换成一个双色镜7.11,且双色镜和靠后的反射镜4.1a之间在光传输方向Y方向上不用错开。双色镜7.11对波长为λ I的光透射，对波长为λ 2的光反射,于是靠后反射镜4.1a反射的波长为λ I的光束3.1透过双色镜7.11与经它反射的波长为λ 2的光束3.b共轴合束为光束5.11。进一步，双色镜反射的光和透过双色镜的光分别可以只包含一个波长，也可以包含多个波长。例如，上述图3所不的包含两个波长λ I和λ 2的合束光束5.11,和发光波长为λ 3的激光器1.c经准直镜2.c准直后的光束3.C，通过一个双色镜7.12共轴合束为包含有λ 1、λ 2和λ 3三个波长的准直光束5.12，双色镜7.12可以反射波长为λ 3的光，同时可以透射波长为λ I和λ 2的光。对第二次反射，若不同组激光器的波长不同，也可以对经第一次反射整形的线性紧密排列的组合准直光束做类似的共轴合束，见图4。三个不同波长的线性紧密排列的组合准直光束分别为5.lb,5.1g和5.1r。光束5.1r经过反射镜4.2反射后透射过双色片9.a,与经9.a反射的光束5.1g合束成为5.2rg ;该包含双波长的合束光5.2rg再透过另外一个双色片9.b，与经9.b反射的光束5.1b合束，成为共轴合并了三个不同波长光束的准直光束
5.2rgb。每个激光器之间的电源驱动的连接方式可以是多种多样的，非常灵活，激光器之间可以按组别或不按组别串联、并联，或串并混合联接，也可以是其中一个或几个激光器由各自电源单独驱动，以实现输出光束的强度、波长、颜色等的变化。经过以上步骤整形获得的二维紧密排列的准直光束，可以进一步通过聚焦镜耦合到光纤中，实现光纤输出。如图5显不,聚焦镜12和二维密排光束5.2共轴,光纤13安放在聚焦镜12的焦面上，聚焦镜的数值孔径与光纤的数值孔径相匹配，焦点光斑小于光纤芯，即可获得高质量的光纤耦合。[0017]此种半导体激光器阵列的整形方案，整个结构简单明了，制作步骤清晰，不同激光器可以方便灵活地组合到一起。尤其适用于激光显示、照明等自由空间输出的激光应用领域。
图1、多只半导体激光器构成的一组，激光器排列成一行，光束经准直镜、第一次反射镜整形。图2、多组激光器组合起来经第二次反射镜整形。图3、同组内不同波长的激光器第一次反射整形，通过双色片实现共轴合束。图4、不同组激光器的波长不同，第二次反射整形，通过双色片实现共轴合束。图5、经过两次反射整形的二维密排光束通过透镜耦合到光纤中。图6、实施例，一组激光器的光束经过第一次反射和第二次反射。图7、实施例，两组激光器组装在一起，两组光束并列输出。图8、实施例，两组激光器波长不同，通过上方组的双色片实现两组光束共轴合束。
具体实施方式
如图6所示，一组六只TO封装的激光器1.1等间距安装在底板8的侧壁上，保证TO管的外壳与底板有良好的热接触，底板8由铜、铝等高导热率金属制成，上开一矩形孔11，光束可以在垂直底板方向通过11。在对角线方向上有两个通孔10，用来安装固定。激光器采用串联连接。在激光器1.1前方放置准直透镜2，使用五维调整装置调整准直透镜2使从6只激光器发出的光束分别准直、相互平行而且等间距，形成准直光束3。调整过程中使用远场光斑校准准直度和方向。调整好的准直透镜2用胶粘接在底板8上。在准直光束3的前方放置各自对应的反射镜4.1，使用四维调整装置调整反射镜
4.1，将光束传播方向折转90°，并且保证六个光束互相平行且在同一平面上，同时尽可能压缩光束相互之间的距离，形成平行准直光束的密排线阵列准直光束。调整过程中通过观察远场光斑校准光束的排列和方向。调整好的反射镜4.1用胶粘接在底板8上。将第二反射镜4.2贴在一个斜角为45°的三角形反射镜座7上，反射镜座7的长度大于开孔11的宽度，放置在底板8上，调整反射镜座7的位置，使线性密排准直光束向上反射90°。按上述步骤，可以制作出多组激光器，只不过反射镜座安装在通孔11上的位置沿光束传播方向依次后退一个长度。将两个如图6所不安装好的两组激光器的底板8重叠安装在一起，通过通孔10固定，即可形成一个2X6个激光器的阵列。由于上、下两个反射镜座7在光束传输方向上错开一个距离，下方的光束通过上方底座的通孔11垂直向上照射，和上方一组的二次反射光紧密排列，合束成为5.2，见图7所示。按照这样的方法，可以继续向上重叠安放多组激光器，形成一个更大的二维阵列，获得更大的功率，多组激光器通过安装孔10组装在一起。