[发明专利]线光束整形装置

说明书

本发明涉及一种由透射元件制成的线光束整形装置。主要用于半导体激光器线列阵输出光场的整形，也可用于其他把扁长形光束变为圆形的光束整形场合，如板条激光器输出光的整形和大功率半导体激光泵浦的薄片状激光器输出光的整形等。

半导体激光器具有不对称分布的输出光场。为了大幅度提高功率输出可以由许多个半导体激光器组成列阵(通常线列阵长10mm)，然而与此同时输出光场的不对称分布更被加强许多倍。半导体激光器在垂直于激活区即pn结的方向上呈现60°～90°的高发散，但是发光区仅1μm宽，光束质量达到衍射极限；而在平行于激活区的方向上只有10°左右的发散，发光区有一定的长度，尤其是当组成列阵的时候，相当于由许多段发光区断续排列而成的10mm长线光源，光束质量极差。两个方向上的光学不变量(拉格朗日量)相差上千倍。这样极不对称的光束无法通过透镜棱镜组合的光学系统聚集成有一定焦深的小光斑，以得到足够高的亮度，能够用光纤传输。人们想出了各种各样的办法来解决这个问题，从而最终实现密集半导体激光器所企求的目的。可以从列阵器件的内部结构上想办法，给每一个半导体激光器安装一个数值孔径极大的输送元件；也可以从外部想办法，设计特殊的光学系统来整形和会聚列阵器件的输出光场。

图1是一种靠错位面反射镜重组输出光束以得到大致对称的光场分布，然后用透镜组会聚成小光点，由光纤耦合输出的整形集光装置，为德国夫朗和费激光技术所Dr.K.Du等人提出，其核心技术是一种称之为“阶梯镜”的特殊反射镜。图1中半导体激光器的列阵管为被整形线光源1发出的线光束经微柱透镜2压缩所谓的快方向发散角后被阶梯镜3重组光场结构，以得到大致对称的发散光束，再经柱面透镜4和球面透镜5的组合，被会聚到光纤6的输入端面上，经光纤6耦合输出。这种结构可以得到很好的整形效果，缺点是(1)经阶梯镜重组的光场各部分之间存在光程差，需要补偿；(2)阶梯形镜面加工难度很大；(3)阶梯镜面的高折射率膜层的实现很困难。

本发明的目的是提供一种线光束整形装置，克服上述已有技术的缺限，使其线光束经本发明的整形装置整形后，变成发散角各向均匀对称的圆光斑，整形后的光束的前进方向不改变，而且整形装置结构简单，整形元件加工容易。

本发明的线光束整形装置，包括在被整形线光源1发射的线光束G前进方向上，依次置放的微柱透镜2、微片棱镜堆3、柱面透镜4、球面透镜5至光纤6。

上述本发明的线光束整形装置中，作为线光束G的关键的整形元件是微片棱镜堆3，它是由N片微棱镜301紧密排列所构成。微棱镜的片数N＝κθ_s/θ_f，其中κ为置于被整形线光源1与微片棱镜堆3之间的微柱透镜2对线光束的压缩倍数，θ_s为光束慢发散方向的发散角，θ_f为光束快发散方向的发散角。

所说的微片棱镜堆3是能够使线光束在其底面c_n上的反射为全内反射的正三角形，或者是等腰三角形，或者是等腰梯形，或者是两底角相等的四边形。

附图3有助于解释本发明作为整形元件的微片棱镜堆3的整形原理。设微棱镜301为对称的，或日等腰三角形，那么平行于微棱镜301底棱的光线从一个斜面a进入微棱镜301后，经微棱镜底面c反射至另一个斜面b出射时，出射光线也平行于微棱镜301底棱。如果入射的是位于同一平面内的一组光线，而这个平面相对于微棱镜301底面偏转角度θ，那么出射的也是位于同一平面内的一组光线，这个平面相对于微棱镜301底面c偏转角度-θ。所以，只要把微棱镜301绕其底棱旋转45°，就可以把沿水平方向伸展的平行光束变成沿垂直方向伸展的。当光线在微棱镜301底面c的反射为全内反射时，全部损耗将只取决于两个斜面的增透效果。因此，要求微片棱镜堆3置放在光路中时，其底面c_n与被整形线光源1发射的线光束G的前进方向相平行，而且光束入射和出射的两个斜面a_n、b_n能够包含全部被整形线光束的截面，也就是说，微片棱镜堆3的光束入射斜面a_n和光束出射斜面b_n必须大于被整形线光束的截面。如图4所示。

如上所述，微片棱镜堆3由许多个如图3所示的微棱镜组成，各自对其底棱旋转45°放置。于是水平取向的线光源被分解为许多个小线光源，再转变成许多个垂直取向的小线光源，沿水平方向重新排列，变成梳状的分布。情况如图4所示。因此，要求微片棱镜堆3所包含的N片微棱镜301的底面c与微片棱镜堆3的底面c_n之间有45°夹角。