实现大功率激光二极管堆光束整形的装置

摘要

本发明为实现大功率激光二极管堆光束整形的装置，属于激光技术领域。本装置包括含有m个芭条的激光二极管堆、由m行n列反射镜组成的叠堆形阶梯反射镜(2)和第二阶梯反射镜(4)，激光二极管堆的每个芭条分别与叠堆形阶梯反射镜(2)的每行反射镜相对应，第二阶梯反射镜(4)位于叠堆形阶梯反射镜(2)的正上方。来自激光二极管堆每个芭条的、经过快轴准直后的光斑(1)被叠堆形阶梯反射镜(2)反射至快轴方向，并在慢轴方向上被分割成n段，同时消除了芭条之间的暗区。该n段光束被第二阶梯反射镜(4)反射，使得光束旋转90度，实现了光束整形。本发明改善了大功率半导体激光二极管堆的光束质量，达到了光束整形的目的。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率激光二极管堆的光束整形装置，属于激光技术应用领域。

背景技术

半导体激光器由于体积小、重量轻、电光效率高等优点得到越来越广泛的应用，尤其大功率半导体激光器的光纤耦合对材料加工具有极大的用处，将成为灯泵固体激光器的有力竞争。但是由于半导体激光器受到自身结构的限制，使其光束质量差，功率密度低。目前普遍采用的多量子阱半导体激光器，其发光单元尺寸水平和垂直方向上分别为100um～200um和1um，导致其垂直方向即快轴方向发散角36～40度，水平方向即慢轴方向为8～10度。而半导体激光器列阵由多个这样的发光单元在水平方向上集成，宽度为10mm，经微透镜准直后，快轴方向的光参数乘积约为(BPP即光束的束腰半径与其远场发散角的乘积)1～2mm.mrad，慢轴方向大约为500mm.mrad。光参数乘积是衡量激光光束的一个重要指标，当经过光学变换系统传输时，光参数乘积是不变的。正是由于这两个方向上的光束质量极不均衡性，很难通过普通的光学成像系统聚焦成小而圆的光斑，以提高功率密度或进行光纤耦合改善其光束质量。因此，必须采用光束整形方法，解决光束质量差，功率密度低的问题。目前光束整形主要是通过将LD(激光二极管)光束分割、旋转、重排，使得慢轴方向上的光束参数乘积减小，达到均衡光参数乘积提高光束质量的目的。其整形方法主要有：折射整形法、折/反射整形法、反射整形法。对于折射整形法，根据折射原理，光束以一定角度入射到透明介质(玻璃板)中，方向将发生改变。如果此介质是平行介质，光束穿过后传播方向不变，但在入射面内位置将发生移动。不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制。采用多层透明介质即可实现光束的重排。从而达到光束整形的目的，武汉凌云光电有限公司采用此方法。

折/反射整形法。美国Apollo Instruments提出的光束整形法。其整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重新行束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出射，沿着慢轴方向被分割成n段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次错位，沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第二个棱镜组，按相同的原理将光束在快轴方向进行重行。结果出射光束经过棱镜组后，光参数积在慢轴方向减小1/n倍，快轴方向增加了n倍。使得两方向有相似的光参数积达到整形的目的。

反射整形法一台阶型反射镜整形系统。首先通过非球面微柱透镜对快轴方向准直，再用两个对称的台阶型反射镜实现输出光场的对称分布。第一个台阶形反射镜的各反射面与慢轴方向成45度，第二个台阶形反射镜各反射面与快轴方向成45度，这样经过快轴准直后的光束通过第一个台阶镜后，被分割成N个单元，且被反射到快轴方向，再经第二个台阶镜反射后传播方向变为慢轴方向且各光束截面旋转了90度，这样达到光束整形的目的。德国的Jenoptik公司就是采用此技术。

但以上提到的三种光束整形方法都只针对单个激光二极管芭条(Diodelaser bar)的光束整形，而目前还没有直接针对大功率激光二极管堆光束整形的装置。

发明内容

本发明提供了一种直接针对大功率激光二极管堆光束整形的装置，该装置直接改善了激光二极管叠堆光束质量、消除了芭条之间的暗区，使其能够聚焦到很小的光斑并耦合到多模光纤中。

