CN106873168B - 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜 - Google Patents

一种应用于半导体激光器光束整形的透镜 Download PDF

Info

Publication number
CN106873168B
CN106873168B CN201710181008.6A CN201710181008A CN106873168B CN 106873168 B CN106873168 B CN 106873168B CN 201710181008 A CN201710181008 A CN 201710181008A CN 106873168 B CN106873168 B CN 106873168B
Authority
CN
China
Prior art keywords
lens
axis direction
spherical surface
light
fast axis
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
CN201710181008.6A
Other languages
English (en)
Other versions
CN106873168A (zh
Inventor
王旭葆
李姣
张二军
米庆改
孙静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Technology
Original Assignee
Beijing University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Technology filed Critical Beijing University of Technology
Priority to CN201710181008.6A priority Critical patent/CN106873168B/zh
Publication of CN106873168A publication Critical patent/CN106873168A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN106873168B publication Critical patent/CN106873168B/zh
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses
    • G02B27/0966—Cylindrical lenses
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0916—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0955—Lenses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lenses (AREA)

Abstract

一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，涉及半导体激光器光束整形领域。根据透镜的口径大小由透镜需要摆放的位置确定，选定折射率为的材料1作为双胶合透镜的前透镜即第一个透镜材料，折射率为的材料2作为后透镜即第二个透镜材料，前后两透镜之间采用双胶合的方法胶合为一块厚透镜，此双胶合透镜的三个面依次为非球面、球面、球面。透镜为双胶合透镜，第一个面为快轴方向的非球面柱面，非球面方程由几何光学折射定律得到，使快轴方向光束得到准直，第二个面为球面，在对慢轴方向高斯光束进行准直的同时，对快轴方向的光进行聚焦，第三个面为球面柱面，且与第二个面的距离由快轴目标光斑大小决定，使最终出射光斑为目标大小的近方形光斑。

Description

一种应用于半导体激光器光束整形的透镜
技术领域
本发明设计光学设计领域和半导体激光器领域，尤其涉及半导体激光器光束整形领域。
背景技术
由于半导体的发光特性，垂直边发射的半导体激光器快慢轴发散角差距较大，这使得半导体激光器的光束质量较差，给光束整形造成一定困难，在对光束质量要求较高的应用领域，半导体激光器无法达到要求，限制了半导体激光器的应用，多片整形透镜的整形方法对于装配精度要求较高，运用单片透镜整形可以使整形***更简化。
发明内容
本发明是一种将半导体快慢轴整形用一块双胶合透镜实现的设计。
根据透镜的口径大小由透镜需要摆放的位置确定，选定折射率为n2的材料1作为双胶合透镜的前透镜即第一个透镜材料，折射率为n3的材料2作为后透镜即第二个透镜材料，前后两透镜之间采用双胶合的方法胶合为一块厚透镜，此双胶合透镜的三个面依次为非球面、球面、球面，对光束进行整形，n2＞n3。
第一个透镜的前表面为快轴方向的凸非球面柱面，使快轴方向的光束达到平行，其非球面方程由折射方程n1sinθ1＝n2sinθ2得出，其中n1为空气折射率，n2为材料1的折射率，θ1为光由空气到非球面的入射角，θ2为光由空气到非球面的出射角。
第一个透镜的后表面即第二个透镜的前表面为凹球面，对快轴方向的光进行聚焦的同时，对慢轴方向的光(近似为高斯光)进行准直。此球面与前表面的距离有目标光斑的大小决定，此球面的半径即球面距光源的距离。
第二个透镜的后表面为快轴方向的凸球面柱面，对通过前一表面聚焦的快轴方向的光进行准直。此凸球面柱面的半径由目标光斑的大小决定，材料2折射率为n3。
在快轴方向，先通过非球面进行准直，在通过球面进行聚焦，最后通过球面再次准直得到半径较小的光斑，快轴方向结构图如图2；在慢轴方向，采用球面对慢轴光斑进行压缩，慢轴结构图如图3。
最终得到的整形后能量在X,Y方向的分布图如图3、4。
此透镜为双胶合透镜，第一片透镜的第一个表面为非球面，用于对快轴方向光束进行准直；第二个面为双胶合球面，在对快轴方向光束进行聚焦的同时对慢轴方向光束进行准直；第三个面为柱面，对快轴方向的光束进行准直。
非球面为快轴与光轴方向的非球面柱透镜，由几何光学光束传播的折射方程得出面型方程。
球面半径大小由慢轴方向光束传播的折射方程决定，球面位置与镜片到光源距离有关。
柱面在快轴与光轴平面内为球面，其半径长度由目标光斑大小决定。
附图说明
图1为整形透镜在快轴方向的截面图。
图2为整形透镜在慢轴方向的截面图。
图3为整形后能量在快轴方向的分布图。
图4为整形后能量在慢轴方向的分布图。
图中，Z方向为光束传播方向，Y为半导体激光器的快轴方向，X为半导体激光器的慢轴方向，图1在YOZ平面内，图2在XOZ平面内。
具体实施方式
具体实施方式：结合图1到图4，说明本实施方式，本实施方式中激光器采用405nm半导体激光器，快轴方向发散角为20°，慢轴方向发散角为10°,LD条宽为1*20um,目标为出射光斑为正方形，具体按以下步骤实现：
由激光器的装配确定透镜摆放位置L为8mm，由快轴发散角确定透镜的口径ω，其中ω0＝0.5um，d为虚拟点光源到实际光源的距离，可得ω＝1.411mm，由慢轴发散角确定透镜的口径ω′，其中ω0′＝10um，d′为虚拟点光源到实际光源的距离，可得ω′＝0.7099mm，即透镜口径为1.411mm。
由折射定律n1sinθ1＝n2sinθ2，及光线传播的几何光学计算得，此为YOZ方向的非球面面型：z＝-0.0005y4-0.006y3+0.132y2-0.003y+8000。
胶合面为球面，其球心在Z轴上，距离光源(n3-n2)*(L+d)+L＝9622.860um，球面半径即r1＝(n3-n2)*(L+d)＝1622.860um，由此确定胶合面方程，而胶合面与非球面的距离对已准直的快轴方向没有影响，且两个面的边缘厚度为0。
出射面为球面柱面，与前一表面的焦点重合，由成像的高斯公式可得，其半径与前一表面的半径r1的关系为：r2＝1.2575r1，且距离上一平面的距离D为两个曲面焦距之差，得到r2＝2040.746um，D＝6048.399um。
图3、4为整形后的能量分布情况，由于衍射的存在，此光斑为TEM01模。

