專利名稱：一種大功率半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光束質(zhì)量均勻化裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及半導(dǎo)體激光陣列光束整形，是一種將半導(dǎo)體激光陣列快慢軸光參 數(shù)乘積均勻化的裝置，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕等優(yōu)點，使得它的應(yīng)用變得越 來越廣泛。但是，與其他激光器相比，半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量比較差，光束發(fā)散角較大，遠 場光強呈橢圓高斯分布，聚焦難度較大，在一定程度上限制了它的進一步發(fā)展。為滿足應(yīng)用 上的需求，必須首先對半導(dǎo)體激光的光束進行整形處理。半導(dǎo)體激光器的研究朝著大功率 高光束質(zhì)量的方向發(fā)展，因此對于半導(dǎo)體激光二維陣列的整形，特別是快軸方向高填充因 子的大功率半導(dǎo)體激光陣列的整形，意義重大。半導(dǎo)體激光器的二維陣列也稱為堆棧(stack)，是由半導(dǎo)體激光一維陣列巴 條(Bar)沿快軸方向排列組成?？燧S方向是指垂直于發(fā)光PN節(jié)的方向，慢軸方向是指平行 于發(fā)光PN節(jié)的方向。光束在快軸方向的發(fā)散角為50° 60°，慢軸方向發(fā)散角為5° 10°。評價激光光束質(zhì)量優(yōu)劣的光參數(shù)乘積BPP定義為某個方向上的束腰半徑乘以遠場發(fā) 散角(半角)，單位是mm*mrad。對于半導(dǎo)體激光的Bar，經(jīng)過微透鏡快慢軸準直之后，快 軸的束腰直徑在幾百個微米，快軸的發(fā)散角為幾個毫弧度，快軸的光參數(shù)乘積BPPf為1 2mm-mrad ；慢軸長度的典型值為10mm，慢軸的發(fā)散角為0. 2rad，慢軸的光參數(shù)乘積BPPs為 500mm mrad,快慢軸的光參數(shù)乘積在整形前相差上百倍。光參數(shù)乘積是衡量激光光束質(zhì)量 的一個重要指標，它反映了激光的聚焦能力?？炻S的光參數(shù)乘積相差越大，表示激光的 聚焦能力就越差。光束整形就是將快慢軸的光參數(shù)乘積均勻化，方法是對光束進行分割、旋 轉(zhuǎn)、重排，增加快軸的光參數(shù)乘積、降低慢軸的光參數(shù)乘積，從而達到快慢軸光參數(shù)乘積均 勻化的目的。通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，目前采用比較多的幾何整形方法主要有反射式整形法、折射式整 形法和折反射式整形法。階梯反射鏡法是將經(jīng)過微柱透鏡準直后的光束，通過兩組完全對稱的階梯型發(fā)射 鏡，每組都由N個高反射率表面組成，光束通過第一組階梯反射鏡后在慢軸方向被分割成N 段，每個子光束經(jīng)過第二組階梯反射鏡，再被反射到快軸方向上。原本是一條線狀的光束就 在同一高度上沿慢軸方向被重新排列為平行的N條子光束。整形結(jié)果光場分布為一正方形 光斑，實現(xiàn)了快慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。其缺點是階梯鏡鏡面的加工難度大，在國內(nèi)現(xiàn)有 的加工水平下難以實現(xiàn)。折射式整形法是利用光學(xué)元件對光束的一次或多次折射實現(xiàn)光束均衡的方式。能 實現(xiàn)折射式光束整形的光學(xué)元件很多，包括GRIN透鏡陣列、微柱透鏡陣列、棱鏡組合、光學(xué) 玻璃板片堆、分束堆置折射器等。它的基本原理是利用整形模塊將入射光束沿慢軸方向分 割，并沿快軸方向錯位排列，然后通過另一組整形模塊進一步將偏折后的光束沿慢軸方向 進行重排，從而使出射光變成具有一定形狀的光束，實現(xiàn)光束整形的目的。這種方法的整形
