CN104049326B - 半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合*** - Google Patents
半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合*** Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，包含多个并行放置形成一维阵列半导体激光器，半导体激光器阵列的前端先后放置一个快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜；每个半导体激光器单元的输出光通过快轴准直透镜和慢轴准直透镜后在与x方向垂直的z方向上经过一与z方向垂直的场透镜并被场透镜进行偏转，在z方向经过一定距离后在y方向上并行排列；场透镜由多个子透镜组成，子透镜的数目和输出子光束的半导体激光器单元数目一致；每个半导体激光器单元的输出光束通过场透镜后在z方向上分别经过一准直透镜、一重新指向光学器件和一聚焦器件；聚焦后的光束耦合进入一输出光纤。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***。
背景技术
以激光器的排布方向为x轴，由于半导体激光器一维阵列在x轴方向宽度（通常为10mm）和光束发散角（通常为8-12°)与在y轴方向高度(大约为1微米)和光束发散角(通常为30-60°)差别很大，光束耦合比较困难。传统的做法采用与激光器数量相同的光纤集合成一条光纤束。耦合时在半导体激光器阵列前在x方向平行放置一块准直透镜，将光纤与各个半导体激光束一一对准，各个半导体激光器的输出光一一耦合到光纤束的各个光纤里。这种方法的缺点是由于光纤束的端面积大，单位面积上的输出能量低。
为了提高光纤输出单位面积上的能量通常采用的方法是将半导体激光器阵列的输出光束在x方向上采用光学器件进行分割，同时使分割的光束在y轴方向上产生错位，通过另一光学器件将每个分割的光束在y轴方向上叠加，重排后在x-y平面里均匀化光斑，通过聚焦器件耦合进一根光纤。这种方法的缺点是在考虑光束分割数目是在x轴方向要把所有半导体激光器的发光尺寸和两个相邻半导体激光器之间非发光区域尺寸都计算在内，对光纤输出单位面积上的能量提高有一定限制。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种半导体激光器一维阵列输出光束匀称化和光纤耦合***。
为达到上述目的，本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，所述***包括等间距平行排布为一维阵列的半导体激光组，以所述激光器组的排布方向为x轴，垂直于所述激光器组排布方向为z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输；
所述半导体激光器组包括排布在所述一维阵列中间的主激光器和排布在所述主激光器两侧的子激光器，所述主激光器输出的光束为主光束，所述子激光器输出的光束为子光束；
所述***还包括所述激光器组前端依次设置的快轴准透镜、慢轴准透镜、场透镜、准直透镜和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中
所述快轴准透镜，用于将所述主激光器和各个所述子激光器输出的主光束和子光束进行y轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述慢轴准直透镜，用于将所述快轴准直透镜输出的所述主光束和所述子光束进行x轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述场透镜，用于对所述慢轴准直透镜输出的所述主光束和所述子光束进行偏转，使所述主光束和所述子光束在y轴方向上等间距排布输出；
所述准直透镜，用于对所述场透镜输出的所述子光束进行y轴方向上的准直，使经过所述准直透镜的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行；
所述重新指向光学器件，用于对所述主光束和所述场透镜输出的所述子光束进行x轴方向的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的主光束和所述子光束在x轴方上进行相同角度的偏转并输出；
所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述主光束和所述子光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
进一步地，所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
进一步地，所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
进一步地，所述场透镜包括与所述子激光器的数量相同的第一平凸子柱透镜，其中所述第一平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第一平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第一距离排布，所述第一距离使得经过所述平凸透镜的子光束在y轴方向上等间距平行排列输出。
进一步地，所述准直透镜包括与所述子激光器的数量相同的第二平凸子柱透镜，其中所述第二平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第二平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第二距离排布，所述第二距离使得经过所述第二平凸透镜的子光束在y轴方向进行准直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各个所述子光束形成阶梯状的平行光束输出。
进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述棱镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述反射镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
进一步地，所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的有益效果：
本发明中场透镜的每个子透镜可以控制对应激光器输出光束的偏转角度，通过和准直透镜一起使用可以在一定程度上补偿由半导体激光器一维阵列贴片过程和快轴准直透镜调节误差引起的输出光束在x方向上的弯曲现象，对输出光束进行匀称化。
