CN114094444B - 一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***包括：偏振分光元件；两组光路组件分别排布于偏振分光元件的第一方向和第二方向，第二方向垂直于第一方向；光路组件包括：激光二极管面阵LDA，包括多条沿预设方向间隔排布的激光二极管LDbar条，预设方向与光路组件的排布方向垂直；与多条LDbar条一一对应的多个微透镜准直结构，每个微透镜准直结构适于对其对应的LDbar条的光束进行准直；折射组件，用于减小任意相邻两束准直后的光束之间的间距；偏振分光件适于将两组光路组件输出的光束进行空间补偿偏振合束，以获得光强均匀平顶分布的光束。本发明利用折射组件、偏振棱镜改变光束位置实现光强均匀平顶分布。

Description

一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***。

背景技术

激光二极管广泛应用于固体激光***、激光美容、激光检测与材料加工等领域，随着各个领域对激光功率和激光束尺寸的不断提高，特别是作为高功率大尺寸侧面泵浦的固体激光***的泵浦源，需要采用多个激光二极管进行空间排列来组合使用，即采用LDA作为泵浦源。

由于二极管激光的PN结构型导致其出射的激光光束具有一定的发散角，且在快轴方向和慢轴方向上的发散角不同，导致在使用二极管激光之前先对其输出的激光光束进行整形和传输控制。常常采用快轴准直镜(FAC)对快轴方向的发散光束进行准直，由于受到FAC机械尺寸的影响，LDA中每个激光二极管巴条(LD bar)之间都存在一定的纵向间隔，这使得准直后的LDA出射光束在快轴方向呈条纹状分布，以至于LDA出射的大尺寸面光束占空比较低，整体分布为非均匀的条纹状。

在现有的激光***中，常采用的端面泵浦方式为将LDA出射的泵浦光直接汇聚到激光增益介质的泵铺面入口内，通过泵浦光在介质内的全反射等方式来提高泵浦分布的均匀性。然而在激光增益介质内的泵浦光随着不断的传输，其光束形态会一直发生变化，如光束尺寸、光束截面上强度分布的均匀性等，这使得激光增益介质内的泵浦光在截面上的强度分布达不到高的均匀性，同时会导致难以实现均匀增益和高光束质量激光输出。

发明内容

本发明实施例提供一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，用以解决现有技术中光束尺寸、光束截面上强度分布不均匀的问题。

根据本发明实施例的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，包括：

偏振分光元件；

两组光路组件，分别排布于所述偏振分光元件的第一方向和第二方向，所述第二方向垂直于所述第一方向；

所述光路组件包括：

激光二极管面阵LDA，包括多条沿预设方向间隔排布的激光二极管LD bar条，所述预设方向与所述光路组件的排布方向垂直；

与多条所述LD bar条一一对应的多个微透镜准直结构，每个所述微透镜准直结构适于对其对应的所述LD bar条的光束进行准直；

折射组件，用于减小任意相邻两束准直后的光束之间的间距；

所述偏振分光件适于将两组所述光路组件输出的光束进行偏振合束，以获得光强均匀平顶分布的光束。

根据本发明的一些实施例，所述折射组件包括：与多个所述微透镜准直结构一一对应的多个折射件，每个所述折射件适于对其对应的微透镜准直结构输出的光束位移Δy_i；

所述折射件的入射面和出射面平行；

所述折射件的折射率为n，所述微透镜准直结构输出的光束相对于所述折射件的入射角为α_i、折射角为β_i，在所述预设方向上，所述入射面与所述出射面之间的距离为d_Li，所述n、所述α_i、所述β_i、以及所述d_Li满足：

sin(α_i)＝nsin(β_i)

α_i＝β_i+θ_i。

根据本发明的一些实施例，多个所述折射件相互连接，以构造形成多阶梯折射透镜。

根据本发明的一些实施例，经过所述折射组件后的任意相邻两束光束中心轴间的间距等于光束在所述预设方向上的宽度。

根据本发明的一些实施例，所述微透镜准直结构为快轴准直器FAC。

根据本发明的一些实施例，所述微透镜准直结构为慢轴准直微透镜阵列。

根据本发明的一些实施例，所述偏振分光元件为偏振棱镜PSB。

根据本发明的一些实施例，所述偏振分光元件为偏振片。

根据本发明的一些实施例，任意相邻两条所述激光二极管LDbar条之间的距离相等。

根据本发明的一些实施例，任意相邻两条所述激光二极管LDbar条之间的距离等于1.8毫米，经过所述微透镜准直结构准直后的光束宽度为0.6毫米。

采用本发明实施例，使用折射组件将激光二极管面阵产生的相邻两束光源通过折射产生一定的位移，减少相邻光束之间的间距；再通过偏振分光元件将两组不同偏振方向的光束进行空间补偿合束，使得合束后的光束其光强分布近似平顶均匀分布。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明实施例中激光二极管面阵***结构示意图；