3模塊是由多個光學(xué)玻璃薄板片緊密排列而成，能夠?qū)崿F(xiàn)光束整形，且效率較高。但是這種方 法有一定的局限，隨著半導(dǎo)體激光陣列bar條數(shù)量的增多，需要用的到光學(xué)玻璃薄板片的 數(shù)量隨之成倍增加，光學(xué)玻璃薄板片的累積誤差越來越大，超出了整形模塊的承受范圍，整 形效果變差。與上述方法類似的還有Laserline公司發(fā)明的專利US5986794，同樣存在累積 誤差的問題。折反射整形法的整形思想是利用棱鏡組的折反射，通過兩組棱鏡來分割和重排光 束。兩組棱鏡中各片棱鏡以斜邊為基準，依次按一定距離錯位放置。線光源出射光束從第一 個棱鏡組斜邊入射，線光源與棱鏡組的內(nèi)表面成一定的角度，在各片棱鏡中反射兩次后從 斜邊出，沿著慢軸方向被分成η段，由于棱鏡片錯位，所以出射光束段也順次產(chǎn)生錯位。沿 快軸方向成臺階形分布。然后出射光進入第2個棱鏡組，按著相同的原理將光束在快軸方 向進行重排。結(jié)果出射光經(jīng)過棱鏡組以后，光參數(shù)積在慢軸方向被減小1/η倍，而快方向上 增加了 η倍，從而達到光束整形的目的。這種方法的缺點是棱鏡間的精確定位不好控制，裝 配困難。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y. Wang提出的。

實用新型內(nèi)容本實用新型的目的在于克服上述幾種方案的技術(shù)缺點，提供了一種大功率半導(dǎo)體 激光陣列棱鏡反射式整形裝置。本裝置能夠?qū)崿F(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光的整形目的，減少光功 率的損耗，而且更易于加工、裝調(diào)。為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取了以下技術(shù)方案大功率半導(dǎo)體激光陣列棱鏡反射式整形裝置，包括一組經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡 組，等腰直角棱鏡組由N個尺寸結(jié)構(gòu)相同的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組成，其中N為激光束
在慢軸方向被分割的份數(shù)，由公式#計算得出，其中，BPPs為慢軸的光參數(shù)乘積，
BPPf為快軸的光參數(shù)乘積。每個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組的具體結(jié)構(gòu)如下所述的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡是在一個大等腰直角棱鏡其中的一個直角面上 多出一個小等腰直角棱鏡，小等腰直角棱鏡的直角邊長度等于大等腰直角棱鏡的厚度，小 等腰直角棱鏡的厚度H2等于大等腰直角棱鏡直角邊的長度，小等腰直角棱鏡的一個直角 面D1D2D5D4與大等腰直角棱鏡的一個直角面C3C4C6C5完全重合。大等腰直角棱鏡直角邊 的長度等于待整形的半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺寸，大等腰直角棱鏡的厚度Hl等于半 導(dǎo)體激光陣列慢軸方向尺寸的1/N。大等腰直角棱鏡和小等腰直角棱鏡合成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，一次性加工完成，形成 經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡。所述的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組中包括的N個尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的經(jīng)過改進 的等腰直角棱鏡，各個棱鏡的放置位置不同，具體放置方法為所有的經(jīng)過改進的等腰直角 棱鏡厚度方向沿慢軸方向平行放置，相鄰兩個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在厚度方向上的邊 界面有且僅有一個保持共面，即N個尺寸完全相同的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡沿慢軸方向 的總厚度等于半導(dǎo)體激光陣列慢軸方向的尺寸；所有的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在高度上 保持同一水平；所有的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在垂直于激光陣列發(fā)光面方向上呈階梯狀依次錯開，錯開的距離等于半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺寸。所述的經(jīng)過改進的等腰直角 棱鏡的厚度即指大等腰直角棱鏡的厚度。本裝置通過棱鏡中的兩個全反射面改變光束傳輸?shù)姆较?，對半?dǎo)體激光光束進行 切割旋轉(zhuǎn)重排。整個整形過程在棱鏡組內(nèi)部完成，從棱鏡組出射的光束即為完成整形的光 束，全反射面沒有功率損耗，整個過程只有兩個介質(zhì)交換的界面，大大提高了整形效率，從 而解決了金屬階梯反射鏡整形效率低，功率損耗大的問題。由于該棱鏡反射式整形裝置只 有一個入射面和一個出射面，降低了功率的損耗，整形效率好于其他類型的棱鏡整形方法。 該裝置的效率比較高，特別適合于bar間距較小的大功率半導(dǎo)體激光光束整形，同時該裝 置還具有成本低、加工難度小、結(jié)構(gòu)緊湊、裝調(diào)方便等優(yōu)點。

