[發明專利]折射型高功率半導體激光器陣列光束整形裝置

有效

• 申請號: 201310073435.4
• 申請日: 2013-03-07
• 公開（公告）號: CN103278928A
• 公開（公告）日: 2013-09-04
• 發明（設計）人: 黃志華;劉興勝;熊玲玲;張普;王貞福;劉暉
• 申請（專利權）人: 中國科學院西安光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/09
• 分類號: G02B27/09
• 代理公司: 西安智邦專利商標代理有限公司 61211
• 代理人: 楊引雪

技術領域

本專利涉及一種用于高功率半導體激光器陣列的光束整形裝置，屬于激光技術應用領域的范圍。

背景技術

由于半導體激光器具有體積小、光電轉換效率高、工作壽命長、成本低等優點，因此在材料加工、激光醫療、固體激光器的泵浦源等方面得到廣泛的應用。

但與其它激光器相比，半導體激光器最大的缺陷是光束質量較差，其主要表現為：發出的光束能量空間分布為高斯分布、發散角大、光斑成橢圓形、存在固有象散等，所以難以利用常規的透鏡和光學系統把光束耦合進光纖里，這嚴重地制約了半導體激光器的發展。為了使半導體激光器發出的光束能夠順利地耦合進光纖，必須先對光束進行準直和光束變換整形。

半導體激光器陣列分為一維陣列和二維陣列。其中，一維陣列稱為巴條（bar），一般由5～75個發光點所組成，常見的巴條為19個發光點，每個發光點在平行于p-n結方向的寬度（簡稱慢軸方向）一般為50μm～200μm，在垂直于p-n結方向的寬度（簡稱快軸方向）僅為1μm，而慢軸方向發光點的排列周期則從120μm到1000μm不等。二維陣列又稱為疊陣（stack），它是由多個一維陣列在沿著快軸方向，以相同的間隔排列而成。半導體激光器發出的光束，在快軸方向90%能量的發散角約為60°～80°，而在慢軸方向的發散角則約為9°～16°。

為了評價半導體激光器光束質量的好壞，通常使用光參數積（BPP）作為評價函數，BPP為光束半發散角和光束束腰半徑的乘積，單位為mm*mrad。常用的半導體激光器準直以后，快軸的BPP值約為1mm*mrad，慢軸的BPP值約為300mm*mrad，慢軸光參數積為快軸光參數積的300倍。光束耦合進入光纖的條件是光束光參數積小于光纖的光參數積，而對于常見的數值孔徑為0.22，芯徑為200μm的光纖，其BPP值則僅有22.3mm*mrad，半導體激光器慢軸的BPP值遠大于光纖的BPP值，所以必須經過光束整形，才能使得其BPP值符合耦合要求。

目前，用于半導體激光器陣列光束整形的光學元件主要分為折射式光學元件、反射式光學元件和折反射式光學元件。

反射式光學元件的主要原理是通過兩次同類元件的反射實現切割和重

排。目前使用較多的有V-STACK階梯型反射鏡組，該元件由兩個階梯型的金屬反射鏡所組成，當光束經過第一個階梯型反射鏡時，慢軸方向被分成了N等份并且光束傳播方向改變90°，當光束經過第二個階梯型反射鏡后實現光束的重排。

折射式光學元件的主要原理是利用多次折射的方式來達到光束切割和重排的目的。主要的元件有平行平板堆、棱鏡組合等，光束經過一次此類光學元件折射后，在慢軸方向上即可分為N等份；當第二次經過此類光學元件折射后，便可實現光束在快軸方向的重排。

折反射式光學元件主要原理是利用棱鏡堆的折射來實現切割錯位，利用棱鏡堆的全反射或者反射鏡堆的反射來實現重排。

對于上述的現有光學整形元件，全都屬于一次分割，為了能夠實現把常見的半導體激光器陣列耦合進芯徑為200μm的光纖，基本需要把整形元件中每塊臺階玻璃的厚度控制在1mm以下，這對于我國目前玻璃加工來說仍然比較困難。另外，隨著切割份數的增加，整形元件的裝配誤差積累會相當的嚴重，從而影響到耦合效率。

發明內容

為了克服上述方案中加工困難、誤差積累嚴重、裝配調節困難、精度不高的缺點，本發明提供了一種用于高功率半導體激光器陣列的光學整形裝置，在實現光束整形的同時，能把整形元件中每塊臺階玻璃的厚度尺寸增大一倍，誤差積累減少一半，大大地降低了加工難度，提高了精度和減少損耗，同時壓縮激光光束在快軸方向的寬度，減少聚焦透鏡的焦距，使得系統更加緊湊。在多巴條和疊陣耦合，以及在切割份數較多時更能體現本元件的優勢。

為了達到上述目的，本發明采用以下技術方案：