为了达到上述目的，本发明采取了如下技术方案：本发明通过叠堆形阶梯反射镜2与第二阶梯反射镜4实现激光二极管堆的光束整形。

本装置主要包括有含有m个芭条的激光二极管堆、由m行n列反射镜组成的叠堆形阶梯反射镜2和第二阶梯反射镜4，激光二极管堆的每个芭条分别与叠堆形阶梯反射镜2的每行反射镜相对应，第二阶梯反射镜4位于叠堆形阶梯反射镜2的正上方；来自激光二极管堆的每个芭条的、经过快轴准直后的光斑1被叠堆形阶梯反射镜2反射至快轴方向，并在慢轴方向上被分割成n段，该n段光束被第二阶梯反射镜4反射，并使得光束旋转90度，实现光束整形的目的。

所述的叠堆形阶梯反射镜2为一个m行n列的阶梯反射镜阵列，行数m与大功率激光二极管堆的芭条数m相同，叠堆形阶梯反射镜2沿慢轴方向的宽度d5和快轴方向的高度d6都与激光二极管堆光斑相同。其中，每行中的n个反射镜均沿着光的传输方向Z2依次前后错开d3的距离，每列中的m个反射镜均沿着快轴方向依次上下错开d1的距离，在行、列均形成阶梯反射镜，m×n个反射镜的反射面均与对应的芭条慢轴方向成45度，每个反射镜在快轴方向上的高度d2与每个芭条快轴方向的光斑大小d2相同，每个反射镜的镜面宽度为d4，每行中的反射镜沿着光传输方向Z2前后错开的阶梯深度d3等于激光二极管堆快轴方向光斑大小的总和d3＝m.d2，每列阶梯反射镜在光轴方向Z2上的宽度也为d3。各行阶梯反射镜之间沿着快轴方向的垂直高度d1与芭条之间不发光区的宽度d1相同。

所述的第二阶梯反射镜4位于叠堆形阶梯反射镜2的正上方，包括有n个反射镜，n个反射镜在第二阶梯反射镜4反射的光轴方向Z4上依次前后错开d4的距离，前后错开阶梯的深度d4与叠堆形阶梯反射镜2的每个镜面宽度d4相同，第二阶梯反射镜4的各个反射面与快轴方向均成45度角。每个反射镜沿其快轴方向的宽度为d3，与激光二极管堆快轴方向光斑大小的总和d3＝m.d2相同，也等于叠堆形阶梯反射镜2在其光轴方向Z2上的阶梯深度d3，第二阶梯发射镜4中的各个反射镜分别与叠堆形阶梯反射镜2的每一列反射镜相对应，这样使来自每一列的反射光束能够经过对应的反射镜反射。

所述的n的取值范围为1～50。

所述的m的取值范围为1～50。

光束整形过程将经过准直后的激光二极管堆的光束入射到叠堆形阶梯反射镜2，经过与其慢轴方向成45度对应的镜面反射后，光束沿其快轴方向传输，消除了由于芭条热沉厚度引起的暗区，且其慢轴方向上的光束被分割成n段，被分割后的n段光束再次入射到第二阶梯反射镜4。第二阶梯反射镜4中的每个反射面与其快轴方向成45度，使被叠堆形阶梯反射镜2分割后的n段光束旋转了90度，达到光束整形的目的。将整形后的光束用柱面镜进行准直，再通过聚焦系统耦合到多模光纤中。

本发明的原理是：首先激光二极管叠堆的每个阵列都经过快轴准直，由于m个芭条的位置分别与叠堆形阶梯反射镜2中的m行阶梯反射镜的位置相对应，所以来自m个芭条的光束分别经过m个反射镜反射；由于叠堆形阶梯反射镜2在其光轴方向Z2上前后错开了d3的距离，则来自每个芭条的、在慢轴方向上的光束均被分割成n段，该n段光束被叠堆形阶梯反射镜2中的45度反射镜反射至快轴方向；又由于叠堆形阶梯反射镜2中的每行反射镜之间沿快轴方向的垂直高度d1和芭条之间热沉的高度d1相同，所以经过叠堆形反射镜2反射后的光束消除了芭条之间由于热沉厚度引起的暗区。在快轴方向上消除暗区的n段光束又经过第二阶梯反射镜4反射，第二阶梯反射镜4中的每个反射镜的宽度d3与叠堆反射镜2中的每列阶梯反射镜的宽度d3相同、并且位置一一对应，所以来自叠堆形反射镜2中的每列反射镜的光束分别被第二阶梯反射镜4中与其对应的反射镜反射，又由于第二阶梯反射镜2中的n个反射镜的方向与其快轴方向成45度，所以反射后将光束旋转90度，最后得到的光斑经过重排，在快轴方向上光参数积增加n倍，而在慢轴方向上光参数积减小了1/n倍，使得光参数积在两个方向上达到均衡。整形光束经过柱面镜准直，由于第二个阶梯反射镜与快轴成45度，所以准直柱面镜与光束传输方向也成45度，最后经过聚焦镜聚焦到很小的光斑，耦合到多模光纤中。

