CN102313994A - 用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学*** - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的一体化成型的光学元件以及利用该光学元件构成的用于一维、二维密排和二维非密排半导体激光器阵列光束整形的***。所述光学元件由长方体透明光学材料制成，该长方体沿厚度方向均匀地分为N层，N为自然数，N≥2，每层中都包含一条空气间隙带，各层中的空气间隙带的倾角彼此相同或互补，沿厚度方向顺序排列的各层中的空气间隙带的带宽值构成递减等差数列，其中将第一层中的空气间隙带的带宽值设为正数，如果两个层中的空气间隙带的带宽值的符号相同，则表示该两层中的空气间隙带的倾角相同，如果所述符号相反，则表示该两层中的空气间隙带的倾角互补，如果所述带宽值为零，则表示该层不含空气间隙带。

Description

用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***

技术领域

本发明涉及一种光学元件和光学***，具体说，涉及一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***。

背景技术

半导体激光器因电光转换效率高、体积小以及重量轻而得到了广泛的应用。但单个半导体激光器无法输出极高的功率(大于百瓦)，因此出现了将多个半导体激光器排列在一起形成条阵、以及将多个条阵堆叠在一起形成面阵的激光器阵列。受工艺、冷却、整形方法等限制，半导体激光器阵列不能做得很长，目前一般约为10mm。构成半导体激光器阵列的半导体激光器一般为边缘发射型半导体激光器，这种半导体激光器包括一个p-n结，电流垂直于该p-n结注入，激光则从该p-n结的侧面边缘发射出来。图1示出了现有的一维半导体激光器阵列的示意图。在图1所示的一维半导体激光器阵列1的一个例子中，阵列长度约为10mm，单个发光区的出光侧面的尺寸为150μm×1μm，相邻发光区的间距为500μm。由于边缘发射型半导体激光器的发光区的断面狭窄，因而其输出的光束在平行于p-n结的方向(称为慢轴方向，也即图1中的X方向)和垂直于p-n结的方向(称作快轴方向，也即图1中的Y方向)上有不同的发散角，在快轴方向的发散角为50°到60°，在慢轴方向的发散角为5°到10°，而且其输出的光束在快轴方向和慢轴方向上的束腰的位置和直径也不同，具有严重的像散，因而不能简单地通过透镜***进行聚焦。

激光光束质量的优劣通过光参数积(BPP)来评价，光参数积BPP定义为某个方向上的束腰半径(R)与远场发散角半角(θ)的乘积，单位是mm·mrad。上述半导体激光器快轴的光参数积BPP_f一般为1～2mm·mrad，慢轴的光参数积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光参数积相差上百倍，因而很难对该光束进行聚焦。

为了提高半导体激光器阵列的输出光束的质量，必须对其进行整形，以获得发散角和光斑直径均很小的对称光斑。光束整形就是将光束的快慢轴的光参数积均匀化，即通过光学元件将条形准直光束在慢轴方向上分割成N段，然后将这N段在快轴方向上叠加，这样，慢轴方向上的光参数积就减小到原来的1/N，而快轴上的光参数积则增加到原来的N倍，从而光束的快慢轴的光参数积被均匀化。图2是对一维半导体激光器阵列的光束进行整形的示意图，其中，在图2中的上部示出了整形光学***，在图2中的下部示意地示出了所述整形光学***中的一些节点处的光束的断面形状。如图2所示，首先，一维半导体激光器阵列1发出的激光束通过快慢轴准直透镜2分别进行准直以得到准平行光。准直后的光束在节点B1处的断面形状为长条形，该长条形的长度为Len，宽度为W。然后，准直后的光束沿着Z轴通过光束切割单元4，通过光束切割单元4后的光束在节点B2处变为台阶状分布的N段光束(例如图2中的光束段a、b、c、d、e、f)，台阶状分布的N段光束再通过光束重排单元5，通过光束重排单元5后的光束在节点B3处变为所述N段光束的叠加。节点B3处的光束在慢轴方向(即图2中的X方向)的尺寸小，经过慢轴扩束准直单元7后在节点B4处变为快慢轴光参数积被均匀化了的矩形光斑。最后光束经过球面聚焦透镜8可以聚焦成均匀的点光斑。

