CN104836114A - 一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置的技术方案，该方案基于光束全反射原理，利用直角棱镜空间组合作为光束旋转器件，采用柱面透镜组作为Y方向准直，两片式柱面缩束镜作为X方向缩束器件，在不引入各发光点光程差的前提下，可实现半导体激光器的快慢轴光束质量匀化整形。该发明具有光束旋转无像差，不改变光束前进方向，整形系统装调简单易行等特点。基于该发明研制的半导体激光高亮度光纤耦合输出光源可应用在泵浦光纤激光器、医疗及工业加工等众多领域。
Description
技术领域
本发明涉及的是激光器技术领域，尤其是一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置。
背景技术
由于半导体激光器具有电光转换效率高、可靠性好、小型化等优点，在激光泵浦源和直接应用等方面均得到迅速发展及广泛应用，特别是作为固体激光器和光纤激光器的泵浦源，推动了全固态激光器的快速发展。高亮度、高功率的半导体激光器泵浦源是光纤激光器和固体激光器实现高效率、高功率输出的重要基础条件。
半导体激光器具有不对称分布的输出光场。半导体激光器在垂直于PN结的方向（快轴方向）上呈现30°~70°的高发散角，但发光区仅1μm宽，光束质量达到衍射极限；在平行于PN结的方向（慢轴方向）上虽只有10°左右的发散角，但发光区具有100μm左右的长度，而且各发光区之间存在间距，相当于许多发光区断续排列成线光源，光束质量极差，快轴和慢轴方向的光束质量相差成百倍。这样快慢轴光束质量极不对称的光束无法通过聚焦系统将光束聚焦为尺寸对称具有一定焦深的焦斑。
因此改善半导体激光器快慢轴的光束质量差异，匀化快慢轴方向的光束质量，使得半导体激光光束能够聚焦为尺寸对称的焦斑耦合进入光纤输出，是半导体激光光纤耦合模块实现高亮度、高功率和高可靠性输出的一项关键技术。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置的技术方案，该方案基于光束全反射原理，利用直角棱镜空间组合作为光束旋转器件，采用柱面透镜组作为Y方向准直，两片式柱面缩束镜作为X方向缩束器件，在不引入各发光点光程差的前提下，可实现半导体激光器的快慢轴光束质量匀化整形。该发明具有光束旋转无像差，不改变光束前进方向，整形系统装调简单易行等特点。基于该发明研制的半导体激光高亮度光纤耦合输出光源可应用在泵浦光纤激光器、医疗及工业加工等众多领域。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：包括有半导体激光器芯片、快轴准直透镜、直角棱镜组、柱面透镜组和两片式柱面缩束镜；半导体激光器芯片发射的激光束依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜组、柱面透镜组和两片式柱面缩束镜后输出。
作为本方案的优选：直角棱镜组包括有直角棱镜A、直角棱镜B和直角棱镜C，激光束穿过快轴准直透镜后射入直角棱镜A，然后依次经过直角棱镜A的斜面、直角棱镜B斜面和直角棱镜C的斜面反射后射入柱面透镜组。
作为本方案的优选：直角棱镜A、直角棱镜B和直角棱镜C的截面形状均为等腰直角三角形。
作为本方案的优选：直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差不超过±2μm；直角棱镜A的高度等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5μm。
作为本方案的优选：直角棱镜B和C的直角边长度等于半导体激光器芯片上各发光点之间距离的一半，其误差不超过±10μm；45°直角棱镜B和C的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差不超过±2μm。
作为本方案的优选：直角棱镜A、B和C通过UV胶水固定；直角棱镜A和B重合面的误差在X方向小于100μm，在Z方向小于100μm；直角棱镜A和C重合面的误差在X方向小于100μm，在Z方向小于100μm。
作为本方案的优选：半导体激光器的每个发光点对应一组直角棱镜组；所述直角棱镜组入射面与半导体激光器的出光面平行，平行度误差小于±1mrad；所述半导体激光器每个的发光点到各自对应的直角棱镜组的入射面在出光方向的距离相等，应保证各发光点的距离误差小于±5μm。
作为本方案的优选：半导体激光器的发光区位于柱面透镜的背焦距处，其误差小于±50μm。
作为本方案的优选：两片式缩束镜包括有平凸柱面镜和平凹柱面镜，平凸柱面镜和平凹柱面镜的焦距比值等于光斑X方向和Y方向的长度比值。
作为本方案的优选：平凹柱面镜的物方焦点和平凸柱面镜的像方焦点重合，其误差小于±50μm。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中半导体激光光束的旋转是基于全反射原理，利用直角棱镜组作为光束旋转器件，不会引入像差造成光斑倾斜，经过整形系统后，光束变为了发散角和尺寸各向对称的均匀光斑，整形后的光束传播方向不发生改变，不会引入各发光点的光程差，而且整形装置结构简单，整形元件加工容易。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
图2为直角棱镜组的结构示意图。
图3为两片式柱面缩束镜的光路缩束示意图。
图4为整形光斑的形状示意图。
图5为多个直角棱镜组组成的阵列的结构示意图。
图中，1为半导体激光器，2为快轴准直透镜，3为直角棱镜组，4为柱面透镜组，5为平凸柱面镜，6为平凹柱面镜，7为直角棱镜A，8为直角棱镜B，9为直角棱镜C，11为经过快轴准直透镜后的光斑，12为经过直角棱镜组的光斑，13为经过X方向缩束的光斑。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例：
