半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，包含多個并行放置形成一維陣列半導體激光器，半導體激光器陣列的前端先后放置一個快軸準直透鏡和一個慢軸準直透鏡；每個半導體激光器單元的輸出光通過快軸準直透鏡和慢軸準直透鏡后在與x方向垂直的z方向上經(jīng)過一與z方向垂直的場透鏡并被場透鏡進行偏轉(zhuǎn)，在z方向經(jīng)過一定距離后在y方向上并行排列；場透鏡由多個子透鏡組成，子透鏡的數(shù)目和輸出子光束的半導體激光器單元數(shù)目一致；每個半導體激光器單元的輸出光束通過場透鏡后在z方向上分別經(jīng)過一準直透鏡、一重新指向光學器件和一聚焦器件；聚焦后的光束耦合進入一輸出光纖。
【專利說明】半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]以激光器的排布方向為X軸，由于半導體激光器一維陣列在X軸方向?qū)挾?通常為IOmm)和光束發(fā)散角(通常為8-12° )與在y軸方向高度(大約為I微米)和光束發(fā)散角(通常為30-60° )差別很大，光束耦合比較困難。傳統(tǒng)的做法采用與激光器數(shù)量相同的光纖集合成一條光纖束。耦合時在半導體激光器陣列前在X方向平行放置一塊準直透鏡，將光纖與各個半導體激光束一一對準，各個半導體激光器的輸出光一一耦合到光纖束的各個光纖里。這種方法的缺點是由于光纖束的端面積大，單位面積上的輸出能量低。
[0003]為了提高光纖輸出單位面積上的能量通常采用的方法是將半導體激光器陣列的輸出光束在X方向上采用光學器件進行分割，同時使分割的光束在y軸方向上產(chǎn)生錯位，通過另一光學器件將每個分割的光束在y軸方向上疊加，重排后在χ-y平面里均勻化光斑，通過聚焦器件耦合進一根光纖。這種方法的缺點是在考慮光束分割數(shù)目是在X軸方向要把所有半導體激光器的發(fā)光尺寸和兩個相鄰半導體激光器之間非發(fā)光區(qū)域尺寸都計算在內(nèi)，對光纖輸出單位面積上的能量提高有一定限制。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明提供一種半導體激光器一維陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)。
[0005]為達到上述目的，本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的半導體激光組，以所述激光器組的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為Z軸，所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸；
[0006]所述半導體激光器組包括排布在所述一維陣列中間的主激光器和排布在所述主激光器兩側(cè)的子激光器，所述主激光器輸出的光束為主光束，所述子激光器輸出的光束為子光束；
[0007]所述系統(tǒng)還包括所述激光器組前端依次設(shè)置的快軸準透鏡、慢軸準透鏡、場透鏡、準直透鏡和重新指向光學器件以及對應(yīng)所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設(shè)有光纖，其中
[0008]所述快軸準透鏡，用于將所述主激光器和各個所述子激光器輸出的主光束和子光束進行y軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出；
[0009]所述慢軸準直透鏡，用于將所述快軸準直透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行X軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出；
[0010]所述場透鏡，用于對所述慢軸準直透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行偏轉(zhuǎn)，使所述主光束和所述子光束在I軸方向上等間距排布輸出；
[0011]所述準直透鏡，用于對所述場透鏡輸出的所述子光束進行y軸方向上的準直，使經(jīng)過所述準直透鏡的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行；
[0012]所述重新指向光學器件，用于對所述主光束和所述場透鏡輸出的所述子光束進行X軸方向的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的主光束和所述子光束在X軸方上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)并輸出；
[0013]所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述主光束和所述子光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
[0014]進一步地，所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
[0015]進一步地，所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
[0016]進一步地，所述場透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第一平凸子柱透鏡，其中所述第一平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第一平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在y軸上間距第一距離排布，所述第一距離使得經(jīng)過所述平凸透鏡的子光束在I軸方向上等間距平行排列輸出。
