CN102129127A - 半导体激光阵列快慢轴光束重排装置与制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光阵列快慢轴光束重排装置与制造方法，属于激光技术应用领域。本发明利用了光以不同入射角通过相同厚度的平行平板后发生不同偏移量的原理，在激光光路传输过程中增加了具有多个小面的光学整形元件4和光学整形元件5。本发明装置不仅能够实现快慢轴光束质量的均匀化，而且通过改变以前依靠薄片波导传输的方式，进一步降低了光功率的损耗，提高了整形效率，特别适合大功率半导体激光光束整形，同时该发明装置具有结构更紧凑、无累积误差、装调方便等优点。

Description

半导体激光阵列快慢轴光束重排装置与制造方法

技术领域

本发明涉及半导体激光阵列快慢轴光束重排整形，介绍了一种将半导体激光阵列快慢轴光束重排的装置与制造方法，属于激光技术应用领域。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、重量轻等优点，使得它的应用变得越来越广泛。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，快慢轴的光束质量不均匀，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，在一定程度上限制了它的进一步发展。为满足应用上的需求，必须首先对半导体激光的光束进行重排整形处理。半导体激光器的研究朝着大功率高光束质量的方向发展，因此对于半导体激光二维阵列的整形，特别是快轴方向高填充因子的大功率半导体激光阵列的光束整形，意义重大。

半导体激光器的二维阵列也称为堆栈(stack)，是由半导体激光一维阵列----巴条(Bar)沿快轴方向排列组成。快轴方向是指垂直于发光PN节的方向，慢轴方向是指平行于发光PN节的方向。光束在快轴方向的发散角为50°～60°，慢轴方向发散角为5°～10°。评价激光光束质量优劣的光束参数乘积(BPP)定义为某个方向上的束腰半径(R)乘以远场发散角(半角θ)，单位是mm·mrad。对于半导体激光的巴条(Bar)，经过快慢轴微透镜准直之后，快轴的束腰直径在几百个微米，快轴的发散角为几个毫弧度，快轴的光束参数乘积BPP_f为1～2mm·mrad；慢轴方向光斑尺寸的典型值为10mm，慢轴的发散全角为0.2rad，慢轴的光束参数乘积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光束参数乘积在整形前相差上百倍。光参数乘积是衡量激光光束质量的一个重要指标，它反映了激光的聚焦能力。快慢轴的光参数乘积相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束 整形就是将快慢轴的光参数乘积均匀化，方法是对光束进行分割、旋转、重排，增加快轴的光参数乘积、降低慢轴的光参数乘积，从而达到快慢轴光参数乘积均匀化的目的。

通过调研发现，目前采用比较多的几何整形方法主要有反射式整形法、折射式整形法和折反射式整形法。

阶梯反射镜法是将经过微柱透镜准直后的光束，通过两组完全对称的阶梯型发射镜，每组都由N个高反射率表面组成，光束通过第一组阶梯反射镜后在慢轴方向被分割成N段，每个子光束经过第二组阶梯反射镜，再被反射到快轴方向上。原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。整形结果光场分布为一正方形光斑，实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。其缺点是阶梯镜镜面的加工难度大。

折反射整形法的整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重排光束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出，沿着慢轴方向被分成n段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次产生错位。沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第2个棱镜组，按着相同的原理将光束在快轴方向进行重排。结果出射光经过棱镜组以后，光参数积在慢轴方向被减小1/n倍，而快方向上增加了n倍，从而达到光束整形的目的。这种方法的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，装配困难。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y.Wang提出的。

折射式整形法是利用光学元件对光束的一次或多次折射实现光束均衡的方式。能实现折射式光束整形的光学元件很多，包括GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、分束堆置折射器等。它的基本原理是利用 整形模块将入射光束沿慢轴方向分割，并沿快轴方向错位排列，然后通过另一组整形模块进一步将偏折后的光束沿慢轴方向进行重排，从而使出射光变成具有一定形状的光束，实现光束整形的目的。这种方法的整形模块是由多个光学玻璃薄板片紧密排列而成，能够实现光束整形，且效率较高。但是这种方法有一定的局限，随着半导体激光阵列bar条数量的增多，需要用的到光学玻璃薄板片的数量随之成倍增加，光学玻璃薄板片的累积误差越来越大，超出了整形模块的承受范围，整形效果变差，存在装配困难、累积误差大、不好调节的问题。

