專利名稱：用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直、聚焦裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，涉及半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直、聚焦裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
高功率半導(dǎo)體激光器列陣具有體積小、壽命長(zhǎng)、光電轉(zhuǎn)換效率高、輸出功率密度高、可直接電流調(diào)制等顯著優(yōu)點(diǎn)，在醫(yī)療、材料處理和加工、固體激光器端面泵浦等方面都有著重要應(yīng)用。以其廣闊的應(yīng)用前景和巨大的潛在市場(chǎng)而成為各國(guó)競(jìng)相追逐的熱點(diǎn)。由于半導(dǎo)體激光器及其列陣有源層特殊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，使其輸出光束質(zhì)量很差，具體表現(xiàn)為一般在30°～40°，平行于p-n結(jié)方向(慢軸)的發(fā)散角一般在7°～10°。由于垂直于p-n結(jié)方向和平行于p-n結(jié)方向上有不同的發(fā)散角和嚴(yán)重的像散以及光斑極度不對(duì)稱，這在很大程度上限制了半導(dǎo)體激光器及其列陣的實(shí)際應(yīng)用。因此對(duì)半導(dǎo)體激光器列陣發(fā)出光束準(zhǔn)直聚焦技術(shù)的研究近年來也越來越受到重視和發(fā)展。半導(dǎo)體激光器列陣與光纖耦合可以從根本上改善輸出光束的質(zhì)量，并且還可以采用多根光纖集成一束成為光纖束使輸出功率得到相當(dāng)于單管幾十倍乃至百倍的提高。然而由于半導(dǎo)體激光器列陣的基模場(chǎng)分布與光纖的基模場(chǎng)分布不一致，為了得到高的耦合效率，國(guó)內(nèi)外普遍采用柱透鏡或光學(xué)透鏡組對(duì)半導(dǎo)體激光器列陣輸出的光束進(jìn)行整形、壓縮、然后耦合進(jìn)入光纖列陣。但是，由于耦合進(jìn)入光纖的激光束的模場(chǎng)分布不完全對(duì)稱，再加上激光在光纖中傳輸時(shí)的全反射波導(dǎo)形式，決定的激光束出纖后，必然存在一定的發(fā)散角，十幾根甚至幾十根光纖集成一束后，就很明顯的暴露出光斑亮度不均勻、有暗點(diǎn)、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角大等缺陷，因此要完全改善激光束的特性，得到亮度均勻，出射光束平行的要求，一方面要對(duì)耦合前的光束整形，另一方面對(duì)于耦合后出纖的光束也需要準(zhǔn)直。因此，為了同時(shí)獲得高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻、準(zhǔn)直性好的高質(zhì)量光束輸出，必須設(shè)計(jì)制作一種高效，而簡(jiǎn)單的光束準(zhǔn)直、聚焦透鏡組。

發(fā)明內(nèi)容
在背景技術(shù)中，國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體激光器研制者比較重視對(duì)半導(dǎo)體激光器列陣輸出的光束進(jìn)行壓縮、整形、耦合進(jìn)入光纖列陣，而沒有考慮限制在半導(dǎo)體激光列陣的實(shí)際應(yīng)用中暴露出的出纖光束光斑亮度不均勻、有暗點(diǎn)、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角大等缺陷，不能實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻、準(zhǔn)直性好的高質(zhì)量光束輸出。本發(fā)明的目的就是在保證輸出高功率、高亮度的基礎(chǔ)上，解決半導(dǎo)體激光列陣光纖耦合模塊出纖光束質(zhì)量問題，為此，本發(fā)明用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直、聚焦透鏡裝置，使激光列陣真正實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻、準(zhǔn)直性好的高質(zhì)量光束輸出。