目前，用于半导体激光器阵列光束整形的光束切割单元4和光束重排单元5等光学元件一般分为反射式光学元件、折反射式光学元件和折射式光学元件。

所述反射式整形用光学元件包括两个完全对称的阶梯型反射镜，每个阶梯型反射镜又包括N个高反射率镜面，光束通过第一个阶梯型反射镜后在慢轴方向上被分割成N段子光束，各段子光束经过第二个阶梯型反射镜中的相应镜面的反射后，在快轴方向上对齐排列起来。这种整形用的光学元件的缺点是阶梯型反射镜的加工难度大。

所述折反射式整形用光学元件利用两组棱镜的折射和全反射来实现光束的分割和重排。这种整形用的光学元件的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，棱镜的装配比较困难。

所述折射式整形用光学元件则通过对光束进行一次或多次折射来实现光束的匀化。此类整形用光学元件可以通过GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、或分束堆置折射器制成。此类整形用光学元件由多个光学玻璃薄片紧密叠加而成，整形的效率比较高。但其缺陷是，随着光学玻璃薄片的数量的增加，光学玻璃薄片的累积误差越来越大，以至于超出合理的误差范围，使整形效果变差。另外，还存在装配困难、不易调节的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***以克服上述定位不精确、装配困难、累积误差大、不易调节的缺点。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，该光学元件由长方体透明光学材料制成，该长方体透明光学材料沿着厚度方向均匀地分为N层，N为自然数，N≥2，每个所述层中包含与该层等厚的、在所述长方体的包含长度维度和厚度维度的两个表面之间延伸的空气间隙带，该空气间隙带的两个边缘面为平行于所述厚度方向且相互平行的两个平面，任意两个所述层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度相同或互补，沿所述厚度方向顺序排列的各个所述层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值构成递减等差数列，其中，第一个层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值设为正值，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相同，则表示与这两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度和厚度维度的表面所成的角度相同；如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相反，则表示与该两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度互补；如果该递减等差数列中的一个垂直有向距离的值为零，则表示与该垂直有向距离相对应的层为不包含空气间隙带的连续的透明光学材料层。

优选地，沿所述厚度方向顺序排列的所述N个层中，第1层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值与所述第N层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值可以是绝对值相等，符号相反，其中当N为奇数时，沿所述厚度方向顺序排列的第(N+1)/2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。进一步优选地，当N为偶数时，所述第1层到第N/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第1层到第N/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N/2)+1层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第(N/2)+1层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，当N为奇数时，第1层到第(N-1)/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第1层到第(N-1)/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+3)/2层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线可以处于同一个平行于第(N+3)/2层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+1)/2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。

另一方面，本发明提供一种用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学***，其包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，所述光束重排单元也可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件；所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同；所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。

另外，本发明还提供一种用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，其包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、快轴光束压缩单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，所述光束重排单元也可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件；所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同；所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。

优选地，可以取

BPP_s为所述半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积，BPP_f为所述半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积，[]为取整符号；所述光束切割单元的厚度d₁可以为入射到其光束入射端面上的条形光斑的长度Len；所述光束重排单元的厚度d₂可以为：

d₂＝k(α₁，n₁)·Δ₁·(N-1)+W

其中，k(α₁，n₁)为下述函数

$k(\mathrm{\α},n)=\left|\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0})}{\cos \left(\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0}\right)}\right|$

在α＝α₁、n＝n₁时的值，所述α₁或π-α₁为所述光束切割单元上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束切割单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₁为形成所述光束切割单元的透明光学材料的折射率，n₀是空气的折射率，Δ₁为所述光束切割单元上的相邻两层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值，W为所述条形光斑的宽度；所述光束重排单元上的相邻两层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值Δ₂可以为：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·k({\mathrm{\α}}_2,n_2)}$

其中，k(α₂，n₂)为上述k(α，n)函数在α＝α₂、n＝n₂时的值，所述α₂或π-α₂为所述光束重排单元上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束重排单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₂为形成所述光束重排单元的透明光学材料的折射率。进一步优选地，可以通过W＝k(α₁，n₁)Δ₁确定Δ₁。

