CN107121781B - 光束整形装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光束整形装置，包括光源、依次远离光源并设置于光源的出射光路上的第一透镜阵列、第二透镜阵列、光束整形器、光束聚焦器和第一光纤，光源包括多个阵列设置的半导体激光器，第一透镜阵列包括多个阵列设置的第一透镜，第一透镜与半导体激光器一一正对对应，第二透镜包括多个阵列设置的第二透镜，第二透镜与第一透镜一一正对对应；光源位于第一透镜阵列的前焦平面，第一透镜阵列的后焦平面与第二透镜阵列的前焦平面重合。第一透镜阵列对光源在快轴方向上的光进行准直，第二透镜阵列对光源在慢轴方向上的光进行准直，通过对光源在慢轴方向上的光进行准直，减少了由于慢轴方向上的发散在侧面引起的损耗，从而提高了整形效率。

Description

光束整形装置
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种光束整形装置。
背景技术
半导体激光器以其体积小、重量轻、电压低、功率大等特点被广泛应用在第一光纤通信、光电集成、光盘存储、泵浦光源、大气环境检测、痕量有毒气体分析及分子光谱学等与人类生活息息相关的诸多领域。然而，半导体激光器由于其特殊的工作原理，其光束质量在垂直与平行于P-N结的两个方向上相差很大，通常把垂直于P-N结的方向称为快轴方向，平行于P-N结的方向称为慢轴方向。快轴方向上的光束发散角大，慢轴方向上的光束发散角小。正是由于这两个方向的光束质量的极不均衡性使半导体激光器应用时比较困难，在实际应用(如光纤耦合)时需要对其光束进行整形，形成小芯径、小数值孔径的高亮度的光纤耦合半导体激光输出。如果仅仅采用普通的微透镜阵列的光束整形***将导致准直光斑直径较小、发散角较大、工作距离较短，光束得不到充分利用，而且，在传输过程中光能量损失较多，光束质量不佳。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种光束整形装置，能够避免激光在整形过程中的能量的损失和损耗，提高光束质量和整形效率。
本发明提出的具体技术方案为：提供一种光束整形装置，所述光束整形装置包括光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的第一透镜阵列、第二透镜阵列、光束整形器、光束聚焦器和第一光纤，所述光源包括多个阵列设置的半导体激光器，所述第一透镜阵列包括多个阵列设置的第一透镜，所述第一透镜与所述半导体激光器一一正对对应，所述第二透镜包括多个阵列设置的第二透镜，所述第二透镜与所述第一透镜一一正对对应；所述光源位于所述第一透镜阵列的前焦平面，所述第一透镜阵列的后焦平面与所述第二透镜阵列的前焦平面重合。
进一步地，所述光束整形器包括依次远离所述光源设置于所述出射光路上的光束分割组件、光束重排组件及平衡组件。
进一步地，所述光束分割组件包括沿第一方向直线排列的至少两个平行四边形板，每相邻两个所述平行四边形板在第二方向上相互错开，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第一方向、所述第二方向均与所述出射光路垂直。
进一步地，所述光束重排组件包括棱镜阵列，所述棱镜阵列包括沿所述第二方向直线排列的多个棱镜，所述多个棱镜的入光面与所述平行四边形板的出光面平行，所述棱镜的个数等于所述平行四边形板的个数与所述半导体激光器的个数的乘积。
进一步地，所述平衡组件包括第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜的入光面与所述多个棱镜的出光面平行。
进一步地，所述光束聚焦器包括依次远离所述光源并设置于所述出射光路上的第三透镜、光阑、第四透镜及第五透镜。
进一步地，所述第三透镜为凹透镜，所述第四透镜和所述第五透镜均为凸透镜，所述光阑位于所述第四透镜的前焦平面。
进一步地，所述光束整形装置还包括设置于所述出射光路上的滤波器，所述滤波器位于所述光学聚焦器与所述第一光纤之间。
进一步地，所述滤波器包括毛细管、遮光膜及第二光纤，所述遮光膜覆盖于所述毛细管朝向所述光源的一面和背离所述光源的一面，所述第二光纤沿所述出射光路贯穿所述遮光膜和所述毛细管。
