專利名稱：用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一套能對大功率激光二極管陣列發(fā)出的光束進行分割、旋轉(zhuǎn)和整形的光學耦合系統(tǒng)，可將大功率激光二極管陣列出射的激光耦合進光纖中，也可用作固體激光器的抽運耦合系統(tǒng)。
背景技術：
激光二極管陣列的發(fā)光面多為1×100微米至1×400微米的長方形，發(fā)出的激光束在兩個方向上具有不通的發(fā)散角沿著長度方向為慢軸，發(fā)散角通常為10度；平行于1微米的方向稱為快軸，發(fā)散角通常為38度。再由不連續(xù)的數(shù)個這樣的發(fā)光區(qū)呈線形排列組成大功率激光二極管陣列，通常長度方向上達到1cm。不難算得這樣的大功率激光二極管陣列在兩個方向上的拉格朗日不變量相差可多達上千倍，因此很難將此激光束直接通過透鏡組會聚成具有一定焦深的小光斑，也難以進入到具有較低數(shù)值孔徑(典型值如0.22)的能量傳輸光纖中。為此有很多發(fā)明與方法被用來對激光二極管陣列輸出的光束進行整形，其基本的原則是改變快軸與慢軸的拉格朗日不變量，使慢軸方向的拉格朗日不變量減小，而快軸的增大，從而使輸出光束能夠用透鏡組聚焦為具有一定焦深的較小光斑，為能量傳輸光纖所傳輸或直接用于抽運激光介質(zhì)。
圖1是一種典型的激光二極管陣列光纖耦合系統(tǒng)，由中科院上海光學精密機械研究所的陸雨田等人提出。圖1中激光二極管陣列1發(fā)出的激光束經(jīng)過微柱鏡2對快軸方向進行準直，再進入由數(shù)片微片棱鏡組成的整形器3，經(jīng)過整形后的光束在兩個方向上的拉格朗日不變量幾近相同，再經(jīng)過非球面透鏡組4和5聚焦為很小的光斑。該系統(tǒng)的核心部件是稱為微片棱鏡堆的整形器3，該整形器由數(shù)片Dove棱鏡薄片傾斜45度角后平行堆疊放置構(gòu)成。當水平取向的線光源進入該整形器后被分割為數(shù)段小線光源，并經(jīng)過折射和全反射之后變成豎直取向的數(shù)段小線光源沿水平方向排列。該整形器具有結(jié)構(gòu)簡單，易加工，成本低的特點，缺點是Dove棱鏡對非平行光進行旋轉(zhuǎn)時會引入嚴重的像散，尤其在本例中由于數(shù)片棱鏡對光束進行了分割，對分割后的每一束光都會產(chǎn)生像散，進而嚴重影響聚焦光斑的大小與焦深，降低耦合效率。因此采用這項發(fā)明的耦合系統(tǒng)目前只能把1cm長的大功率激光二極管發(fā)出的激光束的60％的能量耦合進芯徑0.6毫米、數(shù)值孔徑0.22的光纖中。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一套用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)，克服上述已有技術的缺點，提高耦合效率，同時保持低成本、安裝方便，結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點。
本發(fā)明的技術解決方案如下一種用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)，包括沿大功率激光二極管陣列發(fā)出的光束的前進方向的依次設置的微柱透鏡，整形器、第一柱面透鏡和第二柱面透鏡，其特征在于所述的整形器是由別漢棱鏡薄片緊密排列組成的別漢棱鏡微片整形器，每片別漢棱鏡的光軸與光束前進方向一致并繞光軸旋轉(zhuǎn)45°設置，所述的第一柱面透鏡和第二柱面透鏡的焦點重合。
所述的別漢棱鏡微片整形器的別漢棱鏡片數(shù)根據(jù)整形后兩個方向的拉格朗日不變量相等的原則來確定。
所述的第二柱面透鏡可用球面透鏡代替。
本發(fā)明的技術效果是由于本發(fā)明采用別漢棱鏡微片整形器，每片別漢棱鏡由兩片對稱的棱鏡組成，因此非平行光在棱鏡內(nèi)發(fā)生發(fā)射時產(chǎn)生的像散會自動被補償，同時還保證出射光沿原來的方向前進?？朔松鲜霈F(xiàn)有技術的像散。


圖1是已有技術使用Dove棱鏡薄片構(gòu)成核心整形器的線光束整形器示意圖，其中1為線光源，2為微柱透鏡，3為微片整形器，4和5均為為非球面透鏡。
