折射型高功率半导体激光器阵列光束整形装置

摘要

本发明提供了一种折射型高功率半导体激光器阵列光学整形装置，在实现光束整形的同时，能把整形元件中每块台阶玻璃的厚度尺寸增大一倍，误差积累减少一半，大大地降低了加工难度，提高了精度和减少损耗，同时压缩激光光束在快轴方向的宽度，减少聚焦透镜的焦距，使得系统更加紧凑。在多巴条和叠阵光纤耦合，以及在切割份数较多时更能体现本元件的优势。

说明书

技术领域

本专利涉及一种用于高功率半导体激光器阵列的光束整形装置，属于激 光技术应用领域的范围。

背景技术

由于半导体激光器具有体积小、光电转换效率高、工作寿命长、成本低 等优点，因此在材料加工、激光医疗、固体激光器的泵浦源等方面得到广泛 的应用。

但与其它激光器相比，半导体激光器最大的缺陷是光束质量较差，其主 要表现为：发出的光束能量空间分布为高斯分布、发散角大、光斑成椭圆形、 存在固有象散等，所以难以利用常规的透镜和光学系统把光束耦合进光纤里， 这严重地制约了半导体激光器的发展。为了使半导体激光器发出的光束能够 顺利地耦合进光纤，必须先对光束进行准直和光束变换整形。

半导体激光器阵列分为一维阵列和二维阵列。其中，一维阵列称为巴条 （bar），一般由5～75个发光点所组成，常见的巴条为19个发光点，每个发光 点在平行于p-n结方向的宽度（简称慢轴方向）一般为50μm～200μm，在垂直 于p-n结方向的宽度（简称快轴方向）仅为1μm，而慢轴方向发光点的排列周 期则从120μm到1000μm不等。二维阵列又称为叠阵（stack），它是由多个一 维阵列在沿着快轴方向，以相同的间隔排列而成。半导体激光器发出的光束， 在快轴方向90%能量的发散角约为60°～80°，而在慢轴方向的发散角则约为 9°～16°。

为了评价半导体激光器光束质量的好坏，通常使用光参数积（BPP）作为 评价函数，BPP为光束半发散角和光束束腰半径的乘积，单位为mm*mrad。 常用的半导体激光器准直以后，快轴的BPP值约为1mm*mrad，慢轴的BPP 值约为300mm*mrad，慢轴光参数积为快轴光参数积的300倍。光束耦合进入 光纤的条件是光束光参数积小于光纤的光参数积，而对于常见的数值孔径为 0.22，芯径为200μm的光纤，其BPP值则仅有22.3mm*mrad，半导体激光器 慢轴的BPP值远大于光纤的BPP值，所以必须经过光束整形，才能使得其 BPP值符合耦合要求。

目前，用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件主要分为折射式光学 元件、反射式光学元件和折反射式光学元件。

反射式光学元件的主要原理是通过两次同类元件的反射实现切割和重

排。目前使用较多的有V-STACK阶梯型反射镜组，该元件由两个阶梯型的金 属反射镜所组成，当光束经过第一个阶梯型反射镜时，慢轴方向被分成了N 等份并且光束传播方向改变90°，当光束经过第二个阶梯型反射镜后实现光束 的重排。

折射式光学元件的主要原理是利用多次折射的方式来达到光束切割和重 排的目的。主要的元件有平行平板堆、棱镜组合等，光束经过一次此类光学 元件折射后，在慢轴方向上即可分为N等份；当第二次经过此类光学元件折 射后，便可实现光束在快轴方向的重排。

折反射式光学元件主要原理是利用棱镜堆的折射来实现切割错位，利用 棱镜堆的全反射或者反射镜堆的反射来实现重排。

对于上述的现有光学整形元件，全都属于一次分割，为了能够实现把常 见的半导体激光器阵列耦合进芯径为200μm的光纤，基本需要把整形元件中 每块台阶玻璃的厚度控制在1mm以下，这对于我国目前玻璃加工来说仍然比 较困难。另外，随着切割份数的增加，整形元件的装配误差积累会相当的严 重，从而影响到耦合效率。

发明内容

为了克服上述方案中加工困难、误差积累严重、装配调节困难、精度不 高的缺点，本发明提供了一种用于高功率半导体激光器阵列的光学整形装置， 在实现光束整形的同时，能把整形元件中每块台阶玻璃的厚度尺寸增大一倍， 误差积累减少一半，大大地降低了加工难度，提高了精度和减少损耗，同时 压缩激光光束在快轴方向的宽度，减少聚焦透镜的焦距，使得系统更加紧凑。 在多巴条和叠阵耦合，以及在切割份数较多时更能体现本元件的优势。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

该高功率半导体激光器阵列光学整形装置，包括沿光传播方向依次放置 第一透射光学玻璃组，第二透射光学玻璃组，和用于实现分割的光束沿着激 光光束快轴方向重排的反射光学玻璃组；第一透射光学玻璃组的透射光学玻 璃数量为N/2，第二透射光学玻璃组的透射光学玻璃数量为（N/2）+1，反射 光学玻璃组的光学玻璃数量为N，所述N应满足N=2K，K为自然数，N同时 还需满足其中BPP_f和BPP_S分别为一维阵列光束准直后计算 得到的快轴和慢轴光参数积；所述第二透射玻璃组中的第k块和第k+1块玻 璃的分界线，对准第一直角梯形玻璃组中的第k块玻璃厚度的中线；所述第 一透射光学玻璃组的玻璃透镜长度均不相同；第一透射光学玻璃组和第二透 射光学玻璃组的玻璃透镜厚度均相等，且厚度为2*（L/N），所述L为半导体 激光器阵列在慢轴方向的光束宽度；第一透射光学玻璃组用于对入射光沿慢 轴方向进行N/2等份切割，并沿快轴方向位置错开，光线经过第一透射光学 玻璃组后，入射光束在快轴方向的宽度得到压缩，并使得出射光束的传播方 向与入射光束的传播方向成δ角，所述的δ角应满足0°<δ<90°；光束经过 第二透射光学玻璃组后，N/2等份光束均被平分为二等份，并且使得第二透射 光学玻璃组的出射光束传播方向恢复为与第一透射光学玻璃组的入射光束传 播方向相同的方向，第二透射光学玻璃组的出射光束在快轴方向的宽度被进 一步压缩；同时，上述第二透射光学玻璃组的长度满足以下关系：（1）排列 顺序为奇数的透射玻璃的长度相等；（2）排列顺序为偶数的透射玻璃的长度 相等；（3）相邻两块透射玻璃的长度差为一恒定值。

上述第一透射光学玻璃组，第二透射光学玻璃组的透射玻璃可为直角梯 形、直角三角形或等边三角形等形状，以直角梯形为佳；反射光学玻璃组中 的反射玻璃可为矩形、直角梯形、直角梯形、等边三角形等有一直边的形状， 以矩形为佳。

上述第一透镜光学玻璃组的玻璃透镜长度以等差排列为佳；其中玻璃镜 片的排列顺序可以是混乱的，但当把所有玻璃片按照长度的大小，从小到大 或从大到小重新排列后，它们的长度差必然满足等差排列。

上述与激光光束慢轴方向一致的为X轴，与激光光束快轴方向一致的为 Y轴，垂直于激光光束慢轴方向和快轴方向所形成的平面的方向为Z轴；第 一玻璃组的放置方式为，直角梯形玻璃的直角边沿Y轴方向；直角梯形玻璃 的上底和下底沿Z轴方向，且长底边为上底，短底边为下底；直角梯形玻璃 的厚度方向沿着X轴方向，且厚度递增的方向可以为X轴的正方向或X轴的 负方向，直角梯形透射玻璃组A沿厚度方向的中心点与激光光源沿慢轴方向 的中心点相对；直角梯形透射玻璃的斜边放置在后，直角边放置在前；第二 透射玻璃组置于第一透射玻璃组的前上方，其放置方式为，直角梯形玻璃的 厚度方向沿着X轴方向；直角梯形玻璃的斜边放置在后，直角边放置在前。 直角透射梯形玻璃片的短底边为上底，长底边为下底；且满足上下底边与X-Z 平面的夹角为δ=θ-arcsin(n·cosθ)；矩形玻璃组C的放置方式为，所有的矩形反 射玻璃片的宽边和其中一长边对齐。

上述矩形反射玻璃片的宽边与Z轴的正方向成45°，矩形玻璃片的长边 与Z轴的负方向成45°；厚度排列的方向与激光光束的快轴方向一致，沿厚度 方向的中心点与所述的第二直角梯形玻璃组B直斜边的中心点等高。其中在 矩形玻璃的条件下，反射玻璃组与Z轴成45°可以让后续处理方便。

本发明的优点在于：

该高功率半导体激光器阵列光束整形装置利用了三角形透镜的折射原 理，巧妙地通过错位实现了二次切割，这样每组直角梯形透射玻璃组中每一 片玻璃的厚度与一次性切割相比，增加了一倍，同时每组直角梯形透射玻璃 中的玻璃片数量减少了一倍，便有效地解决了因玻璃厚度尺寸太小而难以加 工的问题，以及避免了由于玻璃数量过多粘在一起后产生的严重误差积累。

