用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统

摘要

一种用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统，包括沿大功率激光二极管阵列发出的光束的前进方向依次设置的微柱透镜，别汉棱镜微片整形器、第一柱面透镜和第二柱面透镜，其特征在于所述的别汉棱镜微片整形器是由别汉棱镜薄片紧密排列组成的别汉棱镜微片整形器，每片别汉棱镜的光轴与光束前进方向一致并绕光轴旋转45°设置，所述的第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦点重合。本发明可用于将大功率激光二极管阵列发出的激光耦合进能量传输光纤，也可用于固态激光器的泵浦耦合。本发明具有加工和装配简单，不改变光束传播方向，耦合效率高的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一套能对大功率激光二极管阵列发出的光束进行分割、旋转和整形的光学耦合系统，可将大功率激光二极管阵列出射的激光耦合进光纤中，也可用作固体激光器的抽运耦合系统。

背景技术

激光二极管阵列的发光面多为1×100微米至1×400微米的长方形，发出的激光束在两个方向上具有不通的发散角：沿着长度方向为慢轴，发散角通常为10度；平行于1微米的方向称为快轴，发散角通常为38度。再由不连续的数个这样的发光区呈线形排列组成大功率激光二极管阵列，通常长度方向上达到1cm。不难算得这样的大功率激光二极管阵列在两个方向上的拉格朗日不变量相差可多达上千倍，因此很难将此激光束直接通过透镜组会聚成具有一定焦深的小光斑，也难以进入到具有较低数值孔径(典型值如0.22)的能量传输光纤中。为此有很多发明与方法被用来对激光二极管阵列输出的光束进行整形，其基本的原则是改变快轴与慢轴的拉格朗日不变量，使慢轴方向的拉格朗日不变量减小，而快轴的增大，从而使输出光束能够用透镜组聚焦为具有一定焦深的较小光斑，为能量传输光纤所传输或直接用于抽运激光介质。

图1是一种典型的激光二极管阵列光纤耦合系统，由中科院上海光学精密机械研究所的陆雨田等人提出。图1中激光二极管阵列1发出的激光束经过微柱镜2对快轴方向进行准直，再进入由数片微片棱镜组成的整形器3，经过整形后的光束在两个方向上的拉格朗日不变量几近相同，再经过非球面透镜组4和5聚焦为很小的光斑。该系统的核心部件是称为微片棱镜堆的整形器3，该整形器由数片Dove棱镜薄片倾斜45度角后平行堆叠放置构成。当水平取向的线光源进入该整形器后被分割为数段小线光源，并经过折射和全反射之后变成竖直取向的数段小线光源沿水平方向排列。该整形器具有结构简单，易加工，成本低的特点，缺点是Dove棱镜对非平行光进行旋转时会引入严重的像散，尤其在本例中由于数片棱镜对光束进行了分割，对分割后的每一束光都会产生像散，进而严重影响聚焦光斑的大小与焦深，降低耦合效率。因此采用这项发明的耦合系统目前只能把1cm长的大功率激光二极管发出的激光束的60％的能量耦合进芯径0.6毫米、数值孔径0.22的光纤中。

发明内容

本发明的目的是提供一套用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统，克服上述已有技术的缺点，提高耦合效率，同时保持低成本、安装方便，结构简单的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统，包括沿大功率激光二极管阵列发出的光束的前进方向的依次设置的微柱透镜，整形器、第一柱面透镜和第二柱面透镜，其特征在于所述的整形器是由别汉棱镜薄片紧密排列组成的别汉棱镜微片整形器，每片别汉棱镜的光轴与光束前进方向一致并绕光轴旋转45°设置，所述的第一柱面透镜和第二柱面透镜的焦点重合。

所述的别汉棱镜微片整形器的别汉棱镜片数根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相等的原则来确定。

所述的第二柱面透镜可用球面透镜代替。

本发明的技术效果是由于本发明采用别汉棱镜微片整形器，每片别汉棱镜由两片对称的棱镜组成，因此非平行光在棱镜内发生发射时产生的像散会自动被补偿，同时还保证出射光沿原来的方向前进。克服了上述现有技术的像散。

附图说明

图1是已有技术使用Dove棱镜薄片构成核心整形器的线光束整形器示意图，其中1为线光源，2为微柱透镜，3为微片整形器，4和5均为为非球面透镜。

图2是本发明用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统的结构示意图，其中1为大功率激光二极管阵列，2为微柱透镜，3为别汉棱镜微片整形器，4和5分别为不同焦距的柱面透镜，5也可以是球面透镜或非球面透镜。

图3为别汉棱镜的结构示意图，由对称的两部分组成，玻璃的折射率n为1.517，图3中各参数分别为：

A为单位长度，B＝1.0824A，C＝1.2071A，a＝0.2071A，

D＝1.7071A，E＝1.8284A

α＝22.5°，β＝45°，δ＝112.5°

图4和图5为别汉棱镜微片整形器的结构示意图，其中图4为正视图，即沿光路的方向看；图5为俯视图。

图6为说明水平光束进入一片沿光轴旋转45度放置的别汉棱镜后光束变成垂直光束的光路图。

图7为本发明的别汉棱镜微片整形器如何实现对线形光束分割和旋转的说明示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。先请参阅图2，图2是本发明用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统的结构示意图，由图可见，本发明用于大功率激光二极管阵列的光学耦合系统，包括沿大功率激光二极管阵列1发出的光束的前进方向的依次设置的微柱透镜2，整形器3、第一柱面透镜4和第二柱面透镜5，其特征在于所述的整形器3是由别汉棱镜薄片紧密排列组成的别汉棱镜微片整形器，每片别汉棱镜的光轴与光束前进方向一致并绕光轴旋转45°设置，所述的第一柱面透镜4和第二柱面透镜5的焦点重合。

