[发明专利]用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学元件和光学系统，具体说，涉及一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统。

背景技术

半导体激光器因电光转换效率高、体积小以及重量轻而得到了广泛的应用。但单个半导体激光器无法输出极高的功率(大于百瓦)，因此出现了将多个半导体激光器排列在一起形成条阵、以及将多个条阵堆叠在一起形成面阵的激光器阵列。受工艺、冷却、整形方法等限制，半导体激光器阵列不能做得很长，目前一般约为10mm。构成半导体激光器阵列的半导体激光器一般为边缘发射型半导体激光器，这种半导体激光器包括一个p-n结，电流垂直于该p-n结注入，激光则从该p-n结的侧面边缘发射出来。图1示出了现有的一维半导体激光器阵列的示意图。在图1所示的一维半导体激光器阵列1的一个例子中，阵列长度约为10mm，单个发光区的出光侧面的尺寸为150μm×1μm，相邻发光区的间距为500μm。由于边缘发射型半导体激光器的发光区的断面狭窄，因而其输出的光束在平行于p-n结的方向(称为慢轴方向，也即图1中的X方向)和垂直于p-n结的方向(称作快轴方向，也即图1中的Y方向)上有不同的发散角，在快轴方向的发散角为50°到60°，在慢轴方向的发散角为5°到10°，而且其输出的光束在快轴方向和慢轴方向上的束腰的位置和直径也不同，具有严重的像散，因而不能简单地通过透镜系统进行聚焦。

激光光束质量的优劣通过光参数积(BPP)来评价，光参数积BPP定义为某个方向上的束腰半径(R)与远场发散角半角(θ)的乘积，单位是mm·mrad。上述半导体激光器快轴的光参数积BPP_f一般为1～2mm·mrad，慢轴的光参数积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光参数积相差上百倍，因而很难对该光束进行聚焦。

为了提高半导体激光器阵列的输出光束的质量，必须对其进行整形，以获得发散角和光斑直径均很小的对称光斑。光束整形就是将光束的快慢轴的光参数积均匀化，即通过光学元件将条形准直光束在慢轴方向上分割成N段，然后将这N段在快轴方向上叠加，这样，慢轴方向上的光参数积就减小到原来的1/N，而快轴上的光参数积则增加到原来的N倍，从而光束的快慢轴的光参数积被均匀化。图2是对一维半导体激光器阵列的光束进行整形的示意图，其中，在图2中的上部示出了整形光学系统，在图2中的下部示意地示出了所述整形光学系统中的一些节点处的光束的断面形状。如图2所示，首先，一维半导体激光器阵列1发出的激光束通过快慢轴准直透镜2分别进行准直以得到准平行光。准直后的光束在节点B1处的断面形状为长条形，该长条形的长度为Len，宽度为W。然后，准直后的光束沿着Z轴通过光束切割单元4，通过光束切割单元4后的光束在节点B2处变为台阶状分布的N段光束(例如图2中的光束段a、b、c、d、e、f)，台阶状分布的N段光束再通过光束重排单元5，通过光束重排单元5后的光束在节点B3处变为所述N段光束的叠加。节点B3处的光束在慢轴方向(即图2中的X方向)的尺寸小，经过慢轴扩束准直单元7后在节点B4处变为快慢轴光参数积被均匀化了的矩形光斑。最后光束经过球面聚焦透镜8可以聚焦成均匀的点光斑。

目前，用于半导体激光器阵列光束整形的光束切割单元4和光束重排单元5等光学元件一般分为反射式光学元件、折反射式光学元件和折射式光学元件。

所述反射式整形用光学元件包括两个完全对称的阶梯型反射镜，每个阶梯型反射镜又包括N个高反射率镜面，光束通过第一个阶梯型反射镜后在慢轴方向上被分割成N段子光束，各段子光束经过第二个阶梯型反射镜中的相应镜面的反射后，在快轴方向上对齐排列起来。这种整形用的光学元件的缺点是阶梯型反射镜的加工难度大。

所述折反射式整形用光学元件利用两组棱镜的折射和全反射来实现光束的分割和重排。这种整形用的光学元件的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，棱镜的装配比较困难。

所述折射式整形用光学元件则通过对光束进行一次或多次折射来实现光束的匀化。此类整形用光学元件可以通过GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此类整形用光学元件由多个光学玻璃薄片紧密叠加而成，整形的效率比较高。但其缺陷是，随着光学玻璃薄片的数量的增加，光学玻璃薄片的累积误差越来越大，以至于超出合理的误差范围，使整形效果变差。另外，还存在装配困难、不易调节的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学系统以克服上述定位不精确、装配困难、累积误差大、不易调节的缺点。