进一步地，所述光束整形装置还包括设置于所述滤波器与所述第一光纤之间的光束准直器。
进一步地，所述光束准直器包括依次远离所述光源并设置于所述出射光路上的第六透镜、第七透镜，所述滤波器位于所述第六透镜的前焦平面，所述第六透镜位于所述第七透镜的前焦平面。
本发明提供的光束整形装置包括第一透镜阵列、第二透镜阵列、光束整形器和光束聚焦器，所述第一透镜阵列对所述光源在快轴方向上的光进行准直，所述第二透镜阵列对所述光源在慢轴方向上的光进行准直，通过对所述光源在慢轴方向上的光进行准直，减少了由于慢轴方向上的发散在侧面引起的损耗，从而提高了整形效率。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1为光束整形装置的结构示意图；
图2为光束分割组件和光束重排组件的结构示意图；
图3为光束整形器的俯视图；
图4为光束聚焦器的结构示意图；
图5为滤波器的结构示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
参照图1，本实施例提供的光束整形装置包括光源1、依次远离光源1并设置于光源1的出射光路(如图1中x方向)上的第一透镜阵列2、第二透镜阵列3、光束整形器4、光束聚焦器5和第一光纤6。光源1包括多个阵列设置的半导体激光器11，第一透镜阵列2包括多个阵列设置的第一透镜21，第一透镜21与半导体激光器11一一正对对应。第二透镜3包括多个阵列设置的第二透镜31，第二透镜31与第一透镜21一一正对对应。光源1位于第一透镜阵列2的前焦平面，第一透镜阵列2的后焦平面与第二透镜阵列3的前焦平面重合。
本实施例中第一透镜阵列2的前焦平面指的是位于第一透镜阵列2朝向光源1的一侧且与第一透镜阵列2的距离等于第一透镜21的焦距的平面，反之，第一透镜阵列2的后焦平面指的是位于第一透镜阵列2背离光源1的一侧且与第一透镜阵列2的距离等于第一透镜21的焦距的平面，同理，第二透镜阵列3的前焦平面指的是位于第二透镜阵列3朝向光源1的一侧且与第二透镜阵列3的距离等于第二透镜31的焦距的平面。
第一透镜21和第二透镜31均为柱面透镜，第一透镜21对光源1在快轴方向上的光束进行准直，第二透镜31对光源1在慢轴方向上的光束进行准直。第一透镜21的尺寸与第二透镜31的尺寸不同，优选的，第一透镜21为微透镜即微柱面透镜。
光源1发出的光束入射到第一透镜阵列2，第一透镜阵列2对光源1在快轴方向上的光束进行准直，经过第一透镜阵列2准直后的光束入射到第二透镜阵列3上，第二透镜阵列3对光源1在慢轴方向上的光束进行准直，经过第二透镜阵列3准直后的光束依次经过光束整形器4、光束聚焦器5后耦合进第一光纤6中。其中，光束整形器4用于对准直后的光束进行分割和重排，光束聚焦器5用于对重排后的光束进行聚焦并将聚焦后的光束耦合进第一光纤6中。本实施例中的第一光纤6为多模光纤，用于传输多模激光。
参照图2，光束整形器4包括依次远离光源1设置于出射光路上的光束分割组件41、光束重排组件42及平衡组件43。光束分割组件41用于对经过第二透镜阵列3准直后的光束进行分割，光束重排组件42用于对经过光束分割组件41分割后的光束进行重排，平衡组件43用于对重排后的光束的发散角进行调整。
本实施例中的光束分割组件41包括沿第一方向(如图1中y方向)直线排列的至少两个平行四边板10，每相邻两个平行四边形板10在第二方向(如图1中z方向)上相互错开，第一方向与第二方向相互垂直且第一方向、第二方向均与出射光路垂直。其中，平行四边形板10沿y轴方向的两个面的相邻两斜边之间的夹角等于45°。平行四边形板10与第二透镜阵列3正对的面为其入光面，背离第二透镜阵列3的面为其出光面。
光束重排组件42包括棱镜阵列，其中，棱镜阵列包括沿第二方向(如图1中z方向)直线排列的多个棱镜20，棱镜20的个数等于平行四边形板10的个数与半导体激光器11的个数的乘积，每相邻两个棱镜20分别与光源1中的一个半导体激光器11对应。其中，棱镜20与平行四边形板10正对的面为其入光面，棱镜20的入光面与平行四边形板10的出光面平行。本实施例中，棱镜20的出光面和其出光面为同一面，即棱镜20的入光面即为棱镜20的出光面。
