专利名称：斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法
技术领域：
本发明涉及一种采用斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法。
背景技术：
带尾纤输出的大功率半导体激光器(LaserDiode， LD)在医疗、材料加工、固体激光 器和光纤激光器的泵浦、军事、印刷和打印等领域得到了重要的应用。其中，条阵半导 体激光器(LDbar)与光纤耦合是研究得较多的一个领域，条阵半导体激光器是由水平方向 按周期排列的一系列发光区组成，但受工艺水平、冷却、整形方法等多方面的限制，它 不能做成水平方向无限长，所以目前条阵半导体激光器一般长约lcm，连续输出功率一 般〈100W。
半导体激光器输出光束的主要特点是在水平方向(习惯称作"慢轴")光束发散角小(约
8-10度，FWHM)、发光区厚(条阵约lcm);在垂直方向(习惯称作"快轴")光束发散角 大(约36-40度,FWHM)、发光区薄(约lpm)。要将其耦合进圆对称的多模光纤，光束整 形是必须的。
条阵半导体激光器的整形方法很多，较有实用价值的有阶梯反射镜整形(K.Du,M. Baumann, B. Ehlers, et al， "Fiber-coupling technique with micro step-mirrors for high-power diode-laser bars", OSA TOPS, Vol. 10, 1997: 3卯-393)、棱镜组折反射整形(Optical coupling system for a high-power diode-pumped solid state laser, U S Patent, 6,377, 410, 2002-04-23)、 微片棱镜堆整形(线光束整形装置，中国发明专利ZL99124019, 2000-05-1)等。但上 述条阵整形方法都存在一定的不足之处，比如阶梯反射镜对系统光轴进行了两次90度的 空间偏转，造成整形元件在空间上彼此独立，给调节和机械件设计带来不便；棱镜组折 反射的整形方式对光轴的方向偏转更多，同样存在调节不便的问题；微片棱镜堆不仅制 作复杂，还需要相当的棱镜之间的对准胶合精度，不利于成本的降低。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，通过一种设计简单、结构紧凑、调 节方便、成本低廉的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，采用一个高度集成的斜方棱镜堆系统达到光束整形的目的，系统由两组斜方棱镜 堆组成，前组完成慢轴方向光斑的分割，后组将分割后的光斑沿快轴方向对齐，具体包括以 下步骤
(1) 根据光斑折叠要求确定斜方棱镜堆系统的参数，设慢轴光斑折叠的次数为N，若 N^2，则需要的前组和后组斜方棱镜的数目为N-1，平行平板始终需要一块。平行平板和斜方 棱镜的材料可根据激光波长选择，要求透过率高、稳定。平行平板的长度需满足其入射面与 前组棱镜的入射面重合，出射面与后组棱镜的出射面重合，其高度等于与之相邻的前组棱镜 的高度，其宽度等于与之相邻的前组棱镜的宽度。斜方棱镜的高度需要根据折叠次数和激光 器实际情况进行不同的设计，其基本原则是保证折叠后的光斑在快轴方向相互错开足够距离， 棱镜的宽度要求包络住慢轴方向的光束，其长度和高度相等；
(2) 用光学平面零件加工工艺的方法加工出所需的斜方棱镜和平行平板，然后进行胶合 操作。首先将前组斜方棱镜胶合在一起，胶合的原则是以平行平板入射面为参考中心和标准， 各个前组斜方棱镜的入射面与平行平板入射面重合，且平行平板两侧的斜方棱镜的倾角相对 光轴对称。后组斜方棱镜与平行平板的接触面也需要进行胶合，要求胶合后，各个后组斜方 棱镜的出射面与平行平板的出射面重合，并且要求后组斜方棱镜的入射面与相应的前组斜方 棱镜的出射面衔接。最后前、后组斜方棱镜堆和平行平板构成一个整体的盤形元件；
