[发明专利]一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置

说明书

技术领域

本发明涉及激光二极管阵列光束整形及耦合，具体涉及一种激光二极管阵列的光纤耦合或固体激光泵浦耦合的光束耦合聚焦装置。

背景技术

这些年来，激光技术发展迅速，其应用范围也日益扩大，激光技术在不停地改善我们的生活质量。用于固体激光的泵浦光源有两种：氙灯或氪灯和激光二极管。激光二极管具有体积小、重量轻、光电转换效率高、寿命长和可直接调制等特点，具有美好的市场未来。随着激光二极管成本的降低，在某些领域，激光二极管正逐步取代传统泵浦氙灯。在某些工业应用方面，以二极管激光为激光光源被直接应用到切割、焊接和表面处理，等等。

单管激光二极管由于受腔面灾变失效的影响，最大输出功率通常为瓦的量级，无法满足具体应用的要求。而在某些实际应用中又迫切需要大功率的二极管激光光源或泵浦源，因此必须将许多激光二极管制成阵列(array)或堆栈(stack)，以满足实际应用要求。激光二极管阵列一般由多个激光二极管发射单元排成一列组成，常见有19、25或49等几种。单个激光发射单元的光束分布存在很大的非对称性，其发光面积一般为1×50μm²至1×400μm²，其快轴全角发散角一般在30-40°，慢轴全角发散角在8-10°，两者的发散角相差3-4倍。激光二极管阵列的发光面积一般为1μm×10mm或以上，其激光光束的空间分布具有巨大的非对称性。一般地，激光二极管阵列要达到实际应用的要求，都必须对激光二极管阵列进行光学整形，即压缩激光二极管阵列的快轴和慢轴的发散角，最理想的状态是将其激光光束整形成均匀分布的方形(或圆形)光斑。

根据实际应用情况，出现了多种耦合聚焦激光二极管阵列的解决方案。现有技术中解决此问题的第一种方案是基于使用偏心衍射透镜阵列。采用第一组衍射透镜阵列来准直和引导单管激光发射单元快轴和慢轴方向的光线堆栈地排列到第二组衍射透镜阵列的快轴上。第一组衍射透镜阵列引入了光线的倾斜，而第二组衍射透镜阵列则补偿了这种倾斜，从而使光束直立出射，出射光被透镜耦合聚焦。这种方法最大的一个缺点是使用了两组衍射光学元件，整个装置的透过率较低。

现有技术中解决此问题的第二种方案是基于使用两个平行的偏心反射镜。这种解决方案使用了高效的快轴准直器件，系统透过率较高，这种解决方案对两个反射镜之间的平行性要求较高，对装置的安装要求高。

现有技术中解决此问题的第三种方案是采用偏斜光线成像系统。这种解决方案使用稍微倾斜放置的一快轴准直单元使单管激光发射单元发射方向不在同一水平面上；然后再用一普通的场镜使各个激光发射单元的激光堆栈排列在快轴方向上；最后使用一组透镜和在透镜组中加放一衍射光学元件对激光二极管阵列的光束进行耦合聚焦。

现有技术中解决此问题的第四种方案是先采用一个快轴准直单元压缩激光二极管阵列快轴的发散角，接着采用一组光束旋转阵列使激光束分布空间旋转90°，然后用一组普通柱透镜组成的光学压缩系统和在该光学压缩系统内插入一复眼准直器来压缩和匀化激光束，最后用一非球面透镜来耦合聚焦激光二极管阵列。

第三种和第四种解决方案虽然耦合效率高，但是它们都插入了衍射光学元件和更多的普通光学元件，从而带来了更多的插入损耗和降低了系统的紧凑性。在现有技术的基础上，急需开发一种耦合效率高、插入损耗小和紧凑性好的光学耦合聚焦装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种耦合效率高、插入损耗小和紧凑性好的光学耦合聚焦装置。为此，本发明提供了一种激光二极管阵列的光束耦合聚焦装置，包括沿光束前进方向依次放置的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列、复曲面反射镜和目的光学，其特征在于，所述的激光二极管阵列、快轴准直单元、光束旋转阵列平行排列，所述的复曲面反射镜倾斜位于光束旋转阵列之后，所述的目的光学位于复曲面反射镜的焦点处。

进一步的，所述的激光二极管阵列由8-20个激光二极管发射单元并排排成一列组成。

进一步的，所述的快轴准直单元为折射光学元件，所述的快轴准直单元为柱透镜或光纤透镜。

进一步的，所述的快轴准直单元表面镀有对激光具有高透过率的介质膜。

进一步的，所述的光束旋转阵列由斜置45°的柱面微透镜组构成，柱面透镜组中单个柱面透镜单元的主轴与激光二极管阵列水平方向的夹角为45°，单个柱面透镜单元的数目与激光二极管阵列中的激光二极管的数目相同且一一对应，保证每个激光二极管发出的光可被对应的柱面透镜单元空间旋转90°，柱面透镜组的柱面所在平面与激光二极管阵列的发光方向垂直。