專利名稱：一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光二極管陣列光束整形及耦合，具體涉及一種激光二極管陣列的光纖耦合或固體激光泵浦耦合的光束耦合聚焦裝置。
背景技術(shù)：
這些年來，激光技術(shù)發(fā)展迅速，其應(yīng)用范圍也日益擴(kuò)大，激光技術(shù)在不停地改善我們的生活質(zhì)量。用于固體激光的泵浦光源有兩種氙燈或氪燈和激光二極管。激光二極管具有體積小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換效率高、壽命長和可直接調(diào)制等特點(diǎn)，具有美好的市場未來。隨著激光二極管成本的降低，在某些領(lǐng)域，激光二極管正逐步取代傳統(tǒng)泵浦氙燈。在某些工業(yè)應(yīng)用方面，以二極管激光為激光光源被直接應(yīng)用到切割、焊接和表面處理，等等。 單管激光二極管由于受腔面災(zāi)變失效的影響，最大輸出功率通常為瓦的量級，無法滿足具體應(yīng)用的要求。而在某些實(shí)際應(yīng)用中又迫切需要大功率的二極管激光光源或泵浦源，因此必須將許多激光二極管制成陣列(array)或堆棧(stack)，以滿足實(shí)際應(yīng)用要求。激光二極管陣列一般由多個激光二極管發(fā)射單元排成一列組成，常見有19、25或49等幾種。單個激光發(fā)射單元的光束分布存在很大的非對稱性，其發(fā)光面積一般為1Χ50μπι2至1X400 μ m2，其快軸全角發(fā)散角一般在30-40° ,慢軸全角發(fā)散角在8-10° ,兩者的發(fā)散角相差3-4倍。激光二極管陣列的發(fā)光面積一般為IymXlOmm或以上，其激光光束的空間分布具有巨大的非對稱性。一般地，激光二極管陣列要達(dá)到實(shí)際應(yīng)用的要求，都必須對激光二極管陣列進(jìn)行光學(xué)整形，即壓縮激光二極管陣列的快軸和慢軸的發(fā)散角，最理想的狀態(tài)是將其激光光束整形成均勻分布的方形(或圓形)光斑。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，出現(xiàn)了多種耦合聚焦激光二極管陣列的解決方案?，F(xiàn)有技術(shù)中解決此問題的第一種方案是基于使用偏心衍射透鏡陣列。采用第一組衍射透鏡陣列來準(zhǔn)直和引導(dǎo)單管激光發(fā)射單元快軸和慢軸方向的光線堆棧地排列到第二組衍射透鏡陣列的快軸上。第一組衍射透鏡陣列引入了光線的傾斜，而第二組衍射透鏡陣列則補(bǔ)償了這種傾斜，從而使光束直立出射，出射光被透鏡耦合聚焦。這種方法最大的一個缺點(diǎn)是使用了兩組衍射光學(xué)元件，整個裝置的透過率較低?，F(xiàn)有技術(shù)中解決此問題的第二種方案是基于使用兩個平行的偏心反射鏡。這種解決方案使用了高效的快軸準(zhǔn)直器件，系統(tǒng)透過率較高，這種解決方案對兩個反射鏡之間的平行性要求較高，對裝置的安裝要求高?，F(xiàn)有技術(shù)中解決此問題的第三種方案是采用偏斜光線成像系統(tǒng)。這種解決方案使用稍微傾斜放置的一快軸準(zhǔn)直單元使單管激光發(fā)射單元發(fā)射方向不在同一水平面上；然后再用一普通的場鏡使各個激光發(fā)射單元的激光堆棧排列在快軸方向上；最后使用一組透鏡和在透鏡組中加放一衍射光學(xué)元件對激光二極管陣列的光束進(jìn)行耦合聚焦?，F(xiàn)有技術(shù)中解決此問題的第四種方案是先采用一個快軸準(zhǔn)直單元壓縮激光二極管陣列快軸的發(fā)散角，接著采用一組光束旋轉(zhuǎn)陣列使激光束分布空間旋轉(zhuǎn)90°，然后用一組普通柱透鏡組成的光學(xué)壓縮系統(tǒng)和在該光學(xué)壓縮系統(tǒng)內(nèi)插入一復(fù)眼準(zhǔn)直器來壓縮和勻化激光束，最后用一非球面透鏡來耦合聚焦激光二極管陣列。第三種和第四種解決方案雖然耦合效率高，但是它們都插入了衍射光學(xué)元件和更多的普通光學(xué)元件，從而帶來了更多的插入損耗和降低了系統(tǒng)的緊湊性。在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，急需開發(fā)一種耦合效率高、插入損耗小和緊湊性好的光學(xué)耦合聚焦裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種耦合效率高、插入損耗小和緊湊性好的光學(xué)耦合聚焦裝置。為此，本發(fā)明提供了一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置，包括沿光束前進(jìn)方向依次放置的激光二極管陣列、快軸準(zhǔn)直單元、光束旋轉(zhuǎn)陣列、復(fù)曲面反射鏡和目的光學(xué)，其特征在于，所述的激光二極管陣列、快軸準(zhǔn)直單元、光束旋轉(zhuǎn)陣列平行排列，所述的復(fù)曲面反射鏡傾斜位于光束旋轉(zhuǎn)陣列之后，所述的目的光學(xué)位于復(fù)曲面反射鏡的焦點(diǎn)處。