随着中国国内光学加工工艺的提高，将不断有新的整形方案得以提出和实现。

发明内容

本发明将提供一种依靠超声加工工艺得以实现的半导体激光快慢轴光束重排装置。本发明的目的在于克服上述几种方案的技术缺点，提供了一种半导体激光阵列透射式重排装置。本装置能够实现半导体激光阵列重排的目的，大大减小了加工装配时的累积误差，降低了光功率的损耗，而且更易于装配和调节。

为了实现上述目的，本发明利用了光以不同入射角通过相同厚度的平行平板后发生不同偏移量的原理，如图8所示，光束入射到平行平板，在入射面S1’处发生折射，然后在平行平板内传输到出射面S1处，光束再次发生折射，平行平板的厚度为L，依据平行平板的原理，出射后的光束与入射光束的传播方向相同，只是位置上发生偏移，偏移量Δ与镜片的折射率n1，空气的折射率n0，入射角α以及平行平板厚度L有关，如下图公式所示，当玻璃的折射率n1，以及平行平板厚度L确定以后，偏移量Δ就只入射角α有关，通过不同入射角α的大小，即可获得不同的偏移量Δ。

为了实现上述目的，本发明采取了以下技术方案：

对于半导体激光一维阵列，本发明采取的技术方案如下：

半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光一维阵列1、快慢轴准直微透镜阵列2、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7；其特征在于还包括有整形光学元件4和整形光学元件5；其中，所述的整形光学元件4和整形光学元件5都是由单块光学玻璃元件采用特殊光学工艺加工而成，而不是由多块玻璃元件通过光学粘接剂粘合而成。其特征还在于从半导体激光一维阵列1发出的激光，经过快慢轴准直微透镜阵列2对激光光束的快轴和慢轴都进行准直以后，入射到整形光学元件4，激光经过整形光学元件4后，激光光束以不同入射角入射到平行平板产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过整形光学元件5后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组6后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜7聚焦成均匀的点光斑。

所述的整形光学元件4，其特征在于整形光学元件4是由单块长方体光学材料制造加工而成，前后侧面为光滑的抛光平面，厚度为半导体激光慢轴方向光束的宽度K，上下底面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿前后侧面厚度方向分别加工有N个小面，其中N为激光束在慢轴方向被分割的份数，由公式 计算得出，其中，BPPs为慢轴的光参数乘积，BPP_f为快轴的光参数乘积，N个小面的宽度相同，都为K/N，N个小面与底面的角度不同：N为偶数时，N个小面与底面的 角度分别为α₁，α₂，…，α_N/2，π-α_N/2，…，π-α₂，π-α₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为α₁，α₂，…，α_(N-1)/2，90°，π-α_(N-1)/2，…，π-α₂，π-α₁；沿前后侧面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件5，其特征在于整形光学元件5是由单块长方体光学玻璃材料加工而成，上下底面为光滑的抛光平面，上下底面之间的厚度为半导体激光在快轴方向被分割的宽度H，前后侧面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿上下底面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为H/N，N个小面与侧面的角度不同：N为偶数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_N/2，π-β_N/2，…，π-β₂，π-β₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_(N-1)/2，90°，π-β_(N-1)/2，…，π-β₂，π-β₁；沿上下底面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，在左右侧面上加工的小面的数量相等，等于半导体激光在慢轴方向被分割的数量N；其特征还在于光束被分割的数量N以及整形元件4和整形元件5上加工的小面与底面所成的角度需要按照半导体激光快慢轴光束质量近似相等的原理计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，制造方法采用超声研磨的方法，先是普通光学加工，然后超声粗加工，最后超声精密加工与抛光。

