專利名稱：單片平行平板鏡光束整形器及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種單片平行平板鏡光束整形器，可以適用于不同尺寸的線列陣半導(dǎo)體激光器的光束整形。該整形器將線列陣半導(dǎo)體激光器輸出的線形光束沿其慢軸方向分割成N段子光束，然后沿快軸方向重新緊密排列，達(dá)到減小慢軸光束參數(shù)積并增大快軸光束參數(shù)積的目的，均衡了這兩個正交方向的光束參數(shù)積，大大提高了線列陣半導(dǎo)體激光器的耦合聚焦性能。
背景技術(shù)：
上世紀(jì)80年代以來，隨著半導(dǎo)體材料生長技術(shù)、激光器封裝和制冷技術(shù)的進(jìn)步，大功率、長壽命、高封裝密度的大功率半導(dǎo)體激光器逐漸成熟。但是半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量很差，光亮度低，限制了該器件的應(yīng)用。目前該器件的兩個主要應(yīng)用領(lǐng)域包括一、工業(yè)加工領(lǐng)域；二、作為DPL(Diode Pumped Lasers)的泵浦源。在兩個主要的應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，進(jìn)一步提高大功率半導(dǎo)體激光器的光亮度始終是國內(nèi)外研究的熱點。
提高大功率半導(dǎo)體激光器的光亮度主要通過三種辦法其一，提高單個管芯的光功率輸出或提高光束質(zhì)量，從而使列陣的功率密度增加；其二，實現(xiàn)高密度封裝；其三，利用光學(xué)手段對大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光束復(fù)合或稱為光束整形，在保證輸出光功率不變的前提下提高光束質(zhì)量，或保證光束質(zhì)量不變的前提下提高激光輸出功率，從而得到高亮度激光器件。光束整形不僅可以達(dá)到提高半導(dǎo)體激光器光亮度的目的，同時也是光纖耦合的基礎(chǔ)，光束整形技術(shù)可以極大改善半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量從而大大降低光纖耦合的難度，并進(jìn)一步形成高端產(chǎn)品。這些高亮度的半導(dǎo)體激光器不僅可以用來泵浦高光束質(zhì)量的固體激光器和光纖激光器，而且可以直接應(yīng)用于軍事、工業(yè)加工、航空航天、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
典型的線列陣大功率半導(dǎo)體激光器是一個包括20—50個發(fā)光區(qū)的線形列陣，每個單元寬度大約為50—200μm。由于每個發(fā)光區(qū)的有源區(qū)橫截面是長條的，在平行于結(jié)平面(慢軸方向)發(fā)光區(qū)寬度約為10mm，在垂直于結(jié)平面(快軸方向)發(fā)光區(qū)寬度約為1μm，而發(fā)散角在兩個方向上差異也很大，慢軸方向上，發(fā)散角約為100，快軸方向上，發(fā)散角約為400，導(dǎo)致激光器在兩個方向的光束質(zhì)量相差很大，光束分布極不對稱，且兩個方向存在很大像差，難以聚焦到小光斑以適用于光纖輸出或端面泵浦固體激光器。
最常用的光束整形技術(shù)就是光纖捆綁耦合技術(shù)，此外還有空間復(fù)合技術(shù)、波長復(fù)合技術(shù)、偏振復(fù)合技術(shù)、棱鏡堆重組技術(shù)和微光學(xué)元件折射、反射或衍射整形技術(shù)等。各種半導(dǎo)體激光器光束整形方法，大致可以分為三類第一類是光纖捆綁耦合技術(shù)；第二類包括空間復(fù)合技術(shù)、波長復(fù)合技術(shù)、偏振復(fù)合技術(shù)等，都是在保證光束質(zhì)量不變的前提下通過復(fù)合多個激光器列陣提高激光輸出功率；第三類包括棱鏡堆重組技術(shù)和微光學(xué)元件折射、反射或衍射整形技術(shù)等，先對快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，再把LD線陣在慢軸方向分割成若干個子單元，并使得這些子單元的出射光束在快軸方向重新排列，從而得到對稱性較好的二維光場分布，最后再對慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，在保證輸出光功率不變的前提下提高了光束質(zhì)量。這樣得到的輸出光場具有低發(fā)散、高對稱性、高填充比(相應(yīng)地光強均勻性也較高)的特點，可以被聚焦成極小的圓光斑，耦合到固體激光棒或光纖中去。