[發明專利]一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置

有效

• 申請號: 201210300870.1
• 申請日: 2012-08-22
• 公開（公告）號: CN102809822A
• 公開（公告）日: 2012-12-05
• 發明（設計）人: 余勤躍;扈金富
• 申請（專利權）人: 溫州泛波激光有限公司
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及激光二極管陣列光束整形及耦合，具體涉及一種激光二極管陣列的光纖耦合或固體激光泵浦耦合的光束耦合聚焦裝置。

背景技術

這些年來，激光技術發展迅速，其應用范圍也日益擴大，激光技術在不停地改善我們的生活質量。用于固體激光的泵浦光源有兩種：氙燈或氪燈和激光二極管。激光二極管具有體積小、重量輕、光電轉換效率高、壽命長和可直接調制等特點，具有美好的市場未來。隨著激光二極管成本的降低，在某些領域，激光二極管正逐步取代傳統泵浦氙燈。在某些工業應用方面，以二極管激光為激光光源被直接應用到切割、焊接和表面處理，等等。

單管激光二極管由于受腔面災變失效的影響，最大輸出功率通常為瓦的量級，無法滿足具體應用的要求。而在某些實際應用中又迫切需要大功率的二極管激光光源或泵浦源，因此必須將許多激光二極管制成陣列(array)或堆棧(stack)，以滿足實際應用要求。激光二極管陣列一般由多個激光二極管發射單元排成一列組成，常見有19、25或49等幾種。單個激光發射單元的光束分布存在很大的非對稱性，其發光面積一般為1×50μm²至1×400μm²，其快軸全角發散角一般在30-40°，慢軸全角發散角在8-10°，兩者的發散角相差3-4倍。激光二極管陣列的發光面積一般為1μm×10mm或以上，其激光光束的空間分布具有巨大的非對稱性。一般地，激光二極管陣列要達到實際應用的要求，都必須對激光二極管陣列進行光學整形，即壓縮激光二極管陣列的快軸和慢軸的發散角，最理想的狀態是將其激光光束整形成均勻分布的方形(或圓形)光斑。

根據實際應用情況，出現了多種耦合聚焦激光二極管陣列的解決方案。現有技術中解決此問題的第一種方案是基于使用偏心衍射透鏡陣列。采用第一組衍射透鏡陣列來準直和引導單管激光發射單元快軸和慢軸方向的光線堆棧地排列到第二組衍射透鏡陣列的快軸上。第一組衍射透鏡陣列引入了光線的傾斜，而第二組衍射透鏡陣列則補償了這種傾斜，從而使光束直立出射，出射光被透鏡耦合聚焦。這種方法最大的一個缺點是使用了兩組衍射光學元件，整個裝置的透過率較低。

現有技術中解決此問題的第二種方案是基于使用兩個平行的偏心反射鏡。這種解決方案使用了高效的快軸準直器件，系統透過率較高，這種解決方案對兩個反射鏡之間的平行性要求較高，對裝置的安裝要求高。

現有技術中解決此問題的第三種方案是采用偏斜光線成像系統。這種解決方案使用稍微傾斜放置的一快軸準直單元使單管激光發射單元發射方向不在同一水平面上；然后再用一普通的場鏡使各個激光發射單元的激光堆棧排列在快軸方向上；最后使用一組透鏡和在透鏡組中加放一衍射光學元件對激光二極管陣列的光束進行耦合聚焦。

現有技術中解決此問題的第四種方案是先采用一個快軸準直單元壓縮激光二極管陣列快軸的發散角，接著采用一組光束旋轉陣列使激光束分布空間旋轉90°，然后用一組普通柱透鏡組成的光學壓縮系統和在該光學壓縮系統內插入一復眼準直器來壓縮和勻化激光束，最后用一非球面透鏡來耦合聚焦激光二極管陣列。

第三種和第四種解決方案雖然耦合效率高，但是它們都插入了衍射光學元件和更多的普通光學元件，從而帶來了更多的插入損耗和降低了系統的緊湊性。在現有技術的基礎上，急需開發一種耦合效率高、插入損耗小和緊湊性好的光學耦合聚焦裝置。

發明內容

本發明的目的是提供一種耦合效率高、插入損耗小和緊湊性好的光學耦合聚焦裝置。為此，本發明提供了一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置，包括沿光束前進方向依次放置的激光二極管陣列、快軸準直單元、光束旋轉陣列、復曲面反射鏡和目的光學，其特征在于，所述的激光二極管陣列、快軸準直單元、光束旋轉陣列平行排列，所述的復曲面反射鏡傾斜位于光束旋轉陣列之后，所述的目的光學位于復曲面反射鏡的焦點處。

進一步的，所述的激光二極管陣列由8-20個激光二極管發射單元并排排成一列組成。

進一步的，所述的快軸準直單元為折射光學元件，所述的快軸準直單元為柱透鏡或光纖透鏡。

進一步的，所述的快軸準直單元表面鍍有對激光具有高透過率的介質膜。

進一步的，所述的光束旋轉陣列由斜置45°的柱面微透鏡組構成，柱面透鏡組中單個柱面透鏡單元的主軸與激光二極管陣列水平方向的夾角為45°，單個柱面透鏡單元的數目與激光二極管陣列中的激光二極管的數目相同且一一對應，保證每個激光二極管發出的光可被對應的柱面透鏡單元空間旋轉90°，柱面透鏡組的柱面所在平面與激光二極管陣列的發光方向垂直。