对于半导体激光二维密排型阵列，本发明采取的技术方案如下：

半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维密排型阵列 8、快慢轴准直微透镜阵列2、用于压缩快轴尺寸的柱面镜组9、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7；其特征在于还包括有整形光学元件4和整形光学元件5；其中，所述的整形光学元件4和整形光学元件5都是由单块光学玻璃元件采用特殊光学工艺加工而成，而不是由多块玻璃元件通过光学粘接剂粘合而成。其特征还在于从半导体激光二维密排型阵列8发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列2对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，再经过用于压缩快轴尺寸的柱面镜组9，入射到整形光学元件4，激光经过整形光学元件4后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过整形光学元件5后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组6后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜7聚焦成均匀的点光斑。

所述的整形光学元件4，其特征在于整形光学元件4是由单块长方体光学玻璃材料加工而成，前后侧面为光滑的抛光平面，厚度为半导体激光慢轴方向光束的宽度K，上下底面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿前后侧面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为K/N，N个小面与底面的角度不同：N为偶数时，N个小面与底面的角度分别为α₁，α₂，…，α_N/2，π-α_N/2，…，π-α₂，π-α₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为α₁，α₂，…，α_(N-1)/2，90°，π-α_(N-1)/2，…，π-α₂，π-α₁；沿前后侧面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件5，其特征在于整形光学元件5是由单块长方体光学玻 璃材料加工而成，上下底面为光滑的抛光平面，上下底面之间的厚度为半导体激光在快轴方向被分割的宽度H，前后侧面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿上下底面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为H/N，N个小面与侧面的角度不同：N为偶数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_N/2，π-β_N/2，…，π-β₂，π-β₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_(N-1)/2，90°，π-β_(N-1)/2，…，π-β₂，π-β₁；沿上下底面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，在左右侧面上加工的小面的数量相等，等于半导体激光在慢轴方向被分割的数量N；其特征还在于光束被分割的数量N以及整形元件4和整形元件5上加工的小面与底面所成的角度需要按照半导体激光快慢轴光束质量近似相等的原理计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，制造方法采用超声研磨的方法，先是普通光学加工，然后超声粗加工，最后超声精密加工与抛光。

对于半导体激光二维非密排型阵列，本发明采取的技术方案如下：

半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维非密排型阵列11、快慢轴准直微透镜阵列2、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7；其特征在于还包括有整形光学元件4和n个整形光学元件5(n为二维非密排型阵列bar条数)；其中，所述的整形光学元件4和整形光学元件5都是由单块光学玻璃元件采用特殊光学工艺加工而成，而不是由多块玻璃元件通过光学粘接剂粘合而成。其特征还在于从半导体激光二维非密排型阵列11发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列2对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，入射到整 形光学元件4，激光经过整形光学元件4后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过n个上下叠放的整形光学元件5后(n为二维非密排型阵列bar条数)，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组6后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜7聚焦成均匀的点光斑。

所述的整形光学元件4，其特征在于整形光学元件4是由单块长方体光学玻璃材料加工而成，前后侧面为光滑的抛光平面，厚度为半导体激光慢轴方向光束的宽度K，上下底面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿前后侧面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为K/N，N个小面与底面的角度不同：N为偶数时，N个小面与底面的角度分别为α₁，α₂，…，α_N/2，π-α_N/2，…，α_N-1＝π-α₂，α_N＝π-α₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为α₁，α₂，…，α _(N-1)/2，90°，π-α_(N-1)/2，…，α_N-1＝π-α₂，α_N＝π-α₁；沿前后侧面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件5，其特征在于整形光学元件5是由单块长方体光学玻璃材料加工而成，上下底面为光滑的抛光平面，上下底面之间的厚度为半导体激光在快轴方向被分割的宽度H，前后侧面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿上下底面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为H/N，N个小面与侧面的角度不同：N为偶数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_N/2，π-β_N/2，…，π-β₂，π-β₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁， β₂，…，β_(N-1)/2，90°，π-β_(N-1)/2，…，π-β₂，π-β₁；沿上下底面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，在左右侧面上加工的小面的数量相等，等于半导体激光在慢轴方向被分割的数量N；其特征还在于光束被分割的数量N以及整形元件4和整形元件5上加工的小面与底面所成的角度需要按照半导体激光快慢轴光束质量近似相等的原理计算得出。

