专利名称：一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种利用多个柱型菲涅耳微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学系统。
背景技术：
半导体激光器广泛地应用于焊接、退火、切割、打孔、微细加工以及军事、医疗等各个领域，对激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及稳定性有着很高的要求。因此，对半导体激光光束进行匀化处理已成为了一种必要的技术手段。目前，半导体激光光束匀化的方法主要有两种:一种是波导方法，另一种是微透镜阵列法。前者不受入射光束的能量分布及随时波动的影响，但匀化后光束的光亮度低，且系统部件多，体积大，不容易集成组装。后者主要由准直透镜，非球面微透镜阵列，傅里叶透镜组成，系统部件少，体积小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透镜阵列非常困难，且生产成本很高。此外普通的折射型非球面微透镜由于工艺限制，其口径单元很难实现微型化且存在过渡区域，因而导致能量利用率较低，均匀性较差。在保证光束均匀性的前提下，若能降低制造微透镜阵列的工艺难度及生产成本，则微透镜阵列激光光束匀化系统更加具有实用性。
发明内容
本发明的目的是为了提高面阵半导体激光光束的均匀性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工艺难度及生产成本，提高微透镜阵列激光匀化系统的实用性。为了解决上述问题，提出了一种利用柱型菲涅耳衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学系统。 所述光学系统主要构成有:面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜、快轴场镜；面阵半导体激光器位于微准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为系统光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。本发明的有益效果:本发明采用柱型菲涅耳衍射微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化，使焦平面上的光斑均匀性达到了 8.3 %，衍射效率达到了 94.4%，有效地实现了对激光光束的匀化，相对波导匀化系统和非球面微透镜阵列匀化系统，缩小了分割微透镜的口径，对入射激光光束的分割次数增多，每次分割的面积减小，从而提高了匀化光束的均匀性；柱型菲涅耳微透镜阵列没有过渡区，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透镜阵列制作简单精确，降低了制作微透镜阵列的工艺难度及生产成本，很大程度上提高了微透镜阵列匀化系统的实用性。
图1a和图1b是含有第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的面阵半导体激光光束匀化系统原理图；图2是一个柱型菲涅耳衍射微透镜y_z面视图；图3是柱型菲涅耳衍射微透镜结构参数示意图；图4a_图4c是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统ZEMAX模拟结果；图5是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统MATLAB数值模拟结果；图6a和图6b是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化系统原理图；图7a_图7c是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化系统ZEMAX模拟结果；图8是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统MATLAB数值模拟结果。
具体实施例方式下面将结合本发明实例中的 附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。如图la、图1b所示柱型菲涅耳衍射微透镜阵列激光光束匀化系统设计。系统含有:面阵半导体激光器1、准直镜阵列2、第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6。面阵半导体激光器I位于微准直镜阵列2的前焦面上，并以面阵半导体激光器I输出激光束为系统光轴。第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6依序位于光轴上并垂直于光轴；面阵半导体激光器I发出的多模激光光束经准直透镜阵列2准直后平行入射，再经第一微透镜阵列3将激光光束均匀地分成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列4和慢轴场镜5和快轴场镜6将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。所述第一微透镜阵列3和第二微透镜阵列4的参数完全相同，分别由多个相同的柱型菲涅耳衍射微透镜7紧密排列而成。菲涅耳衍射微透镜7如图2所示。所述第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4之间的间距为一个柱型菲涅耳衍射微透镜7的焦距，即第一微透镜阵列3位于第二微透镜阵列4的前焦面上。所述第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4的朝向为同向放置，或背向放置，即第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4分别具有阶梯相位结构的两个面同时指向光轴的正方向，或一个面朝光轴正方向，另一个面朝光轴负方向。