進(jìn)一步的，所述的激光二極管陣列由8-20個激光二極管發(fā)射單元并排排成一列組成。 進(jìn)一步的，所述的快軸準(zhǔn)直單元為折射光學(xué)元件，所述的快軸準(zhǔn)直單元為柱透鏡或光纖透鏡。進(jìn)一步的，所述的快軸準(zhǔn)直單元表面鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。進(jìn)一步的，所述的光束旋轉(zhuǎn)陣列由斜置45°的柱面微透鏡組構(gòu)成，柱面透鏡組中單個柱面透鏡單元的主軸與激光二極管陣列水平方向的夾角為45°，單個柱面透鏡單元的數(shù)目與激光二極管陣列中的激光二極管的數(shù)目相同且一一對應(yīng)，保證每個激光二極管發(fā)出的光可被對應(yīng)的柱面透鏡單元空間旋轉(zhuǎn)90°，柱面透鏡組的柱面所在平面與激光二極管陣列的發(fā)光方向垂直。進(jìn)一步的，所述的光束旋轉(zhuǎn)陣列的通光面上鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。進(jìn)一步的，所述的復(fù)曲面反射鏡在X軸和y軸上具有相同或不同的曲率半徑。進(jìn)一步的，所述的復(fù)曲面反射鏡的法線與入射光束的夾角在0-45°之間。進(jìn)一步的，所述的復(fù)曲面反射鏡的接收面上鍍有對激光具有高反射率的介質(zhì)膜。進(jìn)一步的，所述的目的光學(xué)為光纖或者激光晶體，所述的光纖或者激光晶體表面鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。本發(fā)明的有益效果在于第一，整個耦合聚焦裝置不包含衍射光學(xué)元件，插入損耗?。坏诙?，光束旋轉(zhuǎn)陣列將每個激光二極管單元的光束在分布空間旋轉(zhuǎn)了 90°，使各個單管二極管激光束在水平方向上是相互平行的，更有益于陣列光束的耦合聚焦，提高了耦合效率；第三，用復(fù)曲面反射鏡進(jìn)行耦合聚焦與用透鏡進(jìn)行聚焦相比，減小了光束在介質(zhì)中的損耗；用復(fù)曲面反射鏡進(jìn)行耦合聚焦時，目的光學(xué)可離軸擺放，目的光學(xué)的位置不需要與激光二極管陣列、快軸準(zhǔn)直單元、光束旋轉(zhuǎn)陣列在一條直線上，使整個裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊，便于裝置的小型化設(shè)計。


圖I是激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是光束旋轉(zhuǎn)陣列結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是光束旋轉(zhuǎn)陣列中單個柱面透鏡單元光束旋轉(zhuǎn)示意圖。
圖4是復(fù)曲面反射鏡點(diǎn)成像示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步闡釋。如圖I所示，本發(fā)明的激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置包括沿激光發(fā)射方向依次排列的激光二極管陣列1，快軸準(zhǔn)直單元2，光束旋轉(zhuǎn)陣列3，復(fù)曲面反射鏡4，在復(fù)曲面反射鏡4的焦點(diǎn)處放置目的光學(xué)5。其中，激光二極管陣列I由8-20個激光二極管發(fā)射單元排成一列組成，激光二極管陣列的發(fā)光面積大于等于I μ mX lcm，單個激光二極管發(fā)射的激光光束存在很大的不對稱性，其快軸全角發(fā)散角一般為40°左右，慢軸全角發(fā)散角一般為10°左右。因此，激光二極管陣列發(fā)射的激光光束的空間分布具有很大的非對稱性，為達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求，激光二極管陣列I需經(jīng)過光學(xué)整形。 快軸準(zhǔn)直單元2采用折射光學(xué)元件，可以選擇柱狀透鏡或光纖透鏡，如圖I所示，快軸準(zhǔn)直單元2與激光二極管陣列I水平方向平行，快軸準(zhǔn)直單元2的通光面上鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。激光二極管陣列I發(fā)出的激光光束經(jīng)過快軸準(zhǔn)直單元2后，快軸光束發(fā)生折射，快軸發(fā)散角被壓縮，快軸光束被整形為平行光束，光束的發(fā)射方向與激光二極管陣列I和快軸準(zhǔn)直單元2方向垂直，而慢軸光束可自由通過不發(fā)生折射，沿原光路前進(jìn)。