所述的整形光学元件4和整形光学元件5，其特征在于，制造方法采用超声研磨的方法，先是普通光学加工，然后超声粗加工，最后超声精密加工与抛光。

本发明是在玻璃堆折射整形法的基础上，通过新型超声光学加工工艺，将整块光学材料加工成和玻璃堆折射整形法具有相同整形功能的光学元件，本发明装置不仅能够实现快慢轴光束质量的均匀化，而且通过改变以前依靠薄片波导传输的方式，进一步降低了光功率的损耗，提高了整形效率，特别适合大功率半导体激光光束整形，同时该发明装置具有结构更紧凑、无累积误差、装调方便等优点。

附图说明

图1半导体激光阵列快慢轴光束重排装置的主视图

图2半导体激光阵列快慢轴光束重排装置的俯视图

图3整形光学元件4正视图

图4整形光学元件4等轴侧视图

图5整形光学元件5俯视图

图6整形光学元件5等轴侧视图

图7显示了一维阵列激光光束经过整形元件4，5前后的光斑形状

图8平行平板玻璃的偏折原理示意图

图9大功率半导体激光二维密排阵列快慢轴光束质量均匀化装置的主视图

图10大功率半导体激光二维密排阵列快慢轴光束质量均匀化装置的俯视图

图11显示了二维密排阵列激光光束经过整形元件4，5前后的光斑形状

图12大功率半导体激光二维非密排阵列快慢轴光束质量均匀化装置的主视图

图13大功率半导体激光二维非密排阵列快慢轴光束质量均匀化装置的俯视图

图14显示了二维非密排阵列激光光束经过整形元件4，5前后的光斑形状

图中：1、半导体激光一维阵列，2、快慢轴准直微透镜阵列，3、半导体激光一维阵列没有经过整形时的光斑形状，3’、半导体激光一维阵列经过整形元件4后的光斑形状，3”、半导体激光一维阵列经过整形元件5后的光斑形状，3’”、半导体激光一维阵列经过慢轴扩束准直柱面镜组6后的光斑形状，4、用于切割慢轴的整形光学元件，5、用于光束旋转重排的整形光学元件，6、柱面透镜组，7、球面透镜，8、半导体激光二维密排型阵列，9、用于快轴压束的柱面镜组，10、半导体激光二维密排型阵列快轴压缩之后没有经过整形时的光斑形状，10’、半导体激光二维密排型阵列经过整形元件4后的光斑形状，10”、半导体激光二维密排型阵列经过整形元件5后的光斑形状，10’”、半导体激光二维密排型阵列经过慢轴扩束准直的柱面透镜组6后的光斑形状，11、半导体激光二维非密排型阵列，12、半导体激光二维非密排型阵列没有经过整形时的光斑形状，12’、半导体激光二维非密排型阵列经过整形元件4后的光斑形状，12”、半导体激光二维非密排型阵列经过整形元件5后的光斑形状，12’”、半导体激光二维非密排型阵列经过慢轴扩束准直的柱面透镜组6后的光斑形状，n0、空气折射率，n1、阶梯型玻璃平板的折射率，α、激光入射角度，β、光经过平行平板第一个面后的折射角，Δ、光经过平行平板后的偏移量，L、平行 平板前后两个面的间距，G、光在平行平板中传播的长度，S1’、平行平板入射面，S1、平行平板出射面。

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的实施方式：

实施例1：

对于半导体激光一维阵列，该装置包括半导体激光一维阵列1、快慢轴准直微透镜阵列2、整形光学元件，4、整形光学元件5、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7，如图1、图2所示。在图中，x方向为半导体激光一维阵列的慢轴方向，y方向为半导体激光一维阵列的快轴方向，z方向为半导体激光一维阵列的光束传输方向。

由半导体激光一维阵列发出的光为条形光斑3，如图7中所示。通过半导体激光一维阵列的快慢轴的发散角和光斑尺寸，可以根据光束质量的计算公式计算出快轴的光束质量BPP_f和慢轴的光束质量BPP_s，然后根据公式 