(3) 将胶合好的斜方棱镜堆放入条阵半导体激光器的快慢轴分别准直后的准平行光中、 并绕激光器底座的垂线缓慢左右旋转使偏转后的光斑沿快轴方向对齐；
(4) 整形后的出射光斑将沿平行光轴方向出射。在出射光适当位置加上聚焦镜，将整形 后的光束耦合进光纤。
本发明与现有技术相比所具有的优点如下
1、 本发明采用较为常见、易于加工的45度斜方棱镜和平行平板作为整形元件，非 常有利于成本的條低和方法的^t广；
2、 本发明将斜方棱镜堆集成为一个整形系统，与现有各种方法的整形元件均为分立 元件，且每个元件均需要单独进行精密的调节对准相比，大大降低了调节对准的难度， 提高了激光器装配的工作效率；
3、 本发明整形元件的前后组斜方棱镜零距离胶合在一起，将整形的工作距离降为最 低，有利于整形效率和系统性能稳定性的提高，并使结构更为紧凑；
4、 本发明整形元件不改变系统光轴方向，并且整形元件可直接落在激光器底座上， 无需复杂机械结构与光学件配合，降低了系统成本。
图1是本发明描述的条阵半导体激光器输出光束的原理图2a是本发明中前组斜方棱镜对光斑的偏折示意图；图2b是后组斜方棱镜堆对偏 折后的光束沿快轴方向对齐的示意图3是本发明中斜方棱镜的侧面结构图，己标出光线偏折的效果；
图4是本发明实施例1的斜方棱镜堆整形条阵半导体激光器的原始比例空间立体结 构图，由ZEMAX-EE光学软件完成；
图5是本发明实施例1的、利用ZEMAX-EE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其 中图5a为快慢轴准直后、整形前的光斑分布图；图5b是经过斜方棱镜堆整形后的光斑 分布图；图5c是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后的光斑图6是本发明实施例2的斜方棱镜堆整形条阵半导体激光器的原始比例空间立体结 构图，由ZEMAX-EE光学软件完成；
图7是本发明实施例2的、利用ZEMAX-EE光学软件仿真的横截面光斑分布图，其 中图7a是经过斜方棱镜堆整形后的光斑分布图图7b是整形后的光斑被聚焦镜聚焦后 的光斑图中l为条阵半导体激光器，2为条阵半导体激光器的单个发光区，3为斜方棱镜 的光轴截面，4为快轴准直微柱面透镜，5为慢轴准直微柱面镜阵列，6为实施例1的前 组斜方棱镜，7为实施例1的后组斜方棱镜，8为实施例1的平行平板，9为实施例1的 聚焦透镜；IO为实施例l和2的激光器底座，U为实施例2的前组第一斜方棱镜，12为 实施例2的前组第二斜方棱镜，13为实施例2的后组第一斜方棱镜，14为实施例2的后 组第二斜方棱镜，15为实施例2的平行平板，16为实施例2的聚焦透镜。
具体实施例方式
下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。
条阵半导体激光器通常是由若干个单发光区2沿水平方向按一定间隔排列组成的；单发 光区的厚度约为lpm，长度约为(100-200) pm，发光区间隔约为50(Vm，单发光区2的数量 一般为19个，因此条阵半导体激光器1的长度一般约为10mm。由于垂直于p-n结方向(垂直 方向)和平行于p-n结方向(水平方向)的光束约束机制不同，半导体激光器发出的光为像散光， 在水平方向和垂直方向的发散角分别大约是(8-10)°和(36-40)°;其结构原理如图l所示，图中 标出了发散角的典型值。