激光二極管陣列I發(fā)出的光束通過快軸準(zhǔn)直單元2后，在快軸方向上是平行的，而在慢軸方向上仍然是發(fā)散的。激光二極管陣列I發(fā)出的光束形成的發(fā)光面在慢軸方向，即水平方向上的長度是大于Icm的，而在快軸方向，即豎直方向上的長度是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到Icm的。在慢軸方向上將長度大于Icm的非平行光束聚焦到同一點(diǎn)上是相當(dāng)困難的；但是，如果慢軸方向上的光束都是平行的，將平行光束聚焦到同一點(diǎn)則相當(dāng)容易。因此，有必要將單個激光二極管單元發(fā)出的光束在分布空間上旋轉(zhuǎn)90°，光束旋轉(zhuǎn)陣列3解決了該問題。如圖2所示，光束旋轉(zhuǎn)陣列3由一組斜置45°的柱面微透鏡組構(gòu)成。柱面透鏡組中單個柱面透鏡單元的主軸與激光二極管陣列I的水平方向的夾角為45° ;單個柱面透鏡單元的數(shù)目與激光二極管陣列I中的激光二極管的數(shù)目相同且一一對應(yīng)，保證每個激光二極管發(fā)出的光可被對應(yīng)的柱面透鏡單元空間旋轉(zhuǎn)90° ;柱面透鏡組的柱面所在平面與激光二極管陣列I的發(fā)光方向垂直，光束旋轉(zhuǎn)陣列3的通光面上鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。圖3所示為單個柱面透鏡單元將入射光在空間上旋轉(zhuǎn)90°的原理圖。經(jīng)快軸準(zhǔn)直單元2整形的快軸光束和沒有經(jīng)過整形的慢軸光束經(jīng)過光束旋轉(zhuǎn)陣列3時均在空間上被旋轉(zhuǎn)90°，原來在豎直方向上不發(fā)散的快軸平行光束經(jīng)過光束旋轉(zhuǎn)陣列3后變?yōu)樗椒较虿话l(fā)散的平行光；原來在水平方向上有一定散射角的慢軸光束經(jīng)過光束旋轉(zhuǎn)陣列3后變?yōu)樨Q直方向上有一定散射角的光束。光束旋轉(zhuǎn)陣列3將每個激光二極管單元的光束在分布空間上旋轉(zhuǎn)了 90°，使各個激光二極管陣列發(fā)出的束在水平方向上是相互平行的，更有益于陣列光束的耦合聚焦，提高了耦合效率。復(fù)曲面反射鏡4將其X軸和y軸方向上具有不同發(fā)散角的光束進(jìn)行反射聚焦。復(fù)曲面反射鏡4的反射面為一凹面，激光二極管陣列I發(fā)出的激光光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直單元2和光束旋轉(zhuǎn)陣列3整形后由復(fù)曲面反射鏡4耦合聚焦進(jìn)入目的光學(xué)5中。復(fù)曲面反射鏡的法線與激光發(fā)射光軸方向呈0-45°夾角。圖4為復(fù)曲面反射鏡單點(diǎn)成像示意圖。點(diǎn)光源0發(fā)出的光在X方向和y方向上具有不同的發(fā)散角，經(jīng)復(fù)曲面反射鏡4聚焦到ο’，復(fù)曲面反射鏡4表面鍍有對激光具有高反射率的介質(zhì)膜。用復(fù)曲面反射鏡4進(jìn)行耦合聚焦與用透鏡進(jìn)行聚焦相比，減小了光束在介質(zhì)中的損耗；用復(fù)曲面反射鏡4進(jìn)行耦合聚焦時，目的光學(xué)5可離軸擺放，目的光學(xué)5的位置不需要與激光二極管陣列I、快軸準(zhǔn)直單元2、光束旋轉(zhuǎn)陣列3在一條直線上，使整個裝置的結(jié)構(gòu)更加緊湊，便于裝置的小型化設(shè)計。目的光學(xué)5為接收經(jīng)復(fù)曲面反射鏡4聚焦后的激光束的接收裝置，可以是光纖或激光晶體，目的光學(xué)5位于復(fù)曲面反射鏡4的焦點(diǎn)處，接收被整形光束。實(shí)施例I本實(shí)施例中的激光二極管陣列I由8個激光二極管發(fā)射單元組成，單個激光二極管發(fā)射單元的發(fā)射面積為ΙΧΙΟΟμπι2，快軸全角發(fā)散角為35°，慢軸全角發(fā)散角為8°。 快軸準(zhǔn)直單元2為一微柱面透鏡，其高度為500 μ m,厚度為2mm，長度為10mm，光學(xué)焦距為Imm,距離激光二極管陣列200 μ m,快軸準(zhǔn)直單元2的通光表面鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。激光二極管陣列I發(fā)出的快軸光束被快軸準(zhǔn)直單元2壓縮快軸發(fā)散角后，快軸光束被整形成高度為200 μ m的平行光束。光束旋轉(zhuǎn)陣列3與快軸準(zhǔn)直單元2的距離為600 μ m,光束旋轉(zhuǎn)陣列3由8個斜置45°的柱面微透鏡組構(gòu)成，柱面透鏡組中單個柱面透鏡單元的主軸與激光二極管陣列I水平方向的夾角為45°，單個柱面透鏡單元的數(shù)目與激光二極管陣列I中的激光二極管的數(shù)目相同且一一對應(yīng)。