[0017]進一步地，所述準直透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第二平凸子柱透鏡，其中所述第二平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第二平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在y軸上間距第二距離排布，所述第二距離使得經(jīng)過所述第二平凸透鏡的子光束在I軸方向進行準直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各個所述子光束形成階梯狀的平行光束輸出。
[0018]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述棱鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0019]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述反射鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0020]進一步地，所述光纖的端面為平面、半球面、圓錐面。
[0021]本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的有益效果:
[0022]本發(fā)明中場透鏡的每個子透鏡可以控制對應(yīng)激光器輸出光束的偏轉(zhuǎn)角度，通過和準直透鏡一起使用可以在一定程度上補償由半導體激光器一維陣列貼片過程和快軸準直透鏡調(diào)節(jié)誤差引起的輸出光束在X方向上的彎曲現(xiàn)象，對輸出光束進行勻稱化。
[0023]本發(fā)明在對導體激光器一維陣列進行光束勻稱化時不用考慮兩個相鄰半導體激光器之間的非發(fā)光區(qū)域，通過場透鏡和準直透鏡對每個單獨激光器輸出光束的位置進行重新排列，盡可能使激光器的輸出光束在y軸方向以高密度疊加，提高光束勻稱化后單位面積上的能量密度和亮度，允許把光束耦合進入一根小芯徑的光纖里。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的在x-z平面里半導體激光器一維陣列光束勻稱化和光纖耦合示意圖；
[0025]圖2是本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的在y-z平面里半導體激光器一維陣列光束勻稱化和光纖耦合示意圖；
[0026]圖3是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的場透鏡的正視圖；
[0027]圖4是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的場透鏡的俯視圖；
[0028]圖5是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射棱鏡的重新指向光學器件的俯視圖；
[0029]圖6是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的實施例的基于反射棱鏡的重新指向光學器件的側(cè)視圖；
[0030]圖7是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射鏡的重新指向光學器件的俯視圖；
[0031]圖8是本發(fā)明本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)的基于反射鏡的重新指向光學器件的側(cè)視圖。

【具體實施方式】
[0032]下面結(jié)合說明書附圖對本發(fā)明做進一步的描述。
[0033]本發(fā)明半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的半導體激光組，以所述激光器組的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為z軸,所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸；
[0034]所述半導體激光器組包括排布在所述一維陣列中間的主激光器和排布在所述主激光器兩側(cè)的子激光器，所述主激光器輸出的光束為主光束，所述子激光器輸出的光束為子光束；
[0035]所述系統(tǒng)還包括所述激光器組前端依次設(shè)置的快軸準透鏡、慢軸準透鏡、場透鏡、準直透鏡和重新指向光學器件以及對應(yīng)所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設(shè)有光纖，其中
[0036]所述快軸準透鏡，用于將所述主激光器和各個所述子激光器輸出的主光束和子光束進行y軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出；
[0037]所述慢軸準直透鏡，用于將所述快準軸直透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行X軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出；
[0038]所述場透鏡，用于對所述慢軸準直透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行偏轉(zhuǎn)，使所述主光束和所述子光束在I軸方向上等間距排布輸出；
[0039]所述準直透鏡，用于對所述場透鏡輸出的所述子光束進行y軸方向上的準直，使經(jīng)過所述準直透鏡的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行；
[0040]所述重新指向光學器件，用于對所述主光束和所述場透鏡輸出的所述子光束進行X軸方向的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的主光束和所述子光束在X軸方上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)并輸出；
