用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡的製作方法
2023-06-03 10:52:56
專利名稱：用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡的製作方法
技術領域：
本發明是一種雷射望遠鏡，特別是一種適用於(20瓦)雷射二極體(線性)列陣(以下簡稱為LDBAR)作為光源的雷射望遠鏡。
一個典型的LDBAR，其近場發光面W×H為1cm×1μm，分別對應慢軸方向寬度1cm，光束平行方向上的發散角θ‖～10°和快軸方向高度1μm，光束髮散角40°(FWHM)。這種LDBAR1cm寬度內包含25個寬度為100μm，節距為400μm的不連續發光子列陣元。通常的成象光學元件不可能將LBDAR發射的光束準直成對稱的平行光束或再聚焦。為了高效耦合LDBAR發射的雷射功率，首先要解決的是高效準直這個難題。為此，九十年代國際光學界提出了多種準直方案①用柱面微透鏡或微棒透鏡準直慢軸平面內列陣元的發散束，用大柱面透鏡準直快軸平面內列陣元的發散束(已有技術[1]OPTICS LETTERS Vol.16，No.51991 P318-P320)，但準直效率僅為80-84％；②用大柱面鏡準直慢軸平面內的發散束，再用大柱面透鏡準直快軸平面內的發散束，雖準直效率高達89％(已有技術[2]OPTICS LETTERS Vol.17，No.14，1992.P1000-P1002)，但由於光束髮散角太大，只適用於泵浦源要求聚焦的光學系統；③用柱面微透鏡列陣準直慢軸平面內的發散束，再用大柱面透鏡準直快軸平面內發散束，得到近長條矩形準直束，準直效率達到90％(已有技術[3] OPTICS LETTERS Vol.20，No.2，1995，P154)，但快軸平面內光束髮散度還偏大，不適合望遠鏡中應用，不然望遠鏡的體積將很龐大。
本發明的目的為克服上述已有技術中的不足，提供一種用於LDBAR的雷射望遠鏡，它將能把近紅外CW20瓦LDBAR的1cm×1μm發光源上發射出垂直方向上的發散角為θ～40°(FWHM)，平行方向上的發散角為θ∥～10°(FWHM)的高度發散不對稱的雷射束經過本發明的雷射望遠鏡之後，獲得光束髮散度僅為0.5mrad×1.3mrad的近對稱平行光束，整套望遠鏡的透過率達到T≥85％。將能基本消除人為的攔光損耗。
本發明的雷射望遠鏡如圖1所示結構。含有置於調整架15上的鏡筒17內一端置放有(半導體)雷射二極體列陣頭(列陣頭內設有半導體微致冷器、溫度傳感熱敏電阻，以及散熱器空氣冷卻)的頭架1，由頭架1向鏡筒17內同光軸地依次置於鏡筒17內的有準直光學元件12，前擴束光學元件13，整形光學元件14和後擴束光學元件16。
所說的準直光學元件12是由含有微柱面透鏡列陣3的準直光學模塊構成的。準直光學模塊中除含有微柱面透鏡列陣3外，還含有微柱面透鏡2，或者還含有非球面柱面大透鏡。具體地說，構成準直光學元件12的準直光學模塊是含有微柱面透鏡列陣3和置於微柱面透鏡列陣3之前與雷射二極體列陣頭架1之間的微柱面透鏡2(見圖2)；或者是含有微柱面透鏡列陣3和置於微柱面透鏡列陣3之後與前擴束光學元件13中擴束付透鏡4之間的非球面柱面大透鏡。上述兩兩均是膠合而成的。
所說的前擴束光學元件13含有擴束付透鏡4和擴束主透鏡5。
所說的整形光學元件14是由第一柱面透鏡6和第二柱面透鏡7構成的，或是由變形稜鏡對構成的。
所說的後擴束光學元件16含有第一擴束付透鏡8和第二擴束付透鏡9，第一擴束主透鏡10和第二擴束主透鏡11。
所說的鏡筒17置於調整架15上，調整架15具有上下、前後、左右以及俯仰的精密調節，因此鏡筒17可以做多維的調節。
