本发明涉及一种可提高光束质量的光学系统，尤其涉及提高半导体激光器光束质量的光学系统。
背景技术：
：随着半导体大功率激光技术在光纤激光器泵浦和直接半导体激光器中的应用不断深入，要求半导体激光器能够输出更高的功率和具有更好的光束质量。在大功率光纤激光器系统中，半导体泵浦激光器的功率越大，要求的光纤合束器的分岔路数越少，系统结构也更加简单，便于制造和维护。在大功率直接半导体激光器中，需要将尽可能多的半导体激光器的光束合在一起，同时要求光束质量尽可能好。但是目前的困难在于，由于半导体激光器的发光区上，慢轴(水平)方向比较宽，大约在百微米的量级；而快轴(竖直)方向比较窄，大约在1微米的量级。这就造成了输出光束严重偏离了对称性，在快轴(竖直)方向，基本处于衍射极限的范围，光束参数积(BPP)比较小；而在慢轴(水平)方向，非常远离衍射极限，光束参数积(BPP)非常大。目前的半导体光束合束技术虽然能够把多个半导体激光器的输出光束合为一路，但是由于BPP在快轴和慢轴方向的巨大差异，导致多管芯合束后的功率值不容易做的很大，同时光束质量差。为了弥补现有技术的不足，并满足日益增长的大功率激光系统的需求，本专利提出一种新的光学系统，该系统能够对单个半导体激光器的输出光束进行空间整形，减小慢轴方向的BPP，适当增加快轴方向的BPP，使得两个方向的BPP的差异减小，总体BPP得到优化，光束质量得到提高。技术实现要素：针对现有技术的缺陷和不断增长的大功率激光系统的需求，本发明提出一种用于提高半导体激光器光束质量的光学系统，该系统能够对单个半导体激光器的输出光束进行空间整形，减小慢轴(水平)方向的BPP，适当增加快轴(竖直)方向的BPP，使得两个方向的BPP趋于平衡，输出光束更加向趋于对称的方向靠近，总体BPP减小。为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种用于提高半导体激光器光束质量的光学系统，其特征在于：它通过将半导体激光器管芯进行：(i)通过光学放大元件，其发光区得到线性放大，(ii)发光区分段，通过光学元件，对每段分别进行90°旋转的光学变换，(iii)通过光学平移元件，将各段进行空间平移，使它们更加靠拢，减小它们之间的间隙，(iv)通过光学缩小元件，使发光区的像进行适当的线性缩小，形成与输出相适应的线度尺寸和发散角。所述的光学元件为90°光学旋转元件，对发光区划分为3-6段，每段分别进行90°旋转，然后组合在一起。所述的光学放大元件是光学透镜或透镜组，它形成放大的实像或虚像。所述的光学缩小元件是光学透镜或透镜组，它形成缩小的实像或虚像。所述的90°光学旋转元件为45°斜切的圆柱透镜、或V形槽反射器。所述的光学平移元件是平行四边形棱镜、复合棱镜及棱镜组或反射镜组。所述的各个光学元件的端面都镀有增透AR膜。本发明的有益效果是：1、通过光学整形，适当增加快轴方向的BPP，减小慢轴方向的BPP，使得半导体激光器的综合光束质量得到提高。2、有利于制造更大功率光纤输出的半导体泵浦激光器。3、有利于制造更大功率和更好光束质量的直接大功率半导体激光器系统。附图说明图1是半导体激光器光束整形的整体结构；图2是各节点的发光区或其像的近场图；图中：半导体激光器管芯1，快轴准直透镜2，线性放大透镜3，90°旋转元件4，光学平移元件5，线性缩小透镜6，输出光纤或后端光学系统7，原始的半导体激光器管芯发光面11，经过放大的发光面的像12，经过分段旋转的发光面的像13，经过平移的发光面的像14，经过缩小的发光面的像15。