本发明装置的工作过程：

光学耦合系统包括对大功率激光二极管1发出的激光束的快轴发散角进行压缩的微柱透镜2，对呈线形水平分布的光束进行分割及旋转的别汉棱镜微片整形器3，依次对两个方向进行聚焦的第一柱面透镜4和第二柱面透镜(或球面透镜)5。本发明的核心部件是别汉棱镜整形器3，由数对薄片棱镜沿水平方向堆叠组成。图4和图5分别是别汉棱镜整形器3的左视图(沿光路方向看)和俯视图，从图中可以看出每一对微片棱镜即是一个别汉棱镜，以光束前进的方向为转轴旋转45度，即与水平方向的夹角为45度。由于每个别汉棱镜由两片对称的棱镜组成，因此非平行光在棱镜内发生发射时产生的像散会自动被补偿，同时还保证出射光沿原来的方向前进。从图6中可以看出，水平线形光束进入与水平方向呈45度角放置的别汉棱镜后，光束在棱镜内经过几次反射后，出射时旋转了90度，成为竖直方向的线形光束。从图7能够清楚的看到一束沿水平方向呈线形的平行光束经过微片棱镜整形器3后被分割为数条平行排列的与水平方向垂直的小段线形平行光。

所述的别汉棱镜微片整形器3中的别汉棱镜的片数根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相等的原则来确定。具体说来与微柱透镜对快轴方向的准直程度以及别汉棱镜整形器3所放的位置相关。由于慢轴方向上仍然有10度的发散角，因此整形器应尽量靠近微柱透镜，从而保证不要太多的片数就能使所有的光都进入整形器。为实现高效的耦合，别汉棱镜的片数应该与微柱透镜对快轴发散角的准直程度相配合，使得快轴和慢轴两个方向的拉格朗日不变量相当。设别汉棱镜的片数为N，经微柱透镜1准直后快轴方向的发散角为θ_F′，快轴方向的尺度为D，慢轴方向的发散角为θ_S，慢轴方向的尺度为L，则慢轴方向的拉格朗日不变量为L_S＝θ_S′L，快轴方向的拉格朗日不变量为L_F＝θ_F′D，整形后慢轴方向与快轴方向的拉格朗日不变量分别为L_S′＝θ_F′L和L_F′＝θ_SL/N，则根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相等的原则令L_S′＝L_F′，经过整理得到：

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由于快轴方向是近衍射极限的，所以用微柱透镜对快轴方向进行准直，不难将其发散角从约40度压缩到只有零点几度甚至更小。例如微透镜对快轴的发散角压缩达到80～100倍时，发散角为0.4～0.5度，此时快轴方向的尺度相应由1微米增大到约100微米，根据上述的原则可以算得相应的别汉棱镜的片数应为20～25片。

经过整形器3整形后的光束由第一柱面透镜4和第二柱面透镜(或球面透镜)5分别对两个方向进行聚焦，合理选择柱面镜的焦距使两个方向的焦点在同一位置并且与能量传输光纤的数值孔径相匹配，这样就能够实现大功率激光二极管阵列对光纤的高效耦合，通过耦合系统的优化，可将大功率激光二极管阵列发出的激光束的大于75％的能量耦合进芯径0.4毫米，数值孔径0.22的能量传输光纤中。

采用微柱透镜对长度为1厘米的大功率激光二极管阵列快轴方向准直，调整微柱透镜与发光面之间的距离，通常情况下，不难使得准直后快轴的发散角小于0.5度，此时慢轴方向的发散角将仍然保持不变。考虑到慢轴的尺度随着光束传播会增大，同时，目前大多数大功率激光二极管阵列都由约20个左右的不连续发光区组成，因此采用20片0.5毫米厚的别汉棱镜薄片以光束传播的方向为转轴旋转45度紧密排列组成别汉棱镜微片整形器3，别汉棱镜微片整形器3与微柱透镜的距离仅为2毫米。不难算得此时整形器得宽度约14毫米，可以保证水平方向上所有得光都进入整形器。经整形器整形后的光束先后进入第一柱面透镜4和第二柱面透镜5，第一柱面透镜4的焦距为15毫米，第二柱面透镜5的焦距为20毫米。并且适当调整第一柱面透镜4和第二柱面透镜5放置的位置，可以使快轴方向和慢轴方向的光束聚焦的焦点在同一位置，并且同时具有很小的焦斑尺度。设有表明，本发明装置聚焦的结果能够将75％的激光能量集中在0.4毫米的区域内，其中，约70％的总能量集中在直径0.2毫米的区域内。在焦点处放置芯径0.4毫米、数值孔径0.22的能量传输光纤，便可实现高效的耦合，即将此激光二极管阵列的75％的能量耦合进此光纤中。