由多个柱型菲涅耳衍射微透镜7组成柱型菲涅耳衍射微透镜阵列，使用一组所述的柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，或使用两组所述的柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，都能使面阵半导体激光光束匀化。所述柱型菲涅耳衍射微透镜7的数量由其口径及入射光束的大小的决定，即柱型菲涅耳衍射微透镜7的数量等于入射光束的大小除以柱型菲涅耳衍射微透镜7的口径。所述柱型菲涅耳衍射微透镜7具有相同的口径、相位台阶数、刻蚀深度、焦距等结构参数。所述柱型菲涅耳衍射微透镜7的相位台阶数为2K，其中K为制作柱型菲涅耳衍射微透镜阵列的掩膜板数(K = 2,3,4,5,6);当取K = 3或4，此时衍射效率的理论值达95%或98%，K值越大，衍射效率越高，加工难度也相应增大。由于柱型菲涅耳衍射微透镜7的口径很小，其内部的光场分布相对是比较均匀的，所有被分割的波前都均匀的叠加在一起，从而达到光束匀化的目的。柱型菲涅耳衍射微透镜阵列设计:柱型菲涅耳衍射微透镜7是基于菲涅耳波带片的近场衍射，将其图形制作成多阶相位结构。由标量衍射理论可知，柱型菲涅耳衍射微透镜7可近似看成是折射透镜的相位量化形貌，不同的是其作用机理是衍射而不是折射，这就意味着出射波前只由器件的横向尺寸决定，而与纵向尺寸无关。因此，只要图形发生和光刻工艺过程足够精确，当用平面波照射微透镜阵列时就能产生完善的球面波，不会因器件相位的多台阶结构而产生任何形变。同理，器件的几何光学参数(如焦距等)也不会因相位的多台阶结构而改变。如图2 —个柱型菲涅耳衍射微透镜7的y-z面视图所示。柱型菲涅耳衍射微透镜7的阵列设计方法如下:首先根据柱型菲涅耳衍射微透镜7所要求的焦距f，衍射效率n，以及第一透镜阵列3、第二透镜阵列4的最大孔径L，计算相应的结构参数。设N为台阶数，r■为第n个环带第m阶梯的半径，\为入射波长，m为阶梯的个数，n为环带的个数，图3中r为柱型菲涅耳衍射微透镜7的半口径。由图3柱型菲涅耳衍射微透镜7的结构参数示意图可知，
权利要求
1.一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学系统，其特征在于:所述光学系统主要构成为:面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜，其中:面阵半导体激光器位于准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为系统光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。
2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，第一微透镜阵列与第二微透镜阵列由多个相同的柱型菲涅耳衍射微透镜紧密排列构成。
3.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列之间的间距为柱型菲涅耳衍射微透镜的焦距，即第一微透镜阵列位于第二微透镜阵列的前焦面上。
4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列的朝向为同向放置，或背向放置，即第一微透镜阵列、第二微透镜阵列分别具有阶梯相位结构的两个面同时指向光轴的正方向，或一个面朝光轴正方向，另一个面朝光轴负方向。
5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列的y轴分别与面阵半导体激光束的快轴方向一致。
6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述第一微透镜阵列、第二微透镜阵列由多个柱型菲涅耳衍射微透镜组成两组柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，或第一微透镜阵列由多个柱型菲涅耳衍射微透镜组成一组柱型菲涅耳衍射微透镜阵列作为匀化器，都能使面阵半导体激光光束达到匀化。
7.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜的数量由其口径及入射光束的大小的决 定。
8.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜具有相同的口径、相位台阶数、刻蚀深度、焦距等结构参数。
9.根据权利要求2所述的光学系统，其特征在于，所述柱型菲涅耳衍射微透镜的相位台阶数为2K，其中K为制作柱型菲涅耳衍射微透镜阵列的掩膜板数，K = 2，3，4，5，6 ;当取K=3或4，此时衍射效率的理论值达95%或98%。
全文摘要
本发明为一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学系统，含有面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜、快轴场镜，面阵半导体激光器位于微准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为系统光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。本发明用柱形菲涅耳衍射微透镜阵列实现对半导体激光光束的匀化，提高光束的质量。
文档编号G02B27/09GK103246066SQ20131018481
公开日2013年8月14日 申请日期2013年5月17日 优先权日2013年5月17日
发明者周崇喜, 刘志辉, 杨欢, 邱传凯 申请人:中国科学院光电技术研究所