專利名稱：衍射微光學元件實現(xiàn)半導體激光器面陣的光束整形方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用衍射微光學元件—二維閃耀光柵陣列(透射式)來對半導體激光器面陣的輸出光束進行整形的方法。
背景技術：
近年來，大功率半導體激光器面陣(stacks)被廣泛應用于泵浦固體激光器、光纖激光器及激光醫(yī)療、材料加工等領域，但由于其輸出光束的質量較差而影響了它的直接應用。光束質量一般常用光參數(shù)積來衡量，光參數(shù)積(BPP)定義為激光束的光腰半徑與遠場發(fā)散角半角的乘積，光參數(shù)積的值越小，光束質量就越好。半導體激光器面陣由若干個吧(bar)疊層列陣構成，各吧之間具有不發(fā)光的間隙，其輸出光束在垂直于結平面(快軸)方向和平行于結平面(慢軸)方向是非對稱的，具有不同的光束質量，其中慢軸方向的光束質量較差，光參數(shù)積達到幾百毫米.毫弧度，是快軸方向的幾十甚至上百倍。在實際應用中，往往需要激光器與光纖進行耦合，根據(jù)光參數(shù)積匹配原則，只有光參數(shù)積不大于光纖的光參數(shù)積的光束才能與光纖進行有效的耦合(光纖的光參數(shù)積由光纖芯徑和數(shù)值孔徑決定，一般為幾十毫米.毫弧度)，因此就必須要對面陣的輸出光束進行整形，實現(xiàn)快慢軸方向光參數(shù)積的均衡，同時消除各吧之間的間隙，提高光功率密度。所謂整形，就是把準直后各吧的輸出光束在慢軸方向分割成若干段，通過一個整形系統(tǒng)使得這些子光束在快軸方向重新排列，一方面可以填滿快軸方向不發(fā)光的間隙，另一方面可以改善慢軸方向的光參數(shù)積，使兩個方向基本一致。這樣再通過合適的聚焦透鏡就可以實現(xiàn)有效的光纖耦合了。
現(xiàn)有的光束整形方法主要有反射整形法和折射整形法。
德國JENOPTIK Laserdiode GmbH的Friedhelm Dorsch等人(SPIEVol.3285，pp.192-128)在1998年用反射整形法實現(xiàn)了由三個吧構成的面陣與800μm-0.2NA的光纖耦合。他們先用階梯反射鏡消除面陣中各吧之間不發(fā)光的間隙，再用布儒斯特角棱鏡壓縮快軸方向的尺寸，得到線形的輸出光束，最后用兩個反射鏡堆實現(xiàn)光束重排。此方法的缺點是器件個數(shù)多，且對較大的面陣，由于快軸方向尺寸壓縮困難而不適用。
2000年時Friedhelm Dorsch等人(SPIE Vol.3945，pp.42-49)又用折射整形法實現(xiàn)了半導體激光器面陣與600μm-0.22NA(或400μm-0.33NA)的光纖耦合。他們采用兩個棱鏡陣列來實現(xiàn)光束整形，此方法的缺點是所需棱鏡個數(shù)較多，器件加工裝調困難。
用衍射光學元件來實現(xiàn)面陣的光束整形，至今沒有見到相關的實驗報導。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種簡單、實用的方法對半導體激光器面陣的輸出光束進行整形。
本發(fā)明的技術解決方案是利用兩個閃耀光柵陣列實現(xiàn)半導體激光器面陣的光束整形，其特點在于包括下列步驟(1)根據(jù)激光器的特點及應用要求設計兩個閃耀光柵陣列的結構及參數(shù)；即根據(jù)面陣激光器快慢軸方向的光參數(shù)積、吧間的間隙和應用要求確定各吧輸出光束準直后的高度及在慢軸方向需分割的段數(shù)。第一個光柵陣列水平方向的陣列數(shù)就等于子光束的個數(shù)，豎直方向的陣列數(shù)等于面陣中吧的個數(shù)，光柵的高度由準直光束的高度決定，長度等于子光束的長度。各子光束通過該陣列后進行偏轉，實現(xiàn)重排。光柵的相位結構由光束偏轉角度決定。第二個光柵陣列為疊層列陣，陣列數(shù)等于子光束的個數(shù)，位于光束重排面上，作用是校正各子光束的傳播方向，使其平行于系統(tǒng)的光軸方向。光柵的高度等于準直光束的高度，長度由入射光束決定，相位結構由入射光束的角度決定。
(2)利用二元光學加工工藝在石英基片上制作出所需器件；
即根據(jù)兩個閃耀光柵陣列的結構及參數(shù)制作相應的掩模圖形，再經過光刻和刻蝕工藝制作出所需臺階型器件。
(3)根據(jù)激光器的激射波長在器件表面鍍上相應的增透膜；(4)將兩個閃耀光柵陣列按設計的位置放入光路中，激光器的輸出光束通過這兩個器件后實現(xiàn)重排，達到光束整形的目的。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比的優(yōu)點在于它是通過兩個閃耀光柵陣列來實現(xiàn)光束整形的，器件結構簡單，易于實現(xiàn)，可提高制作精度。同時由于衍射器件具有體積小、重量輕、集成性好、易于復制等特點，不但可以克服折、反射器件裝調困難的缺點，而且適合批量生產，可以降低系統(tǒng)成本。