本发明在对导体激光器一维阵列进行光束匀称化时不用考虑两个相邻半导体激光器之间的非发光区域，通过场透镜和准直透镜对每个单独激光器输出光束的位置进行重新排列，尽可能使激光器的输出光束在y轴方向以高密度叠加，提高光束匀称化后单位面积上的能量密度和亮度，允许把光束耦合进入一根小芯径的光纤里。
附图说明
图1是本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的在x-z平面里半导体激光器一维阵列光束匀称化和光纤耦合示意图；
图2是本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的在y-z平面里半导体激光器一维阵列光束匀称化和光纤耦合示意图；
图3是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的场透镜的正视图；
图4是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的场透镜的俯视图；
图5是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的基于反射棱镜的重新指向光学器件的俯视图；
图6是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的实施例的基于反射棱镜的重新指向光学器件的侧视图；
图7是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的基于反射镜的重新指向光学器件的俯视图；
图8是本发明本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***的基于反射镜的重新指向光学器件的侧视图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
本发明半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，所述***包括等间距平行排布为一维阵列的半导体激光组，以所述激光器组的排布方向为x轴，垂直于所述激光器组排布方向为z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输；
所述半导体激光器组包括排布在所述一维阵列中间的主激光器和排布在所述主激光器两侧的子激光器，所述主激光器输出的光束为主光束，所述子激光器输出的光束为子光束；
所述***还包括所述激光器组前端依次设置的快轴准透镜、慢轴准透镜、场透镜、准直透镜和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中
所述快轴准透镜，用于将所述主激光器和各个所述子激光器输出的主光束和子光束进行y轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述慢轴准直透镜，用于将所述快准轴直透镜输出的所述主光束和所述子光束进行x轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述场透镜，用于对所述慢轴准直透镜输出的所述主光束和所述子光束进行偏转，使所述主光束和所述子光束在y轴方向上等间距排布输出；
所述准直透镜，用于对所述场透镜输出的所述子光束进行y轴方向上的准直，使经过所述准直透镜的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行；
所述重新指向光学器件，用于对所述主光束和所述场透镜输出的所述子光束进行x轴方向的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的主光束和所述子光束在x轴方上进行相同角度的偏转并输出；
所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述主光束和所述子光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
进一步地，所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
进一步地，所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
进一步地，所述场透镜包括与所述子激光器的数量相同的第一平凸子柱透镜，其中所述平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第一平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第一距离排布，所述第一距离使得经过所述平凸透镜的子光束在z方向上经过传输后在y轴方向上等间距排列输出。
进一步地，所述准直透镜包括与所述子激光器的数量相同的第二平凸子柱透镜，其中所述第二平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第二平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第二距离排布，所述第二距离使得经过所述第二平凸透镜的子光束在y轴方向进行准直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各个所述子光束形成阶梯状的光束输出。
进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述棱镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述反射镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
进一步地，所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
如图1至8所示，多个半导体激光器单元2，在这里为了说明方便只画了7个半导体激光器单元以一定间距沿x方向在一平面内并行放置在热沉1上形成一维半导体激光器阵列。每个半导体激光器单元输出光束3沿与x方向垂直的z方向传播。其中光束4位于由光束3组成的光束集束中间，称为主光束，主光束的传播方向为光轴。每个半导体激光器前面放置一个高数值口径的快轴准直透镜5，对半导体激光器阵列输出光束3在y方向进行准直。在快轴准直透镜5后沿z方向放置一慢轴准直透镜6，慢轴准直透镜的每个子柱透镜与每个半导体激光器单元一一对应，压缩每个导体激光器单元输出光束3在x-z平面里的发散角。