本發(fā)明包括光纖束、第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、平凹透鏡、雙凹透鏡、雙凸透鏡、第三平凸透鏡、第四平凸透鏡；在光束傳播方向依次放置光纖束、第一平凸透鏡、第二平凸透鏡、平凹透鏡、雙凹透鏡、雙凸透鏡、第三平凸透鏡、第四平凸透鏡；光纖束的輸出面與第一平凸透鏡相互對(duì)應(yīng)放置，且第一平凸透鏡的凸面放置于靠近光纖束的輸出面一邊，第一平凸透鏡的凸面為輸入面、平面為輸出面；第二平凸透鏡的凸面與第一平凸透鏡的平面相互對(duì)應(yīng)放置；平凹透鏡的凹面與第二平凸透鏡的平面相互對(duì)應(yīng)放置，且第一平凸透鏡、第二平凸透鏡與平凹透鏡的組合焦點(diǎn)靠近平凹透鏡的凹面一邊；第一平凸透鏡、第二平凸透鏡對(duì)光纖束中的多根光纖輸出的光束進(jìn)行消像差、聚焦；平凹透鏡的作用是加長(zhǎng)物距，使光束強(qiáng)度分布均勻；雙凹透鏡、雙凸透鏡對(duì)聚焦后的強(qiáng)度分布均勻的光束消球差、慧差，雙凹透鏡、雙凸透鏡是膠合透鏡，膠合透鏡即雙凹透鏡和雙凸透鏡與平凹透鏡的平面相互對(duì)應(yīng)放置，且膠合透鏡的雙凹透鏡不膠合的凹面靠近平凹透鏡的平面一邊；膠合透鏡的雙凸透鏡不膠合的凸面是輸出端；第三平凸透鏡與膠合透鏡的雙凸透鏡不膠合的凸面相互對(duì)應(yīng)放置，第三平凸透鏡的平面靠近雙凸透鏡不膠合的凸面；第四平凸透鏡的平面與第三平凸透鏡的凸面相互對(duì)應(yīng)放置；雙凹透鏡、雙凸透鏡、第三平凸透鏡的焦點(diǎn)與第一平凸透鏡、第二平凸透鏡和平凹透鏡的組合焦點(diǎn)重合使經(jīng)過平凹透鏡的強(qiáng)度分布均勻的光束變成平行光，使激光列陣光纖束輸出實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻的平行光束輸出；將雙凹透鏡、雙凸透鏡、第三平凸透鏡輸出的平行光再經(jīng)過第四平凸透鏡聚焦可以獲得一個(gè)高功率、高亮度、強(qiáng)度分布均勻的聚焦光點(diǎn)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)為了解決背景技術(shù)中半導(dǎo)體激光器列陣的基模場(chǎng)分布與光纖的基模場(chǎng)分布不一致，耦合進(jìn)入光纖的激光束的模場(chǎng)分布不完全對(duì)稱，再加上激光在光纖中傳輸時(shí)的全反射波導(dǎo)形式，決定的激光束出纖后，必然存在一定的發(fā)散角，十幾根甚至幾十根光纖集成一束后，就很明顯的暴露出光斑亮度不均勻、有暗點(diǎn)、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角大等缺陷。本發(fā)明采用了光束準(zhǔn)直、聚焦透鏡裝置，解決了半導(dǎo)體激光列陣光纖耦合模塊出纖光束質(zhì)量問題。本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻、準(zhǔn)直性好的高質(zhì)量光束輸出，提供用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直、聚焦透鏡裝置。


圖1是本發(fā)明中光束準(zhǔn)直裝置結(jié)構(gòu)示意2是本發(fā)明中光束聚焦裝置結(jié)構(gòu)示意圖也是摘要附圖
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明，但本發(fā)明不限于這些實(shí)施例。
本發(fā)明的光束準(zhǔn)直、聚焦裝置如圖1和圖2所示包括光纖束1、第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡3、平凹透鏡4、雙凹透鏡5、雙凸透鏡6、第三平凸透鏡7、第四平凸透鏡8。
實(shí)施例1光纖束1是將多根纖芯為100μm～300μm的石英光纖集成一束，并對(duì)光纖束1端面進(jìn)行拋光。光纖的數(shù)值孔徑為0.11～0.22；光從光纖束中的多根光纖輸出，每根光纖輸出的光束都帶有一定的發(fā)散角度。
