對半導體雷射器出射光束的整形方法

2023-10-08 08:10:54

專利名稱：對半導體雷射器出射光束的整形方法
技術領域：
本發明涉及為提高半導體雷射器光束質量而對半導體雷射疊陣發出的光 束進行整形耦合的方法。
技術背景半導體雷射器由於體積小、重量輕、電光轉換效率高、壽命長等優點， 在工業加工領域得到廣泛的應用，同時對半導體雷射器光束質量的要求越來 越高。但是由於半導體雷射器自身結構的限制，其光束質量較差。目前使用的半導體雷射器的發光單元尺寸在水平方向和垂直方向分別為50pm 200[im和0.5nm 2pm，垂直方向即快軸方向的發散角為30 60度，水平方 向即慢軸方向的發散角為5度 10度。由這些發光單元水平排列形成半導體 雷射BAR條，長度為10mm，包含發光單元的個數為5 49個。經過快軸準 直和慢軸準直之後，快軸方向的光參數積(光參數積即光束的束腰半徑與遠 場發散角乘積的一半)變為lmm mrad 2mm mrad，慢軸方向的光參數積為 30mm mrad 200mm mrad。由多個半導體雷射BAR條在快軸方向堆疊就得 到半導體雷射疊陣，半導體雷射疊陣快軸方向的光參數積與半導體雷射BAR 條的個數有關，慢軸方向的光參數積與半導體雷射BAR條的光參數積相等。 半導體雷射疊陣慢軸方向的光參數積與快軸方向的光參數積相差幾倍到幾十 倍。由於半導體雷射疊陣慢軸方向的光參數積較大，因此很難直接聚焦進光 纖，必須通過光束整形方法，提高慢軸方向的光束質量。Paul Grenier等人採用的反射型整形方法("Apparatus for reshaping an optical beam bundle"; Patent US 6870682)利用兩組稜鏡的反射對光束進行分割、平移、重排。這兩組稜鏡需要加工成特定的形狀，並且需要放置在特定 的位置，系統非常複雜，加工難度比較大。Biesenbach J等人採用的折射型整形方法("Einrichtung zur Strahlformung eines Laserstrahls und Hochleistungs-Diodenlasers mit einer solchen Elnrichtung". Patent DE 19846532C1.)利用兩組稜鏡的折射對光束進行分割、平移、重排。 半導體雷射疊陣出射的雷射束經過第一組稜鏡的折射，在慢軸方向被分割成n 份，並且使每份雷射束在快軸方向產生不同的位移量，之後經過第二組平板 使每份雷射束在慢軸方向產生一定的平移量，對雷射束進行重排，結果出射 的雷射束的光參數積在慢軸方向減小了l/n倍，而在快軸方向增加了n倍，達 到整形的目的。這種整形方法限制了半導體雷射疊陣中半導體雷射BAR條的 使用數量，從而限制了半導體雷射疊陣的最大輸出功率。Laserline公司採用的折射型整形方法("Laser optics and diode laser" Patent WO/2001/069304)利用兩組平板玻璃光束進行分割、平移、重排。半導體激 光疊陣出射的雷射束經過第一組平板的折射，在慢軸方向被分割成n份，並 且使每份雷射束在快軸方向產生不同的位移量，之後經過第二組平板使每份 雷射束在慢軸方向產生一定的平移量，對雷射束進行重排，結果出射的雷射 束的光參數積在慢軸方向減小了 1/n倍，而在快軸方向保持不變，達到整形 的目的。但是這種方法平板玻璃的加工難度大，對每片平板玻璃的放置的角 度和位置都有一定的要求，調整難度較高。發明內容本發明的目的在於克服上述目前已有技術的缺陷，提供一種改進的對半 導體雷射器出射光束的整形方法，該方法克服了目前慣用整形方法存在的技 術缺陷，使其實現光束整形裝置結構更為簡捷、更能有效的提高其半導體激 光器的光束質量。本發明對半導體雷射器出射光束的整形方法，其特徵在於包括以下步驟a. 從半導體雷射疊陣上的每個BAR條的出射光束在進行快軸準直後， 再對雷射疊陣上的每個BAR條的每個發光單元的出射光分別進行慢軸準直， 並將準直後的光束分割成相等的兩部分光束；b. 上述中的一束輸出光束通過一半波片將其偏振方向旋轉90°，使所述 的兩光束的偏振方向相互垂直；c. 上述偏振方向相互垂直的兩光束沿45。角入射到一個前表面鍍有偏振 分光膜的偏振分光平板，其中的一束光束透過偏振分光膜、經偏振分光平板 的後表面全反射後，與在偏振分光平板前表面發生反射的另一束光束重合為 一束光束；d. 上述的合成光束經過一組倒置的望遠系統再次進行準直，使慢軸方向 的發散角與快軸方向的發散角近似相等，再通過一聚焦透鏡聚焦到傳能光纖 中。步驟a所述的對BAR條的每個發光單元出射光的分別慢軸準直是通過與 BAR條的每個發光單元一一對應、且口徑等於發光單元周期的慢軸準直透鏡 陣列實現的，所述準直後的光束分割是通過兩個口徑等於輸出光束在慢軸方 向尺寸一半的聚焦凸柱透鏡陣列實現的。本發明光束整形方法可大大提高半導體雷射器出射光束質量和功率，該 方法光束整形元件數量少，簡化了光束整形的裝置結構、裝調容易，且不受 半導體雷射疊陣BAR條數量及出射波長的影響。


