專利名稱：添加導(dǎo)引光的條陣大功率半導(dǎo)體激光器的整形方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種條陣大功率半導(dǎo)體激光器(High-Power Laser Diode Bar，簡稱LD)光束整形方法，特別是一種添加導(dǎo)引光的LD的整形方法。
背景技術(shù)：
光參數(shù)積是光束的一個(gè)重要參數(shù)。按照ISO標(biāo)準(zhǔn)，光參數(shù)積(Q)定義為束腰半徑與遠(yuǎn)場發(fā)散角一半的乘積Q＝ω0θ0/2＝const. (1)按照ISO的規(guī)定，光參數(shù)積的標(biāo)準(zhǔn)單位為mm mrad。
Siegman的理論認(rèn)為，具有一定束腰和發(fā)散角的光束被無源、沒有截?cái)?、沒有像差的理想光學(xué)元件(比如透鏡和平面鏡)變換時(shí)，變換前后的光參數(shù)積Q將保持不變。這個(gè)理論在LD光束變換系統(tǒng)中也適用。
LD雖然應(yīng)用廣泛，但是其發(fā)散角大(平行和垂直于結(jié)平面兩方向的發(fā)散角很大)，像散大(在兩個(gè)方向上的光參數(shù)積相差數(shù)千倍)等因素限制了它的應(yīng)用，所以需要將LD的光束進(jìn)行變換，以形成滿足條件的聚焦光點(diǎn)耦合到光纖中。圖1是LD的子午方向(也叫快軸方向)的光能量分布圖；其弧矢方向(也叫慢軸方向)的分布與其類似，但發(fā)散角較小。
在光纖耦合LD系統(tǒng)中，首先用微透鏡陣列對LD光束進(jìn)行準(zhǔn)直，見圖2。(準(zhǔn)直方法參見1.《條陣半導(dǎo)體激光器陣列光束混合光學(xué)準(zhǔn)制聚焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)》，作者周崇喜、杜春雷，V3 NO.1 JUNE 5 2000《光學(xué)儀器》；2.《大功率半導(dǎo)體激光器陣列光束光纖耦合研究》，作者周崇喜、劉銀輝、謝偉民、杜春雷，Vol.31，No.11，P1296-P1230，2004，《中國激光》。準(zhǔn)直光路如附圖2所示。)為了使光點(diǎn)耦合進(jìn)特定參數(shù)的光纖(比如芯徑400μm，數(shù)值孔徑0.37的光纖)，就要使光點(diǎn)的光參數(shù)積比光纖纖芯半徑與孔徑角的一半的乘積小。如果直接將準(zhǔn)直光束聚焦耦合到光纖中，理論上聚焦光點(diǎn)在慢軸方向上的光參數(shù)積很大，不能滿足耦合的需要。
這樣就需要對LD兩個(gè)方向上的光參數(shù)積進(jìn)行變換，即整形，以滿足耦合條件；同時(shí)為了使LD在醫(yī)療、農(nóng)業(yè)等方面有更廣泛的應(yīng)用，需要在輸出的LD光束中添加可見光波段的導(dǎo)引光(一般波長為650nm的紅光)。
對LD的準(zhǔn)直光束進(jìn)行整形是指使用光學(xué)元件將條形準(zhǔn)直光斑從慢軸方向山分割成N段，然后疊加在快軸方向上，整形的光學(xué)元件稱為整形器。這樣，慢軸方向上的光參數(shù)積減小到原來的1/N，滿足了耦合條件；雖然快軸方向上的光參數(shù)積增加了N倍，但是由于LD在快軸方向上的光參數(shù)及本身很小，疊加后仍然滿足耦合條件。
中國專利申請?zhí)?3123568.9，“利用反射鏡片堆改變準(zhǔn)直光束光參數(shù)積的方法”提供了一種對LD光束進(jìn)行整形的方法，其基本原理是利用錯(cuò)開排列的一組反射棱鏡堆分割光斑，棱鏡結(jié)構(gòu)如圖3所示；然后用另一組反射棱鏡堆實(shí)現(xiàn)光斑的重排，棱鏡結(jié)構(gòu)如圖4所示。但是，該光路中并沒有引入導(dǎo)引光。本發(fā)明以上述專利為基礎(chǔ)，運(yùn)用非相干合束的原理，通過對整形器進(jìn)行了關(guān)鍵的改進(jìn)，在不增加LD光路的元件的情況下添加導(dǎo)引光，實(shí)現(xiàn)了導(dǎo)引光和LD光束的同軸輸出，滿足了很多特殊用途的要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題克服現(xiàn)有方法的不足，提供一種添加導(dǎo)引光的LD的整形方法，該方法運(yùn)用非相干合束的原理，實(shí)現(xiàn)了兩束光的光軸重合，然后耦合到同一根光纖中，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)光束從同一光纖輸出。