圖1大功率半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡結(jié)構(gòu)原理圖圖2大功率半導(dǎo)體激光陣列棱鏡反射式整形原理圖圖3大功率半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡組裝置圖圖4大功率半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡組裝置TL平面視圖圖5大功率半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡組裝置TL平面視圖圖6大功率半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡組裝置XY平面視圖圖7大功率半導(dǎo)體激光陣列整形前的光斑示意圖圖8大功率半導(dǎo)體激光陣列整形后的光斑示意圖圖中S、大功率半導(dǎo)體激光陣列，L、經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡，B、半導(dǎo)體激光光 束，Ml、大等腰直角棱鏡的一條直角邊，M2、大等腰直角棱鏡的一條斜邊，M3、小等腰直角棱 鏡的一條直角邊，M4、小等腰直角棱鏡的一條斜邊，HI、大等腰直角棱鏡的厚度，H2、小等腰 直角三角形的厚度，Si、經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡入射面，S卩，大等腰直角棱鏡的一個直角 面，S2、經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的第一個反射面，即大等腰直角棱鏡的斜邊所在的面，S3、 經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的第二個反射面，即小等腰直角棱鏡的斜邊所在的面，S4、經(jīng)過改 進的等腰直角棱鏡的出射面，即小等腰棱鏡的直角邊所在的面，Li、經(jīng)過改進的第一等腰直 角棱鏡，L2、經(jīng)過改進的第二等腰直角棱鏡，L3、經(jīng)過改進的第三等腰直角棱鏡，Bl B3、被 經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡分割的多條光斑，Cl C6、大等腰直角棱鏡的6個頂點，Dl D6、 小等腰直角棱鏡的6個頂點。
具體實施方式
以下結(jié)合附圖，具體說明本實用新型的實施方式本實施例中半導(dǎo)體激光光束在慢軸方向被分割為3份，整形裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所 示，包括沿光的傳播方向依次放置的半導(dǎo)體激光陣列S、經(jīng)過改進的第一等腰直角棱鏡Li、 經(jīng)過改進的第二等腰直角棱鏡L2、經(jīng)過改進的第三等腰直角棱鏡L3。經(jīng)過改進的等腰直角 棱鏡L1、L2、L3的結(jié)構(gòu)完全相同，只是放置位置不同。所有的棱鏡沿半導(dǎo)體激光陣列的慢軸 方向平行放置，前后錯開一定的距離，呈階梯狀分布。前后錯開一定距離的所有棱鏡的第一 個面Si，即面C1C2C4C3，對激光陣列的慢軸進行光束切割，經(jīng)過與第一個反射面呈45°的 第二個面S2，即面C1C2C4C3，光束發(fā)生全反射，經(jīng)過一次全反射后的光束，遇到與第一個面Sl和第二個面S2都呈45°的第三個面S3，即面D1D4D6D3，再次發(fā)生全反射，達到使光束切 割重排的效果。半導(dǎo)體激光陣列反射式棱鏡裝置由N塊結(jié)構(gòu)尺寸完全相同的經(jīng)過改進的等腰直
角棱鏡組成，N是激光束在慢軸方向被分割的份數(shù)，N由公式給出，BPPf和