[0041]所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述主光束和所述子光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
[0042]進一步地，所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
[0043]進一步地，所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
[0044]進一步地，所述場透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第一平凸子柱透鏡，其中所述平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第一平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在y軸上間距第一距離排布，所述第一距離使得經(jīng)過所述平凸透鏡的子光束在Z方向上經(jīng)過傳輸后在y軸方向上等間距排列輸出。
[0045]進一步地，所述準直透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第二平凸子柱透鏡，其中所述第二平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第二平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在y軸上間距第二距離排布，所述第二距離使得經(jīng)過所述第二平凸透鏡的子光束在I軸方向進行準直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各個所述子光束形成階梯狀的光束輸出。
[0046]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述棱鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
[0047]進一步地，所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述反射鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
[0048]進一步地，所述光纖的端面為平面、半球面、圓錐面。
[0049]如圖1至8所示，多個半導體激光器單元2，在這里為了說明方便只畫了 7個半導體激光器單元以一定間距沿X方向在一平面內(nèi)并行放置在熱沉I上形成一維半導體激光器陣列。每個半導體激光器單元輸出光束3沿與X方向垂直的z方向傳播。其中光束4位于由光束3組成的光束集束中間，稱為主光束，主光束的傳播方向為光軸。每個半導體激光器前面放置一個高數(shù)值口徑的快軸準直透鏡5，對半導體激光器陣列輸出光束3在y方向進行準直。在快軸準直透鏡5后沿z方向放置一慢軸準直透鏡6，慢軸準直透鏡的每個子柱透鏡與每個半導體激光器單元一一對應(yīng)，壓縮每個導體激光器單元輸出光束3在x-z平面里的發(fā)散角。
[0050]在慢軸準直透鏡后z方向上放置一與光軸垂直的場透鏡7，該場透鏡對半導體激光器單元輸出子光束3在y-z平面里進行偏轉(zhuǎn)，但是不偏轉(zhuǎn)主光束4。
[0051]場透鏡7由多個第一平凸子柱透鏡12組成。平凸子柱透鏡12的數(shù)目和輸出子光束的半導體激光器單元數(shù)目一致，每個第一平凸子柱透鏡對應(yīng)一個子光束3。該多個平凸子柱透鏡12在X方向主光束4兩側(cè)緊密排列，在y方向上錯開高度放置，不同的高度對應(yīng)不同的光束偏轉(zhuǎn)角度，錯開的高度保證被偏轉(zhuǎn)的子光束3沿z方向經(jīng)過一定距離傳輸后在y方向上以一定相同間隔并行排列。每個平凸子柱透鏡12的焦距不同，使每個被偏轉(zhuǎn)光束的焦點在z方向上處于同一位置。主光束4不通過平凸子柱透鏡，在場透鏡7后不改變光束方向。
[0052]該場透鏡由整塊玻璃體組成，一表面是平面，另一表面有多個第一平凸子柱透鏡12，其制造方法與快軸準直透鏡5和慢軸準直透鏡6相同。有第一平凸子柱透鏡12 —面面向半導體激光器陣列。
[0053]在z方向上場透鏡7后面與光軸垂直的方向上放置一準直透鏡8。該準直透鏡8結(jié)構(gòu)與場透鏡7相同由多個第二平凸子柱透鏡組成，平面面向半導體激光器陣列。每個平凸子柱透鏡12對應(yīng)一條偏轉(zhuǎn)子光束，該多個第二平凸子柱透鏡在X方向主光束4兩側(cè)緊密排列，在y方向上錯開高度確保對每條偏轉(zhuǎn)光束3在y方向上進行準直，與主光束4在y-z平面里平行，同時減小y-z平面里的光束發(fā)散角。子光束3和主光束4離開準直透鏡后形成在y方向上以一定間隔并排的階梯光束條。
[0054]在z方向上準直透鏡后面放置一重新指向光學器件9。該重新指向光學器件9對經(jīng)過準直透鏡后的所有光束在X-Z平面里進行偏轉(zhuǎn)。該重新指向光學器件9由階梯狀的底座13和棱鏡14組成。底座上相鄰階梯在y方向上的錯開高度和通過準直透鏡后階梯光束條的間隔一致。每個階梯上放置一個棱鏡14，棱鏡14可以是直角棱鏡或者其它形狀的反射棱鏡。每個反射棱鏡14對應(yīng)一條入射光束，對入射光束在X方向上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)，使所有光束在離開重新指向光學器件9后在X方向上重合，在x-z和y-z平面里都平行。經(jīng)過偏轉(zhuǎn)后的光束集束與z方向成一定角度,這個角度可以是90°。
[0055]該重新指向光學器件9也可以由階梯狀的底座15和反射鏡16組成。底座上相鄰階梯在y方向上的錯開高度和通過準直透鏡后階梯光束條的間隔一致。每個階梯上放置一反射鏡16。