本發(fā)明解決方案添加導(dǎo)引光的LD的整形方法，其特點(diǎn)在于包括下列步驟(1)通過計(jì)算光纖纖芯半徑與孔徑角的一半的乘積，以及LD的光束在兩個(gè)方向上的光參數(shù)積，確定對光束整形所需要折疊的次數(shù)N，然后制作整形器，其中，整形器的第二組反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄帶寬反射膜；(2)用快慢軸準(zhǔn)直透鏡陣列對分別對LD的快慢軸兩個(gè)方向進(jìn)行準(zhǔn)直，得到條形的準(zhǔn)直光斑；(3)安裝整形器，實(shí)現(xiàn)光束的整形；(4)安裝聚焦透鏡和光纖，調(diào)節(jié)光纖到合適的位置，使輸出的LD的功率最大；(5)從整形器第二組反射器件工作面的對面入射導(dǎo)引光，調(diào)節(jié)導(dǎo)引光的位置，使從光纖輸出的導(dǎo)引光的光功率達(dá)到最大。
所述的整形器由兩組反射器件構(gòu)成，其第二組反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄帶寬反射膜。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)光路設(shè)計(jì)緊湊合理，不改變LD的光路，避免了在LD光路中引入新的散射和反射損失，保證了LD的光路穩(wěn)定性。
(2)兩個(gè)光源可以分時(shí)工作，也可以同時(shí)工作。由于兩個(gè)光源使用不同的外圍電路進(jìn)行控制，使用者可以先用導(dǎo)引光確定工作目標(biāo)的位置、距離等，然后驅(qū)動(dòng)LD進(jìn)行工作，這樣可以達(dá)到時(shí)間和空間上的精確控制。由于導(dǎo)引光的功率很小，不至于影響工作目的。
(3)本發(fā)明方法制作的LD模塊包含了不帶導(dǎo)引光的LD模塊的所有功能。


圖1為LD包絡(luò)能量隨光束包絡(luò)散角的關(guān)系；圖2為現(xiàn)有技術(shù)的LD光束準(zhǔn)直方法示意圖；圖3為現(xiàn)有的用于分割準(zhǔn)直光束的錯(cuò)開排列的反射棱鏡堆；圖4為現(xiàn)有的用于對分割后光束進(jìn)行重排的錯(cuò)開排列的反射棱鏡堆；圖5為本發(fā)明方法的準(zhǔn)直后的光斑的分割和重排原理圖；圖6為本發(fā)明中以三折疊光路系統(tǒng)為例，實(shí)現(xiàn)光束整形的同時(shí)加入導(dǎo)引光原理圖。
具體實(shí)施例方式
(1)對LD準(zhǔn)直光斑的光參數(shù)積的計(jì)算和整形器的設(shè)計(jì)按照以下的計(jì)算進(jìn)行。光束經(jīng)過準(zhǔn)直后變成準(zhǔn)平行光束，快軸方向的發(fā)散角為10mrad左右，慢軸方向的發(fā)散角為40mrad左右。根據(jù)光參數(shù)積匹配的原理，聚焦光斑的光參數(shù)積需小于光纖纖芯半徑和孔徑角一半的乘積。通過計(jì)算可以知道，準(zhǔn)直后的LD光斑快軸方向的光參數(shù)積遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光纖纖芯半徑和孔徑角一半的乘積，而慢軸方向的光參數(shù)積大于這個(gè)值。光斑的分割和重排如圖5所示。分割的次數(shù)由以下公式確定N=Qslow/Qfiber...(2)]]>Qslow表示慢軸方向上的光參數(shù)積，運(yùn)用公式(1)計(jì)算；Qfiber表示光纖纖芯半徑和孔徑角一半的乘積，N表示分割的次數(shù)。
在光路設(shè)計(jì)中，使用兩組反射鏡組來實(shí)現(xiàn)LD光束的分割和重排，如圖6所示。第一組制做成三角棱鏡的形式，在斜面上鍍上LD光束的高反膜，三角棱鏡的錯(cuò)開排列將光束分割開來，同時(shí)，使光軸發(fā)生90°的偏轉(zhuǎn)；然后用另外的一組同樣錯(cuò)開排列的平行平板組成的反射鏡將光束重排，同時(shí)，再使光軸發(fā)生90°的偏轉(zhuǎn)。這樣就完成了LD光束整形的設(shè)計(jì)。
(2)安裝為透鏡陣列對對LD兩個(gè)方向分別準(zhǔn)直，得到條形光斑。
(3)安裝整形器。LD光束整形過程中光軸會(huì)變換兩次，如圖6所示，第二個(gè)整形器是一組平行平板，其工作面上制作有一定帶寬反射膜，實(shí)現(xiàn)對LD的光束的反射，但是導(dǎo)引光又能透射。
(4)調(diào)節(jié)光纖到合適的位置，使LD的光功率輸出最大。
