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 PDFInfo
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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
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。
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