图2是本发明实施例中多阶梯折射透镜结构示意图；

图3a是本发明实施例中一组光束经过微透镜准直后的光束图；

图3b是本发明实施例中一组光束经过折射组件折射后的光束图；

图3c是本发明实施例中两组光束进过偏振棱镜后的光束图；

图4是本发明实施例中多高斯光束非相干叠加曲线图；

图5是本发明实施例中多阶梯折射透镜入射角与厚度关系图。

附图标记说明：

实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***1，

偏振分光元件10，

光路组件20，

激光二极管面阵LDA210，

微透镜准直结构220，

折射组件230。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

如图1所示，本发明的实施例提出一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***1，包括：

偏振分光元件10；

两组光路组件20，分别排布于所述偏振分光元件10的第一方向和第二方向，所述第二方向垂直于所述第一方向；例如，第一方向可以为水平方向，第二方向为竖直方向，两组光路组件20可以分别排布于所述偏振分光元件10的左方和上方。

所述光路组件20包括：

激光二极管面阵LDA210，包括多条沿预设方向间隔排布的激光二极管LD bar条，所述预设方向与所述光路组件20的排布方向垂直；例如，当一路光路组件20排布在偏振分光元件10的第一方向上，则该路光路组件20中的激光二极管LD bar条沿第二方向排布。

与多条所述LD bar条一一对应的多个微透镜准直结构220，每个所述微透镜准直结构220适于对其对应的所述LD bar条的光束进行准直；

折射组件230，用于减小任意相邻两束准直后的光束之间的间距；

所述折射组件230位于所述准直结构和所述偏振分光元件10之间；

所述偏振分光件适于将两组所述光路组件20输出的光束进行空间补偿偏振合束，以获得光强均匀平顶分布的光束。

本发明通过使用折射组件230将激光二极管面阵LDA 210产生的相邻两束光源通过折射产生一定的位移，减少相邻光束之间的间距，提高了整体光强分布的占空比；再通过偏振分光元件10将两组不同偏振方向的光束进行空间补偿合束，使得合束后的光束其光强分布近似平顶均匀分布。

在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。

根据本发明的一些实施例，所述折射组件230包括：与多个所述微透镜准直结构220一一对应的多个折射件，每个所述折射件适于对其对应的微透镜准直结构220输出的光束位移Δy_i；

所述折射件的入射面和出射面平行；

所述折射件的折射率为n，所述微透镜准直结构220输出的光束相对于所述折射件的入射角为α_i、折射角为β_i，在所述预设方向上，所述入射面与所述出射面之间的距离为d_Li，所述n、所述α_i、所述β_i、以及所述d_Li满足：

sin(α_i)＝nsin(β_i)

α_i＝β_i+θ_i。

通过将折射组件230分为多个折射件，使其数量与多个所述微透镜准直结构220一一对应，可以有效的针对每束光束的折射位移进行独立修改，使后续合束形成的光束其光强的平顶分布更加均匀。

