[發明專利]利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法

有效

• 申請號: 201310014832.4
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103091847A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發明（設計）人: 王旭葆;米慶改
• 申請（專利權）人: 北京工業大學
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09;G02B19/00;G02B5/10;H01S5/06
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發明屬于激光技術領域，是一種用于大功率半導體激光堆棧的光束聚焦的設計方法。

背景技術

大功率半導體激光由堆棧形式集聚能量，通過微透鏡進行準直。然而，準直后的快慢軸出射的激光仍然存在著不同大小的發散角，直接半導體激光器的快軸光束質量優于慢軸光束質量。由半導體激光的形成方式和光束特征，決定了其具有較大光斑，并且在任一光軸垂直的平面上都存在XY兩方向上的發散角差別較大，限制了大功率半導體激光器在加工方面的應用。因此，大功率半導體激光器的光束整形、聚焦顯得尤為重要。

發明內容

本發明的目的是針對大功率半導體激光堆棧1出射的矩形光斑，設計一種橢球面的反射聚焦方法，利用單一橢球反射鏡2，使快、慢軸處理合而為一，重組能流分布，消除快、慢軸差異，實現圓光斑匯聚。

本發明采用如下技術方案：

利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法，根據大功率半導體激光堆棧1的發光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發散角大小來設計一個相應尺寸的橢球面反射鏡2來反射聚焦光束；具體方法如下：

選取一個大功率半導體激光堆棧1，設其光斑尺寸為L₁×L₂，L₁為快軸方向尺寸，L₂為慢軸方向尺寸，光斑形狀為矩形光斑，快軸方向發散角為α，慢軸方向發散角為β。為了實現物距為u，焦距為f，并且入射光和出射光成90°夾角的聚焦效果，采用橢球面反射鏡2對其進行聚焦，并計算出相應的橢球鏡尺寸。

所述橢球面反射鏡2的反射面是一個大橢球體表面的面形的一小部分。將大功率激光堆棧1的快軸方向光束對應所述橢球面反射鏡2面形的橢圓4面方向放置，慢軸方向光束對應所述橢球面反射鏡2面形的圓5面方向放置，橢球反射鏡分別利用橢圓4和圓5的性質對快慢軸不同發散角的光束同時進行了聚焦，最終光束被聚焦到了焦點3上。

接下來，確定橢球鏡的具體尺寸。

選取大功率半導體激光堆棧1正中間的一列發光單元，即快軸的方向發光單元，發出發散角為α的快軸方向光，快軸方向光平面與橢球面反射鏡2相交軌跡為一個橢圓4里的一部分，將所述橢圓4面補充完整，并且建立直角坐標系。

以橢圓4中心為原點O，橢圓4長軸方向為X軸方向，短軸方向為Y軸方向。橢球面反射鏡2鏡子中心點在橢圓4上的A（x₀,y₀）點上，位于坐標系第二象限，橢圓4長軸為a，短軸為b，兩焦點分別為右焦點S₁，左焦點S₂。連接線段AS₁，AS₂，其中AS₂為焦距f，即AS₂=f。以線段AS₁中一點B為大功率半導體激光堆棧1中心點，線段AB為物距u，即AB=u，以B點為中心點做出線段CD并使之垂直于AS₁，線段CD代表大功率半導體激光堆棧1正中間一列發光單元，點C和點D表示大功率半導體激光堆棧1邊界點，CD長度為大功率半導體激光堆棧1快軸方向光斑尺寸L₁，即CD=L₁。連接線段CS₁，DS₁，形成夾角∠DS₁C，∠DS₁C代表快軸方向發散角為α，即∠DS₁C=α。