由于半导体激光器出射光束的像散，其在水平方向和垂直方向的光束质量严重不均衡， 必须进行整形后才能耦合入纤，否则耦合效率非常低下；本发明利用斜方棱镜组对入射光束 的偏移作用，可实现对半导体激光器出射光束的整形；如图2a所示，条阵半导体激光器l的出射光束经准直后成为一个长条状光斑，经前组斜方棱镜整形后芬割为错位的两条光束，经 后组斜方棱镜的重排后沿垂直方向对齐，如图2b所示。整形后的光束在水平方向光斑縮小， 在垂直方向光斑扩大，有利于两个方向上光束质量的均衡。图3是斜方棱镜的光束偏转示意 图，图中入射光束经过高度为D的斜方棱镜后经两次全反射沿原方向出射，并在y轴方向偏 移高度D。 实施例1
本实施例通过本发明的方法实现条阵半导体激光器光束与800^xm芯径、0.37数值孔径光 纤耦合的整形过程，其设计过程如下
(1) 条阵半导体激光器1的快慢轴准直后慢轴方向光斑尺寸大约为lOmm,利用斜方棱 镜将慢轴光斑偏折次数为N=2次，沿快轴方向对齐；该整形系统需要一块平行平板8和一块 前组斜方棱镜6和一块后组斜方棱镜7，如图4所示；针对可见光附近的激光波长(如808nrn)， 可以选择廉价的K9玻璃制作平行平板8、前组斜方棱镜6和后组斜方棱镜7。本例中平行平 板8的宽度选择为6mm，为保证快轴方向的光斑尽量紧凑又不至于重叠，选择该方向两光斑 中心的距离为lmm,因此平行平板8的高度为lmm。与平行平板8相对应前组斜方棱镜6 的高度为lmm，宽度为6mm,长度为lmm，后组斜方棱镜7的高度为6mm，宽度为lmm， 长度为6mm。所以平行平板8的长度为(l+6)mm-7mm;其中前组斜方棱镜6和后组斜方棱 镜7的棱角为45。，反射面无需镀反射膜。
(2) 平行平板8、前组斜方梭镜6和后组斜方棱镜7可以用光学平面零件加工工艺完成。 加工完后要进行胶合操作，如图4所示，首先将前组斜方棱镜6和平行平板8的接触面胶合 在一起，胶合时注意保证前组斜方棱镜6和平行平板8的入射面位于同一个平面内；然后将 后组斜方棱镜7和平行平板8的接触面胶合在一起，胶合时注意保证后组斜方棱镜7和平行 平板8的出射面位于同一个平面内，并且前组斜方棱镜6的出射面与后组斜方棱镜7的入射 面重合。完成胶合操作后就组成了一个整体的整形元件。
(3) 按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先用图4所示的快轴准直微 透镜4和慢轴准直微透镜5分别准直，得到准平行光，然后再加上由前组斜方棱镜6、后组 斜方棱镜7和平行平板8胶合后构成的整形器件。将整形元件放在激光器底座10上，左右轻 微的旋转，使整形后光斑尽量对齐，然后选择孔径6.5mm和焦距15mm的聚焦镜9把整形后 光束聚焦到光纤中，即完成800pmy0.37NA条阵半导体激光器l的整形和光纤耦合输出的工 作。
图4是本发明实施例1的斜方棱镜堆整形条阵半导体激光器的空间立体结构图，条阵半 导体激光器1发的光束经过快轴准直微透镜4和慢轴准直微透镜5分别准直后，进入由前组斜方棱镜6、后组斜方棱镜7、以及平行平板8胶合后构成的整形器件中，整形后的光束经过 聚焦镜9聚焦到光纤中。图4由ZEMAX-EE光学软件完成。
实施例1中，偏转前、偏转后、以及聚焦后的横截面光斑如图5所示。从图5(a)可以看出， 慢轴方向的细长光斑被分割为二段后重排在快轴方向，聚焦后的光斑如图5(b)所示，可以看 出大部分能量集中于800pm圆圈内。
上述实施该例并不是说该方法只能进行光斑的二折叠整形，由于本发明中棱镜组的设计 具有较大的灵活性，为了进一步说明用斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的效果， 实施例2描述了通过本发明的方法设计的上述同样的条阵半导体激光器实现400|mi/0.37NA 光纤耦合的整形过程。 实施例2