选取半导体激光器包含5个发光点，每个发光点快轴发光区尺寸为1μm、慢轴发光区尺寸为100μm，各发光点之间的间距为1000μm，快轴发散角＜45°（包含90%能量）、慢轴发散角小于10°（包含90%能量）。采用如图1所示的光束整形结构，使用焦距为360μm的快轴准直透镜对半导体激光器进行快轴准直，准直后的光斑分布如图4中（标记11）所示，准直后快轴剩余发散角为3mrad，快轴方向光斑尺寸为0.5mm。 采用如图2所示的直角棱镜组进行发光点旋转，直角棱镜A的直角边为0.5mm、高度为1mm，直角棱镜B和C的直角边为0.5mm、高度为0.5mm，采用UV胶水将直角棱镜A、B和C进行组合固定，直角棱镜A和B重合面的误差：X方向小于100μm，Z方向小于100μm。直角棱镜A和C重合面的误差：X方向小于100μm，Z方向小于100μm。
5对组合固定后的直角棱镜组合阵列（如图5所示）到半导体激光器出光面的距离相等。半导体激光器光束经过直角棱镜组合阵列后的光斑分布如图4（标记12）所示，由于旋转后各发光点的光程相同，各发光点的Y方向尺寸保持一致。
采用柱面透镜组对光束进行Y方向准直，柱面透镜曲率沿Y方向分布，焦距为11.0mm，经过柱面透镜准直后光束沿Y方向的剩余发散角为9.0 mrad，Y方向光斑尺寸为1.65mm。
采用伽利略望远镜系统对光束进行X方向缩束，如图3所示，平凸柱面镜和平凹柱面镜曲率均沿X方向分布，平凸柱面镜和平凹柱面镜的焦距比值为3，经过X方向缩束系统后的光斑分布如图4（标记13）所示，光斑沿X方向尺寸为1.67mm、发散角为9mrad，Y方向尺寸为1.65mm、发散角为9mrad。
由上述过程可以看出，半导体激光器光束经过本发明的半导体激光器快慢轴光束质量匀化装置后，得到了发散角和尺寸在X方向和Y方向均相等的均匀光斑。实现了快慢轴光束质量的匀化，同时整形后的光束传播方向不发生改变，不会引入各发光点的光程差，提升了半导体激光器的发光亮度。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (10)
1.一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：包括有半导体激光器芯片、快轴准直透镜、直角棱镜组、柱面透镜组和两片式柱面缩束镜；所述半导体激光器芯片发射的激光束依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜组、柱面透镜组和两片式柱面缩束镜后输出。
2. 根据权利要求1所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述直角棱镜组包括有直角棱镜A、直角棱镜B和直角棱镜C，激光束穿过快轴准直透镜后射入直角棱镜A，然后依次经过直角棱镜A的斜面、直角棱镜B斜面和直角棱镜C的斜面反射后射入柱面透镜组。
3. 根据权利要求2所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述直角棱镜A、直角棱镜B和直角棱镜C的截面形状均为等腰直角三角形。
4. 根据权利要求2所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差不超过±2μm；直角棱镜A的高度等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5μm。
5. 根据权利要求2所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述直角棱镜B和C的直角边长度等于半导体激光器芯片上各发光点之间距离的一半，其误差不超过±10μm；45°直角棱镜B和C的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差不超过±2μm。
6. 根据权利要求2所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述直角棱镜A、B和C通过UV胶水固定；直角棱镜A和B重合面的误差在X方向小于100μm，在Z方向小于100μm；直角棱镜A和C重合面的误差在X方向小于100μm，在Z方向小于100μm。
7. 根据权利要求1所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述半导体激光器的每个发光点对应一组直角棱镜组；所述直角棱镜组入射面与半导体激光器的出光面平行，平行度误差小于±1mrad；所述半导体激光器每个的发光点到各自对应的直角棱镜组的入射面在出光方向的距离相等，应保证各发光点的距离误差小于±5μm。
8. 根据权利要求1所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述半导体激光器的发光区位于柱面透镜的背焦距处，其误差小于±50μm。
9. 根据权利要求1所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：所述两片式缩束镜包括有平凸柱面镜和平凹柱面镜，平凸柱面镜和平凹柱面镜的焦距比值等于光斑X方向和Y方向的长度比值。
10. 根据权利要求1所述的一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置，其特征是：平凹柱面镜的物方焦点和平凸柱面镜的像方焦点重合，其误差小于±50μm。
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