此外，本发明还提供一种用于二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，其包括顺序地光学耦合起来的二维非密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元可以为上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，所述光束重排单元可以包括多个沿厚度方向排列的上述任一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件；所述光束重排单元所包含的多个所述光学元件中的每个光学元件与所述光束切割单元划分出的所述层的数目相同；所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元中的每个光学元件的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。如上所述，本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***能够实现半导体激光器阵列光束的整形目的，并且所述光学元件具有定位精确、结构紧凑、一体化成型、无累积误差、容易调节的优点，大大地方便了上述光学元件和光学***的设计、制造和使用，并能降低光功率的损耗，提高整形效率，特别适合于大功率半导体激光器阵列的光束整形。

附图说明

图1是透视示意图，示出了现有的一维半导体激光器阵列；

图2是原理图，示出了一维半导体激光器阵列的光束整形的原理，其中，该图上部示出了整形光学***，该图下部示出了该整形光学***中的一些节点处的光束的断面形状；

图3是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束分割的光学元件；

图4是平面图，示出了图3中的光学元件的沿厚度方向顺序排列的第1层中的光的两次折射；

图5是平面图，示出了图3中的光学元件的沿厚度方向顺序排列的第6层中的光的两次折射；

图6是透视图，示出了本发明的另一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束分割的光学元件；

图7是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件；

图8是透视图，示出了本发明的另一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件；

图9是光路示意图，示出了本发明的第一实施例所述的用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学***；

图10是光路示意图，示出了本发明的第二实施例所述的用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学***；以及

图11是光路示意图，示出了本发明的第三实施例所述的用于二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学***。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***的实施例。本领域的普通技术人员可以认识到，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式或其组合对所描述的实施例进行修正。因此，附图和描述在本质上是说明性的，而不是用于限制权利要求的保护范围。此外，在本说明书中，附图未按比例画出，并且相同的附图标记表示相同的部分。

图3是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列的光束分割的光学元件。如图3所示，本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件40由长方体透明光学材料(例如透明光学玻璃、透明树脂等)制成，其中所述透明光学材料的折射率为n₁，空气的折射率为n₀。这里，将该长方体的包含长度维度和厚度维度的两个表面分别称为上底面41和下底面42，将该长方体的包含长度维度和宽度维度的两个表面分别称为前侧面43和后侧面44，将该长方体的包含宽度维度和厚度维度的两个表面分别称为左侧面45和右侧面46。光学元件40沿着厚度方向均匀地分为N层，N为大于等于2的偶数，不失一般性，图3中为方便表示，取N＝6。每个层中都包含一条与该层等厚的、在所述长方体的上底面41和下底面42之间延伸的空气间隙带，该空气间隙带的两个边缘面为平行于所述长方体的厚度方向(即垂直于前侧面43和后侧面44)且相互平行的两个平面。左侧面45上的6个实心点S1-S6示出了六条光线沿所述长方体的长度方向入射到左侧面45上所形成的六个光斑，该六个光斑所对应的六条光线分别入射于光学元件40的均匀分成的6层中，并分别在各自所在的层中传播、折射。右侧面46上的6个空心点S1’-S6’表示左侧面46上的六个光斑分别所对应的光线若沿直线前进时应在右侧面46上的出射位置，右侧面46上的6个实心点S1”-S6”则示出了左侧面45上的6个光斑分别所对应的光线经过各自所在层中的空气间隙带的两次折射后在右侧面46上的实际的出射位置。

图4和图5是平面图，分别示出了图3中的光学元件40的沿厚度方向顺序排列的第1层和第6层中的光的两次折射。

如图4所示，所述第1层包含与该层等厚的、在所述长方体的上底面41和下底面42之间延伸的空气间隙带G11，该空气间隙带G11的两个边缘面G11a和G11b为平行于所述长方体的厚度方向(即垂直于前侧面43和后侧面44)且相互平行的两个平面。空气间隙带G11的边缘面G11a或G11b相对于所述长方体的上底面41(或下底面42)所成的角度(即，从上底面41(或下底面42)所在平面起，按逆时针方向转动到边缘面G11a(或边缘面G11b)所在平面时所转动的角度，也可以称作空气间隙带G11的倾角)为α₁，空气间隙带G11的两个边缘面G11a和G11b之间的垂直有向距离(即从靠近光入射端45的边缘面G11a指向靠近光出射端46的边缘面G11b的最短距离，也可以称作即空气间隙带G11的带宽)为L11。沿所述长方体的长度方向入射到该层左侧面45上的点S1的光在该层中经过两次折射从该层右侧面46上的点S1”出射。