NBPPs分別是給定的半導(dǎo)體激光陣列的快慢軸光參數(shù)乘積，在本實施例中取N= 3。各棱鏡 的厚度相同，為半導(dǎo)體激光陣列慢軸寬度d的1/N，即d/N。經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的大 等腰直角棱鏡的直角邊長度等于待整形的半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的光斑尺寸h，經(jīng)過改 進的等腰直角棱鏡的小等腰直角棱鏡的直角邊長度等于待整形的半導(dǎo)體激光陣列慢軸方 向的尺寸d的1/N，即d/N，如圖4所示。N片棱鏡沿厚度方向平行放置，沿Z方向依次錯開 的距離為半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺寸h，如圖5所示。各個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的結(jié)構(gòu)相同，為一個大等腰直角棱鏡和一個小等腰 直角棱鏡的組合結(jié)構(gòu)，如圖2所示，經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡是在一個大等腰直角棱鏡其 中一個直角面上多出一個小等腰直角棱鏡，小等腰直角棱鏡的直角邊長度等于大等腰直角 棱鏡的厚度，小等腰直角棱鏡的厚度等于大等腰直角棱鏡直角邊的長度，小等腰直角棱鏡 的一個直角面D1D2D5D4與大等腰直角棱鏡的一個直角面C3C4C6C5完全重合。大等腰直角 棱鏡直角邊的長度等于待整形的半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺寸，大等腰直角棱鏡的厚度 等于半導(dǎo)體激光陣列慢軸方向尺寸的1/N。各個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的厚度d/N相同， 棱鏡直角邊的長度h也相同，只是沿光的傳播方向放置的位置不同，如圖3所示。經(jīng)過改進 的等腰直角棱鏡的數(shù)量N、每片的厚度d/N、等腰直角邊h都需要根據(jù)半導(dǎo)體激光陣列參數(shù) 的不同，通過計算得出。半導(dǎo)體激光陣列的參數(shù)主要包括陣列發(fā)光區(qū)域的快慢軸尺寸、快慢
軸發(fā)散角、快慢軸的束腰半徑、快慢軸的光參數(shù)乘積等等。由^l = MOxV計算出所用棱
鏡的數(shù)量N，由d/N計算出棱鏡的厚度。計算的依據(jù)為整形后的快慢軸的光參數(shù)乘積相等。本實施例中，從半導(dǎo)體激光陣列發(fā)出的半導(dǎo)體激光光束，通光棱鏡的入射面Sl進 入到N塊不同的棱鏡中，經(jīng)過棱鏡的第一個反射面S2，光束發(fā)生全反射，被分割成N份在棱 鏡中傳輸。被分割后的光束入射到棱鏡第二個反射面S3，再次發(fā)生全反射，從棱鏡的出射面 S4出射，光束被重排，如圖7所示。本裝置是通過設(shè)置棱鏡的尺寸，利用光束在棱鏡內(nèi)部的 兩次全反射來達到對光束切割、重排的目的。本整形裝置中各部分的放置方式如下先建立一個直角坐標系，X軸為半導(dǎo)體激 光陣列的慢軸方向，y軸為半導(dǎo)體激光陣列的快軸方向，ζ軸為半導(dǎo)體激光的初始傳輸方 向。如圖3所示，經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡厚度方向沿χ軸方向，小等腰直角棱鏡的厚 度方向沿ζ軸方向。大等腰直角棱鏡沿ζ軸方向，直角邊在前，斜邊在后。N個經(jīng)過改進的 等腰直角棱鏡平行放置，沿χ方向緊貼放置，棱鏡Ll的出射面S4,即C2C6D6D3與棱鏡L2的 面C1C3C5共面，以此類推。沿y軸方向，N個棱鏡的高度一致。沿ζ軸方向，N個棱鏡前后 錯開一定的距離，呈階梯狀放置，錯開距離的大小與單個棱鏡沿ζ軸的長度一致。假定根據(jù)半導(dǎo)體激光陣列的參數(shù)計算出的光束在慢軸方向被分割的份數(shù)N = 3， 如圖3所示。根據(jù)半導(dǎo)體激光陣列給定的光束的高度h和寬度d，可以得出需要加工的棱鏡 的參數(shù)直角邊長度h和棱鏡的厚度d/N，由于光束在棱鏡中發(fā)生全反射，因此棱鏡的折射率η的取值要是半導(dǎo)體經(jīng)過光束能夠發(fā)生全反射。本實施例中，光束B從半導(dǎo)體激光器陣列S 發(fā)出后，光束B的形狀如圖7所示，陣列光束B沿ζ軸正方向傳輸，經(jīng)過棱鏡的入射面Sl入 射到N個棱鏡中，光束B在慢軸方向分割成N份分別在N個棱鏡中傳輸，在棱鏡內(nèi)部鏡面S2 處發(fā)生全反射，光束Bl BN的傳輸方向由沿ζ軸正方向傳輸改為沿y軸正方向傳輸，沿y 軸正方向傳輸?shù)墓馐阽R面S3處再次發(fā)生全反射，被分割的N段光束Bl BN的傳輸方向 由沿y軸正方向傳輸改為沿χ軸負方向傳輸，最后通過棱鏡的出射面S4，得到最后的整形光 斑，完成了對整個激光陣列整形的目的，如圖8所示。
