[發明專利]半導體激光器陣列的光束整形系統

有效

• 申請號: 201110262744.7
• 申請日: 2011-09-06
• 公開（公告）號: CN102313995A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 王智勇;曹銀花;劉友強;許并社;史元魁;陳玉士;王有順
• 申請（專利權）人: 山西飛虹激光科技有限公司;北京工業大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B27/30
• 代理公司: 北京鴻元知識產權代理有限公司 11327
• 代理人: 陳英俊

技術領域

本發明涉及一種光學系統，具體說，涉及一種半導體激光器陣列的光束整形系統。

背景技術

半導體激光器因電光轉換效率高、體積小以及重量輕而得到了廣泛的應用。但單個半導體激光器無法輸出極高的功率(大于百瓦)，因此出現了將多個半導體激光器排列在一起形成條陣、以及將多個條陣堆疊形成面陣的激光器陣列。受工藝、冷卻、整形方法等限制，半導體激光器陣列不能做得很長，目前一般約為10mm。構成半導體激光器陣列的半導體激光器一般為邊緣發射型半導體激光器，這種半導體激光器包括一個p-n結，電流垂直于該p-n結注入，激光則從該p-n結的側面邊緣發射出來。圖1示出了現有的一維半導體激光器陣列的示意圖。在圖1所示的一維半導體激光器陣列1的一個例子中，陣列長度約為10mm，單個發光區的出光側面的尺寸為150μm×1μm，相鄰發光區的間距為500μm。由于邊緣發射型半導體激光器的發光區的斷面狹窄，因而其輸出的光束在平行于p-n結的方向(稱為慢軸方向，也即圖1中的X方向)和垂直于p-n結的方向(稱作快軸方向，也即圖1中的Y方向)上有不同的發散角，在快軸方向的發散角為50°到60°，在慢軸方向的發散角為5°到10°，而且其輸出的光束在快軸方向和慢軸方向上的束腰的位置和直徑也不同，具有嚴重的像散，因而不能簡單地通過透鏡系統進行聚焦。

激光光束質量優劣通過光束參數乘積(BPP)來評價，光束參數乘積BPP定義為某個方向上的束腰半徑(R)與遠場發散角半角(θ)的乘積，單位是mm·mrad。快軸的光束參數乘積BPP_f一般為1～2mm·mrad，慢軸的光束參數乘積BPP_s為500mm·mrad，快慢軸的光束參數乘積相差上百倍，因而很難對該光束進行聚焦。

為了提高半導體激光器陣列的輸出光束的質量，必須對其進行整形，以獲得發散角和光斑直徑均很小的對稱光斑。光束整形就是將光束的快慢軸的光束參數乘積均勻化，即通過光學元件將條形準直光束從慢軸方向分割成N段，然后將這N段在快軸方向上疊加，這樣，慢軸方向上的光束參數積減小到原來的1/N，而快軸上的光束參數積增加到原來的N倍，從而光束的快慢軸的光束參數乘積均勻化。圖2是對一維半導體激光器陣列的光束進行整形的示意圖，其中，在圖2中的上部示出了整形光學系統，在圖2中的下部示意地示出了所述整形光學系統中的某些節點處的光束的斷面形狀。如圖2所示，首先，一維半導體激光器陣列1發出的激光束通過快慢軸準直透鏡2分別進行準直以得到準平行光。準直后的光束在節點B1處的斷面形狀為長條形。然后，準直后的光束通過光束切割單元4，通過光束切割單元4后的光束在節點B2處變為臺階狀分布的N段光束，臺階狀分布的N段光束再通過光束重排單元5，通過光束重排單元5后的光束在節點B3處變為所述N段光束的疊加。節點B3處的光束在慢軸方向(即圖2中的X方向)的尺寸小，經過慢軸擴束準直單元7后在節點B4處變為斷面為快慢軸光束參數乘積均勻化了的矩形光斑。最后光束經過球面聚焦透鏡8可以聚焦成均勻的點光斑。

目前，用于半導體激光陣列的光束整形系統中的光束切割單元4和光束重排單元5等光學元件一般分為反射式光學元件、折反射式光學元件和折射式光學元件。

所述反射式整形用光學元件包括兩個完全對稱的階梯型反射鏡，每個階梯型反射鏡又包括N個高反射率鏡面，光束通過第一個階梯型反射鏡后在慢軸方向上被分割成N段子光束，各段子光束經過第二個階梯型反射鏡中的相應鏡面的反射后，在快軸方向上對齊排列起來。這種整形用的光學元件的缺點是階梯型反射鏡的加工難度大。

所述折反射式整形用光學元件利用兩組棱鏡的折射和全反射來實現光束的分割和重排。這種整形用的光學元件的缺點是棱鏡間的精確定位不好控制，棱鏡的裝配比較困難。

所述折射式整形用光學元件則通過對光束進行一次或多次折射來實現光束的勻化。此類整形用光學元件可以通過GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列、棱鏡組合、光學玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此類整形用光學元件由多個光學玻璃薄片緊密疊加而成，整形的效率比較高。

上述在光束整形系統中用于光束切割和光束重排的光學元件都在不同程度上存在設計制造比較復雜、裝配困難、不易調節以及累積誤差大等問題。

發明內容

本發明的目的在于提供一種半導體激光器陣列的光束整形系統以克服上述光束整形系統中所使用的光束切割單元和光束重排單元設計復雜、裝配困難、定位不精確、累積誤差大、不易調節等缺點中的一個或多個缺點。