圖2是本發(fā)明用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，其中1為大功率激光二極管陣列，2為微柱透鏡，3為別漢棱鏡微片整形器，4和5分別為不同焦距的柱面透鏡，5也可以是球面透鏡或非球面透鏡。
圖3為別漢棱鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，由對稱的兩部分組成，玻璃的折射率n為1.517，圖3中各參數(shù)分別為A為單位長度，B＝1.0824A，C＝1.2071A，a＝0.2071A，D＝1.7071A，E＝1.8284Aα＝22.5°，β＝45°，δ＝112.5°圖4和圖5為別漢棱鏡微片整形器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中圖4為正視圖，即沿光路的方向看；圖5為俯視圖。
圖6為說明水平光束進入一片沿光軸旋轉(zhuǎn)45度放置的別漢棱鏡后光束變成垂直光束的光路圖。
圖7為本發(fā)明的別漢棱鏡微片整形器如何實現(xiàn)對線形光束分割和旋轉(zhuǎn)的說明示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)，包括沿大功率激光二極管陣列1發(fā)出的光束的前進方向的依次設置的微柱透鏡2，整形器3、第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡5，其特征在于所述的整形器3是由別漢棱鏡薄片緊密排列組成的別漢棱鏡微片整形器，每片別漢棱鏡的光軸與光束前進方向一致并繞光軸旋轉(zhuǎn)45°設置，所述的第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡5的焦點重合。
本發(fā)明裝置的工作過程光學耦合系統(tǒng)包括對大功率激光二極管1發(fā)出的激光束的快軸發(fā)散角進行壓縮的微柱透鏡2，對呈線形水平分布的光束進行分割及旋轉(zhuǎn)的別漢棱鏡微片整形器3，依次對兩個方向進行聚焦的第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡(或球面透鏡)5。本發(fā)明的核心部件是別漢棱鏡整形器3，由數(shù)對薄片棱鏡沿水平方向堆疊組成。圖4和圖5分別是別漢棱鏡整形器3的左視圖(沿光路方向看)和俯視圖，從圖中可以看出每一對微片棱鏡即是一個別漢棱鏡，以光束前進的方向為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)45度，即與水平方向的夾角為45度。由于每個別漢棱鏡由兩片對稱的棱鏡組成，因此非平行光在棱鏡內(nèi)發(fā)生發(fā)射時產(chǎn)生的像散會自動被補償，同時還保證出射光沿原來的方向前進。從圖6中可以看出，水平線形光束進入與水平方向呈45度角放置的別漢棱鏡后，光束在棱鏡內(nèi)經(jīng)過幾次反射后，出射時旋轉(zhuǎn)了90度，成為豎直方向的線形光束。從圖7能夠清楚的看到一束沿水平方向呈線形的平行光束經(jīng)過微片棱鏡整形器3后被分割為數(shù)條平行排列的與水平方向垂直的小段線形平行光。
所述的別漢棱鏡微片整形器3中的別漢棱鏡的片數(shù)根據(jù)整形后兩個方向的拉格朗日不變量相等的原則來確定。具體說來與微柱透鏡對快軸方向的準直程度以及別漢棱鏡整形器3所放的位置相關。由于慢軸方向上仍然有10度的發(fā)散角，因此整形器應盡量靠近微柱透鏡，從而保證不要太多的片數(shù)就能使所有的光都進入整形器。為實現(xiàn)高效的耦合，別漢棱鏡的片數(shù)應該與微柱透鏡對快軸發(fā)散角的準直程度相配合，使得快軸和慢軸兩個方向的拉格朗日不變量相當。設別漢棱鏡的片數(shù)為N，經(jīng)微柱透鏡1準直后快軸方向的發(fā)散角為θF′，快軸方向的尺度為D，慢軸方向的發(fā)散角為θS，慢軸方向的尺度為L，則慢軸方向的拉格朗日不變量為LS＝θS′L，快軸方向的拉格朗日不變量為LF＝θF′D，整形后慢軸方向與快軸方向的拉格朗日不變量分別為LS′＝θF′L和LF′＝θSL/N，則根據(jù)整形后兩個方向的拉格朗日不變量相等的原則令LS′＝LF′，經(jīng)過整理得到N=θSθF′]]>由于快軸方向是近衍射極限的，所以用微柱透鏡對快軸方向進行準直，不難將其發(fā)散角從約40度壓縮到只有零點幾度甚至更小。例如微透鏡對快軸的發(fā)散角壓縮達到80～100倍時，發(fā)散角為0.4～0.5度，此時快軸方向的尺度相應由1微米增大到約100微米，根據(jù)上述的原則可以算得相應的別漢棱鏡的片數(shù)應為20～25片。