计算出对半导体激光一维阵列的分段数量N，计算的依据为整形后的快慢轴的光束质量相等，在本实施例中N取6。整形光学元件4的厚度与半导体激光一维阵列慢轴方向的尺寸一致，在厚度方向等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度α₁～～α_N需要根据光斑从条形光斑3变成阶梯型光斑3’的上下偏移量来计算；整形光学元件5的厚度需要根据条形光斑3的快轴(y轴)方向尺寸及分段数量N来确定，在厚度方向也等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度β₁～～β_N需要根据光斑从阶梯型光斑3’变成矩形光斑3”的左右偏移量来计算。

在本实施例中，从半导体激光一维阵列1发出的半导体激光条形光斑3沿z轴正方向入射到整形光学元件4的入射端，整形光学元件4的入射端是由与底面呈不同角度的N个小面组成，N个小面将条形光斑3切割成N段小光斑在整 形光学元件4中传输，整形光学元件4的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，从整形光学元件4出射的光斑为阶梯型光斑3’，如图7所示。阶梯型光斑3’沿z轴正方向入射到整形光学元件5的入射端，整形光学元件5的入射端是由与前后侧面呈不同角度的N个小面组成，整形元件5上的N个小面分别对应阶梯型光斑3’上的N个小光斑，N个小光斑在整形元件5中传输时沿左右方向偏折，整形光学元件5的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，N个呈阶梯状分布的小光斑分别经过整形元件5的入射端和出射端后，经过左右偏折，形成竖直方向条形分布的光斑3”，如图7所示。经过整形后的条形光斑3”快慢轴的光束质量相等，但是慢轴的光斑尺寸小，发散角大，再通过慢轴扩束准直柱面镜组6对竖直方向条形分布的光斑3”的慢轴方向进行扩束准直，使快慢轴的光斑大小和发散角大小一致，形成矩形光斑3’”，最后经过聚焦透镜7，可以得到高功率密度、快慢轴方向均匀分布的点光斑。

实施例2：

对于半导体激光二维密排型阵列，该装置包括半导体激光二维密排型阵列8、快慢轴准直微透镜阵列2、用于压缩快轴尺寸的柱面镜组9、整形光学元件4、整形光学元件5、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7，如图9、图10所示。在图中，x方向为半导体激光二维密排阵列的慢轴方向，y方向为半导体激光二维密排阵列的快轴方向，z方向为半导体激光二维密排阵列的光束传输方向。

由半导体激光二维密排型阵列发出的光为条形光斑10，如图11中所示。通过半导体激光二维密排型阵列的快慢轴的发散角和光斑尺寸，可以根据光束质量的计算公式计算出快轴的光束质量BPP_f和慢轴的光束质量BPP_s，然后根据公式 

计算出对半导体激光二维密排型阵列的分段数量N，计算的依 据为整形后的快慢轴的光束质量相等，在本实施例中N取6。整形光学元件4的厚度与半导体激光二维密排型阵列慢轴方向的尺寸一致，在厚度方向等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度α₁～～α_N需要根据光斑从条形光斑10变成阶梯型光斑10’的上下偏移量来计算；整形光学元件5的厚度需要根据条形光斑10的快轴(y轴)方向尺寸及分段数量N来确定，在厚度方向也等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度β₁～～β_N需要根据光斑从阶梯型光斑10’变成矩形光斑10”的左右偏移量来计算。