本发明采用叠堆形阶梯反射镜与阶梯反射镜实现大功率激光二极管堆的光束整形，并且消除了芭条之间的暗区，直接改善了大功率半导体激光二极管堆的光束质量，整形光束经过准直聚焦后可直接耦合到多模光纤中。

附图说明

图1实现大功率激光二极管堆光束整形的方法及装置的立体图

图2实现大功率激光二极管堆光束整形的方法及装置的正视图

图3实现大功率激光二极管堆光束整形的方法及装置的左视图

图4大功率激光二极管堆光束整形前后的光斑形状

图中：1、快轴准直后的光斑，2、叠堆形阶梯反射镜，3、45度反射镜，4、第二阶梯反射镜，5、光束整形后的光斑。

具体实施方式

下面结合图1～图4详细说明本实施例。

如图1所示，激光二极管堆由5个芭条组成，经过快轴准直后，每个芭条的光斑尺寸1大约为10mm*0.8mm，即d5＝10mm，d2＝0.8mm，快、慢轴光参数积大约为2mm.mrad、500mm.mrad。激光二极管堆芭条之间的热沉厚度即d1＝1.8mm，则激光二极管堆的快、慢轴光参数积大约为22mm.mrad、500mm.mrad。叠堆形阶梯反射镜2沿慢轴方向的宽度d5和快轴方向的高度d6都与激光二极管堆光斑相同，即d5＝10mm，d6＝5d2+4d1＝11.2mm。每行中的6个反射镜均沿着光的传输方向Z2依次前后错开的距离等于激光二极管堆快轴方向光斑大小的总和，即d3＝5d2＝4mm，每列阶梯反射镜在光轴方向Z2上的宽度也为d3＝4mm。叠堆形阶梯反射镜2中的每个反射面均与对应的芭条慢轴方向成45度，每个反射镜在快轴方向上的高度d2与每个芭条快轴方向的光斑大小d2相同，均为0.8mm。每个反射镜的镜面宽度d4＝10/6＝1.7mm，各行阶梯反射镜之间的垂直高度d1与芭条之间不发光区的宽度d1相同，即d1＝1.8mm。

从激光二极管堆的5个芭条发出的光，经过快轴准直后，入射至叠堆形阶梯反射镜2，精确调整叠堆形阶梯反射镜2，使得每个芭条的光通过每行中的45度反射镜3反射至快轴方向，由于每行中的反射镜都前后错开5个位置，所以在慢轴方向上的光束被分割成6段，每段的宽度即d4＝10/6＝1.7mm。再精确调节第二个阶梯反射镜4，第二个阶梯反射镜4包括有6个反射镜，6个反射镜在第二阶梯反射镜4反射的光轴方向Z4上依次前后错开的距离d4＝10/6＝1.7mm，各个反射镜的反射面与快轴方向均成45度角。每个反射镜的镜面宽度d3＝5d2＝4mm，使得每个反射镜与叠堆形阶梯反射镜2中的每一列位置相对应，则慢轴被分割的光束被第二组阶梯反射镜4反射，使得光束旋转90度，激光二极管堆光束整形后的光斑尺寸5为1.7mm*24mm，快、慢轴的光参数积分别为60mm.mrad和82mm.mrad。再仔细调节柱面镜与光的传输方向成45度，准直慢轴方向的发散角，最后通过双胶合聚焦镜耦合进光纤。

本实施例中的叠堆形阶梯反射镜2中的每列反射镜单独加工，然后将加工后的六列反射镜前后错开固定在一起。