具体实施方式一种用于提高半导体激光器光束质量的光学系统，依次由半导体激光器管芯1、快轴准直透镜2、线性放大透镜3、90°旋转元件4、光学平移元件5、线性缩小透镜6和输出光纤或后端光学系统7组成，半导体激光器管芯1产生激光束，快轴准直透镜2接收激光束并会聚，线性放大透镜3接收会聚后的激光束在发光区线性放大，90°旋转元件4对发光区分段、每段分别进行90°光学变换旋转，并通过光学平移元件5将各段进行空间平移、减小各段之间的间隙，最后线性缩小透镜6将发光区的像进行线性缩小、通过输出光纤或后端光学系统7输出光束。先用光学透镜或透镜组将半导体激光器的发光面近场，从初始的尺寸变换为更大的尺寸，为后端的光束空间处理做准备。然后将放大的发光面近场沿着慢轴方向划分为N段，N值通常选为3-6，用相应的N个光学整形元件分别对这N段进行90°旋转，将它们从水平方向变换为竖直方向。之后，通过棱镜、反射镜、或其它光学元件，将该N个竖直的虚拟发光面进行相应的平移，减小它们之间的空间间隙，提高填充因子(fillingfactor)。最后通过光学元件，将发光区的像缩小，综合调节其尺寸和发散角使其与输出的光纤或后续光学系统的接收孔径(Aperture)和数值孔径(NA)相适应。这样，我们就可以得到了一个新的虚拟发光区，该发光区在快轴方向的线度变大了约倍，f为快轴方向的填充因子，发散角基本不变；在慢轴方向，线度变短了N倍，发散角基本不变。所述的各个光学元件的端面都镀有增透(AR)膜，减小光功率在光学变换过程中的能量损失，同时减小各个光学元件的发热。本发明的合束原理说明如下：对于大功率半导体激光器的有源区，可以如下方式建立本地坐标，分为三个方向：横向(Lateral，简称x方向)、竖向(Transversal，简称y方向)、纵向(Longitudinal，简称z方向)。其中x方向和y方向组成了垂直于光传播方向的界面的光波导。有源区一般是由量子阱组成的，y方向的发光模场厚度一般在1微米的量级。由于是大功率工作，波导的横向尺寸比较宽，以降低平均光子密度，通常x方向的发光区宽度在几百微米的量级。这种波导的几何尺寸严重不对称就造成了输出光束发散角的严重不一致。通常竖向，也就是快轴方向的光束发散角在60-70°；而横向，也就是慢轴方向的光束发散角在12-18°左右。在传统方案中，一般使用透镜或透镜组进行快轴准直和慢轴准直，但是不论任何准直，它们只能改变光束的发散角，也相应地改变像的尺寸。而横向和竖向的光束参数积(BPP)都无法改变。固有的BPP差异仍然保留下来，也就是快轴BPP小，慢轴BPP大。本发明的方法的独特点在于，打破了传统的把发光区作为整体来进行变换的模式，创新地将发光区分成N个片段，分别变换然后组合在一起。由于片段的划分是沿着慢轴方向的，这样每个片段的BPP在慢轴方向减小了N倍。之后N个片段的重新组合是发生在快轴方向，这样重组后的BPP在快轴方向增加了N倍。总体的BPP是快轴BPP和慢轴BPP的平方和的平方根，也就是不难发现，按同样比例增大快轴BPP和减小慢轴BPP，将使整体的BPP减小。直到快轴BPP等于慢轴BPP的时候，总体的BPP达到最小。本发明并未将快轴BPP和慢轴BPP调整到完全相等，但是也显著地减小了总体BPP的大小。这就是本发明进行光束整形并实现BPP减小的原理。在光路上，依次为半导体激光器管芯、光学透镜或透镜组、90°旋转光学元件、平移光学元件、光学透镜或透镜组。所述的各个光学元件的端面都镀有增透(AR)膜，减小光功率在光学变换过程中的能量损失，同时减小各个光学元件的发热。实施例1：本发明的光学系统如图1所示。下面结合附图，对本发明优选的具体实施例进行说明：采用975nm、输出功率为10W、输出条宽Lx＝150微米、光模场厚度Ly＝1微米的半导体激光器管芯1，其快轴(y轴)发散角为70°，慢轴(x轴)发散角为18°，安装在氮化铝过渡热沉和铜热沉上。这个半导体激光器管芯1的原始BPP为y轴0.34mm·mrad、x慢轴9.8mm·mrad。