圖1是實施例1中閃耀光柵陣列一的結構示意圖；圖2是實施例1中閃耀光柵陣列二的結構示意圖；圖3是光束通過兩個閃耀光柵陣列的變換光路圖；圖4是實施例2中閃耀光柵陣列一的結構示意圖；圖5是實施例2中閃耀光柵陣列二的結構示意圖。
具體實施例方式
實施例1，如圖1、圖2和圖3所示。
本發(fā)明的實例1是對由10個吧構成的面陣進行整形，各吧之間的間距為1.8mm，實現(xiàn)與400μm-0.37NA的光纖耦合，具體整形步驟如下(1)根據(jù)激光器的特點及光參數(shù)積匹配原則決定將每個吧的輸出光束在慢軸方向分割成3段，準直光束的高度為1.8/3＝0.6mm，由此設計出閃耀光柵陣列一的結構如圖1所示。該陣列由10條相同器件構成，分別對每個吧的輸出光束進行變換，以實現(xiàn)光束重排。由于把光束分割成奇數(shù)段，中間部分的光束不需偏轉，所以每條器件左右兩部分為二維閃耀光柵，中間為平板。
(2)重排后各子光束的傳播方向不同，故設計閃耀光柵陣列二來校正各子光束的傳播方向，如圖2所示，該陣列由10組相同的器件構成，每組上下兩部分為二維閃耀光柵，中間為平板。
(3)根據(jù)設計結果在石英基片上制作出所需二元器件，并鍍上相應的增透膜。
(4)將兩個閃耀光柵陣列按設計的位置放入光路中，光束通過兩個整形器件的變換情況如圖3所示(以三個吧為例)。經過陣列一后，各光束在慢軸方向分成3部分，左右兩部分在慢軸方向向系統(tǒng)中心偏轉，在快軸方向向遠離系統(tǒng)中心的方向偏轉，中間部分傳播方向不變，當傳播到陣列二前表面時，各部分光束在快軸方向實現(xiàn)層疊排列，形成矩形的輸出光場，消除了吧間不發(fā)光的間隙，但傳播方向互不相同。經過陣列二后，各光束平行傳播。整形后慢軸方向的光參數(shù)積減小3倍，快軸方向則擴大3倍，使得兩個方向的光參數(shù)積比較對稱，從而實現(xiàn)與光纖的有效耦合。
實施例2本發(fā)明的實例2仍是對由10個吧構成的面陣進行整形，實現(xiàn)與400μm-0.37NA的光纖耦合，不過各吧之間的間距為2.4mm，具體整形步驟如下(1)根據(jù)激光器的特點及光參數(shù)積匹配原則決定將每個吧的輸出光束在慢軸方向分割成4段，準直光束的高度為2.4/4＝0.6mm，由此設計出閃耀光柵陣列一的結構如圖4所示。該陣列與實施例1一樣由10條器件構成，不同的是每條器件由4個具有不同閃耀角的二維閃耀光柵構成，對各子光束進行偏轉變換。
(2)閃耀光柵陣列二如圖5所示，該陣列由10組相同器件構成，每組由4個二維閃耀光柵疊層列陣構成，分別校正各子光束的傳播方向。
(3)根據(jù)設計結果在石英基片上制作出所需二元器件，并鍍上相應的增透膜。
(4)將兩個閃耀光柵陣列按設計的位置放入光路中，光束通過兩個整形器件后在慢軸方向分割成4部分，在快軸方向實現(xiàn)重排。整形后慢軸方向的光參數(shù)積減小4倍，快軸方向則擴大4倍。
權利要求
1.衍射微光學元件實現(xiàn)半導體激光器面陣的光束整形方法，其特征在于(1)根據(jù)激光器的特點及應用要求設計兩個閃耀光柵陣列的結構及參數(shù)；(2)利用二元光學加工工藝在石英基片上制作出所需器件，并鍍上相應的增透膜；(3)將兩個閃耀光柵陣列按設計的位置放于整形光路中，對光束進行重排變換，達到改變光參數(shù)積的目的。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種利用衍射微光學元件——二維閃耀光柵陣列(透射式)來對半導體激光器面陣的輸出光束進行整形的方法。該方法首先根據(jù)激光器的特點及應用要求設計出閃耀光柵陣列的結構及參數(shù)，再利用二元光學加工工藝制作出所需器件，通過這兩個器件對準直后的激光束進行重排變換，以實現(xiàn)快慢軸方向光參數(shù)積的對稱化。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、集成性好等特點，克服了折、反射系統(tǒng)器件加工裝調困難的缺點，結構簡單，方便實用。
文檔編號G02B27/42GK1740844SQ200410009489
公開日2006年3月1日 申請日期2004年8月27日 優(yōu)先權日2004年8月27日
發(fā)明者鄭春艷, 周崇喜, 杜春雷 申請人:中國科學院光電技術研究所