其次，激光光束经过第一直角梯形透射玻璃组A和第二直角梯形透射玻 璃组B后，光束在快轴方向上得到压缩，这有利于减少快轴聚焦透镜的焦距， 使整个耦合系统变得紧凑。本发明尤其适合于多巴条或叠阵的整形耦合。经 实验证明，该装置的整形效率高，加工难度相对较小，易于实现。

附图说明

图1高功率半导体激光器阵列整形原理一；

图2高功率半导体激光器阵列整形原理二；

图3当N=2k时，第一直角梯形透射玻璃组A装置图；

图4当N=2k时，第二直角梯形透射玻璃组B装置图；

图5当N=2k时，矩形反射玻璃组C装置图；

图6当N=2k时，光学整形装置二维侧视平面图；

图7当N=2k时，光学整形装置二维俯视平面图；

图8当N=2k时，光学整形装置三维视图；

图9一维阵列光学整形系统三维视图；

图10一维阵列光学整形光斑变化图；

图11二维阵列光学整形系统二维平面图；

图12二维阵列光学整形光斑变化图；

其中：1、一维阵列光源；2、一维阵列光源快轴准直透镜；3、一维阵列 光源慢轴准直透镜；4、一维阵列光源快慢轴准直后光斑；5、一维阵列光源 第一次切割后光斑；6、一维阵列光源第二次切割后光斑；7、一维阵列光源 重排后光斑；8、二维阵列光源；9、二维阵列光源快轴准直透镜；10、二维 阵列光源慢轴准直透镜；11、二维阵列光源第一次切割后光斑；12、二维阵 列光源第二次切割后光斑；13、二维阵列光源第二次切割后光斑；14、二维 阵列光源重排后光斑；A、第一直角梯形透射玻璃组；B、第二直角梯形透射 玻璃组；C、矩形反射玻璃组；A1、第一直角梯形透射玻璃组中的第k块玻璃 片；B1、第二直角梯形透射玻璃组中的第k片和第k+1片玻璃；C1、矩形反 射玻璃组中的两块玻璃片。

具体实施方式

本发明所依据的原理如下：

高功率半导体激光器阵列光学整形装置，包括沿光传播方向依次放置第 一透射光学玻璃组，第二透射光学玻璃组和反射光学玻璃组，在实际操作时， 第一和第二透射光学玻璃组一般选择直角梯形透镜，反射光学玻璃组一般选 择为矩形玻璃，该形状便于加工和后续光路处理。

光束在慢轴方向切割的份数为N=2K（K为自然数）时，第一直角梯形 透射玻璃组A，第二直角梯形透射玻璃组B和反射玻璃组C的具体结构如下：

第一直角梯形透射玻璃组A，由N/2块直角梯形透射玻璃片所组成。参 见图1和图2，所述的每块直角透射玻璃的底角为θ，直角边的高度均为d1， 厚度均为2*（L/N）（L为半导体激光器阵列在慢轴方向的光束宽度），但长度 均不相同（沿直角梯形的上底和下底方向）。参见图3和图6，N/2块所述的 直角梯形透射玻璃片根据长度由小到大沿着厚度方向紧密排列，所有上底、 下底和直角边均对齐，并且相邻直角梯形玻璃片的长度差均为L₁。

第二直角梯形透射玻璃组B，由（N/2+1）块直角梯形透射玻璃片所组成。 参见图1和图2，所述的每块直角透射玻璃片的底角均为θ，直角边的高度均 为d₂，厚度均为2*（L/N），所述的直角梯形透射玻璃片沿着厚度方向紧密排 列，并且所有上底、下底和直角边对齐。参见图4和图6，每块直角梯形玻璃 的长度满足以下关系：（1）排列顺序为奇数的直角梯形透射玻璃的长度相等； （2）排列顺序为偶数的直角梯形透射玻璃的长度相等；（3）相邻两块直角梯 形透射玻璃的长度差恒为L₂。

矩形反射玻璃组C，是由N块矩形反射玻璃片沿厚度方向（激光快轴方 向）紧密排列而成，并且所有玻璃片的宽边和其中一长边对齐。参见图1和 图2，其中所述的每块矩形反射玻璃片的厚度为d₃，长度为b，但每块矩形反 射玻璃片的宽度不同。