如图2所示，根据本发明的一些实施例，多个所述折射件相互连接，以构造形成多阶梯折射透镜。由此，可以方便排布、批量生产，使整个***的安装更加便捷。

根据本发明的一些实施例，经过所述折射组件230后的任意相邻两束光束中心轴间的间距等于光束本身在所述预设方向上的宽度。

利用折射组件230将任意相邻两束光束中心轴的间距调整为与光束本身的宽度相同，更有利于后续进行合束时使其光强分布近似平顶均匀分布。

根据本发明的一些实施例，所述微透镜准直结构220为快轴准直器FAC。

经过使用所述快轴准直器对LDA光束进行准直，降低了LDA光束在快轴方向的发散角度，使其以近似平行光传输，便于后期对光束进行合束。

根据本发明的一些实施例，所述微透镜准直结构220为慢轴准直微透镜阵列。

经过使用所述慢轴准直微透镜阵列对LDA光束进行准直，降低了LDA光束在慢轴方向的发散角度，使其以近似平行光传输，便于后期对光束进行合束。

根据本发明的一些实施例，所述微透镜准直结构220可以直接封装在LDA上使用，也可以与LDA进行组合使用。

根据本发明的一些实施例，所述偏振分光元件10可以是偏振棱镜PBS。

在本申请中偏振棱镜PSB起到空间补偿偏振合束的作用，将两路不同偏振方向的光合束成一路光束，在合束过程中将其中一路设定一个位移，使两路光束之间的条纹相间排列以实现光强的空间补偿，合束后的光束其光强分布近似平顶均匀分布。PBS的优势在于进行空间偏振合束的过程不需要考虑折射引起的光路偏移。

根据本发明的一些实施例，所述偏振分光元件10可以是偏振片。

根据本发明的一些实施例，所述偏振分光元件10可以是光偏振合束器PBC。

根据本发明的一些实施例，任意相邻两条所述LD bar条之间的距离相等。将LDbar条之间的间距设置为相同，方便使用偏振分光元件10对其间距进行统一调整。

根据本发明的一些实施例，任意相邻两条所述LD bar条之间的距离等于1.8毫米，经过所述微透镜准直结构220准直后的光束宽度为0.6毫米。

下面参照图1、图2以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的实现均匀平顶分布的的激光二极管面阵***。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***1，包括：

两组激光二极管面阵LDA 210、18个快轴准直器FAC、两组多阶梯折射透镜、偏振棱镜。所述两组激光二极管面阵LDA210分别排布在所述偏振棱镜的第一方向和第二方向，且第一方向和第二方向互相垂直。其中所述第一方向为偏振棱镜的反射光入射方向，所述第二方向为所述偏振棱镜的折射光入射方向。两组光路组件20所产生的光束分别经过偏振棱镜的反射与折射后，其反射光方向与折射光方向平行。

每组所述激光二极管面阵由9个与所述光路组件20排布方向垂直的所述LD bar条组成，每组所述多阶梯折射透镜由9个折射透镜连接而成，所述快轴准直器FAC在激光二极管面阵LDA 210出光口位置，两组所述LDA的每个LD bar条对应一个FAC，两组多阶梯折射透镜分别位于偏振棱镜的第一方向和第二方向，且处于快轴准直器与偏振棱镜之间，且多阶梯折射透镜每个入射面同样对应一个准直微透镜。

所述每个LD bar条在快轴方向的间隔Pitch＝1.8mm，单个LD bar出射的发散光束经过快轴准直器(FAC)后的纵向光束宽度为ω₀＝0.6mm，并以***行光向后传输。整个LDA出射的光束经过FAC后在纵向的尺寸为W₀，则

W₀＝(N-1)Pitch+ω₀

参照图3a，经过FAC后的光束光强截面分布为条纹状，此时每个条纹之间的距离约等于bar条纵向间隔Pitch，这些***行传输后的光束经过多阶梯折射透镜，会在纵向上发生一定的平移偏折Δy，以使每个条纹之间的间距发生变化。通过多阶梯折射透镜的条纹间隔为d_ω，其中d_ω≥ω₀，其值取决于高斯光束叠加后的均匀性RMS值。

参照图3b，多个条纹通过改变每个之间的位置距离便得到不同的非相干叠加结果，单个LD bar出射的光束经过FAC后在快轴方向上的强度分布可近似为一种高斯分布，分布函数可由如下公式表达

其中A为归一化系数，则LDA出射的光束经过FAC后的光强分布函数可以表示为

从函数表达式中可以看出，每个bar条之间的间隔Pitch使得整体分布是不连续的亮暗条纹状，若将间距不断缩小，缩小到一定程度时由于各个“条纹”的强度边缘能够互相叠加，便会得到一个整体近似“连续”的强度分布，参考图3c。结合高斯函数的分布规律，当采用合适的间隔d_ω时，能够实现近似平顶分布的效果，参考图4，叠加后的光强分布可表示为

光强度分布的均匀性RMS值可以由如下公式计算获得

其中为全部采样点的平均值，XY代表着光强分布的采样个数，E_xy为采样点处的强度值，一般采样精度不低于探测器CMOS的分辨率。

根据均匀性RMS值的条件来确定折射后的条纹间隔d_ω。在竖直方向(纵向)从上往下排列，以LDA发射面中心为坐标原点，纵向为Y方向，光线传输方向为Z方向，则折射前与折射后第i个条纹光束的高度位置分别为