(1) 本实施例中条阵半导体激光器快慢轴准直后慢轴方向光斑尺寸大约为12mm,利用 斜方棱镜堆将慢轴光斑偏折次数讨=3次，沿快轴方向对齐；该整形系统需要一块平行平板15 和由两块前组斜方棱镜和两块后组斜方棱镜组成的反射棱镜堆；如图6所示，两块前组斜方 棱镜分别为前组第一斜方棱镜11和前组第二斜方棱镜12，两块后组斜方棱镜分别为后组第 一斜方棱镜13和后组第二斜方棱镜14;和实施例l类似，平行平板15，前组第一斜方棱镜 11和前组第二斜方棱镜12，后组第一斜方棱镜13和后组第二斜方棱镜14均采用K9玻璃制 作；本例中平行平板15宽度选择为4mm，为保证快轴方向光斑的尽量紧凑又不至于重叠， 选择该方向两光斑中心的距离为lmm，因此平行平板15高度为lmm;与平行平板15相对应 前组第一斜方棱镜11和前组第二斜方棱镜12的高度均为lmm，宽度均为4mm，长度均为 lmm，后组第一斜方棱镜13和后组第二斜方棱镜14的高度均为4mm,宽度均为lmm，长 度均为4mm。所以平行平板15长度为(l+4)mm-5mm;其中前组第一斜方棱镜11、前组第二 斜方棱镜12和后组第一斜方棱镜13、后组第二斜方棱镜14的棱角均为45。，反射面无需镀 反射膜。
(2) 平行平板15、前组第一斜方棱镜11和前组第二斜方棱镜12、后组第一斜方棱镜13 和后组第二斜方棱镜14可以用光学平面零件加工工艺完成。加工完后要进行胶合操作，如图 6所示，首先分别将前组第一斜方棱镜ll、前组第二斜方棱镜12与平行平板15的接触面进 行胶合，胶合时注意保证前组第一斜方棱镜11、前组第二斜方棱镜12与平行平板15的入射 面位于同一个平面内。另外需注意前组第一斜方棱镜11和前组第二斜方棱镜12的胶合方向， 如图6所示，以激光器底座面为参考平面，前组第一斜方棱镜ll使入射光束向上方平移，前 组第二斜方棱镜12使入射光束向下方平移，胶合时两者不能沿同一平移方向。前组胶合完成 后，将后组第一斜方棱镜13、后组第二斜方棱镜14与平行平板15的接触面胶合在一起，胶合时同样要注意方向，如图6所示，使前组第一斜方棱镜ll的出射面与后组第一斜方棱镜 13的入射面衔接、使前组第二斜方棱镜12的出射面与后组第二斜方棱镜14的入射面衔接， 同时注意使后组第一斜方棱镜13、后组第二斜方棱镜14与平行平板15的出射面位于同一个 平面内。完成胶合操作后就组成了一个整体的整形元件。
(3)按照半导体激光器整形的一般原则，快慢轴方向需要事先用图6所示的快轴准直微 透镜4和慢轴准直微透镜5分别准直，得到准平行光，然后再加上步骤(2)中得到的整形器 件。将整形元件放在激光器底座上，左右轻微的旋转，使整形后光斑尽量对齐，然后选择孔 径5mm和焦距7.5mm的聚焦镜16把整形后光束聚焦到光纤中，即完成400)am/0.37NA条阵 半导体激光器1整形和光纤耦合输出的工作。
图6是本发明实施例2的斜方棱镜堆整形条阵半导体激光器的空间立体结构图，条阵半 导体激光器1发的光束经过快轴准直微透镜4和慢轴准直微透镜5分别准直后，进入由前组 第一斜方棱镜11和前组第二斜方棱镜12、后组第一斜方棱镜13和后组第二斜方棱镜14、以 及平行平板15胶合后构成的整形器件中，整形后的光束经过聚焦镜16聚焦到光纤中。图6 由ZEMAX-EE光学软件完成。
实施例2中，偏转以及聚焦后的横截面光斑如图7所示。从图7a可以看出，慢轴方向的 细长光斑被分割为3段后重排在快轴方向，整形后的光斑经聚焦镜聚焦后的分布如图7b所示， 可看出大部分能量集中于400(am圆圈内。
权利要求