如图5所示，所述第6层包含与该层等厚的、在所述长方体的上底面41和下底面42之间延伸的空气间隙带G16，该空气间隙带G16的两个边缘面G16a和G16b为平行于所述长方体的厚度方向(即垂直于前侧面43和后侧面44)且相互平行的两个平面。空气间隙带G16的边缘面G16a或G16b相对于所述长方体的上底面41或下底面42所成的角度(也可以称作空气间隙带G16的倾角)为π-α₁，空气间隙带G16的两个边缘面G16a和G16b之间的垂直有向距离(即从靠近光入射端45的边缘面G16a指向靠近光出射端46的边缘面G16b的最短距离，也可以称作即空气间隙带G16的带宽)为L16。沿所述长方体的长度方向入射到该层左侧面45上的点S6的光在该层中经过两次折射从该层右侧面46上的点S6”出射。

根据光的折射定律，很容易计算出，在图4和图5中，经过两次折射后，出射光束相对于入射光束的偏移量D_1i＝k(α₁，n₁)·L_1i，其中，i＝1，6，并且k(α₁，n₁)为函数

$k(\mathrm{\α},n)=\left|\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0})}{\cos \left(\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0}\right)}\right|---\left(1\right)$

在α＝α₁、n＝n₁时的值。从上式看到，k(α₁，n₁)＞0，并且有k(α₁，n₁)＝k(π-α₁，n₁)。

对于图4中的情形，如果规定其空气间隙带G11的两个边缘面G11a和G11b之间垂直有向距离的值L11为正值，则在图5的情形中，其空气间隙带G16的两个边缘面G16a和G16b之间垂直有向距离的值L16为负值。类似地，对于图4中的情形，如果规定其空气间隙带G11的两个边缘面G11a和G11b之间垂直有向距离的值L11为负值，则在图5的情形中，其空气间隙带G16的两个边缘面G16a和G16b之间垂直有向距离的值L16为正值。采用该思路，可以用空气间隙带的所述垂直有向距离的代数值的符号表示空气间隙带的两个倾斜方向，该两个倾斜方向相对于所述长方体的上底面41或下底面42的倾角互为补角。同时，可以用出射光束相对于入射光束的偏移量的代数值的符号表示光束的两个偏移方向。应该注意，选择上述规定中的一种规定只是为了描述方便，并不影响本发明的精神和范围。

再参看图3，沿所述长方体的厚度方向顺序排列的第1到第6层中的空气间隙带G11到G16相对于该长方体的上底面41或下底面42的倾角相同或互补，具体说，第1层到第3层中的所述倾角均相等，第4到第6层中的所述倾角均相等，而第1到第3层中的所述倾角与第4到第6层中的所述倾角互补。

另外，在图3中，沿所述长方体的厚度方向顺序排列的第1到第6层中的空气间隙带G11到G16的带宽的值L11到L16构成递减等差数列，其中规定L11的值为正值，即L_1j＝L₁₁-(j-1)Δ₁，j＝1，2，3，4，5，6，Δ₁为相邻两层中的空气间隙带的带宽之差的绝对值。选择合适的L11和Δ₁的值，可以使L11＝-L16，L12＝-L15，L13＝-L14。另外，空气间隙带G11-G13的沿延伸方向的中心线可以在同一个平行于这些间隙带的边缘面的平面中，空气间隙带G14-G16的沿延伸方向的中心线可以在同一个平行于这些间隙带的边缘面的平面中。

图6是透视图，示出了本发明的另一个实施例所述的用于半导体激光器阵列的光束分割的光学元件。图6中的光学元件40’与图3中的光学元件40的不同之处在于，图6中的光学元件40’沿厚度方向均匀地分成了N层，N为大于等于2的奇数，不失一般性，图6中为方便表示，取N＝7。其中，第(N+1)/2层即图6中的第4层中不包含空气间隙带。即，第4层是连续延伸的透明光学材料层，或者也可以是：第4层中包含空气间隙带，但此空气间隙带的倾角为90°(图中未示出)，对于后一种等效情况，当在设计和制造上有方便之处时可以采用。换言之，在图6中，第1到第7层中的空气间隙带的带宽有L11＝-L17，L12＝-L16，L13＝-L15，L14＝0，因此，照射在第4层并在该层中传播的光束不发生折射。