其中i为正整数，i≤(N+1)/2。则每个条纹需要偏折平移的距离为

参考图2，透镜对LDA出射光束的折射率为n，入射角为α_i，折射角为β_i，此时若给定一个多阶梯折射透镜的每阶厚度尺寸d_Li，则这些参数之间的关系为

sin(α_i)＝nsin(β_i)

α_i＝β_i+θ_i

由以上关系即可得到多阶梯折射透镜的尺寸参数。

由RMS计算公式得到最佳均匀性时的d_ω值为最小值，即为ω₀。以LDA快轴方向为研究，其中N＝9，Pitch＝1.8mm，ω₀＝0.6mm，多阶梯折射透镜对LDA出射光束的折射率n＝1.45，其厚度取_dLi≥W0。由上文公式，可求得如下参数

W₀＝15mm

y_0i＝7.2mm,5.4mm,3.6mm,1.8mm,0,-1.8mm,-3.6mm,-5.4mm,-7.2mm

y_1i＝2.4mm,1.8mm,1.2mm,0.6mm,0,-0.6mm,-1.2mm,-1.8mm,-2.4mm

Δy_i＝4.8mm,3.6mm,2.4mm,1.2mm,0,1.2mm,2.4mm,3.6mm,4.8mm

根据折射率公式可得多阶梯折射透镜入射面的角度与各阶梯厚度d_Li的关系，参考图5。由关系曲线图可知，在透镜各个面的角度范围内，其厚度d_Li也存在一个共同的范围，当在此范围内确定一个厚度值，其入射面的角度即可确定。这里取d_Li≈20mm，则可求得折射透镜每个面的入射角α_i

α_i＝39.5°,31°,21.5°,11°,0°,11°,21.5°,31°,39.5°

参考图1，经过多阶梯折射透镜发生偏移的两路光束最后经过偏振棱镜PBS进行空间补偿合束，通过改变两路光束的空间位置，使其中一路光束在光束方向上产生d_ω＝ω₀距离的偏移，这使得合束后的两路条纹光束间隔为ω_0/2，即第一路光束的亮条纹落在第二路光束的暗条纹处，交错的光束进行非相干叠加，由图3c和图4的结果可知经过上述操作后的整体光强分布为均匀平顶型。

需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，包括：

偏振分光元件；

两组光路组件，分别排布于所述偏振分光元件的第一方向和第二方向，所述第二方向垂直于所述第一方向；

所述光路组件包括：

激光二极管面阵LDA，包括多条沿预设方向间隔排布的激光二极管LD bar条，所述预设方向与所述光路组件的排布方向垂直；

与多条所述LD bar条一一对应的多个微透镜准直结构，每个所述微透镜准直结构适于对其对应的所述LD bar条的光束进行准直；

折射组件，用于减小任意相邻两束准直后的光束之间的间距；

所述偏振分光元件适于将两组所述光路组件输出的光束进行偏振合束，以获得光强均匀平顶分布的光束；

所述折射组件包括：与多个所述微透镜准直结构一一对应的多个折射件，每个所述折射件适于对其对应的微透镜准直结构输出的光束位移Δy_i；

所述折射件的入射面和出射面平行；

所述折射件的折射率为n，所述微透镜准直结构输出的光束相对于所述折射件的入射角为α_i、折射角为β_i，在所述预设方向上，所述入射面与所述出射面之间的距离为d_Li，所述n、所述α_i、所述β_i、以及所述d_Li满足：

sin(α_i)＝nsin(β_i)

α_i＝β_i+θ_i；

经过所述折射组件后的任意相邻两束光束中心轴间的间距等于光束在所述预设方向上的宽度；

任意相邻两条所述LD bar条之间的距离相等；

任意相邻两条所述LD bar条之间的距离等于1.8毫米，经过所述微透镜准直结构准直后的光束宽度为0.6毫米。

2.如权利要求1所述的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，多个所述折射件相互连接，以构造形成多阶梯折射透镜。

3.如权利要求1所述的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，所述微透镜准直结构为快轴准直器FAC。

4.如权利要求1所述的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，所述微透镜准直结构为慢轴准直微透镜阵列。

5.如权利要求1所述的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，所述偏振分光元件为偏振棱镜PBS。

6.如权利要求1所述的实现均匀平顶分布的激光二极管面阵***，其特征在于，所述偏振分光元件为偏振片。