[發(fā)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?zhí)枺?/td>: 201310014832.4
• 申請日: 2013-01-15
• 公開（公告）號: CN103091847A
• 公開（公告）日: 2013-05-08
• 發(fā)明（設計）人: 王旭葆;米慶改
• 申請（專利權）人: 北京工業(yè)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(chǎn)權代理有限公司 11203
• 代理人: 魏聿珠

技術領域

本發(fā)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(fā)散角，直接半導體激光器的快軸光束質(zhì)量優(yōu)于慢軸光束質(zhì)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(fā)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(fā)明內(nèi)容

本發(fā)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(xiàn)圓光斑匯聚。

本發(fā)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(jù)大功率半導體激光堆棧1的發(fā)光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發(fā)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(fā)散角為α，慢軸方向發(fā)散角為β。為了實現(xiàn)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(zhì)對快慢軸不同發(fā)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(fā)光單元，即快軸的方向發(fā)光單元，發(fā)出發(fā)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(fā)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(fā)散角為α，即∠DS₁C=α。