应该注意，通过上面参考图3到图6的描述可以容易地看到，首先，所述各层中的空气间隙带沿着所述长方体的长度方向的平移不会影响出射光束相对于入射光束的偏移量，换言之，对于所述光学元件40来说，重要的是所述空气间隙带的倾角α₁和带宽L1j(j＝1至6)，而不是空气间隙带在各层中的位置。即：本发明实施例提供的用于半导体激光器阵列的光束分割的光学元件中，沿长方体的厚度方向顺序排列的N个层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离(带宽)构成递减等差数列，该等差数列中，任意两个符号相同的垂直有向距离值所对应的空气隙的倾角相等，第M(M＝1，2，...，N)层和第N-M+1层中的空气隙的带宽的绝对值相等，且第M层和第N-M+1层中的空气间隙带的边缘面相对于该长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度互补。其次，对于空气间隙带的带宽来说，可以任意设定某一层(比如第1层)中的带宽值，带宽为正值时所对应的倾角可以为α₁或π-α₁。重要的是相邻层中的空气间隙带的带宽之差的绝对值Δ₁。该带宽之差的绝对值Δ₁决定了光束在通过光学元件40之后被分割出的各段子光束之间的相对偏移量。这样，就为光学元件40的一体化设计和制造提供很大的灵活性，并且在制造时需要控制误差的地方较少。另外，沿光学元件40的长度方向入射到光学元件40的左侧面45上的光束沿着光学元件40的宽度方向平移时，从右侧面46出射的光束相应地做同方向同幅度平移。

参看图3和图6，在使用光学元件40或40’对一维半导体激光器阵列的准直光束进行分割时，首先根据该半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积BPP_s和该半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积BPP_f确定光学元件40或40’的层数

其中，[]为取整符号。然后，根据入射到光学元件40或40’的入射端面45上的条形光斑的长度Len，确定光学元件40或40’的厚度d₁＝Len。用于光束切割的光学元件40或40’上的相邻层中的空气间隙带的带宽之差的绝对值Δ₁可以根据所述条形光斑的厚度W来确定。具体说，如果要将光束切割成图2所示的样子，则通过W＝k(α₁，n₁)Δ₁可以选择合适的带宽之差的绝对值Δ₁。应该注意，Δ₁还可以通过其它规则来选定，例如利用W＜k(α₁，n₁)Δ₁或W＞k(α₁，n₁)Δ₁来选定。

在对所述一维半导体激光器阵列的准直光束进行分割之后，再利用图7或图8所示的光学元件对分割后的光束进行重排。图7是透视图，示出了本发明的一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件，图8是透视图，示出了本发明的另一个实施例所述的用于半导体激光器阵列光束重排的光学元件。图7所示的光学元件50与图3所示的光学元件40的结构是相同的，图8所示的光学元件50’与图6所示的光学元件40’的结构是相同的。在使用光学元件50或50’对一维半导体激光器阵列的被分割了的光束进行重排时，使光学元件50或50’的光入射端面平行于光学元件40或40’的光入射端面，并且使光学元件50或50’的厚度方向相对于光学元件40或40’的厚度方向顺时针转动90°。光学元件50或50’同样被分成了N层，

[]为取整符号，光学元件50或50’的厚度d₂可以由下式确定：

d₂＝k(α₁，n₁)·Δ₁·(N-1)+W                  (2)

式(2)中，Δ₁为光学元件40或40’上的相邻层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值；k(α₁，n₁)为函数k(α，n)在α＝α₁、n＝n₁时的值，α₁或π-α₁为光学元件40或40’上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束切割单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₁为形成光学元件40或40’的透明光学材料的折射率，n₀是空气的折射率。光学元件50或50’上的相邻层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值Δ₂可以由下式确定：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·k({\mathrm{\α}}_2,n_2)}---\left(3\right)$

式(3)中，k(α₂，n₂)为函数k(α，n)在α＝α₂、n＝n₂时的值，α₂或π-α₂为光学元件50或50’上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束重排单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₂为形成光学元件50或50’的透明光学材料的折射率。

