[发明专利]一种面阵半导体激光器的光束整形装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率面阵半导体激光器的光束整形装置。

背景技术

相对于其它类型的激光器，半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可以直接电流调制等优点，因此在工业、医疗、军事、通讯等各个领域被广泛的应用。但是半导体激光器也有其与生俱来的缺陷，在垂直于p-n结平面方向(快轴方向)上有源层尺寸约为1μm，光束发散角30°-60°，在平行于p-n结平面方向(慢轴方向)上有源层的尺寸约为100～200μm，发散角6-10°，快慢轴束腰尺寸和发散角的不对称使得其光束质量相差很大，输出光束还具有严重的像散(快轴和慢轴方向上的束腰位置不在同一位置，距离一般超过40μm)，这都不利于光束聚焦得到小光斑。衡量光束质量，我们通常用光束参量积(BPP)，其定义为激光束的束腰直径ω₀(一般采用半导体激光器件的有源层尺寸作为束腰直径的近似值)与发散角θ(FW1/e²)的乘积，其单位为mm*mrad。

金属切割、焊接、打孔等材料加工要求激光具有高功率高亮度。为了提高输出功率将多个LD集成为线性排列的LD Bar和进一步将LD Bar堆叠得到二维面阵(LD Stack)。由于单管半导体激光器快慢轴光束质量相差很大，因而二维面阵输出的光束也存在光束质量差、难以获得高亮度小光斑的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种将二维面阵半导体激光器输出的光束重排，以提高光束质量，从而通过聚焦得到高亮度小光斑的面阵半导体激光器的光束整形装置。

为了解决上述技术问题，本发明的面阵半导体激光器的光束整形装置包括快轴准直镜，慢轴准直镜，阶梯镜，第一平行六面体棱镜组，第二平行六面体棱镜组；所述的快轴准直镜和慢轴准直镜放置在面阵半导体激光器的光束输出端，分别用于降低快轴发散角和慢轴发散角；阶梯镜放置在光束的光路上，用于去除bar条之间的发光空隙，并使光束在快轴方向得到压缩；第一平行六面体棱镜组放置在阶梯镜的反射光路上，用于使部分光束沿快轴方向平移；第二平行六面体棱镜组放置在第一平行六面体棱镜组的出射光路上，用于使沿快轴方向平移后的光束再沿慢轴方向平移。

所述的快轴准直镜采用柱透镜、半柱透镜或渐变折射率透镜。

所述的慢轴准直镜采用微柱透镜阵列。

所述的阶梯镜构成每个台阶的两个面之间的夹角为135°，其中反射面与光束之间的夹角为45°。

所述的第一平行六面体棱镜组由至少一个平行六面体棱镜构成。

所述的第二平行六面体棱镜组由至少一个平行六面体棱镜构成。

所述的平行六面体棱镜上有两个斜侧面；两个底面与两个斜侧面之间的夹角为45°，与另两个侧面垂直；阶梯镜反射的光束由平行六面体棱镜的一个底面垂直入射，经过两个斜侧面的反射，再由另一底面垂直出射后，平移了一段距离。通过改变平行六面体棱镜两个斜侧面的放置方向，可以使部分光束沿快轴或者慢轴方向平移，达到光束重新排列的目的。

本发明首先采用准直镜降低快轴发散角和慢轴发散角，使激光光束变为近平行光束；然后用阶梯镜去除bar条之间发光空隙，并使光束在快轴方向得到压缩；用平行六面体棱镜将部分光束沿快轴方向和慢轴方向平移，使半导体激光面阵光束重新排列，达到快慢轴光束质量趋于一致的目的。经过重新排列后的光束经过聚焦能够得到高亮度的小光斑。本发明所用的光学器件易于制造，结构简单，方便调节。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

附图说明：

图1为本发明结构示意图。图中1为激光器，2为快轴准直镜，3为慢轴准直镜，4为阶梯镜，5为第一平行六面体棱镜组，6为第二平行六面体棱镜组，51、52、61、62为平行六面体棱镜。

图2为平行六面体棱镜立体图。

图3为光束经过第一平行六面体棱镜组发生快轴方向平移示意图。图中51、52、61、62为平行六面体棱镜。

图4为光束经过第二平行六面体棱镜组发生慢轴方向平移示意图。图中51、52、61、62为平行六面体棱镜。

图5光束经过阶梯镜、第一平行六面体棱镜组和第二平行六面体棱镜组光束变化过程示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的面阵半导体激光器的光束整形装置包括快轴准直镜2，慢轴准直镜3，阶梯镜4，第一平行六面体棱镜组5，第二平行六面体棱镜组6。