本發(fā)明使用的光纖束的光源為三種波長(zhǎng)808nm、980nm、1064nm的大功率激光列陣。每個(gè)激光列陣有19個(gè)激射條、條寬150μm、周期500μm、發(fā)光區(qū)面積為10000×1μm，室溫連續(xù)輸出光功率為40W。在激光列陣垂直于p-n結(jié)方向(快軸)的發(fā)散角為35°、數(shù)值孔徑0.5736，平行于p-n結(jié)方向(慢軸)的發(fā)散角為7°、數(shù)值孔徑0.12。使用的光纖束1為57根光纖芯徑為200μm、光纖包層250μm、數(shù)值孔徑0.16的石英光纖集成一束，并對(duì)光纖束1端面進(jìn)行拋光。
三種波長(zhǎng)激光列陣發(fā)射的57條光束耦合進(jìn)入57根芯徑為200μm的光纖并集成光纖束1。經(jīng)過第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡3對(duì)57根光纖束1進(jìn)行消像差。第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡3和平凹透鏡4的組合焦點(diǎn)在平凹透鏡4凹面的左邊13mm處，平凹透鏡4的作用是加長(zhǎng)物距，使光束強(qiáng)度分布均勻，再通過雙凹透鏡5、雙凸透鏡6消球差、慧差，雙凹透鏡5、雙凸透鏡6、第三平凸透鏡7的焦點(diǎn)與第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡3和平凹透鏡4的組合焦點(diǎn)重合使經(jīng)過平凹透鏡4的均勻光束變成平行光。使三種波長(zhǎng)激光列陣實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻的平行光束輸出，平行光束在一公里處光斑直徑為2米，則完成用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直裝置的制作。
實(shí)施例2除與上述實(shí)施例1相同外，再將雙凹透鏡5、雙凸透鏡6、第三平凸透鏡7輸出的平行光再經(jīng)過第四平凸透鏡8聚焦可以獲得一個(gè)高功率、高亮度、強(qiáng)度分布均勻的聚焦光斑。則完成用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束聚焦裝置的制作。
實(shí)施例3本發(fā)明使用光纖束1的光源可用三個(gè)相同波長(zhǎng)的大功率激光列陣。其它與上述實(shí)施例1與實(shí)施例2相同或根據(jù)需要選擇不同的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直裝置，包括光纖束(1)，其特征在于在光束傳播方向依次放置光纖束(1)、第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)、平凹透鏡(4)、雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)、第三平凸透鏡(7)，光纖束(1)與第一平凸透鏡(2)相互對(duì)應(yīng)放置，且第一平凸透鏡(2)的凸面放置于靠近光纖束(1)輸出面一邊；第二平凸透鏡(3)的凸面與第一平凸透鏡(2)的平面相互對(duì)應(yīng)放置；平凹透鏡(4)的凹面與第二平凸透鏡(3)的平面相互對(duì)應(yīng)放置；第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)與平凹透鏡(4)的組合焦點(diǎn)在靠近平凹透鏡(4)的凹面一邊；第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)對(duì)光纖束(1)中的多根光纖輸出的光束進(jìn)行消像差、聚焦；平凹透鏡(4)加長(zhǎng)物距，使光束強(qiáng)度分布均勻；雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)對(duì)聚焦后的強(qiáng)度分布均勻的光束消球差、慧差，雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)是膠合，雙凹透鏡(5)和雙凸透鏡(6)與平凹透鏡(4)的平面相互對(duì)應(yīng)放置，且雙凹透鏡(5)不膠合的凹面靠近平凹透鏡(4)的平面一邊；第三平凸透鏡(7)的平面與雙凸透鏡(6)不膠合的凸面相互對(duì)應(yīng)放置，且第三平凸透鏡(7)的平面靠近雙凸透鏡(6)不膠合的凸面；雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)、第三平凸透鏡(7)的焦點(diǎn)與第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)和平凹透鏡(4)的組合焦點(diǎn)重合，使經(jīng)過平凹透鏡(4)的強(qiáng)度分布均勻的光束變成平行光。