如果下面一组的激光器1.1r和上面一组的激光器1.1g所发出的光波长不同，则可以按照前面所述的方法，如图8所示，将上面一组的反射镜4.2更换为一个双色镜9.a，反射镜座7更换为两个短镜座7.1，分别粘在双色镜9.a的两侧，以让出双色镜中间部分。镜座7.1固定在底板。下层的光通过上层底板的通孔11垂直向上射出，通过双色镜9.a,与镜双色镜反射的上面一组激光器的光束共轴合束成为5.2rg。如果有更多组不同波长的激光器，可以按照此种方法组合出更大的阵列。这种组合方式，可以对上、下两组激光器分别连接电源控制，使合束的光两种波长光的功率大小、比例随意变化，如果是两种不同波长的可见光，就可以实现颜色的连续变化。如果在合束光的传播方向上再安装一个聚焦透镜和光纤，可以进一步获得通过光纤输出的组合光束。使用光纤输出的最大好处就是它的超强的使用灵活性。
权利要求1.半导体激光器阵列光束整形结构，由多只半导体激光器、准直透镜和反射镜构成，其特征为: 多只半导体激光器以行为单位排列成多行阵列形式，每一个激光器的光束通过各自的准直透镜准直； 以每一行为一个组，每个组内的激光器经准直的光束都共面，并分别被一个对应的反射镜反射，反射后的光束相互平行，相邻的反射镜在光传输方向上错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻光束的间距被压缩为最小，形成一个一维线性紧密排列的组合准直光束； 每一组一维线性紧密排列的组合准直光束各自通过一个反射镜第二次反射，使各组一维线性紧密排列的组合准直光束之间互相平行，相邻的反射镜在光传输方向上错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻组的一维线性紧密排列的组合准直光束之间的间距被压缩为最小，叠合形成二维紧密排列的准直光束输出。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:准直透镜可以是一个对快、慢轴方向同时准直的单透镜，也可以是对快、慢轴方向分别准直的透镜组；透镜可以是自聚焦透镜、球面透镜、非球面透镜。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:阵列中每一行的激光器数量可以相同，也可以不同。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:每个半导体激光器的输出功率、波长、封装形式可以相同，也可以各不相同。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:如果相邻的两个反射镜所对应的光束波长不同，则在光束传输方向上靠前的反射镜可以换成一个双色镜，且双色镜和靠后的反射镜之间在光传输方向上不用错开，靠后反射镜反射的光透过双色镜，与双色镜反射的光共轴合束；双色镜反射的光和靠后反射镜反射的光分别可以只包含一个波长，也可以包含多个波长。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:每个激光器之间的电源驱动的连接方式可以是串联、并联、或串并混合联接，也可以是其中一个或几个激光器由各自电源单独驱动。
7.根据权利要求1至6中任一权利要求所述的半导体激光器阵列光束整形结构，其特征为:通过整形获得的二维紧密排列的准直光束，可以进一步通过聚焦镜耦合到光纤中。
专利摘要半导体激光器阵列光束整形结构，由多行半导体激光器构成的阵列、准直透镜、反射镜构成，先后对半导体激光器阵列的光束进行整形和两次反射，获得二维密排准直光束。每一个激光器的光束通过一个准直透镜准直。以每一行为一个组，每个组的多只激光器经准直的光束，被各自的反射镜反射，整形为相互平行且压缩了为密排的一维线性排列准直光束。每一组线性排列的准直光束再各自通过第二个反射镜反射，形成互相平行的叠合成二维紧密排列的准直光束输出。列阵中的激光器波长可以相同，也可以不同。通过二维整形获得的密排光束，通过聚焦镜还可以高效耦合到光纤中。
文档编号G02B27/09GK202995141SQ201220685959
公开日2013年6月12日 申请日期2012年12月13日 优先权日2012年12月13日
发明者王宇 申请人:王宇