与激光光束慢轴方向一致的为X轴，与激光光束快轴方向一致的为Y轴， 垂直于激光光束慢轴方向和快轴方向所形成的平面的方向为Z轴。

参见图6和图7，第一直角梯形玻璃组A的放置方式为，直角梯形玻璃 的直角边沿Y轴方向；直角梯形玻璃的上底和下底沿Z轴方向，且长底边为 上底，短底边为下底；直角梯形玻璃的厚度方向沿着X轴方向，且厚度递增 的方向可以为X轴的正方向或X轴的负方向，直角梯形透射玻璃组A沿厚度 方向的中心点与激光光源沿慢轴方向的中心点相对；直角梯形透射玻璃的斜 边放置在后（距离光源较远），直角边放置在前（距离光源较近）。

第二直角梯形透射玻璃组B，置于第一直角梯形透射玻璃组A的后上方， 其放置方式为，直角梯形玻璃的厚度方向沿着X轴方向；直角梯形玻璃的斜 边放置在后，直角边放置在前。直角透射梯形玻璃片的短底边为上底，长底 边为下底；且满足上下底边与X-Z平面的夹角。

同时，参见图2，满足以下相对位置的关系：第二直角梯形透射玻璃组B 中的第m（m为小于N的自然数）块和第m+1块直角梯形玻璃的分界线，对 准第一直角梯形玻璃组A中的第m块直角梯形玻璃厚度的中线。

参见图2和图7，矩形玻璃组C的放置方式为，所有的矩形反射玻璃片 的宽边和其中一长边对齐；矩形反射玻璃片的宽边与Z轴的正方向成45°，矩 形玻璃片的长边与Z轴的负方向成45°；厚度排列的方向与激光光束的快轴方 向一致，沿厚度方向的中心点与所述的第二直角梯形玻璃组B直斜边的中心 点等高。

当激光光束经过第一直角梯形透射玻璃A时，激光光束在N/2个透射玻 璃斜面处发生折射，由于透射玻璃的长度不同，因此在慢轴方向切割为N/2 等份，并在快轴方向分开，激光光束在快轴方向的宽度被压缩；当激光光束 经过第二直角梯形透射玻璃B时，保证N/2份激光光束中的每一份光束都会 平分成两部分，其中一半通过第二直角梯形透视玻璃B中较长的透射玻璃， 一半通过第二直角梯形透视玻璃B中较短的透射玻璃，并分别在不同的斜面 发生折射，因此N/2份光束都被二等份切割，从而形成N份光束，同时光束 在快轴方向的宽度被进一步压缩；当N份激光光束经过反射光学玻璃组C的 反射后，实现光束在快轴方向的重排。

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步说明。

实施例1：

本实施例中，半导体激光器一维阵列发出的光束，在慢轴方向被分割为 N等份，其中N=2K（K为自然数），N是根据快轴和慢轴的光参数积关系所 得，其满足关系等式中的BPP_f和BPP_S分别为一维阵列光束 准直以后计算得到的快轴和慢轴光参数积。假定N=6，参见图9，本实施例中 的整形系统结构包括，半导体激光器一维阵列光源1，快轴准直透镜2，慢轴 准直透镜3，第一直角透射梯形玻璃组A，第二直角透射梯形玻璃组B和矩形 反射玻璃组C。

所述的第一直角梯形透射玻璃组A，由3块直角梯形透射玻璃片所组成， 所述的每块直角梯形透射玻璃片的底角均为θ，直角边的高度均为d₁，厚度均 为2*（L/6）（L为半导体激光器一维阵列光束准直后在慢轴方向的光束宽度）， 但是每块直角梯形透射玻璃片的长度均不相等。本实施例中，三块所述的直 角梯形透射玻璃片，根据长度大小，由小到大沿着厚度方向紧密排列，厚度 的递增方向为X轴的正方向，所有玻璃片的上底、下底和直角边均对齐，并 且相邻两块直角梯形透射玻璃片的长度差值恒定为

（其中h为一维阵列光束准直以后在快轴方向的光 束宽度，n为第一直角梯形透射玻璃组的玻璃折射率）。

第二直角梯形玻璃组B，由四块直角梯形玻璃所组成，所述的每块直角梯 形透射玻璃片的底角为θ角，直角边的高度均为d₂，厚度均为2*（L/6）。本 实施例中，所述的直角梯形玻璃沿着厚度方向紧密排列，并且所有上底、下 底和直角边对齐，其中每块直角梯形玻璃的长度满足以下关系：（1）沿X轴 的正方向为顺序方向，且第1块直角梯形玻璃的长度较长；（2）排列顺序为 奇数的直角梯形透射玻璃片的长度相等；（3）排列顺序为偶数的直角梯形透 射玻璃的片长度相等；（4）相邻两块直角梯形透射玻璃片长度差为