下面将参考图9、图10和图11来描述本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学***的三个实施例。图9是光路示意图，示出了本发明的第一实施例所述的用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学***，其中，图9上部示出了该***的侧视图，图9中部示出了该***的俯视图，图9下部示出了该***中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。图10是光路示意图，示出了本发明的第二实施例所述的用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，其中，图10上部示出了该***的侧视图，图10中部示出了该***的俯视图，图10下部示出了该***中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。图11是光路示意图，示出了本发明的第三实施例所述的用于二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，其中，图10上部示出了该***的侧视图，图10中部示出了该***的俯视图，图10下部示出了该***中的节点B1、B2、B3和B4处的光束的断面形状。

如图9所示，本发明的第一实施例所述的一维半导体激光器阵列光束整形的光学***包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列1，快慢轴光束准直单元2、由光学元件40(或40’)构成的光束切割单元4、由光学元件50(或50’)构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。光束切割单元4和光束重排单元5划分出的所述层的数目N相同。光学元件40(或40’)和光学元件50(或50’)的左侧面45为光束的入射端面，右侧面46为光束的出射端面。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的光束入射端面相互平行，光学元件40(或40’)的厚度方向与光学元件50(或50’)的厚度方向正交。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的厚度、层数、以及相邻层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值根据前面的描述来选定。

如图10所示，本发明的第二实施例所述的二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学***包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列1’，快慢轴光束准直单元2、快轴光束压缩单元3、由光学元件40(或40’)构成的光束切割单元4、由光学元件50(或50’)构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。二维密排半导体激光器阵列1’中的相邻两行激光器之间的间距为国际通用标准间距1.8mm。光束切割单元4和光束重排单元5划分出的所述层的数目N相同。光学元件40(或40’)和光学元件50(或50’)的左侧面45为光束的入射端面，右侧面46为光束的出射端面。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的光束入射端面相互平行，光学元件40(或40’)的厚度方向与光学元件50(或50’)的厚度方向正交。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的厚度、层数、以及相邻层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值根据前面的描述来选定。

如图11所示，本发明的第三实施例所述的二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学***包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列1”，快慢轴光束准直单元2、由光学元件40(或40’)构成的光束切割单元4、由多个沿厚度方向层叠的光学元件50(或50’)构成的光束重排单元5以及慢轴扩束准直单元7。二维非密排半导体激光器阵列1”中的相邻两行激光器之间的间距为2mm-10mm。光束切割单元4所包含的光学元件40(或40’)的层数和光束重排单元5所包含的每个光学元件50(或50’)划分出的所述层的数目N相同。光学元件40(或40’)和光学元件50(或50’)的左侧面45为光束的入射端面，右侧面46为光束的出射端面。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的光束入射端面相互平行，光学元件40(或40’)的厚度方向与光学元件50(或50’)的厚度方向正交。光学元件40(或40’)与光学元件50(或50’)的厚度、层数、以及相邻层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值根据前面的描述来选定。

图9至图11所示的半导体激光器阵列光束整形的光学***还可包括用于将慢轴扩束准直单元7输出的均匀光斑聚焦成点光斑的球面聚焦透镜8。

如上所述，本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***能够实现半导体激光器阵列光束的整形目的，并且所述光学元件具有定位精确、结构紧凑、一体化成型、无累积误差、容易调节的优点，大大地方便了上述光学元件和光学***的设计、制造和使用，并能降低光功率的损耗，提高整形效率，特别适合于大功率半导体激光器阵列的光束整形。

如上参照附图以示例的方式描述了本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件和光学***，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (8)

1.一种用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，该光学元件由长方体透明光学材料制成，该长方体透明光学材料沿着厚度方向均匀地分为N层，N为自然数，N≥2，每个所述层中包含与该层等厚的、在所述长方体的包含长度维度和厚度维度的两个表面之间延伸的空气间隙带，该空气间隙带的两个边缘面为平行于所述厚度方向且相互平行的两个平面，任意两个所述层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度相同或互补；沿所述厚度方向顺序排列的各个所述层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值构成递减等差数列，其中，第一个层中的所述空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离的值设为正值，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相同，则表示与这两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度和厚度维度的表面所成的角度相同，如果该递减等差数列中的两个垂直有向距离的值的符号相反，则表示与该两个垂直有向距离的值相对应的两个层中的所述空气间隙带的边缘面相对于所述长方体的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度互补，如果该递减等差数列中的一个垂直有向距离的值为零，则表示与该垂直有向距离相对应的层为不包含空气间隙带的连续的透明光学材料层。