光束旋轉(zhuǎn)陣列3將各個激光二極管發(fā)射單元發(fā)出的光束分布空間旋轉(zhuǎn)90°，光束旋轉(zhuǎn)陣列3的通光面上鍍有對激光高透過率的介質(zhì)膜。復(fù)曲面反射鏡4的凹面上鍍有對激光光束高反射率的介質(zhì)膜，其X方向曲面的曲率半徑為80mm，y方向曲面的曲率半徑為42mm，復(fù)曲面反射鏡4的法線方向與激光二極管陣列I光束的發(fā)射光軸方向夾角為O. 0125°，與光束旋轉(zhuǎn)陣列3的距離為40mm。目的光學(xué)5為階躍光纖，其數(shù)值孔徑NA為O. 22，芯徑為200 μ m。激光二極管陣列I發(fā)出的光束經(jīng)過快軸準(zhǔn)直單元2和光束旋轉(zhuǎn)陣列3整形后，最終通過復(fù)曲面反射鏡4被耦合聚焦到數(shù)值孔徑NA為O. 22，芯徑為200 μ m的階躍光纖中。以上所述的本發(fā)明實(shí)施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置，包括沿光束前進(jìn)方向依次放置的激光二極管陣列、快軸準(zhǔn)直單元、光束旋轉(zhuǎn)陣列、復(fù)曲面反射鏡和目的光學(xué)，其特征在于，所述的激光二極管陣列、快軸準(zhǔn)直單元、光束旋轉(zhuǎn)陣列平行排列，所述的復(fù)曲面反射鏡傾斜位于光束旋轉(zhuǎn)陣列之后，所述的目的光學(xué)位于復(fù)曲面反射鏡的焦點(diǎn)處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的激光二極管陣列由8-20個激光二極管發(fā)射單元并排排成一列組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的快軸準(zhǔn)直單元為折射光學(xué)元件，所述的快軸準(zhǔn)直單元為柱透鏡或光纖透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的快軸準(zhǔn)直單元表面鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的光束旋轉(zhuǎn)陣列由斜置45°的柱面微透鏡組構(gòu)成，單個柱面透鏡單元的主軸與激光二極管陣列水平方向的夾角為45°，單個柱面透鏡單元的數(shù)目與激光二極管陣列中的激光二極管的數(shù)目相同且一一對應(yīng)，柱面透鏡組的柱面所在平面與激光二極管陣列的發(fā)光方向垂直。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的光束旋轉(zhuǎn)陣列的通光面上鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的復(fù)曲面反射鏡在X軸和y軸上具有相同或不同的曲率半徑。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的復(fù)曲面反射鏡的法線與入射光束的夾角在0-45°之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的復(fù)曲面反射鏡的接收面上鍍有對激光具有高反射率的介質(zhì)膜。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束耦合聚焦裝置，其特征在于，所述的目的光學(xué)為光纖或者激光晶體，所述的光纖或者激光晶體表面鍍有對激光具有高透過率的介質(zhì)膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種激光二極管陣列的光束耦合聚焦裝置，包括沿光束前進(jìn)方向依次放置的激光二極管陣列，快軸準(zhǔn)直單元和光束旋轉(zhuǎn)陣列，復(fù)曲面反射鏡與光軸呈一定夾角放置，目的光學(xué)位于復(fù)曲面反射鏡的焦點(diǎn)上。本發(fā)明可將激光二極管陣列發(fā)出的光束進(jìn)行耦合聚焦。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、插入損耗小、耦合效率高、結(jié)構(gòu)緊湊性好的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B27/09GK102809822SQ201210300870
公開日2012年12月5日 申請日期2012年8月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月22日
發(fā)明者余勤躍, 扈金富 申請人:溫州泛波激光有限公司