在本实施例中，从半导体激光二维密排型阵列8发出的半导体激光密排型光斑经过快慢轴准直微透镜阵列2对快慢轴进行准直后，沿z轴正方向入射到用于压缩快轴尺寸的柱面镜组9，经过压缩后的光斑即为水平方向长条形的光斑10，水平方向长条形的光斑10入射到整形光学元件4的入射端，整形光学元件4的入射端是由与底面呈不同角度的N个小面组成，N个小面将条形光斑10切割成N段小光斑在整形光学元件4中传输，整形光学元件4的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，从整形光学元件4出射的光斑为阶梯型光斑10’，如图11所示。阶梯型光斑10’沿z轴正方向入射到整形光学元件5的入射端，整形光学元件5的入射端是由与前后侧面呈不同角度的N个小面组成，整形元件5上的N个小面分别对应阶梯型光斑10’上的N个小光斑，N个小光斑在整形元件5中传输时沿左右方向偏折，整形光学元件5的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，N个呈阶梯状分布的小光斑分别经过整形元件5的入射端和出射端后，经过左右偏折，形成矩形光斑10”，如图11所示。经过整形后的矩形光斑10”的快慢轴光束质量相等，但是慢轴的光斑尺寸小，发散角大，再通过慢轴扩束准直柱面镜组6对竖直方向矩形分布的光斑10”的慢轴方向进行扩束准直，使快慢轴的光斑大小和发散角大小一致，形成 矩形光斑10’”，最后经过聚焦透镜7，可以得到高功率密度、快慢轴方向均匀分布的点光斑。

实施例3：

对于半导体激光二维非密排型阵列，该装置包括半导体激光二维非密排型阵列11、快慢轴准直微透镜阵列2、整形光学元件4、垂直紧密排列的k个整形光学元件5(k为半导体激光二维非密排型阵列中bar条的数量)、慢轴扩束准直柱面镜组6和球面聚焦透镜7，如图12、图13所示。在图中，x方向为半导体激光二维非密排阵列的慢轴方向，y方向为半导体激光二维非密排阵列的快轴方向，z方向为半导体激光二维非密排阵列的光束传输方向。

由半导体激光二维非密排型阵列发出的光为k条条形光斑12，在本实施例中k取3，如图14中所示。通过半导体激光二维非密排阵列的快慢轴的发散角和光斑尺寸，可以根据光束质量的计算公式计算出快轴的光束质量BPP_f和慢轴的光束质量BPP_s，然后根据公式 

计算出对半导体激光一维阵列的分段数量N，计算的依据为整形后的快慢轴的光束质量相等，在本实施例中N取6。整形光学元件4的厚度与半导体激光一维阵列慢轴方向的尺寸一致，在厚度方向等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度α₁～～α_N需要根据光斑从条形光斑12变成阶梯型光斑12’的上下偏移量来计算；整形光学元件5的厚度需要根据条形光斑12的快轴(y轴)方向尺寸及分段数量N来确定，在厚度方向也等分为N个小面，每个小面与底面所成的角度β₁～～β_N需要根据光斑从阶梯型光斑12’变成矩形光斑12”的左右偏移量来计算。

在本实施例中，从半导体激光二维非密排型阵列11发出的半导体激光条形光斑12沿z轴正方向入射到整形光学元件4的入射端，整形光学元件4的入射端是由与底面呈不同角度的N个小面组成，N个小面将3条条形光斑12切割成 三排N段小光斑在整形光学元件4中传输，整形光学元件4的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，从整形光学元件4出射的光斑为阶梯型光斑12’，如图14所示。阶梯型光斑14’沿z轴正方向入射到整形光学元件5的入射端，整形光学元件5的入射端是由与前后侧面呈不同角度的N个小面组成，整形元件5上的N个小面分别对应阶梯型光斑12’上的N个小光斑，N个小光斑在整形元件5中传输时沿左右方向偏折，整形光学元件5的出射端有与入射端对应N个小面平行的相同数量的小面，N个呈阶梯状分布的小光斑分别经过整形元件5的入射端和出射端后，经过左右偏折，形成矩形光斑12”，如图14所示。经过整形后的矩形光斑12”快慢轴的光束质量相等，但是慢轴的光斑尺寸小，发散角大，再通过慢轴扩束准直柱面镜组6对竖直方向矩形分布的光斑12”的慢轴方向进行扩束准直，使快慢轴的光斑大小和发散角大小一致，形成矩形光斑12’”，最后经过聚焦透镜7，可以得到高功率密度、快慢轴方向均匀分布的点光斑。

Claims (6)