經(jīng)過整形器3整形后的光束由第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡(或球面透鏡)5分別對兩個方向進行聚焦，合理選擇柱面鏡的焦距使兩個方向的焦點在同一位置并且與能量傳輸光纖的數(shù)值孔徑相匹配，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)大功率激光二極管陣列對光纖的高效耦合，通過耦合系統(tǒng)的優(yōu)化，可將大功率激光二極管陣列發(fā)出的激光束的大于75％的能量耦合進芯徑0.4毫米，數(shù)值孔徑0.22的能量傳輸光纖中。
采用微柱透鏡對長度為1厘米的大功率激光二極管陣列快軸方向準直，調(diào)整微柱透鏡與發(fā)光面之間的距離，通常情況下，不難使得準直后快軸的發(fā)散角小于0.5度，此時慢軸方向的發(fā)散角將仍然保持不變?？紤]到慢軸的尺度隨著光束傳播會增大，同時，目前大多數(shù)大功率激光二極管陣列都由約20個左右的不連續(xù)發(fā)光區(qū)組成，因此采用20片0.5毫米厚的別漢棱鏡薄片以光束傳播的方向為轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)45度緊密排列組成別漢棱鏡微片整形器3，別漢棱鏡微片整形器3與微柱透鏡的距離僅為2毫米。不難算得此時整形器得寬度約14毫米，可以保證水平方向上所有得光都進入整形器。經(jīng)整形器整形后的光束先后進入第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡5，第一柱面透鏡4的焦距為15毫米，第二柱面透鏡5的焦距為20毫米。并且適當調(diào)整第一柱面透鏡4和第二柱面透鏡5放置的位置，可以使快軸方向和慢軸方向的光束聚焦的焦點在同一位置，并且同時具有很小的焦斑尺度。設有表明，本發(fā)明裝置聚焦的結(jié)果能夠?qū)?5％的激光能量集中在0.4毫米的區(qū)域內(nèi)，其中，約70％的總能量集中在直徑0.2毫米的區(qū)域內(nèi)。在焦點處放置芯徑0.4毫米、數(shù)值孔徑0.22的能量傳輸光纖，便可實現(xiàn)高效的耦合，即將此激光二極管陣列的75％的能量耦合進此光纖中。
權利要求
1.一種用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)，包括沿大功率激光二極管陣列(1)發(fā)出的光束的前進方向的依次設置的微柱透鏡(2)，整形器(3)、第一柱面鏡(4)和第二柱面鏡(5)，其特征在于所述的整形器(3)是由別漢棱鏡薄片緊密排列組成的別漢棱鏡微片整形器，每片別漢棱鏡的光軸與光束前進方向一致并繞光軸旋轉(zhuǎn)45°設置，所述的第一柱面透鏡(4)和第二柱面透鏡(5)的焦點重合。
2.根據(jù)權利要求1所述的光學耦合系統(tǒng)，其特征在于所述的別漢棱鏡微片整形器的別漢棱鏡片數(shù)根據(jù)整形后兩個方向的拉格朗日不變量相等的原則來確定。
3.根據(jù)權利要求1所述的光學耦合系統(tǒng)，其特征在于所述的第二柱面鏡(5)可用球面鏡代替。
全文摘要
一種用于大功率激光二極管陣列的光學耦合系統(tǒng)，包括沿大功率激光二極管陣列發(fā)出的光束的前進方向依次設置的微柱透鏡，別漢棱鏡微片整形器、第一柱面透鏡和第二柱面透鏡，其特征在于所述的別漢棱鏡微片整形器是由別漢棱鏡薄片緊密排列組成的別漢棱鏡微片整形器，每片別漢棱鏡的光軸與光束前進方向一致并繞光軸旋轉(zhuǎn)45°設置，所述的第一柱面透鏡和第二柱面透鏡的焦點重合。本發(fā)明可用于將大功率激光二極管陣列發(fā)出的激光耦合進能量傳輸光纖，也可用于固態(tài)激光器的泵浦耦合。本發(fā)明具有加工和裝配簡單，不改變光束傳播方向，耦合效率高的優(yōu)點。
文檔編號G02B27/00GK101078850SQ20071003652
公開日2007年11月28日 申請日期2007年1月17日 優(yōu)先權日2007年1月17日
發(fā)明者孟俊清, 陸雨田, 陳衛(wèi)標 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所