如圖1所示，由LDBAR發射的雷射束經準直光學模塊構成的準直光學元件12準直後發送出一近平行長方矩形光束。平行於LDBAR線陣方向的光束髮散度為P‖～40mrad，是對應於光束的長邊；垂直於LDBAR線陣方向的光束髮散度為P～3mrad，是對應於光束的短邊。準直光學元件12的雷射功率透過率為ηmax～95％。經前擴束光學元件13的2倍擴束後改善光束方向性，光束髮散度變為P‖～20mrad和P～1.5mrad。經整形光學元件14的5倍整形後發送出近方形光束，光束髮散度為P‖～4mrad和P～1.5mrad。再經擴束光學元件16的3倍擴束，進一步改善方向性，最後發送出發散度為P‖～1.3mrad和P～0.5mrad的近方形平行光束。2km遠處光束大小為2.6米×1米。
為了提高望遠鏡的透過率，(1)組成光路的所有光學元件12、13、14、16的透鏡的透光表面均鍍有對雷射二極體(LD)的雷射束透過率T＞99.5的增透膜層；(2)後級光學元件的接收通光孔徑略大於前一級光學元件的發送通光孔徑，並且前後級間儘可能挨近避免各元件的人為攔光損耗。
為了提高準直光學元件12的準直效果，準直光學模塊含有微柱面透鏡2時，微柱面透鏡2採用很大數字孔徑(NA＝0.85)和很短焦距(f＝0.91mm)的繞射限，微柱面透鏡列陣3所取參數必須與LDBAR1的結構參數嚴格一致，微柱面透鏡列陣3中所包含的作為列陣元的微柱面透鏡的數目N等於或大於雷射二極體列陣中所包含作為列陣元的雷射二極體的數目M，即N≥M。並且兩者列陣元即微柱面透鏡和雷射二極體的排列是一一對應的，排列方向和布局結構完全相同。並且為了獲得最佳耦合特性，微柱面透鏡2和微柱面透鏡列陣3的膠合間隙厚度d為最佳d＝50μm。構成準直光學元件12的準直光學模塊的接收面與LDBAR的發光面間的最佳耦合距離L為L＝88±5μm(這時耦合效率最高)，並且最重要的是，微柱面透鏡列陣與LDBAR高精度對準，它決定了準直輸出光束的光軸是否與望遠鏡的光軸完全一致，也就決定瞭望遠鏡整機的耦合輸出雷射功率的效率，也決定著準直束的發散度，沿線性列陣側向1μm的準直誤差就會導致準直束加大1mrad的發散度。由此，可見軸向與橫向微米(μm)量級的位置偏差都會導致雷射輸出功率和光束的平行度降低，發散度增大。為解決這一高難技術問題，準直光學元件12中本發明設計有微調結構。
本發明的構成準直光學元件12的準直光學模塊中含有非球面柱面大透鏡時，其中微柱面透鏡列陣3單獨完成對LDBAR的慢軸方向的準直，其後跟一塊非球面柱面大透鏡作快軸方向的準直，其它擴束、整形光學不變，最終仍是實現本發明總目的的可行技術結構。
前擴束光學元件13、整形光學元件14、後擴束光學元件16的總損失≤6％，這樣本發明望遠鏡的雷射功率的透過率T＝95％×92％＝87％。
本發明的優點。
本發明的準直光學元件12，是含有微柱面透鏡列陣3的準直光學模塊，保證了準直光束的高耦合效率，和低束散。這種準直結構比其它準直結構，雷射透射效率提高到T＝95％，從而使整機的耦合效率也可以達到T≥85％。對於LDBAR雷射望遠鏡而言，發送出的光束髮散度僅為0.5mrad×1.3mrad，這也是比已有技術先進的。本發明特別適用20瓦以上的雷射二極體列陣。基本上消除了人為的攔光損耗。
本發明還可以方便地應用到雷射望遠鏡野戰與機載軍事應用的領域。
圖1是平行於LDBAR雷射發射面方向的光路示意圖。圖2是微柱面透鏡2和微柱透鏡列陣3構成的準直光學模塊的示意圖。