用第一个快轴准直透镜2对半导体激光器管芯1的快轴进行部分的准直，使得管芯发光面的像在快轴方向和慢轴方向基本重合，形成统一的像，这个像的y发散角为30°，x发散角为18°，光模场大小变为Lx＝150微米，Ly＝2.3微米。采用线性放大透镜3对半导体激光器管芯1发光面进行成像，得到5x大小的像。这个像的长度为约750微米，宽度为11.5微米，y轴发散角为6°，x轴发散角为3.6°。用3个45°斜切的圆柱透镜对准上述的实像，对该像的3段分别进行90°的旋转，得到3个有间隔的竖直的实像，每个实像的长度为250微米，宽度11.5微米，它们之间的间距为250微米，它们的快慢轴发散角不变。采用光学平移元件5对这3个实像进行平移，左边的片断向中心移动，右边的片断也向中心移动，使这3个片段之间的间隙小于20微米。这样3个片段的轮廓就形成了一个长度250微米，宽度50微米的近似矩形，x轴发散角为6°，y轴发散角为3.6°。再采用另外一个线性缩小透镜6对这个像进行线性缩小，缩小倍率为x3倍。这时，新的像是83x17微米的矩形，x轴发散角为18°，y轴发散角为10.8°。对x轴进行一个附加的准直，使其发散角为9度，宽度变为34微米。半导体激光器管芯1经过上述光学变换后的BPP为：x轴1.3mm·mrad、y轴3.9mm·mrad。这时将该光束耦合进芯径为105微米、数值孔径(NA)为0.15的光纤中。在本实例中，仅将管芯的发光面分成了3段，如果划分的片断数目更多，将填充因子更加接近1，将会更加提高输出光束的质量和与光纤的耦合效率。由图2知，是各节点的发光区或其像的近场图。所述的线性放大透镜3，是光学透镜或透镜组，作用是使发光区线性放大，放大倍率3-10倍。经过放大的发光面的像12所示。所述的90°旋转元件4，是一组45度斜切的圆柱透镜或V形槽反射器、个数大于等于3，作用是对发光区分段、每段分别进行90°旋转的光学变换。经过分段旋转的发光面的像13。所述的光学平移元件5，是平行四边形棱镜、复合棱镜及棱镜组、或反射镜组、个数大于等于3、与所述的90°旋转元件4中透镜个数相等，作用是将各段进行空间平移、减小各段间隙(10-30微米),经过平移的发光面的像14所示。所述的线性缩小透镜6，是光学透镜或透镜组，作用是将发光区的像进行线性缩小，综合调节其尺寸和发散角使其与输出光纤或后端光学系统7的接收孔径和数值孔径相适应，缩小倍率3-5倍。例如，光纤的接收孔径大而数值孔径比较小而光束的直径比较小且发散角比较大，在这种情况下，使用线性缩小透镜6将光束进行适当的会聚，使得光束发散角变小而直径变大以更好地与光纤相匹配。经过缩小的发光面的像15所示。所述的输出光纤或后端光学系统7，作用是传输激光。本发明的特点：1、抛弃了传统技术对半导体激光器整体进行光学变换的方法，另辟蹊径地将慢轴方向分成N段，逐段进行变换，从而实现了提高半导体激光器单管芯光束质量的目的。2、将半导体激光器单管芯的发光区进行了线性放大，克服了光学元件无法处理小尺寸光斑的困难。3、根据实际半导体激光器管芯的尺寸，也称为发光区条宽，可以灵活地选择分段数目，也就是N的数值，以适应光学元件尺寸和输出光束质量的要求。4、可以灵活选择最后的发光区像的尺寸和发散角，使其与输出光纤或后端光学仪器的接收孔径和数值孔径相匹配。上面结合对本发明所优选的实施例进行了说明，但是上述实施例并不能理解为对本发明保护范围的限制，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，例如推广用于半导体激光器阵列等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。当前第1页1 2 3