1.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光一维阵列(1)、快慢轴准直微透镜阵列(2)、慢轴扩束准直柱面镜组(6)和球面聚焦透镜(7)；其特征在于还包括有整形光学元件(4)和整形光学元件(5)；从半导体激光一维阵列(1)发出的激光，经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直以后，入射到整形光学元件(4)，激光经过整形光学元件(4)后，激光光束以不同入射角入射到平行平板产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过整形光学元件(5)后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜(7)聚焦成均匀的点光斑。

2.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维密排型阵列(8)、快慢轴准直微透镜阵列(2)、用于压缩快轴尺寸的柱面镜组(9)、慢轴扩束准直柱面镜组(6)和球面聚焦透镜(7)；其特征在于：还包括有整形光学元件4和整形光学元件5；从半导体激光二维密排型阵列(8)发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，再经过用于压缩快轴尺寸的柱面镜组(9)，入射到整形光学元件(4)，激光经过整形光学元件(4)后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过整形光学元件(5)后，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜7聚焦成均匀的点光斑。

3.半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，包括有半导体激光二维非密排型阵列(11)、快慢轴准直微透镜阵列(2)、慢轴扩束准直柱面镜组(6)和球面聚焦透镜(7)；其特征在于：还包括有整形光学元件(4)和n个整形光学元件5，n为二维非密排型阵列bar条数；从半导体激光二维非密排型阵列(11)发出的激光，先经过快慢轴准直微透镜阵列(2)对激光光束的快轴和慢轴都进行准直，入射到整形光学元件(4)，激光经过整形光学元件(4)后，激光光束产生了不同的偏移，形成阶梯型分布传播，呈阶梯型分布传播的激光光束经过n个上下叠放的整形光学元件(5)后，其中n为二维非密排型阵列bar条数，形成沿竖直方向排列的光束，沿竖直方向排列的光束在慢轴方向尺寸小，发散角大，经过慢轴扩束准直柱面镜组(6)后，快轴和慢轴的尺寸和发散角接近相等，光斑形状为快慢轴均匀分布的矩形光斑，最后经过球面聚焦透镜(7)聚焦成均匀的点光斑。

4.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，其特征在于：所述的整形光学元件(4)前后侧面为光滑的抛光平面，厚度为半导体激光慢轴方向光束的宽度K，上下底面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿前后侧面厚度方向分别加工有N个小面，其中N为激光束在慢轴方向被分割的份数，由公式

计算得出，其中，BPPs为慢轴的光参数乘积，BPP_f为快轴的光参数乘积，N个小面的宽度相同，都为K/N，N个小面与底面的角度不同：N为偶数时，N个小面与底面的角度分别为α₁，α₂，…，α_N/2，π-α_N/2，…，π-α₂，π-α₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为α₁，α₂，…，α_{(N-1) /2}，90°，π-α_(N-1)/2，…，π-α₂，π-α₁；沿前后侧面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等；角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

5.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的半导体激光阵列快慢轴光束重排装置，其特征在于：所述的整形光学元件(5)上下底面为光滑的抛光平面，上下底面之间的厚度为半导体激光在快轴方向被分割的宽度H，前后侧面为平面毛面或者是开有限位槽的毛面，左右侧面分别是激光的入射面和出射面，在左右侧面上，沿上下底面厚度方向分别加工有N个小面，N个小面的宽度相同，都为H/N，N个小面与侧面的角度不同：N为偶数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_N/2，π-β_N/2，…，π-β₂，π-β₁；N为奇数时，N个小面与侧面的角度分别为β₁，β₂，…，β_(N-1)/2，90°，π-β_(N-1)/2，…，π-β₂，π-β₁；沿上下底面厚度方向，左右侧面上的N个对应的小面相互平行，且对应的小面之间的间距相等。角度值是依据平行平板的折射原理，对应不同的偏移量计算得出。

6.根据权利要求1、权利要求2或权利要求3所述的半导体激光阵列快慢轴光束重排装置的制造方法，其特征在于：所述的整形光学元件(4)和整形光学元件(5)，均由单块长方体光学材料采用超声研磨的方法制造而成，先是普通光学加工，然后超声粗加工，最后超声精密加工与抛光。

Images