[发明专利]一种用于大功率激光二极管阵列的光束整形及耦合系统

说明书

技术领域

本发明涉及光束整形，特别是一种大功率激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，用于大功率激光二极管阵列发出的光束进行分割和重新排布的光学整形系统，可将大功率激光二极管阵列出射的激光经整形后耦合进光纤中，也可用作固体激光器的抽运耦合系统。

背景技术

激光二极管阵列的发光面多为1×50微米至1×400微米的细长发光点，发出的激光束在两个方向上具有不同的发散角：沿着长度方向为慢轴，发散角通常为10度；沿1微米厚度的方向称为快轴，发散角通常为38度。再由不连续的数个这样的发光区沿慢轴方向排列为一条线阵组成大功率激光二极管阵列，通常长度方向上达到1厘米。根据光学设计的基本原理，不难算得这样的大功率激光二极管阵列在两个方向上的拉格朗日不变量相差可多达上千倍，因此很难将此激光束直接通过透镜组会聚成具有一定焦深的小光斑，也难以进入到具有较低数值孔径(典型值如0.22)的传输光纤中。为此有很多发明与方法被用来对激光二极管阵列输出的光束进行整形，其基本的原则是改变快轴与慢轴的拉格朗日不变量，使慢轴方向的拉格朗日不变量减小，而快轴的增大，从而使输出光束能够用透镜组聚焦为具有一定焦深的较小光斑，为能量传输光纤所传输或直接用于抽运激光介质。

具体的整形方法可根据采用的光学元件的光学特性大致分为折射法、镜面反射法及折反法。图1是一种典型的采用镜面反射法整形的耦合装置，它采用梯形镜面反射使光束重组得到两个方向上的拉格朗日不变量相当的光场分布，再利用透镜组对光束聚焦从而耦合进光纤中。该方法是德国弗朗和菲激光技术所的杜可明等人提出的，其核心技术是一种称之为“阶梯镜”的特殊反射镜，该反射镜由一整块金属加工而成，对加工出的阶梯状排列的光滑表面镀金后形成阶梯镜，使入射的光束被分割并重新排布，利用两块相对称的这样的反射镜完成所需的光束排布。图1中线形光束从半导体激光器阵列1中发出，经过微柱透镜2将快轴的发散角压缩后进入阶梯镜3，经过阶梯镜3的分割与重组后，快轴与慢轴两个方向上的光束的拉格朗日不变量几近相同，再经过柱面透镜4和非球面镜5聚焦进入光纤6中。这种结构能够实现良好的整形并因此能够得到很高的耦合效率，但是此技术的缺点是：(1)由整块金属材料加工成阶梯形后阶梯面的面形和光洁度很难保证，难度很大，目前国内还没有这样的加工能力；(2)由整块金属材料加工成形后再镀金的成本很高；(3)镀金过程对环境会造成污染。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术缺点，是提供一种用于大功率激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，通过它将大功率激光二极管阵列发出的光束进行分割整形并将其耦合进能量传输光纤中，并且具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于大功率激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜、光束整形器、轴对称非球面透镜、柱面透镜和能量传输光纤，其特征在于所述的光束整形器是一微片玻璃堆整形器，它由一组结构相同的微片玻璃堆构成，微片堆均由多块截面如图4的玻璃薄片紧密排列组成，每一块玻璃薄片与二极管阵列慢轴方向的夹角为45°。单片微片玻璃的特征在于第一反射面与入射面的夹角为60°，第三反射面与出射面的夹角为30°，并且在第三反射面镀有入射光束相应的高反介质膜。所述的轴对称非球面透镜和柱面透镜的焦点同位于所述的能量传输光纤的输入端。

所述的微片玻璃堆整形器中构成微片堆的微片的数目根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相当的原则来确定。

所述的轴对称非球面透镜也可用柱面透镜代替。

本发明的技术效果：