本实施例中以光束分割组件41包括两个平行四边板10为例，两个平行四边板10在垂直于出射光路的方向上相互错开，每个半导体激光器11发射的光束垂直入射到两个平行四边板10上并被两个平行四边板10分割成两个光束，两个光束分别入射到棱镜阵列中与该半导体激光器11对应的相邻两个棱镜20上。其中，分割后的两个光束的偏移量仅取决于两个平行四边板10在第二方向即z方向上相互错开的距离，从而可以通过控制两个平行四边板10在第二方向即z方向上相互错开的距离来对分割后的光束的偏移量进行精确的控制，简化了装配工艺。当然，光束分割组件41还可以包括更多个平行四边板10，其将经过第二透镜阵列3准直后的光束分割后得到的光束的数量与平行四边板10的数量相等。
例如，光源1包括4个半导体激光器11，按照图1中z方向从上而下依次为第一激光器、第二激光器、第三激光器、第四激光器，则棱镜阵列包括8个棱镜，按照图1中z方向从上而下依次为第一棱镜、第二棱镜、第三棱镜、第四棱镜、第五棱镜、第六棱镜、第七棱镜、第八棱镜，第一激光器出射的光束被两个平行四边板10分成两束，一束入射到第一棱镜，一束入射到第二棱镜；第二激光器出射的光束被两个平行四边板10分成两束，一束入射到第三棱镜，一束入射到第四棱镜，依次类推，经过棱镜阵列后的8个光束被重新排列。上面列举的4个半导体激光器沿z方向呈一列设置，当光源1包括8个半导体激光器并沿z方向呈两列设置，每一列对应4个半导体激光器，每一列的4个半导体激光器出射的光束被两个平行四边板10分成8束，总共得到16束光束，这16束光束经过棱镜阵列后被重新排列。
参照图3，平衡组件43包括第一直角棱镜43a和第二直角棱镜43b，第一直角棱镜43a的入光面与多个棱镜20的出光面平行。
第一直角棱镜43a的入光面指的是相互垂直的两个面中的一个面，第一直角棱镜43a的出光面指的是与其他两个面的夹角小于90°的面。经过棱镜阵列重排后的光束从多个棱镜20的出光面出射并从第一直角棱镜43a的入光面垂直入射到第一直角棱镜43a内，在第一直角棱镜43a内发生折射后从第一直角棱镜43a的出光面出射。
从第一直角棱镜43a的出光面出射的光束从第二直角棱镜43b的入光面垂直入射到第二直角棱镜43b内，在第二直角棱镜43b内发生折射后从第二直角棱镜43b的出光面出射。第二直角棱镜43b的入光面指的是相互垂直的两个面中的一个面，第二直角棱镜43b的出光面指的是与其他两个面的夹角小于90°的面。从第二直角棱镜43b的出光面出射的光束的方向与从多个棱镜20的出光面出射的光束的方向相同，从第二直角棱镜43b的出光面出射的光束的发散角与从多个棱镜20的出光面出射的光束的发散角不同，因此，通过第一直角棱镜43a和第二直角棱镜43b可以调整重排后的光束的发散角。本实施例中，第一直角棱镜43a和第二直角棱镜43b尺寸相同。在其他实施方式中，可以根据实际需要调整第一直角棱镜43a、第二直角棱镜43b夹角小于90°的两个面之间的角度来获得所需要的发散角，也可以通过调整第一直角棱镜43a、第二直角棱镜43b的尺寸或位置来调整出射光束的位置。当然，本实施例中的平衡组件43还可以包括更多直角棱镜，这里不做限定。
参照图4，光束聚焦器5包括依次远离光源1并设置于出射光路上的第三透镜51、光阑52、第四透镜53及第五透镜54。第三透镜51为凹透镜，第四透镜53和第五透镜54均为凸透镜，光阑52位于第四透镜53的前焦平面。第四透镜53的前焦平面指的是位于第四透镜53朝向光阑52的一侧且与第四透镜53的距离等于第四透镜53的焦距的平面。
经过光束重排组件42重排后的光束入射到第三透镜51上，第三透镜51用于调整光束的发散角，经过第三透镜51后的光束入射到光阑52上，光阑52用于调整光束的光斑的大小，经过光阑52后的光束被第四透镜53准直，准直后的光束再被第五透镜54进行聚焦。
参照图5，本实施例中的光束整形装置还包括设置于出射光路上的滤波器7，滤波器7位于光学聚焦器5与第一光纤6之间。滤波器7包括毛细管71、遮光膜72及第二光纤73。遮光膜72覆盖于毛细管71朝向光源1的一面和背离光源1的一面，第二光纤73沿出射光路贯穿遮光膜72和毛细管71。其中，遮光膜72是由不透明的胶体或黑色有机材质制成。其中，第二光纤73为多模光纤。
经过第五透镜54聚焦后的光束入射到滤波器7上，其中，入射到遮光膜72上即偏离第二光纤73的光束被遮光膜72遮挡，只有耦合到第二光纤73中的光束才能从第二光纤73中出射。