權(quán)利要求1.大功率半導(dǎo)體激光陣列棱鏡反射式整形裝置，其特征在于包括一組經(jīng)過改進的等 腰直角棱鏡組，等腰直角棱鏡組由N個尺寸結(jié)構(gòu)相同的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組成，其中N為激光束在慢軸方向被分割的份數(shù)，由公式# =計算得出，其中，BPf^s為慢軸的光參數(shù)乘積，BPPf為快軸的光參數(shù)乘積；每個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組的具體結(jié)構(gòu)如下所述的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡是在一個大等腰直角棱鏡其中一個直角面上設(shè)置有 一個小等腰直角棱鏡，小等腰直角棱鏡的直角邊長度等于大等腰直角棱鏡的厚度，小等腰 直角棱鏡的厚度等于大等腰直角棱鏡直角邊的長度，小等腰直角棱鏡的一個直角面與大等 腰直角棱鏡的一個直角面完全重合；大等腰直角棱鏡直角邊的長度等于待整形的半導(dǎo)體激 光陣列快軸方向的尺寸，大等腰直角棱鏡的厚度等于半導(dǎo)體激光陣列慢軸方向尺寸的1/ N；大等腰直角棱鏡和小等腰直角棱鏡合成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)，一次性加工完成，形成經(jīng)過 改進的等腰直角棱鏡；所述的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡組中包括的N個尺寸結(jié)構(gòu)完全相同的經(jīng)過改進的等 腰直角棱鏡的放置位置不同，具體放置方法為所有的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡厚度方向 沿快軸方向平行放置，相鄰兩個經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在厚度方向上的邊界面有且僅有 一個保持共面，即N個尺寸完全相同的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡沿慢軸方向的總厚度等于 半導(dǎo)體激光陣列慢軸方向的尺寸；所有的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在高度上保持同一水 平，即都等于半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺寸；所有的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡在垂直于 激光陣列發(fā)光面方向上呈階梯狀依次錯開，錯開的距離等于半導(dǎo)體激光陣列快軸方向的尺 寸；經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的厚度即指大等腰直角棱鏡的厚度。
專利摘要本實用新型是大功率半導(dǎo)體激光陣列整形裝置，屬于激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。該裝置包括一組經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡。該棱鏡組中的經(jīng)過改進的等腰直角棱鏡的尺寸結(jié)構(gòu)完全相同，只是放置位置不同，所有的棱鏡沿半導(dǎo)體激光陣列的慢軸方向平行放置，前后錯開一定的距離，呈階梯狀分布。前后錯開一定距離的所有棱鏡的第一個面對激光陣列的慢軸進行光束切割，經(jīng)過與第一個面呈45°的第二個面，光束發(fā)生全反射，經(jīng)過一次全反射后的光束，遇到與第一個面和第二個面都呈45°的第三個面，再次發(fā)生全反射，達到使光束切割重排的效果。該裝置的效率比較高，特別適合于大功率半導(dǎo)體激光光束整形，同時該裝置還具有成本低、裝調(diào)方便等優(yōu)點。
文檔編號G02B27/09GK201820035SQ20102055585
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月30日
發(fā)明者劉友強, 曹銀花, 王智勇 申請人:山西飛虹激光科技有限公司