[实用新型]半导体激光器阵列光束整形结构

说明书

技术领域

本发明实现了半导体激光器阵的输出光整形合并，属于激光应用领域。

背景技术

在激光加工、激光显示、激光医疗等激光应用领域，人们为了获得更高亮度、更高功率的激光输出付出了巨大和持之以恒的努力。随着半导体激光器技术的成熟和进步，高亮度、高功率半导体激光器得到了长足发展。但是，半导体激光器的功率以及功率密度的提高受到材料和结构的限制。

传统上采用半导体激光器列阵芯片的方式来提高输出功率。但是列阵芯片的方式只能提升输出功率而并不能提高输出亮度。直接输出的列阵芯片的光束，由于发光单元之间有间隙，其光束质量比单个发光单元还要低。有不少技术方案采用各种手段对列阵输出的光束的各个单元的子光束进行整形、重排，将它们紧密地排列在一起，以提高总体亮度。这些方案都无一例外地用到了复杂的透镜、棱镜系统，安装、调试都比较困难。

与列阵芯片相比，单发光区的单管芯半导体激光器有不少优点。它的封装散热更好，因此寿命和可靠性更好；它可以在使用前通过严格的程序进行筛选，提高了可靠性。但是单管功率有限，为了获得更高的功率，可以采用多只单管芯串联，通过一定光学手段将它们发出的光合并密排，这已经成为一种主流的获取高功率、高功率密度激光输出的方法，尤其应用于光纤耦合输出的激光模块中。这种多管芯方案使用便宜的分立透镜，在成本和制造难度上均优于列阵方式。

目前，采用多管芯整形的方案，大多是对排列成一维，或变形一维的单管阵列进行整形，压缩间距形成密排光束，如7733932号美国专利，201010174581.2、200820180693.7、200720195326.X等专利。如果进一步加大输出功率，可以将一维单管阵列扩展为二维。有一些专利方案中描述了二维阵列的方式，如200610149340.6号专利中的方案，但它做不到将光束在二维方向都压缩密排，并且制作和工艺都比较麻烦。

发明内容

本发明设计了一种二维半导体激光器阵列光束整形结构，由多行半导体激光器构成的阵列、准直透镜、反射镜构成，对半导体激光器阵列的光束进行整形，通过两次反射进行排列，获得二维密排准直光束输出。

多只半导体激光器以行为单位排列成多行阵列形式，见图1和图2，每一个激光器1的光束先通过各自的准直透镜2准直。

以每一行为一个组，如图1所示。每个组内的激光器经准直的光束3都在XY平面内共面，沿Y方向射出并分别被一个对应的反射镜4.1反射，反射后的光束在Y方向相互平行，相邻的反射镜在光传输方向Y方向上错开一个距离，使每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻光束的间距被压缩为最小，在光束出口A处，形成一个一维线性紧密排列的组合准直光束5.1，其光束横截面的排列如6.1所示。

第二次反射整形如图2所示。类似于前一个步骤，再将多个组的一维线性紧密排列的组合准直光束5.1各自再通过一个第二反射镜4.2反射，使各组一维线性紧密排列的组合准直光束之间互相平行并沿Z方向出射，相邻的反射镜在光传输方向上沿X方向错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束，且该距离使相邻组的一维线性紧密排列的组合准直光束之间的间距被压缩为最小，在光束出口B处，叠合形成二维紧密排列的准直光束5.2输出，其光束横截面排列方式如6.2所示，为二维紧密排列，达到最高亮度的合束效果。

准直透镜2可以是一个对快、慢轴方向同时准直的单透镜。不过通常由于半导体激光器的快、慢轴方向上发散角相差比较大，也可以采用用柱面透镜组，在一定焦距上分别将光束在快、慢轴两个方向进行准直。所用透镜可以是自聚焦透镜、球面透镜、非球面透镜，柱面镜可以是圆柱面或非圆柱面。

本发明所设计的结构是一个非常灵活的结构：二维半导体激光器阵列中每一行的激光器的数量可以相同，也可以不同；每个半导体激光器的输出功率、波长、封装形式可以相同，也可以各不相同。

当需要将不同波长的光进行合束的时候，可以采用波长复用合束的方式，见图3的第一次反射示意图。相邻的两个激光器1.a和1.b分别发射波长为λ1和λ2的光束，分别经各自的准直透镜2.a和2.b整成为3.a和3.b两束不同波长的准直光。按照前面所述方案，这两束光应当分别被在Y方向上错开一定距离的两个反射镜所反射，但是也可以采用另外一种方案，在光束传输方向上靠前的反射镜4.1可以换成一个双色镜7.11，且双色镜和靠后的反射镜4.1a之间在光传输方向Y方向上不用错开。双色镜7.11对波长为λ1的光透射，对波长为λ2的光反射，于是靠后反射镜4.1a反射的波长为λ1的光束3.1透过双色镜7.11与经它反射的波长为λ2的光束3.b共轴合束为光束5.11。