Claims (5)

1.一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，其特征在于：透镜的口径大小由透镜需要摆放的位置确定，选定折射率为n2的材料1作为双胶合透镜的前透镜即第一个透镜材料，折射率为n3的材料2作为后透镜即第二个透镜材料，前后两透镜之间采用双胶合的方法胶合为一块厚透镜，此双胶合透镜的三个面依次为非球面、球面、球面，对光束进行整形，n2＞n3；
第一个透镜的前表面为快轴方向的凸非球面柱面，使快轴方向的光束达到平行，其非球面方程由折射方程n1 sinθ1＝n2 sinθ2得出，其中n1为空气折射率，n2为材料1的折射率，θ1为光由空气到非球面的入射角，θ2为光由空气到非球面的出射角；
第一个透镜的后表面即第二个透镜的前表面为凹球面，对快轴方向的光进行聚焦的同时，对慢轴方向的光进行准直；此球面与前表面的距离由目标光斑的大小决定，此球面的半径即球面距光源的距离；
第二个透镜的后表面为快轴方向的凹球面柱面，对通过前一表面聚焦的快轴方向的光进行准直；此凹球面柱面的半径由目标光斑的大小决定，材料2折射率为n3；
在快轴方向，先通过非球面进行准直，再 通过球面进行聚焦，最后通过球面再次准直得到半径较小的光斑；在慢轴方向，采用球面对慢轴光斑进行压缩；
最终得到的整形后能量在快轴，慢轴方向的分布。
2.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，其特征在于：此透镜为双胶合透镜，第一片透镜的第一个表面为非球面，用于对快轴方向光束进行准直；第二个面为双胶合球面，在对快轴方向光束进行聚焦的同时对慢轴方向光束进行准直；第三个面为柱面，对快轴方向的光束进行准直。
3.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，其特征在于：非球面为快轴与光轴方向的非球面柱透镜，由几何光学光束传播的折射方程得出面型方程。
4.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，其特征在于：球面半径大小由慢轴方向光束传播的折射方程决定，球面位置与镜片到光源距离有关。
5.根据权利要求1所述的一种应用于半导体激光器光束整形的透镜，其特征在于：柱面在快轴与光轴平面内为球面，其半径长度由目标光斑大小决定。
CN201710181008.6A 2017-03-24 2017-03-24 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜 Expired - Fee Related CN106873168B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710181008.6A CN106873168B (zh) 2017-03-24 2017-03-24 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201710181008.6A CN106873168B (zh) 2017-03-24 2017-03-24 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN106873168A CN106873168A (zh) 2017-06-20
CN106873168B true CN106873168B (zh) 2019-06-14