在慢轴准直透镜后z方向上放置一与光轴垂直的场透镜7，该场透镜对半导体激光器单元输出子光束3在y-z平面里进行偏转，但是不偏转主光束4。
场透镜7由多个第一平凸子柱透镜12组成。平凸子柱透镜12的数目和输出子光束的半导体激光器单元数目一致，每个第一平凸子柱透镜对应一个子光束3。该多个平凸子柱透镜12在x方向主光束4两侧紧密排列，在y方向上错开高度放置，不同的高度对应不同的光束偏转角度，错开的高度保证被偏转的子光束3沿z方向经过一定距离传输后在y方向上以一定相同间隔并行排列。每个平凸子柱透镜12的焦距不同，使每个被偏转光束的焦点在z方向上处于同一位置。主光束4不通过平凸子柱透镜，在场透镜7后不改变光束方向。
该场透镜由整块玻璃体组成，一表面是平面，另一表面有多个第一平凸子柱透镜12，其制造方法与快轴准直透镜5和慢轴准直透镜6相同。有第一平凸子柱透镜12一面面向半导体激光器阵列。
在z方向上场透镜7后面与光轴垂直的方向上放置一准直透镜8。该准直透镜8结构与场透镜7相同由多个第二平凸子柱透镜组成，平面面向半导体激光器阵列。每个平凸子柱透镜12对应一条偏转子光束，该多个第二平凸子柱透镜在x方向主光束4两侧紧密排列，在y方向上错开高度确保对每条偏转光束3在y方向上进行准直，与主光束4在y-z平面里平行，同时减小y-z平面里的光束发散角。子光束3和主光束4离开准直透镜后形成在y方向上以一定间隔并排的阶梯光束条。
在z方向上准直透镜后面放置一重新指向光学器件9。该重新指向光学器件9对经过准直透镜后的所有光束在x-z平面里进行偏转。该重新指向光学器件9由阶梯状的底座13和棱镜14组成。底座上相邻阶梯在y方向上的错开高度和通过准直透镜后阶梯光束条的间隔一致。每个阶梯上放置一个棱镜14，棱镜14可以是直角棱镜或者其它形状的反射棱镜。每个反射棱镜14对应一条入射光束，对入射光束在x方向上进行相同角度的偏转，使所有光束在离开重新指向光学器件9后在x方向上重合，在x-z和y-z平面里都平行。经过偏转后的光束集束与z方向成一定角度，这个角度可以是90°。
该重新指向光学器件9也可以由阶梯状的底座15和反射镜16组成。底座上相邻阶梯在y方向上的错开高度和通过准直透镜后阶梯光束条的间隔一致。每个阶梯上放置一反射镜16。
在重新指向光学器件9后面与光轴垂直的方向上放置一聚焦透镜10。该聚焦透镜可以是一非球面透镜，非球表面面向重新指向光学器件。该聚焦透镜把匀称化的光束聚焦成一焦点，焦点位于耦合光纤11的端面前面、端面表面或端面后面。
最后需要说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非用于对本发明的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
Claims (8)
1.一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，所述***包括等间距平行排布为一维阵列的半导体激光组，以所述激光器组的排布方向为x轴，垂直于所述激光器组排布方向为z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输；
所述半导体激光器组包括排布在所述一维阵列中间的主激光器和排布在所述主激光器两侧的子激光器，所述主激光器输出的光束为主光束，所述子激光器输出的光束为子光束；其特征在于：
所述***还包括所述激光器组前端依次设置的快轴准透镜、慢轴准透镜、场透镜、准直透镜和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中
所述快轴准透镜，用于将所述主激光器和各个所述子激光器输出的主光束和子光束进行y轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述慢轴准透镜，用于将所述快轴准透镜输出的所述主光束和所述子光束进行x轴方向上的准直并将所述的主光束和子光束输出；
所述场透镜，用于对所述慢轴准透镜输出的所述主光束和所述子光束进行偏转，使所述主光束和所述子光束在y轴方向上等间距排布输出；
所述准直透镜，用于对所述场透镜输出的所述子光束进行y轴方向上的准直，使经过所述准直透镜的子光束和所述主光束在y-z平面里相平行；
所述重新指向光学器件，用于对所述主光束和所述场透镜输出的所述子光束进行x轴方向的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的主光束和所述子光束在x轴方上进行相同角度的偏转并输出；
所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述主光束和所述子光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述场透镜包括与所述子激光器的数量相同的第一平凸子柱透镜，其中所述第一平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第一平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第一距离排布，所述第一距离使得经过所述平凸透镜的子光束在y轴方向上等间距平行排列输出。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述准直透镜包括与所述子激光器的数量相同的第二平凸子柱透镜，其中所述第二平凸子柱透镜和所述子激光器一一对应，所述第二平凸子柱透镜在x轴上依次排布，在y轴上间距第二距离排布，所述第二距离使得经过所述第二平凸透镜的子光束在y轴方向进行准直，且所述子光束和所述主光束子在y-z平面里平行，所述主光束和各个所述子光束形成阶梯状的光束输出。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述棱镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述主光束和各个所述子光束一一对应，所述反射镜将所述主光束和所述子光束进行在x轴方向上的偏转，使得经过所述重新指向光学器件的所述主光束和所述子光束在x-z和y-z平面里均平行。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合***，其特征在于：所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20151209 Termination date: 20180208 |
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