(5)加入導(dǎo)引光。在第二個(gè)整形器件上加入導(dǎo)引光。導(dǎo)引光束通過平行平板后其光軸和LD光束的光軸在同一直線上時(shí)，就實(shí)現(xiàn)了兩束光的合束。需要說明的是，導(dǎo)引光光源在兩個(gè)方向上的光參數(shù)積都很小，完全滿足耦合要求。當(dāng)導(dǎo)引光束經(jīng)過f＝12.7的透鏡聚焦后，光斑只有60μm×60μm左右，完全能滿足光纖的耦合要求。
實(shí)施例1，使用國產(chǎn)40W波長808nm連續(xù)波LD和10mW波長650nm光源，通過上述光路進(jìn)行設(shè)計(jì)、加工和裝配，耦合到芯徑400μm、數(shù)值孔徑0.37的光纖中，最終輸出功率為LD輸出功率28.2瓦，導(dǎo)引光輸出5.2毫瓦，其具體過程如下(1)針對芯徑400μm、數(shù)值孔徑0.37的光纖，用公式(2)計(jì)算得知，將LD光束折疊3次即可滿足光參數(shù)積匹配的原理。所以本系統(tǒng)中需要制作3折疊的反射器件。
(2)用微透鏡正列對實(shí)現(xiàn)對LD(λ1＝808nm)的準(zhǔn)直，經(jīng)過準(zhǔn)直后的光束變成準(zhǔn)平行光束。經(jīng)測試，快軸方向的發(fā)散角為10.2mrad，光斑長度0.6mm，慢軸方向的發(fā)散角為42mrad，光斑長度10mm。
(3)將整形器件加入光路中，調(diào)節(jié)得到2.4mm×3.5mm的整形光斑。
(4)選用f＝7.5的透鏡聚焦，獲得大小(327μm-393μm)×80μm、數(shù)值孔徑0.28的聚焦光斑，然后耦合到上述光纖中，使LD光束從光纖中輸出功率達(dá)到最大。
(5)采用準(zhǔn)直后光束直徑φ1mm的紅光光源(λ2＝650nm)作為導(dǎo)引光，加入到LD光路中，調(diào)節(jié)到適當(dāng)?shù)奈恢?，使?dǎo)引光從光纖輸出達(dá)最大值。導(dǎo)引光束通過第二棱鏡堆后，光軸會(huì)下移2mm，當(dāng)兩光軸完全重合時(shí)，導(dǎo)引光束會(huì)通過LD的聚焦透鏡，形成一個(gè)65μm×60μm的聚焦光斑，與LD光束同輸出。
權(quán)利要求
1.添加導(dǎo)引光的條陣大功率半導(dǎo)體激光器的整形方法，其特征于包括下列步驟(1)通過計(jì)算光纖纖芯半徑、孔徑角一半的乘積和LD的光束在快慢軸兩個(gè)方向上的光參數(shù)積，確定對光束整形所需要折疊的次數(shù)，制作整形器；(2)采用快慢軸準(zhǔn)直透鏡陣列對分別對LD的快慢軸兩個(gè)方向進(jìn)行準(zhǔn)直，得到條形的準(zhǔn)直光斑；(3)安裝整形器，實(shí)現(xiàn)光束的整形；(4)安裝聚焦透鏡和光纖，調(diào)節(jié)光纖的位置，使輸出的LD功率最大；(5)從整形器第二組反射器件工作面的對面入射導(dǎo)引光，調(diào)節(jié)導(dǎo)引光的位置，使從光纖輸出的導(dǎo)引光的光功率達(dá)到最大。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的添加導(dǎo)引光的條陣大功率半導(dǎo)體激光器的整形方法，其特征于所述的整形器由兩組反射器件構(gòu)成，其第二組反射器件制作成平行平板的形式，并在其工作面上制作窄帶寬反射膜。
全文摘要
添加導(dǎo)引光的條陣大功率半導(dǎo)體激光器(High－Power Laser Diode Bar，簡稱LD)的整形方法(1)通過計(jì)算光纖纖芯半徑和孔徑角一半的乘積，以及LD光束在快慢軸兩個(gè)方向上的光參數(shù)積，確定對LD光束整形所需要折疊的次數(shù)，制作高反射效率的整形器；(2)采用快慢軸準(zhǔn)直透鏡陣列對分別對LD的快慢軸兩個(gè)方向進(jìn)行準(zhǔn)直，得到條形的準(zhǔn)直光斑；(3)安裝整形器，實(shí)現(xiàn)光束的整形；(4)安裝聚焦透鏡和光纖，調(diào)節(jié)光纖到合適的位置，使輸出的LD的功率最大；(5)從整形器的合適位置入射導(dǎo)引光，調(diào)節(jié)導(dǎo)引光到適當(dāng)?shù)奈恢茫箯墓饫w輸出的導(dǎo)引光的光功率達(dá)到最大。本發(fā)明光路設(shè)計(jì)緊湊合理，不改變LD的光路，避免了在LD光路中引入新的散射和反射損失，保證了LD的光路穩(wěn)定性。
文檔編號(hào)G02B6/26GK1975507SQ20061016515
公開日2007年6月6日 申請日期2006年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日
發(fā)明者謝偉民, 周崇喜, 杜春雷, 楊歡, 潘麗, 戰(zhàn)盛龍 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所