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，其中，沿所述厚度方向顺序排列的所述N个层中，第1层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值与所述第N层中的空气间隙带的边缘面之间的垂直有向距离的值的绝对值相等，符号相反，其中当N为奇数时，沿所述厚度方向顺序排列的第(N+1)/2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。

3.根据权利要求2所述的用于半导体激光器阵列光束整形的光学元件，其中，当N为偶数时，所述第1层到第N/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第1层到第N/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N/2)+1层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第(N/2)+1层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，当N为奇数时，第1层到第(N-1)/2层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第1层到第(N-1)/2层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+3)/2层到第N层中的空气间隙带的沿延伸方向的中心线处于同一个平行于第(N+3)/2层到第N层中的空气间隙带的边缘面的平面内，第(N+1)/2层为不包含所述空气间隙带的连续的透明光学材料层。

4.一种用于一维半导体激光器阵列光束整形的光学***，包括顺序地光学耦合起来的一维半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，

所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，

所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同，

所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。

5.一种用于二维密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，包括顺序地光学耦合起来的二维密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、快轴光束压缩单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，

所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，

所述光束切割单元和所述光束重排单元划分出的所述层的数目相同，

所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。

6.根据权利要求4或5所述的光学***，其中，

BPP_s为所述半导体激光器阵列的慢轴方向的光参数积，BPP_f为所述半导体激光器阵列的快轴方向的光参数积，[]为取整符号，所述光束切割单元的厚度d₁为入射到其光束入射端面上的条形光斑的长度Len，所述光束重排单元的厚度d₂为：

d₂＝k(α₁，n₁)·Δ₁·(N-1)+W

其中，k(α₁，n₁)为下述函数

$k(\mathrm{\α},n)=\left|\frac{\cos (\mathrm{\α}+\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0})}{\cos \left(\arcsin \frac{n\·\cos \mathrm{\α}}{n_0}\right)}\right|$

在α＝α₁、n＝n₁时的值，所述α₁或π-α₁为所述光束切割单元上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束切割单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₁为形成所述光束切割单元的透明光学材料的折射率，n₀是空气的折射率；Δ₁为所述光束切割单元上的相邻两层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值；W为所述条形光斑的宽度，

所述光束重排单元上的相邻两层中的空气间隙带的两个边缘面之间垂直有向距离之差的绝对值Δ₂为：

${\mathrm{\Δ}}_2=\frac{\mathrm{Len}}{N\·k({\mathrm{\α}}_2,n_2)}$

其中，k(α₂，n₂)为上述k(α，n)函数在α＝α₂、n＝n₂时的值，所述α₂或π-α₂为所述光束重排单元上的各层中的空气间隙带的边缘面相对于该光束重排单元的包含长度维度和厚度维度的表面所成的角度，n₂为形成所述光束重排单元的透明光学材料的折射率。

7.根据权利要求6所述的光学***，其中，通过W＝k(α₁，n₁)Δ₁确定Δ₁。

8.一种用于二维非密排半导体激光器阵列光束整形的光学***，包括顺序地光学耦合起来的二维非密排半导体激光器阵列、快慢轴光束准直单元、光束切割单元、光束重排单元以及慢轴扩束准直单元，其中，所述光束切割单元为权利要求1至3中任一项所述的光学元件，所述光束重排单元包括多个沿厚度方向排列的如权利要求1至3中任一项所述的光学元件，

所述光束重排单元所包含的多个所述光学元件中的每个光学元件与所述光束切割单元划分出的所述层的数目相同，

所述光束切割单元的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；所述光束重排单元中的每个光学元件的包含宽度维度和厚度维度的两个表面中的一个为光束的入射端面，另一个为光束的出射端面；并且，所述光束切割单元的光束入射端面平行于所述光束重排单元的光束入射端面，所述光束切割单元的厚度维度方向与所述光束重排单元的厚度维度方向相互垂直。

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