[0056]在重新指向光學器件9后面與光軸垂直的方向上放置一聚焦透鏡10。該聚焦透鏡可以是一非球面透鏡，非球表面面向重新指向光學器件。該聚焦透鏡把勻稱化的光束聚焦成一焦點，焦點位于耦合光纖11的端面前面、端面表面或端面后面。
[0057]最后需要說明的是:以上實施例僅用于說明本發(fā)明的技術(shù)方案，并非用于對本發(fā)明的限制，盡管參照上述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當理解:依然可以對本發(fā)明的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，而未脫離本發(fā)明精神和范圍的任何修改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述系統(tǒng)包括等間距平行排布為一維陣列的半導體激光組，以所述激光器組的排布方向為X軸，垂直于所述激光器組排布方向為z軸，所述的激光器輸出的光束沿z軸方向傳輸； 所述半導體激光器組包括排布在所述一維陣列中間的主激光器和排布在所述主激光器兩側(cè)的子激光器，所述主激光器輸出的光束為主光束，所述子激光器輸出的光束為子光束； 所述系統(tǒng)還包括所述激光器組前端依次設(shè)置的快軸準透鏡、慢軸準透鏡、場透鏡、準直透鏡和重新指向光學器件以及對應(yīng)所述重新指向光學器件的光束出口的聚焦透鏡，所述聚焦透鏡的光束出口設(shè)有光纖，其中 所述快軸準透鏡，用于將所述主激光器和各個所述子激光器輸出的主光束和子光束進行y軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出； 所述慢軸準透鏡，用于將所述快軸準透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行X軸方向上的準直并將所述的主光束和子光束輸出； 所述場透鏡，用于對所述慢軸準透鏡輸出的所述主光束和所述子光束進行偏轉(zhuǎn)，使所述主光束和所述子光束在y軸方向上等間距排布輸出； 所述準直透鏡，用于對所述場透鏡輸出的所述子光束進行y軸方向上的準直，使經(jīng)過所述準直透鏡的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行； 所述重新指向光學器件，用于對所述主光束和所述場透鏡輸出的所述子光束進行X軸方向的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng) 過所述重新指向光學器件的主光束和所述子光束在X軸方上進行相同角度的偏轉(zhuǎn)并輸出； 所述聚焦透鏡，用于將所述重新指向光學器件輸出的所述主光束和所述子光束聚成一焦點，所述焦點輸入所述光纖。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述快軸準直透鏡包括成一維陣列排布的準直柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個準直柱透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述慢軸準直透鏡包括成一維陣列排布的柱透鏡，其中，所述主激光器和各個所述子激光器的前端分別各自放置有一個柱透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述場透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第一平凸子柱透鏡，其中所述第一平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第一平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在I軸上間距第一距離排布，所述第一距離使得經(jīng)過所述平凸透鏡的子光束在y軸方向上等間距平行排列輸出。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述準直透鏡包括與所述子激光器的數(shù)量相同的第二平凸子柱透鏡，其中所述第二平凸子柱透鏡和所述子激光器一一對應(yīng)，所述第二平凸子柱透鏡在X軸上依次排布，在I軸上間距第二距離排布，所述第二距離使得經(jīng)過所述第二平凸透鏡的子光束在y軸方向進行準直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各個所述子光束形成階梯狀的光束輸出。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個棱鏡，所述棱鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述棱鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在X-Z和y-z平面里均平行。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述重新指向光學器件包括呈階梯狀的底座，所述底座的每個階梯上設(shè)置有一個反射鏡，所述反射鏡和所述主光束和各個所述子光束一一對應(yīng)，所述反射鏡將所述主光束和所述子光束進行在X軸方向上的偏轉(zhuǎn)，使得經(jīng)過所述重新指向光學器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導體激光器陣列輸出光束勻稱化和光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于:所述光纖的端面為平 面、半球面、圓錐面。
【文檔編號】G02B6/43GK104049326SQ201410045319
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年2月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月8日
【發(fā)明者】王嘉宇 申請人:武漢柏漢激光技術(shù)有限公司