光束整形装置还包括设置于滤波器7与第一光纤6之间的光束准直器8。光束准直器8包括依次远离光源1并设置于出射光路上的第六透镜81、第七透镜82，滤波器7位于第六透镜81的前焦平面，第六透镜81位于第七透镜82的前焦平面。第六透镜81的前焦平面指的是位于第六透镜81朝向滤波器7的一侧且与第六透镜81的距离等于第六透镜81的焦距的平面。第七透镜82的前焦平面指的是位于第七透镜82朝向第六透镜81的一侧且与第七透镜82的距离等于第七透镜82的焦距的平面。
经过滤波器7出射的光束入射到第六透镜81上，第六透镜81用于调整入射光束的发散角，经过第六透镜81后的光束入射到第七透镜82上，第七透镜82用于对入射到其上的光束进行准直并将准直后的光束耦合进第一光纤6中。
本实施例通过第一透镜阵列2对光源1在快轴方向上的光进行准直，通过第二透镜阵列3对光源1在慢轴方向上的光进行准直，从而减少了由于慢轴方向上的发散在侧面上引起的损耗，提高了整形效率。通过光束整形器4对准直后的光束进行分割和重排，通过控制两个平行四边板10在第二方向即z方向上相互错开的距离来对分割后的光束的偏移量进行精确的控制，简化了装配工艺；通过平衡组件43可以对重排后的光束的发散角进行二次调整。通过光束聚焦器5将重组后的光束聚焦成一个光斑入射到滤波器7，由于滤波器7中遮光膜72的存在，偏离第二光纤73的光大部分被遮挡，经过第六透镜81调整其发散角后被第七透镜82准直后，为圆形的多模激光，这种多模激光，光能量损失较小，光强分布均匀，避免了激光在整形过程中的能量的损失和损耗，提高光束质量和整形效率。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种光束整形装置，其特征在于，包括光源、依次远离所述光源并设置于所述光源的出射光路上的第一透镜阵列、第二透镜阵列、光束整形器、光束聚焦器和第一光纤，所述光源包括多个阵列设置的半导体激光器，所述第一透镜阵列包括多个阵列设置的第一透镜，所述第一透镜与所述半导体激光器一一正对对应，所述第二透镜包括多个阵列设置的第二透镜，所述第二透镜与所述第一透镜一一正对对应；所述光源位于所述第一透镜阵列的前焦平面，所述第一透镜阵列的后焦平面与所述第二透镜阵列的前焦平面重合；
其中，所述光束整形器包括依次远离所述光源设置于所述出射光路上的光束分割组件、光束重排组件及平衡组件；
其中，所述光束分割组件包括沿第一方向直线排列的至少两个平行四边形板，每相邻两个所述平行四边形板在第二方向上相互错开，所述第一方向与所述第二方向垂直，所述第一方向、所述第二方向均与所述出射光路垂直；
其中，每个半导体激光器发射的光束垂直入射到至少两个平行四边板上；
其中，所述光束重排组件包括棱镜阵列，所述棱镜阵列包括沿所述第二方向直线排列的多个棱镜，所述多个棱镜的入光面与所述平行四边形板的出光面平行，所述棱镜的个数等于所述平行四边形板的个数与所述半导体激光器的个数的乘积；
其中，所述平衡组件包括第一直角棱镜和第二直角棱镜，所述第一直角棱镜的入光面与所述多个棱镜的出光面平行。
2.根据权利要求1所述的光束整形装置，其特征在于，所述光束聚焦器包括依次远离所述光源并设置于所述出射光路上的第三透镜、光阑、第四透镜及第五透镜。
3.根据权利要求2所述的光束整形装置，其特征在于，所述第三透镜为凹透镜，所述第四透镜和所述第五透镜均为凸透镜，所述光阑位于所述第四透镜的前焦平面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的光束整形装置，其特征在于，还包括设置于所述出射光路上的滤波器，所述滤波器位于所述光束聚焦器与所述第一光纤之间。
5.根据权利要求4所述的光束整形装置，其特征在于，所述滤波器包括毛细管、遮光膜及第二光纤，所述遮光膜覆盖于所述毛细管朝向所述光源的一面和背离所述光源的一面，所述第二光纤沿所述出射光路贯穿所述遮光膜和所述毛细管。
6.根据权利要求4所述的光束整形装置，其特征在于，还包括设置于所述滤波器与所述第一光纤之间的光束准直器。
7.根据权利要求6所述的光束整形装置，其特征在于，所述光束准直器包括依次远离所述光源并设置于所述出射光路上的第六透镜、第七透镜，所述滤波器位于所述第六透镜的前焦平面，所述第六透镜位于所述第七透镜的前焦平面。
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