關(guān)于第三類光束整形技術(shù)，近十年國際上和國內(nèi)的研究者提出了許多方法，我們的發(fā)明也屬于這一類。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種單片平行平板鏡光束整形器及其制作方法，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)、調(diào)節(jié)靈活、價格低廉且廣泛適用于不同尺寸的線列陣半導(dǎo)體激光器的光束整形裝置，通過將本整形裝置置于光路中精確調(diào)節(jié)后，實現(xiàn)將線列陣半導(dǎo)體激光器輸出的線形光束沿其慢軸方向分割成N段子光束，然后沿快軸方向重新緊密排列，達(dá)到減小慢軸光束參數(shù)積并增大快軸光束參數(shù)積的目的，均衡了兩個正交方向的光束參數(shù)積，大大提高了線列陣半導(dǎo)體激光器的耦合聚焦性能。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是 本發(fā)明提供一種單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，包括 一平行平板鏡，該平行平板鏡為矩形； 一第一反射膜，該第一反射膜制作在平行平板鏡正面的一側(cè)面上；形成光束反射區(qū)； 一第二反射膜，該第二反射膜制作在平行平板鏡背面的與第一反射膜方向相差90度的一側(cè)面上； 其中平行平板鏡上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
其中所述平行平板鏡正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
其中所述平行平板鏡正面的第一反射膜的尺寸可以使所有由反面而來的反射光全部被反射。
本發(fā)明提供一種單片平行平板鏡光束整形器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1取一平行平板鏡，該平行平板鏡為矩形； 步驟2在平行平板鏡的正面的一側(cè)面上制作有一第一反射膜； 步驟3在平行平板鏡背面與第一反射膜的方向相差90度一側(cè)的面上制作有一第二反射膜； 其中平行平板鏡上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
其中所述平行平板鏡正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
其中所述平行平板鏡正面的第一反射膜的尺寸可以使所有由反面而來后端面的反射光全部被反射。
為進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實施例及附圖詳細(xì)說明如后，其中 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)立體圖。
圖2是本發(fā)明平行平板鏡正面光束反射區(qū)和光束透射區(qū)分布示意圖； 圖3是本發(fā)明平行平板鏡反面光束反射區(qū)和光束透射區(qū)分布示意圖； 圖4是兩束相鄰子光束傾斜入射到平行平板鏡的光束整形過程示意圖； 圖5是俯視線列陣半導(dǎo)體激光器慢軸方向光束整形過程示意圖； 圖6是側(cè)視線列陣半導(dǎo)體激光器快軸方向光束整形過程示意圖。
具體實施例方式 請參閱圖1所示，本發(fā)明一種單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，包括 一平行平板鏡10，該平行平板鏡10為矩形； 一第一反射膜20，該第一反射膜20制作在平行平板鏡10正面的一側(cè)面上；形成光束反射區(qū)； 一第二反射膜30，該第二反射膜30制作在平行平板鏡10背面的與第一反射膜20方向相差90度的一側(cè)面上； 其中平行平板鏡10上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
其中所述平行平板鏡10正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
其中所述平行平板鏡10正面的第一反射膜20的尺寸可以使所有由反面而來的反射光全部被反射。
請再參閱圖1所示，本發(fā)明一種單片平行平板鏡光束整形器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟 步驟1取一平行平板鏡10，該平行平板鏡10為矩形； 步驟2在平行平板鏡10的正面的一側(cè)面上制作有一第一反射膜20； 步驟3在平行平板鏡10背面與第一反射膜20的方向相差90度一側(cè)的面上制作有一第二反射膜30； 其中平行平板鏡10上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
其中所述平行平板鏡10正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
其中所述平行平板鏡10正面的第一反射膜20的尺寸可以使所有由反面而來后端面的反射光全部被反射。
采用正反面分別制作不同的光束反射區(qū)和光束透射區(qū)的單片平行平板鏡實現(xiàn)對線列陣半導(dǎo)體激光器的光束整形，是從平行平板鏡正面光束透射區(qū)傾斜入射進(jìn)入平行平板鏡的激光一部分從平行平板鏡反面的光束透射區(qū)透射出去，剩余部分在正反面的光束反射區(qū)進(jìn)行一次或多次反射，最后從反面的光束透射區(qū)透射出去，從而達(dá)到線形激光光束在慢軸方向被切割、在快軸方向被重排的目的。
圖1是本發(fā)明單片平行平板鏡光束整形器的結(jié)構(gòu)立體圖，矩形平行平板鏡10，制作在平行平板鏡10正面一側(cè)的第一反射膜20，制作在平行平板鏡10背面的與第一反射膜20方向相差90度的一側(cè)上的第二反射膜30，其中平行平板鏡10上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
圖2和圖3分別為平行平板整形鏡的正面和反面光束反射區(qū)和光束透射區(qū)分布的示意圖。我們設(shè)定線列陣半導(dǎo)體激光器慢軸方向為x軸，快軸方向為y軸，光束傳播方向為z軸方向。平行平板鏡與激光器之間以一定角度放置，將平行平板鏡的坐標(biāo)系設(shè)為x’、y’、z’軸，則平行平板鏡放置的方向可以用x’軸與x軸的夾角θx和y’軸與y軸的夾角θy表示。
將線列陣半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束視為一條在慢軸方向(x軸方向)由N段光束排列成的條形光束，則將此條形光束沿慢軸方向分成N段子光束，并使得這N段光束重新沿快軸方向(y軸方向)重排，就達(dá)到了光束整形的目的。圖4所示是兩束相鄰子光束傾斜入射到平行平板鏡的光束整形過程示意圖，光束1和光束2表示x軸方向兩束相鄰的子光束，光束1從平板鏡正面的光束透射區(qū)處折射進(jìn)入，從反面的光束透射區(qū)折射出來，為達(dá)到光束整形的目的，光束2需要沿著x軸方向平移到光束1的位置，同時沿著y軸方向平移到光束1的正上方或正下方(緊貼光束1沿快軸方向排列)。因此當(dāng)光束2同樣從平板鏡正面的光束透射區(qū)折射進(jìn)入后，至少要經(jīng)過一次在平板鏡反面光束反射區(qū)的反射，一次在平板鏡正面光束反射區(qū)的反射，也可以在平板鏡10反面和正面的光束反射區(qū)之間經(jīng)過多次反射，最終從平板鏡10反面的光束透射區(qū)折射出來。圖中顯示的是光束2經(jīng)歷一次平板鏡反面反射、一次平板鏡正面反射的情況。
設(shè)平行平板鏡10的折射率為n，厚度為d，入射角為θ，折射角為θ’，根據(jù)折射定律有如下關(guān)系 nsinθ′＝sinθ(1) 若令光束2從平板鏡10正面光束透射區(qū)折射進(jìn)入，經(jīng)歷一次平板鏡10反面反射、一次平板鏡10正面反射，然后從平板鏡10反面光束透射區(qū)折射出來恰好平移到了光束1的正下方(如上所述位置關(guān)系)，則有如下關(guān)系式 Δd＝2dtanθ′cosθ (2) 其中Δd為平移距離。
圖5和圖6所示分別為俯視慢軸方向和側(cè)視快軸方向光束整形過程示意圖，圖中將線列陣半導(dǎo)體激光器的條形光束沿慢軸方向分成5束子光束，分別用光束1’一光束5’來表示，光束整形過程即為將初始沿慢軸方向緊密排列的光束1’一光束5’分開，并重新沿快軸方向由上至下緊密排列為光束1’一光束5’。圖5中標(biāo)有光束反射區(qū)的部分為制作圖1中反射膜20的部分。
下面我們以包含19個發(fā)光區(qū)的線列陣半導(dǎo)體激光器為例，說明整個光束整形過程 由于線列陣半導(dǎo)體激光器在快軸方向發(fā)散角約為40°，在慢軸方向發(fā)散角約為10°，光束十分發(fā)散，因此首先對線列陣半導(dǎo)體激光器進(jìn)行快慢軸光束準(zhǔn)直，利用快慢軸準(zhǔn)直透鏡模塊高精度集成之后，可以實現(xiàn)快軸發(fā)散角小于0.5°，慢軸發(fā)散角小于5°。
然后根據(jù)線列陣半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和光束整形的要求確定平行平板鏡10的光束透射區(qū)和光束反射區(qū)分布以及平行平板鏡放置的方向。
包含19個發(fā)光區(qū)的線列陣半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下每個發(fā)光區(qū)寬度為150μm，步長為500μm，經(jīng)過快慢軸光束準(zhǔn)直后，快軸方向光束高度約為500μm，慢軸光束總寬度約為為11mm。我們選擇K9玻璃作為平行平板鏡10，厚度選為2mm，折射率n為1.51637。
我們假設(shè)整形要求是將條形光束沿慢軸方向分成19束子光束，并重新沿快軸方向緊密排列，則需每束子光束沿慢軸方向平移500μm距離(等于發(fā)光區(qū)步長)，同時沿快軸方向平移500μm距離(等于快軸方向光束高度)。根據(jù)式(1)、式(2)有 其中Δdx＝500μm，Δdy＝500μm，n＝1.51637，d＝2mm。則可以得出 θx＝11.05° θy＝11.05° 即平行平板鏡放置的方向與x軸和y軸的夾角θx和θy為11.05°時，可以實現(xiàn)線列陣半導(dǎo)體激光器發(fā)出的條形光束在慢軸方向被分成19束子光束，并重新沿快軸方向被重排。
本實用新型單片平行平板平面鏡光束整形器，僅用一片制作有反射膜20和反射膜30的平行平板鏡10就實現(xiàn)了線列陣發(fā)出的線形光束沿慢軸方向被切割，并沿快軸方向重新緊密排列的光束整形目的，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計新穎，調(diào)節(jié)靈活，成本低廉，大大提高了線列陣半導(dǎo)體激光器的聚焦耦合性能。
上述實施例僅是為了方便說明而舉例而已，本發(fā)明所主張的權(quán)利范圍自應(yīng)以權(quán)利要求范圍所述為準(zhǔn)，而非僅限于上述實施例。
權(quán)利要求
1、一種單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，包括
一平行平板鏡，該平行平板鏡為矩形；
一第一反射膜，該第一反射膜制作在平行平板鏡正面的一側(cè)面上；形成光束反射區(qū)；
一第二反射膜，該第二反射膜制作在平行平板鏡背面的與第一反射膜方向相差90度的一側(cè)面上；
其中平行平板鏡上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，其中所述平行平板鏡正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，其中所述平行平板鏡正面的第一反射膜的尺寸可以使所有由反面而來的反射光全部被反射。
4、一種單片平行平板鏡光束整形器的制作方法，其特征在于，包括如下步驟
步驟1取一平行平板鏡，該平行平板鏡為矩形；
步驟2在平行平板鏡的正面的一側(cè)面上制作有一第一反射膜；
步驟3在平行平板鏡背面與第一反射膜的方向相差90度一側(cè)的面上制作有一第二反射膜；
其中平行平板鏡上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
5、根據(jù)權(quán)利要求4所述的單片平行平板鏡光束整形器的制作方法，其特征在于，其中所述平行平板鏡正面的光束透射區(qū)的高度大于被整形光束的高度。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的單片平行平板鏡光束整形器的制作方法，其特征在于，其中所述平行平板鏡正面的第一反射膜的尺寸可以使所有由反面而來后端面的反射光全部被反射。
全文摘要
本發(fā)明一種單片平行平板鏡光束整形器，其特征在于，包括一平行平板鏡，該平行平板鏡為矩形；一第一反射膜，該第一反射膜制作在平行平板鏡正面的一側(cè)面上；形成光束反射區(qū)；一第二反射膜，該第二反射膜制作在平行平板鏡背面的與第一反射膜方向相差90度的一側(cè)面上；其中平行平板鏡上制作有反射膜的部分為光束反射區(qū)，未制作反射膜的部分為光束透射區(qū)。
文檔編號G02B1/10GK101435883SQ20071017740
公開日2009年5月20日 申請日期2007年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月15日
發(fā)明者淋 韓, 王翠鸞, 馮小明, 劉媛媛, 偉 李, 馬驍宇 申請人:中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所