1、斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在采用一个高度集成的斜方棱镜堆系统达到光束整形的目的，系统由两组斜方棱镜堆组成，前组完成慢轴方向光斑的分割，后组将分割后的光斑沿快轴方向对齐，具体包括下列步骤(1)根据光斑折叠要求确定斜方棱镜堆系统的参数，设慢轴光斑折叠的次数为N，且N≥2，则需要的前组和后组斜方棱镜的数目均为N-1，平行平板始终需要一块；(2)用光学平面零件加工工艺加工出所需的斜方棱镜和平行平板，然后将斜方棱镜和平行平板进行胶合操作，构成一个整体的整形元件；(3)将胶合好的斜方棱镜堆放入条阵半导体激光器的快慢轴分别准直后的准平行光中，并绕激光器底座的垂线缓慢左右旋转使偏转后的光斑沿快轴方向对齐；(4)整形后的出射光斑将沿平行于光轴的方向出射，在出射光适当位置加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤。
2、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在 所述的斜方棱镜棱角为45。，反射面无需镀反射膜。
3、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在所述斜方棱镜的高度需要根据折叠次数和激光器实际情况进行不同的设计，其基本原则是保 证折叠后的光斑在快轴方向相互错开足够距离，斜方棱镜的宽度要求包络住慢轴方向的光束， 其长度和高度相等。
4、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在 所述的斜方棱镜和平行平板根据激光波长选择透过率高、性能稳定、廉价的光学材料。
5、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在 所述的平行平板的长度需满足其入射面与前组棱镜的入射面重合，出射面与后组棱镜的出射 面重合，平行平板的高度等于与之相邻的前组棱镜的高度，平行平板的宽度等于与之相邻的 前组棱镜的宽度。
6、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在 所述的前组斜方棱镜的高度等于与之接触的后组斜方棱镜的宽度，而前组斜方棱镜的宽度则 等于与之接触的后组斜方棱镜的高度。
7、 根据权利要求1所述的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在所述胶合操作，首先将前组斜方棱镜胶合在一起，胶合的原则是以平行平板入射面为参考中心和标准，各个前组斜方棱镜的入射面与平行平板入射面重合，且平行平板两侧的斜方棱镜 的倾角相对光轴对称；后组斜方棱镜与平行平板的接触面也需要进行胶合，要求胶合后，各 个后组斜方棱镜的出射面与平行平板的出射面重合，并且要求后组斜方棱镜的入射面与相应 的前组斜方棱镜的出射面衔接；最后前组斜方棱镜堆、后组斜方棱镜堆和平行平板构成一个 整体的整形元件。
全文摘要
斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形的方法，其特征在于(1)根据光斑折叠要求确定前后组斜方棱镜堆系统的参数和平行平板；(2)用光学平面零件加工工艺加工出所需的斜方棱镜和平行平板，然后将斜方棱镜和平行平板进行胶合操作，构成一个整体的整形元件；(3)将胶合好的斜方棱镜堆放入条阵半导体激光器的快慢轴分别准直后的准平行光中，并绕激光器底座的垂线缓慢左右旋转使偏转后的光斑沿快轴方向对齐；(4)整形后的出射光斑将沿平行于光轴的方向出射，在出射光适当位置加上聚焦镜，将整形后的光束耦合进光纤；本发明涉及的斜方棱镜堆实现条阵半导体激光器光束整形与传统方法相比具有设计简单、结构紧凑、调节方便、成本低廉等优点。
文档编号G02B5/04GK101303453SQ200810116169
公开日2008年11月12日 申请日期2008年7月4日 优先权日2008年7月4日
发明者周崇喜, 杜春雷, 谢伟民, 郑国兴 申请人:中国科学院光电技术研究所