$L_2=\frac{h·{\cos }^2\left[\arcsin (n·\cos \theta )\right]}{\sin [\arcsin (n·\cos \theta )+\theta -90]·{\cos }^2\theta }.$

所述的矩形反射玻璃组C，是由6块矩形玻璃片所组成，所述的每块矩形 玻璃片的厚度均为本实施例中，设定矩形反射玻璃组 C从上到下为顺序方向，并且第一块矩形反射玻璃片的宽度为a，则第i（i为 自然数）块矩形反射玻璃片的宽度沿顺序方向满足以下关系：（1）当i=1+4j 或i=2+4j时（j为自然数），矩形反射玻璃片宽度为（2）当i=3+4j 时,矩形反射玻璃片宽度为（3）当i=4+4j时，则矩形反射玻璃片宽度 为因此，从上到下，矩形反射玻璃片的宽度分别为：

$a-\frac{3L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{2L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{4L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{5L}{6\sqrt{2}}.$

参见图9和图10，本实施例中，第一直角梯形玻璃组A的作用是通过错 位和折射，把准直后的一维光束在慢轴方向切割为三等份，并且光束的传播 方向由沿Z轴正方向转变为与Z轴正方向夹角为δ=θ-arcsin(n·cosθ)的方向；第 二直角梯形透射玻璃组B的作用是实现二次分割，把一次分割后的三段光束 再二等分，并且通过折射把光束的传播方向由恢复为沿Z轴正方向；矩形反 射玻璃组C的作用是通过错位和反射，把分割后的六等份光束实现沿快轴方 向的重排。因此，光学整形装置原理就是利用折反射实现了两次切割和重排， 从而达到整形的目。

参见图12，本实施例中，半导体激光器一维阵列发出的光束，在经过快 慢轴准直透镜后，变为慢轴长、快轴短的细长光斑4；当光束经过第一直角梯 形透射玻璃组A折射后，光束在慢轴方向切割为三等份，形成光5；当光束 再经过第二直角梯形玻璃组B折射后，光束在慢轴的每一小份光束再切割为 二等份，即慢轴方向共实现六等份的切割，形成光斑6，从而完成了对光束切 割的目的，同时光束的传播方向恢复为Z方向；当光束再经过矩形玻璃组C 的反射后，实现了对分割的光束在快轴方向的重排，形成光斑7，从而完成了 对光束的整形。

实施例2

本实施例中，对于半导体激光器二维阵列发出的光束，先经过快慢轴的 准直和快轴方向的压缩，形成细长的光斑，然后再经过整形装置的光束整形。 参照图11，具体为，半导体激光器二维阵列8发出的光，依次通过快轴准直 柱透镜9，慢轴准直微透镜阵列10，然后再通过由第一直角梯形玻璃组A， 第二直角梯形玻璃组B，矩形玻璃组C组成的光束整形装置。

本实施例中，假定二维光束沿慢轴方向切割的份数N=6，则可以根据二 维光束准直和快轴方向压缩后快轴方向的光束宽度H、二维光束在慢轴方向 分割后的宽度L/6、矩形反射玻璃组C中第一块矩形玻璃片的宽边长度a，则 可以求出第一直角梯形玻璃组A中每一块玻璃的厚度为2L/6，相邻玻璃块的 长度差为第二直角梯形玻璃组B中每一块玻璃的 厚度为2L/6，相邻玻璃的长度差为矩形玻璃组C 中矩形玻璃片的厚度为宽边长度从下到上分别为a，

$a-\frac{L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{3L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{2L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{4L}{6\sqrt{2}},$$a-\frac{5L}{6\sqrt{2}}.$

参见图12，本实施例中，半导体激光器二维阵列发出的光束，在经过快 慢轴准直透镜后，变为二维矩形光斑11；当光束经过第一直角梯形玻璃组A 折射后，光束在慢轴方向切割为三等份，形成光斑12；当光束再经过第二直 角梯形玻璃组B反射后，光束在慢轴的每一小份光束再切割为二等分，即慢 轴方向共实现六等份的切割，形成光斑13，从而完成了对光束切割的目的， 同时光束在快轴方向的宽度得到压缩；当光束再经过矩形玻璃组C的反射后， 实现了对分割的光束在快轴方向的重排，形成光斑14，从而完成了对光束的 整形。