圖1是本發明半導體雷射器出射光束整形方法示意圖； 圖2是圖1中所示的慢軸準直透鏡陣列4和聚焦凸柱透鏡陣列5的結構 示意圖。
具體實施方式
以下結合附圖給出的實施例對本發明作進一步詳細說明。參照圖1，本實施例演示了通過本發明方法設計的一個對由10個BAR 條組成的半導體雷射疊陣的光束整形過程，最後聚焦到芯徑為800um、數值 孔徑為0.22的傳能光纖中。其整形過程如下a、 半導體雷射疊陣l由10個BAR條2組成，出射光為TE模，BAR條 2有19個發光單元，每個發光單元的寬度為100pm，周期為500(am，整個 BAR條2的發光區面積為10mmx0.001mm， BAR條2的出射光束a經過快 軸準直鏡3進行快軸準直後，再通過一與BAR條的每個發光單元一一對應的 口徑等於發光單元周期的慢軸準直透鏡陣列4(如圖2所示)進行慢軸準直， 準直之後快軸方向的發散角為3mrad，慢軸方向的尺寸大約為10mm，慢軸方 向的發散角為60mrad，相應的慢軸方向的光參數積為150mm mrad;再將準直後的光束通過兩個口徑等於輸出光束在慢軸方向尺寸一半的聚焦凸柱透鏡 陣列5 (如圖2所示)分割成相等的兩部分光束a'與a〃 ；b、 上述中的一束輸出光束a'通過一半波片將其偏振方向旋轉90。(變成 TM模)，使所述的兩光束a'與a〃的偏振方向相互垂直；c、 上述偏振方向相互垂直的兩光束a'與a"沿45。角入射到一個前表面鍍 有偏振分光膜的偏振分光平板7，偏振分光平板7的厚度為S/^mm，偏振分 光平板7前表面的偏振分光膜對TM模有高透過率，對TE模有高反射率， 其中的一束光束a'透過偏振分光膜、經偏振分光平板7的後表面全反射後， 與在偏振分光平板7前表面發生反射的另一束光束a"重合為一束光束b;光 束b沿慢軸方向的光參數積為75mm mrad，光束b的光束質量相對光束a的 光束質量提高了一倍；d、 上述的合成光束b經過一組倒置的伽利略望遠系統對光束b再次進行 擴束、準直，使慢軸方向的發散角減小到3mmd，再通過一聚焦透鏡9將光 束b聚焦到芯徑為800um的傳能光纖10中。為簡化整形系統裝置，可將上述所述的慢軸準直透鏡陣列4和聚焦凸柱透鏡陣列5製成一複合透鏡，即，在該複合透鏡的前表面上設有與BAR條的 每個發光單元一一對應的口徑等於發光單元周期的慢軸準直透鏡陣列，在其 後表面上設有兩個口徑等於慢軸方向輸出光束尺寸一半的聚焦凸柱透鏡。
權利要求
1.一種對半導體雷射器出射光束的整形方法，其特徵在於包括以下步驟a.從半導體雷射疊陣上的每個BAR條的出射光束(a)在進行快軸準直後，再對雷射疊陣上的每個BAR條的每個發光單元的出射光分別進行慢軸準直，並將準直後的光束分割成相等的兩部分光束(a′與a″)；b.上述中的一束輸出光束(a′)通過一半波片將其偏振方向旋轉90°，使所述的兩光束(a′與a″)的偏振方向相互垂直；c.上述偏振方向相互垂直的兩光束(a′與a″)沿45°角入射到一個前表面鍍有偏振分光膜的偏振分光平板，其中的一束光束(a′)透過偏振分光膜、經偏振分光平板的後表面全反射後，與在偏振分光平板前表面發生反射的另一束光束(a″)重合為一束光束(b)；d.上述的合成光束(b)經過一組倒置的望遠系統再次進行準直，使慢軸方向的發散角與快軸方向的發散角近似相等，再通過一聚焦透鏡聚焦到傳能光纖中。
2. 根據權利要求1所述的對半導體雷射器出射光束的整形方法，其特徵 在於，步驟a所述的對BAR條的每個發光單元出射光的分別慢軸準直是通過 與BAR條的每個發光單元一一對應、且口徑等於發光單元周期的慢軸準直透 鏡陣列(4)實現的，所述準直後的光束分割是通過兩個口徑等於輸出光束(a) 在慢軸方向尺寸一半的聚焦凸柱透鏡陣列(5)實現的。
全文摘要
本發明涉及為提高半導體雷射器光束質量而提出的一種對半導體雷射器出射光束的整形方法，包括以下步驟在對半導體雷射疊陣上的每個BAR條的出射光束進行快軸準直後，再對每個BAR條的每個發光單元的出射光分別進行慢軸準直，並將準直後的光束分割成相等的兩部分光束；上述中的一束輸出光束通過一半波片將其偏振方向旋轉90°，使兩光束的偏振方向相互垂直；上述兩光束通過一前表面鍍有偏振分光膜的偏振分光平板合成一束光束；合成後光束經再次進行準直後聚焦到傳能光纖中。該方法可提高半導體雷射器出射光束質量和功率，整形元件數量少，簡化了光束整形的裝置結構、裝調容易，且不受半導體雷射疊陣BAR條數量及出射波長的影響。
文檔編號G02B27/09GK101609212SQ20091006730
公開日2009年12月23日 申請日期2009年7月21日 優先權日2009年7月21日
發明者雲 劉, 彭航宇, 王立軍, 顧媛媛 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所