[实用新型]折射型高功率半导体激光器阵列光束整形装置

说明书

技术领域

本专利涉及一种用于高功率半导体激光器阵列的光束整形装置，属于激光技术应用领域的范围。

背景技术

由于半导体激光器具有体积小、光电转换效率高、工作寿命长、成本低等优点，因此在材料加工、激光医疗、固体激光器的泵浦源等方面得到广泛的应用。

但与其它激光器相比，半导体激光器最大的缺陷是光束质量较差，其主要表现为：发出的光束能量空间分布为高斯分布、发散角大、光斑成椭圆形、存在固有象散等，所以难以利用常规的透镜和光学系统把光束耦合进光纤里，这严重地制约了半导体激光器的发展。为了使半导体激光器发出的光束能够顺利地耦合进光纤，必须先对光束进行准直和光束变换整形。

半导体激光器阵列分为一维阵列和二维阵列。其中，一维阵列称为巴条（bar），一般由5～75个发光点所组成，常见的巴条为19个发光点，每个发光点在平行于p-n结方向的宽度（简称慢轴方向）一般为50μm～200μm，在垂直于p-n结方向的宽度（简称快轴方向）仅为1μm，而慢轴方向发光点的排列周期则从120μm到1000μm不等。二维阵列又称为叠阵（stack），它是由多个一维阵列在沿着快轴方向，以相同的间隔排列而成。半导体激光器发出的光束，在快轴方向90%能量的发散角约为60°～80°，而在慢轴方向的发散角则约为9°～16°。

为了评价半导体激光器光束质量的好坏，通常使用光参数积（BPP）作为评价函数，BPP为光束半发散角和光束束腰半径的乘积，单位为mm*mrad。常用的半导体激光器准直以后，快轴的BPP值约为1mm*mrad，慢轴的BPP值约为300mm*mrad，慢轴光参数积为快轴光参数积的300倍。光束耦合进入光纤的条件是光束光参数积小于光纤的光参数积，而对于常见的数值孔径为0.22，芯径为200μm的光纤，其BPP值则仅有22.3mm*mrad，半导体激光器慢轴的BPP值远大于光纤的BPP值，所以必须经过光束整形，才能使得其BPP值符合耦合要求。

目前，用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件主要分为折射式光学元件、反射式光学元件和折反射式光学元件。

反射式光学元件的主要原理是通过两次同类元件的反射实现切割和重排。目前使用较多的有V-STACK阶梯型反射镜组，该元件由两个阶梯型的金属反射镜所组成，当光束经过第一个阶梯型反射镜时，慢轴方向被分成了N等份并且光束传播方向改变90°，当光束经过第二个阶梯型反射镜后实现光束的重排。

折射式光学元件的主要原理是利用多次折射的方式来达到光束切割和重排的目的。主要的元件有平行平板堆、棱镜组合等，光束经过一次此类光学元件折射后，在慢轴方向上即可分为N等份；当第二次经过此类光学元件折射后，便可实现光束在快轴方向的重排。

折反射式光学元件主要原理是利用棱镜堆的折射来实现切割错位，利用棱镜堆的全反射或者反射镜堆的反射来实现重排。

对于上述的现有光学整形元件，全都属于一次分割，为了能够实现把常见的半导体激光器阵列耦合进芯径为200μm的光纤，基本需要把整形元件中每块台阶玻璃的厚度控制在1mm以下，这对于我国目前玻璃加工来说仍然比较困难。另外，随着切割份数的增加，整形元件的装配误差积累会相当的严重，从而影响到耦合效率。

发明内容

为了克服上述方案中加工困难、误差积累严重、装配调节困难、精度不高的缺点，本发明提供了一种用于高功率半导体激光器阵列的光学整形装置，在实现光束整形的同时，能把整形元件中每块台阶玻璃的厚度尺寸增大一倍，误差积累减少一半，大大地降低了加工难度，提高了精度和减少损耗，同时压缩激光光束在快轴方向的宽度，减少聚焦透镜的焦距，使得系统更加紧凑。在多巴条和叠阵耦合，以及在切割份数较多时更能体现本元件的优势。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：