2.用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束聚焦裝置，包括光纖束(1)，其特征在于在光束傳播方向依次放置光纖束(1)、第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)、平凹透鏡(4)、雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)、第三平凸透鏡(7)、平凸透鏡(8)，光纖束(1)與第一平凸透鏡(2)相互對(duì)應(yīng)放置，且第一平凸透鏡(2)的凸面放置于靠近光纖束(1)輸出面一邊；第二平凸透鏡(3)的凸面與第一平凸透鏡(2)的平面相互對(duì)應(yīng)放置；平凹透鏡(4)的凹面與第二平凸透鏡(3)的平面相互對(duì)應(yīng)放置；第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)與平凹透鏡(4)的組合焦點(diǎn)在靠近平凹透鏡(4)的凹面一邊；第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)對(duì)光纖束(1)中的多根光纖輸出的光束進(jìn)行消像差、聚焦；平凹透鏡(4)加長(zhǎng)物距，使光束強(qiáng)度分布均勻；雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)對(duì)聚焦后的強(qiáng)度分布均勻的光束消球差、慧差，雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)是膠合，雙凹透鏡(5)和雙凸透鏡(6)與平凹透鏡(4)的平面相互對(duì)應(yīng)放置，且雙凹透鏡(5)不膠合的凹面靠近平凹透鏡(4)的平面一邊；第三平凸透鏡(7)的平面與雙凸透鏡(6)不膠合的凸面相互對(duì)應(yīng)放置，且第三平凸透鏡(7)的平面靠近雙凸透鏡(6)不膠合的凸面；雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)、第三平凸透鏡(7)的焦點(diǎn)與第一平凸透鏡(2)、第二平凸透鏡(3)和平凹透鏡(4)的組合焦點(diǎn)重合，使經(jīng)過平凹透鏡(4)的強(qiáng)度分布均勻的光束變成平行光；雙凹透鏡(5)、雙凸透鏡(6)、第三平凸透鏡(7)輸出的平行光再經(jīng)過第四平凸透鏡(8)聚焦獲得高功率、高亮度、強(qiáng)度分布均勻的聚焦光斑。
全文摘要
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體激光列陣光束整形、準(zhǔn)直聚焦裝置。包括光纖束1、第一平凸透鏡2、第二平凸透鏡3、平凹透鏡4、雙凹透鏡5、雙凸透鏡6、第三平凸透鏡7、第四平凸透鏡8。解決半導(dǎo)體激光器列陣的基模場(chǎng)分布與光纖的基模場(chǎng)分布不一致，耦合進(jìn)入光纖的激光束的模場(chǎng)分布不完全對(duì)稱，激光在光纖中傳輸時(shí)的全反射波導(dǎo)形式，決定的激光束出纖后，必然存在一定的發(fā)散角，十幾根甚至幾十根光纖集成一束后，明顯暴露出光斑亮度不均勻、有暗點(diǎn)、遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角大等缺陷。本發(fā)明的裝置解決半導(dǎo)體激光列陣光纖耦合模塊出纖光束質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度、光束強(qiáng)度分布均勻、準(zhǔn)直性好的高質(zhì)量光束輸出，提供用于高功率半導(dǎo)體激光列陣光束準(zhǔn)直、聚焦裝置。
文檔編號(hào)G02F1/35GK1687840SQ20051001676
公開日2005年10月26日 申請(qǐng)日期2005年4月30日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月30日
發(fā)明者李麗娜, 史光輝, 王立軍, 尹紅賀, 劉君 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所