實施例對於發光面為1cm×1μm，發散角為θ～40°(FWHM)，θ‖～10°(FWHM)，1cm長度內含M＝25個寬度為100μm的列陣元雷射二極體、兩列陣元之間的節距為400μm，發射波長λ＝806nm的典型CW20W LDBAR的實施例作為準直光學元件12的準直光學模塊長12mm，寬2mm，高3.26mm，含列陣元N＝25的微柱面透鏡，每隻雷射二極體與之對應一個微柱面透鏡如圖2所示。通光孔為10.8mm×2mm，準直光學模塊與LDBAR耦合距離L＝85μm。擴束付透鏡4至擴束主透鏡11的光路中各元件的參數如下表
這一實施例，望遠鏡最後發送的近平行光束髮散角僅為0.75mrad×1.5mrad，雷射功率整機耦合效率T≥85％。這個結果，比已有技術好得多。
權利要求
1.一種用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，含有置於調整架(15)上的鏡筒(17)內一端有放雷射二極體列陣頭頭架(1)，由頭架(1)向鏡筒(17)內同光軸地依次置於鏡筒(17)內有準直光學元件(12)，整形光學元件(14)和後擴束光學元件(16)；其特徵在於所說的準直光學元件(12)是由含有微柱面透鏡列陣(3)的準直光學模塊構成的；在鏡筒(17)內，在準直光學元件(12)與整形光學元件(14)之間有前擴束光學元件(13)。
2.根據權利要求1所述的用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，其特徵在於所說的構成準直光學元件(12)的準直光學模塊中除含有微柱面透鏡列陣(3)外，還含有微柱面透鏡(2)，或者還含有非球面柱面大透鏡。
3.根據權利要求1所述的用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，其特徵在於所說的前擴束光學元件(13)含有擴束付透鏡(4)和擴束主透鏡(5)。
4.根據權利要求1所述的用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，其特徵在於所說的後擴束光學元件(16)含有第一擴束付透鏡(8)和第二擴束付透鏡(9)，第一擴束主透鏡和第二擴束主透鏡。
5.根據權利要求1或2所述的用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，其特徵在於所說的構成準直光學元件(12)的準直光學模塊的接收面與雷射二極體列陣的發光面之間的最佳耦合距離L為L＝88±5μm。
6.根據權利要求1或2所述的用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡，其特徵在於所說的構成準直光學元件(12)的準直光學模塊中的微柱面透鏡列陣中所含有作為列陣元的微柱面透鏡的數目N等於或大於雷射二極體列陣中作為列陣元的雷射二極體的數目M，即N≥M；並且兩列陣中的列陣元—微柱面透鏡和雷射二極體的排列是一一對應，排列方向和布局結構完全相同。
全文摘要
一種用於用於雷射二極體列陣的雷射望遠鏡,含有置於調整架上的鏡筒內由一端雷射二極體列陣頭的頭架開始,依次置於鏡筒內有含微柱面透鏡線性列陣的準直光學模塊構成的準直光學元件、前擴束光學元件、整形光學元件和後擴束光學元件。本發明特別適用於雷射二極體列陣。比已有技術有高的耦合效率和低束散。整機的耦合效率達到T≥85%。發送出的光束髮散度僅為0.5mrad×1.3mrad。
文檔編號G02B27/09GK1251911SQ9911693
公開日2000年5月3日 申請日期1999年9月30日 優先權日1999年9月30日
發明者胡衍芝 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所