[发明专利]大功率半导体激光阵列整形装置

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光光束整形，是一种将半导体激光阵列快慢轴光参数乘积均匀化的装置，属于激光技术应用领域。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、重量轻等优点，使得它的应用变得越来越广泛。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，光束发散角较大，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，在一定程度上限制了它的进一步发展。为满足应用上的需求，必须首先对半导体激光的光束进行整形处理。

半导体激光器的阵列分为一维阵列和二维阵列，半导体激光器的二维阵列称为堆栈(stack)，是由半导体激光一维阵列----巴条(Bar)排列组成。半导体激光一维阵列是由M个发光单元在水平方向上紧密排列组成(不同半导体激光产品的M取值不同，从19到75不等)，每个发光单元在平行和垂直于有源层方向上的尺寸分别为100μm～200μm和1μm，光束在快轴方向的发散角为50°～60°，慢轴方向发散角为5°～10°。光参数乘积BPP定义为某个方向上的束腰半径乘以远场发散角(半角)，单位是mm·mrad。对于半导体激光的Bar，经过微透镜快慢轴准直之后，快轴的束腰直径在几百个微米，快轴的发散角为几个毫弧度，快轴的光参数乘积BPP_f为1～2mm·mrad；慢轴长度的典型值为10mm，慢轴的发散角为0.2rad，慢轴的光参数乘积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光参数乘积在整形前相差上百倍。光参数乘积是衡量激光光束质量的一个重要指标，它反映了激光的聚焦能力。快慢轴的光参数乘积相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束整形就是将快慢轴的光参数乘积均匀化，方法是对光束进行分割、旋转、重排，增加快轴的光参数乘积、降低慢轴的光参数乘积，从而达到快慢轴光参数乘积均匀化的目的。

通过调研发现，目前采用比较多的整形方法主要有阶梯反射镜法、折反射整形法和玻璃堆折射整形法。

阶梯反射镜法是将经过微柱透镜准直后的光束，通过两组完全对称的阶梯型发射镜，每组都由N个高反射率表面组成，光束通过第一组阶梯反射镜后在慢轴方向被分割成N段，每个子光束经过第二组阶梯反射镜，再被反射到快轴方向上。原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。整形结果光场分布为一正方形光斑，实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。其缺点是阶梯镜镜面的加工难度大，在国内现有的加工水平下难以实现。

折反射整形法的整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重排光束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出，沿着慢轴方向被分成n段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次产生错位。沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第2个棱镜组，按着相同的原理将光束在快轴方向进行重排。结果出射光经过棱镜组以后，光参数积在慢轴方向被减小1/n倍，而快方向上增加了n倍，从而达到光束整形的目的。这种方法的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，装配困难。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y.Wang提出的。与上述方法类似的还有Laserline公司发明的专利US5986794，同样存在装配困难、不好调节的缺陷。

玻璃堆折射整形法的思想是将光束通过四组完全相同的玻璃堆，每组玻璃堆都由角度不同的三角板或梯形板组成，线光源通过前两组玻璃堆后呈阶梯状排列。经过后两组玻璃堆后，原本线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。这种方法比阶梯反射镜法和折反射法都容易加工和调试。这种方法的缺点在于，由于实际经过准直微透镜后的光束在慢轴方向仍然存在一定的发散角(20～100mrad)，而且比快轴的发散角(小于10mrad)要大，线状光束经过第一组整形装置的第一次折(反)射后在慢轴方向被分成N段光束，而慢轴发散角较大，N段光束不能完全进入对应的玻璃片，造成部分光功率的损耗。

发明内容

本发明的目的在于克服上述几种方案的技术缺点，提供了一种大功率半导体激光的整形装置。本装置能够实现大功率半导体激光的整形目的，减少光功率的损耗，而且更易于加工、装调。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

大功率半导体激光阵列整形装置，包括沿光的传播方向依次放置的第一平板玻璃堆A、第一直角梯形棱镜组C、第二平板玻璃堆B和第二直角梯形棱镜组D；