[实用新型]用于半导体激光器的聚焦式光束压缩装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种激光光束压缩装置，尤其涉及一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩装置，属于激光光束整形技术领域。

背景技术

半导体激光器可以实现40～70％的光电转换效率，是目前光电转换效率最高的激光器件之一，在激光加工、医疗美容、军工等领域得到广阔的应用。半导体激光器阵列是由多个半导体激光器发光点构成的线状光源。由多个半导体激光器阵列垂直堆叠、封装可以构成半导体激光器叠层，其远场叠加光斑和单个半导体激光器没有特别大的差别，但它可以汇总多个半导体激光器的发射功率，在单位面积内产生更高的功率密度，从而满足实际应用对高功率密度和高光束质量的要求。

图1和图2显示了一个典型的半导体激光器叠层的输出光束，其发光区域为10mm(慢轴方向)×(1～3)um(快轴方向)。其中，单个发光点的输出光束如图1所示，整个半导体激光器叠层的远场叠加光斑如图2所示。在整个半导体激光器叠层的输出光束中，10mm方向的发散角全角约为7～10度，1～3um方向的发散角全角约为60～70度。由于半导体激光器在快轴方向上的发光高度极小，可以近似看成点光源，其远场光强分布如图3所示呈现典型的高斯分布特征。整个半导体激光器叠层在快轴方向上的光束分布如图4所示。

半导体激光器叠层在水平方向上具有发光点间距，在垂直方向上具有阵列间距，造成整个半导体激光器叠层在两个方向上都存在很大的光斑尺寸和发散角。由于半导体激光器叠层的整体光斑无法有效聚焦于一点或者一线，无法实现很高的功率密度，极大地影响了在实际应用中的效果。因此，有必要对半导体激光器叠层的输出光束进行光束整形。

在实践中，为了减少快轴方向的发散角，人们常用光纤、棒镜或者柱透镜对每一个半导体激光器叠层进行快轴准直。常规的快轴准直方法不改变相邻阵列之间的封装间距，准直后的多个输出光束依然近似平行。这种方法我们称之为平行式快轴准直。在快轴准直后，整个半导体激光器叠层的近场光斑变成若干条线状光斑。相邻线状光斑之间的间距由半导体激光器阵列的封装间距决定。也就是说，如果相邻阵列之间的初始封装间距较大，即便进行快轴准直，近场光斑在整个投射区域内的平均功率密度也会受到封装间距的限制而无法进一步提高。

由于半导体激光器的上述特性以及由此造成的应用局限都源于基本的物理定律，所以克服半导体激光器局限性的努力只能放在后续的光束整形中。例如在专利号为ZL200910098179.8的中国发明专利中公开了一种半导体激光器阵列光束整形照明系统，其要点是通过控制各个激光单元的光束传播轴线分别在快轴和慢轴方向上的偏转程度，在远场形成一种多个激光单元的高斯光束部分重合叠加的效果，从而构造符合视场要求的照明光束。又如在专利号为ZL200810118969.3的中国发明专利中公开了一种对阵列器件进行光束快轴压缩的方法。该方法包括：制作阵列器件光束快轴压缩用圆柱透镜；确定该圆柱透镜与阵列器件之间的位置关系；按照确定的位置关系将圆柱透镜与阵列器件用紫外胶粘结固定在一起。利用该发明，能够满足阵列器件和阵列叠层器件光束快轴压缩的要求，实现了对阵列器件进行光束快轴压缩。

如图5(a)和图5(b)所示，假定半导体激光器阵列之间的封装间距为d，半导体激光器阵列的数量为N，单个半导体激光器阵列准直后功率为P，准直后的光束高度为h，在预定距离L处的慢轴尺寸为M。通过计算可以得到如下的结果：

距离L处的光斑尺寸＝M×(d×(N-1)+h)

距离L处的激光总功率＝N×P

由此可以得出：

距离L处的平均激光功率密度Pa＝N×P/(M×(d×(N-1)+h))

在半导体激光器叠层的一个实施例(例1)中，假设：

在N＝5，P＝50W，M＝20mm，d＝2mm，h＝1mm时，距离L处的平均激光功率密度Pa≈1.4W/mm²

在d逐渐增大的时候，Pa逐渐减小。如其他参数不变的情况下d增大为5mm，则Pa≈0.6W/mm²

为了进一步提高在预定距离上的功率密度，我们必须减小半导体激光器在预定距离时的光斑尺寸。其中，分别减少快轴和慢轴的尺寸是最常用的方法。为了减少快轴上的尺寸，通常在准直之后采用柱面镜进行进一步的光束压缩。但这种方法会造成额外光学器件的增加，增大了光学损失，也给安装调试带来了不便。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种用于半导体激光器的聚焦式光束压缩装置。

为实现上述的目的，本实用新型采用下述的技术方案：