Family

ID=59173534

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201710181008.6A Expired - Fee Related CN106873168B (zh) 2017-03-24 2017-03-24 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN106873168B (zh)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109188398B (zh) * 2018-09-26 2023-08-04 深圳市速腾聚创科技有限公司 激光雷达、快慢轴光束能量的收敛***及收敛方法
CN109193342B (zh) * 2018-10-15 2019-11-15 中国科学院理化技术研究所 一种半导体激光器
WO2021163939A1 (zh) * 2020-02-19 2021-08-26 华为技术有限公司 一种光学组件及激光雷达***
CN115241735A (zh) * 2022-07-27 2022-10-25 常州纵慧芯光半导体科技有限公司 一种方形光斑激光模组及其参数确定方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201828712U (zh) * 2010-06-24 2011-05-11 中国人民解放军总参谋部第六十研究所 一维光纤压缩耦合激光传输装置
DE202014001376U1 (de) * 2014-02-13 2014-02-24 Osram Gmbh Beleuchtungseinrichtung
CN204347354U (zh) * 2014-12-01 2015-05-20 福建福晶科技股份有限公司 一种半导体激光器光束整形结构
CN204696448U (zh) * 2015-05-27 2015-10-07 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置
JP3207939U (ja) * 2016-09-29 2016-12-08 株式会社カツラ・オプト・システムズ 光線整形光学系、およびそれを用いたレーザはんだ溶着装置

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN201828712U (zh) * 2010-06-24 2011-05-11 中国人民解放军总参谋部第六十研究所 一维光纤压缩耦合激光传输装置
DE202014001376U1 (de) * 2014-02-13 2014-02-24 Osram Gmbh Beleuchtungseinrichtung
CN204347354U (zh) * 2014-12-01 2015-05-20 福建福晶科技股份有限公司 一种半导体激光器光束整形结构
CN204696448U (zh) * 2015-05-27 2015-10-07 中国工程物理研究院应用电子学研究所 一种半导体激光器的快慢轴光束质量匀化装置
JP3207939U (ja) * 2016-09-29 2016-12-08 株式会社カツラ・オプト・システムズ 光線整形光学系、およびそれを用いたレーザはんだ溶着装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN106873168A (zh) 2017-06-20

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN106873168B (zh) 一种应用于半导体激光器光束整形的透镜
US11262288B2 (en) Beam shaping optics of flow cytometer systems and methods related thereto
US9091803B2 (en) Apparatus for delivery of laser-beams of different wavelengths to a flow-cytometer
US9568311B2 (en) Optical system for shaping a laser beam and laser system having such an optical system
CN104339084B (zh) 使用非球面多焦点透镜加工脆性基底的设备
US9261702B2 (en) Optical device for beam shaping
CN204028412U (zh) 双波长半导体激光光束耦合结构
US6504650B1 (en) Optical transformer and system using same
US9435515B2 (en) Near-field lens with convex hyperbolic surface
CN103175515A (zh) 用于产生线状激光标记的激光***
US8789956B2 (en) Optical system for shaping a laser beam and laser system having such an optical system
CN101290398A (zh) 一种实现光束均匀化的方法及光学器件
CN207198397U (zh) 一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合***
WO2019148639A1 (zh) 准直镜头
CN107589498A (zh) 一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合***
KR20180094581A (ko) 자동차 램프용 전방향 발산각 시준 또는 프로젝션용 광학계와 이것이 적용된 자동차용 램프
TWI795514B (zh) 消色差散光變形物鏡
US11249317B2 (en) Device for collimating a light beam, high-power laser, and focusing optical unit and method for collimating a light beam
CN103887707B (zh) 一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器
CN207198398U (zh) 一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合***
JPS58208717A (ja) 光輻射発生器と光導波路との結合用装置
JPS61109015A (ja) レ−ザ−光用結像光学系
CN210514770U (zh) 一种改变菲涅尔透镜光路的结构
JP7422660B2 (ja) コンパクトな反射型照準器のための軸外れ非球面鏡を内蔵した平坦光学コンバイナ
US20180292662A1 (en) Rectangular beam shaper having monolithic body of refractive material

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20190614

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee