专利名称：准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜及其制造方法
技术领域：
本发明适用于半导体激光器光束整形领域，特别涉及一种准直半导体激光器快轴 光束的柱透镜及其制造方法。
背景技术：
半导体激光器(Laser Diode，简称LD)输出光束的主要特点是在水平方向(习惯 称作“慢轴”)光束发散角小(约8-10度，FWHM)、发光区厚(条阵约1cm)；在垂直方向(习 惯称作“快轴”)光束发散角大(约36-40度，FWHM)、发光区薄(约1 μ m)。由于半导体激 光器发散角较大，因此在实际应用之前对其进行准直是必须的。由于半导体激光器的快慢轴发散角不一致、且束腰位置也不一致，因此在精密 整形中常常把半导体激光器的快慢轴分别准直。慢轴方向发散角较小，因此可采用数值 孔径较小(比如NA ^ 0. 1)的微透镜准直(对于条阵和面阵LD，一般采用微透镜阵列 准直)。对于快轴方向，由于发散角较大，因此需要一块高折射率材料制作的、大数值孔 径(比如NA>0.7)的柱透镜实现发散角的压缩。从设计层面上讲，这种大数值孔径的 柱透镜由于孔径角较大，因此透镜的球差校正困难，需要采用昂贵的高折射率材料(比如 OHARA玻璃库中的TIH-53，折射率约1. 83)、非球面面型、双面均有光焦度才能完成发散 角的压缩；从制造层面上讲，其一、这种大数值孔径微透镜主要通过高精度的研磨工艺完 成，比如一般需要亚微米精度的研磨或者带有硬金属模具的超声波面形修正技术(详见 Roland Diehl, High-Power Diode Lasers !Fundamentals, Technology, Applications, Springer-VerlagHeidelberg, 2000.)；其二、由于透镜数值孔径较大，使增透膜的设计困 难，难于提高透过率。综上所述，由于材料和制作成本较高，且生产效率较低，快轴准直非球 面微透镜的销售价格一直居高不下，且主要依赖进口。为避免使用这种高成本的快轴准直 镜，国内外一些LD制造商和科研机构采用廉价的光纤棒来实现准直。但光纤棒是圆柱面结 构，难于校正球差，因此准直效果较差，主要应用于一些对LD准直整形要求不高的场合；对 于LD的高端应用，比如LD的小芯径光纤耦合系统、照明系统，必须使快轴方向的光束得到 很好的准直。
发明内容
本发明的目的就是针对现有技术的上述不足，研制一种制造简单、成本低廉、可大 规模生产且使用调节方便的折反射柱透镜，以全方位地实现半导体激光器快轴光束的准直。本发明折反射柱透镜由前表面和后表面所构成。后表面为平面结构。前表面由 非球面、折射面和全反射面所构成。非球面的面型R(y，z)上光线与透镜光轴之间的夹角 θ (即孔径角)、第i个采样点的表面切角β Ei和透镜材料的折射率η之间的关系式(一) 为sin(e+i3Ki) =η. 8 η(βΕ )；第i个采样点的表面切角β Ki与非球面面型坐标R(y，ζ)
的关系式(二)为tan凡,=Tk^一 。折射面的面型为平面结构，折射面与透镜光轴
ay y,-兄一
之间的夹角θ。>0。全反射面的面型Q(y，z)上光线与透镜光轴之间的夹角θ (即孔径 角)、折射面与透镜光轴之间的夹角θ。、第i个采样点的表面切角β Qi和透镜材料的折射
率η之间的关系式(三)为全{卯。+怂+^-'[⑶辦+代)/…};第i个采样点的表面切 角3 与反射面面型坐标(^，2)的关系式(四)为 本发明折反射柱透镜的制造方法，由下述步骤所组成((1)确定非球面面型确定透镜材料，选取透镜顶点与半导体激光器发光区的距 离，利用上述关系式(一)和关系式(二)通过迭代算法确定其面型分布，计算光线在非球 面上每一点的入射角θ κ，根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定临界孔径角 (2)计算光线在折射面的入射角θ d，并根据透过率与正入射情形相比变化不大的 原则确定折射面的倾斜角θ。；(3)确定全反射面的面型按照每一点的入射角θ Q大于或等于全反射角θ ΠΕ的 要求，利用所述的关系式(三)和关系式(四)，通过迭代算法和调整θ。确定其面型分布；(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产。用于面阵半导体激光器时，其折反射柱透镜的口径应小于或等于面阵半导体激光 器的排列周期值。透镜可采用廉价的低折射率材料制作，比如PMMA、PC或者K9玻璃。制作工艺可采 用注塑等一次成型工艺完成，也可采用精密的自由曲面加工车床加工完成。利用本发明准直半导体激光器快轴光束时，将本发明所述的折反射柱透镜置于半 导体激光器之前，其前表面贴近半导体激光器，其柱面方向沿半导体激光器的慢轴方向，适 当调整相对位置，用结构胶固定。工作时，折反射柱透镜前表面的非球面将半导体激光器 快轴方向发散角较小的部分光束实现准直、其折射面将半导体激光器快轴方向发散角在 (θ max 90) °范围的光线折射至全反射面予以准直，经过前表面准直后的光束沿半导体激 光器光轴方向以近乎0°入射角从折反射柱透镜后表面出射。本发明与现有技术相比所具有的优点如下1、本发明所涉及的折反射柱透镜可采用廉价的塑胶材料或者低折射率玻璃制作， 且可以通过一次成型工艺(比如注塑工艺)完成，非常有利于成本的降低和高效率生产；2、本发明所涉及的折反射柱透镜可将LD的出射光束(士90°，相应于NA = 1)全 部收集，提高了 LD准直镜的光学效率；3、传统的大数值孔径透镜的边缘部分的入射角较大，因此透过率较低，使得透镜 增透膜的膜系设计困难，镀膜成本提高，本发明所涉及的折反射柱透镜通过折射面将发散 角较大的边缘光束以较小的折射角折射至全反射面，且准直后的光束以近乎0°入射角穿 过后表面，因此透镜两个面的透过率都较高，提高了 LD准直镜的光学效率；4、由于本发明折反射柱透镜前表面的折射面与透镜光轴之间设有一定的夹角 Θ。.不仅有利于脱膜，还可在使用时配合调整其它参数；
5、本发明可采用注塑工艺一次成型技术加工透镜，因此在结构和面型设计上有较 大的自由度，可将透镜与LD配合的装夹也做成一体，可大大降低快轴调节对准的难度，提 高了激光器准直装配的工作效率。
图1是本发明折反射柱透镜的结构原理图；图2是本发明折反射柱透镜的工作原理图；图3是本发明折反射柱透镜准直半导体激光器快轴方向输出光束的原理图，同时 也是本发明实施例1的原始比例空间立体结构图；图4是本发明中由光线走向确定透镜前表面的非球面面型的示意图；图5是本发明中由光线走向确定透镜前表面的全反射面面型的示意图；图6是本发明折反射柱透镜阵列准直面阵半导体激光器快轴方向输出光束的原 始比例空间立体结构图；图7是图6的侧面结构示意图；附图中1为折反射柱透镜的后表面，2为折反射柱透镜前表面的非球面，3为折反 射柱透镜前表面的折射面，4为折反射柱透镜前表面的全反射面，5为半导体激光器，6为半 导体激光器的发光区，7为折反射柱透镜/透镜阵列，8为折反射柱透镜的光轴，0为透镜侧 面看到的激光器快轴发光区(近似为一点)，A为折反射柱透镜顶点，θ为孔径角(即光 线与透镜光轴的夹角)，β Ki为折反射柱透镜前表面的非球面上第i个采样点的表面切角， R(y,z)为折反射柱透镜前表面的非球面面型坐标，为折反射柱透镜前表面的反射面上 第i个采样点的表面切角，Q(y，z)为折反射柱透镜前表面的反射面面型坐标，光线在 非球面R(y，z)点处的入射角，9(3为光线在全反射面0(7，2)点处的入射角，0为全反射 面的全反射角，θ 光线在折射面上的入射角。
具体实施例方式下面结合附图及具体实施方式
详细介绍本发明。半导体激光器的发光部分称作发光区(emitter)，发光区的厚度约为1 μ m，长度 依据功率不同、从2 μ m至200 μ m不等。只有一个发光区的激光器称作单管激光器，另外还 有条阵半导体激光器和面阵半导体激光器。条阵半导体激光器通常是由若干个发光区沿慢 轴方向按一定间隔排列组成的，发光区间隔约为500 μ m，发光区的数量一般为19个；面阵 半导体激光器由若干个条阵半导体激光器沿快轴方向周期排列，排列周期从数百ym到几 个mm不等。由此可见，不管是单管、条阵还是面阵半导体激光器，其在快轴方向的发光特性 都是一样的，因此均可以用本发明所设计的折反射柱透镜实现快轴准直。图1是本发明折反射柱透镜的结构原理图，图2给出了折反射柱透镜的工作原理 图。透镜中靠近激光器一端的表面2、3、4称为前表面，远离激光器的一端1称作后表面。 折反射柱透镜的后表面1为平面，因而没有光焦度；前表面由三部分组成非球面2、折射面 3和全反射面4。透镜的光轴8和激光器的光轴重合，非球面2将孔径角在士 θ max范围内 的光束准直，折射面3和全反射面4将士(90-θ 范围内的光束准直，从而实现收集了 士90°范围内的所有光束。对比传统非球面快轴准直镜可以发现，传统快轴准直镜不仅收集不到士90°范围内的光束，而且需要相对昂贵的高折射率材料来获取尽可能大的数值孔径。如图4所示，非球面2的面型由折射定律公式(即上述关系式一)确定sin( θ + βΕ ) = η. sin(^Ei)(1)式(1)中，θ为孔径角，即光线与透镜光轴的夹角；β Ei为非球面2上第i个采样 点的表面切角，η为透镜材料的折射率。解方程(1)可得到与孔径角θ对应的、非球面2上 不同点表面的切角，而与非球面2的面型坐标R(y，z)的关系(即上述关系式二) 为
Λ dz ζ ~ ζ ,tan pRi = — 」(2)
dy ^-J,-,联合方程式⑴和(2)可得到非球面2的面型R(y，ζ)。临界角θ max的选择依据为要保证该面的透过率与正入射情形接近。对于PMMA材 料来说，非球面2的入射角< 45°时，基本能保证透过率(约95% )与正入射透过率(约 96% )接近。前表面的折射面3是平面结构，其作用是将孔径角大于θ max的光束折射至全反 射面4。为保证脱模方便、以及为配合透镜其他参数调整，折射面3与光轴之间有一定夹角 Θ。，且夹角θ。>0。如图5所示，全反射面4的面型Q(y，ζ)是由经过折射面3后的折射 光线的方向以及反射定律公式(即上述关系式三和关系式四)来确定的
βQi = I {90° + θε+ sin"1 [cos(^ + 0C)/η]}(3)tanβ0Z' ~Z'-'(4)
dy yi-y,-x由以上公式可确定全反射面4的面型Q (y，z)。式中θ。可适当调整，以保证全反 射条件。全反射条件对应的全反射角ΘΤΙΚ为θ TIR = sin_1(l/n)(5)透镜可采用廉价的低折射率材料制作，比如PMMA、PC或者K9玻璃。制作工艺可采 用注塑等一次成型工艺完成，也可采用精密的自由曲面加工车床加工完成。实施例1本实施例为准直条阵大功率半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜，其具体制造 方法如下(1)求解非球面2的面型。采用PMMA材料，选取透镜顶点A与LD发光区0的距离 OA为0.5mm，利用公式(1)和(2)通过迭代算法确定其面型分布。然后计算面型上每一点 的入射角θ κ，选取入射角小于45°所对应的孔径角θ max为临界孔径角，相应非球面2的面 型只取孔径角小于θωΜ的部分。本实施例中取θ_= 17°。(2)确定折射面3的倾斜角θ。。折射面3的倾斜角θ。的确定原则为尽量保证入 射角θ d小于45° ；如因为透镜尺寸太大等原因无法保证时，优先保证孔径角相对较小的部 分满足条件，因为孔径角较小对应于入射光能量较大的部分。本实施例中取θ。= 28°。(3)确定全反射面4的面型。利用公式(3)和(4)通过迭代算法确定其面型分布， 然后计算每一点的入射角θ Q，要求每一点的入射角全反射角θ TIR若不满足，通过调整θ。重新确定其面型分布。(4)利用上述步骤得到的面型数据，采用精密的自由曲面加工车床加工成产品。将本发明折反射透镜置于LD之前，适当调整方位以保证透镜处于最佳位置，然后 将快轴镜点胶固定于管壳上，构成条阵LD快轴准直系统。图3是本发明实施例1的折反射透镜实现条阵半导体激光器快轴准直的空间立体 结构图，半导体激光器5的发光区6发的光束经过折反射柱透镜7后，快轴方向的发散光束 中，孔径角较小的部分通过非球面2得到准直，孔径角较大的部分通过折射面3和全反射面 4得到准直。为清晰的看到折反射柱透镜准直快轴光束的效果图，图2给出了本实施例准直 系统的侧面分布。实施例2本实施例为准直面阵半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜。其面阵半导体激光 器由10个条阵半导体激光器沿快轴方向排列组成，排列的周期为1mm。采用折反射柱透镜 阵列实现准直。受面阵半导体激光器排列周期的影响，单个柱透镜的口径不能超过周期值， 即本例中的1mm。所以，透镜顶点与LD发光区的距离OA、临界孔径角θ max、倾斜角θ。的选 择均需考虑所形成的透镜的口径不能超过1mm。在此基础上，具体制造方法如下(1)求解非球面2的面型。采用PMMA材料，选取透镜顶点A与LD发光区0的距离 OA为0.2mm，利用公式(1)和(2)通过迭代算法确定其面型分布。然后计算面型上每一点 的入射角θ κ，选取入射角θ κ小于45°所对应的孔径角θ _为临界孔径角，相应非球面7 的面型只取孔径角小于θωΜ的部分。本实施例中取θ_ = 18.4°。(2)确定折射面3的倾斜角θ。。折射面3的倾斜角θ。的确定原则为尽量保证入 射角θ d小于45° ；如因为透镜尺寸太大等原因无法保证时，优先保证孔径角相对较小的部 分满足条件，因为孔径角较小对应于入射光能量较大的部分。本实施例中取θ。= 28°。(3)确定全反射面4的面型。利用公式(3)和(4)通过迭代算法确定其面型分布， 然后计算每一点的入射角θ Q，要求每一点的入射角全反射角ΘΤΙΚ;若不满足，通过调 整θ。重新确定面型分布。(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产a，将面型数据进行构造面域、拉伸、修剪等三维建模操作，构造成三维实体并导入 光线追迹程序进行模拟仿真。b，利用面型数据制造模具，通过注塑等一次成型工艺制作所需的折反射柱透镜阵 列。将折反射柱透镜阵列置于面阵半导体激光器之前，适当调整方位以保证透镜处于 最佳位置，然后将快轴镜点胶固定于管壳上，构成面阵LD快轴准直系统。图6是本实施例的折反射柱透镜阵列实现面阵半导体激光器快轴准直的空间立 体结构图，半导体激光器5发出的光束经过折反射柱透镜阵列7后，快轴方向的发散光束 中，孔径角较小的部分通过非球面得到准直，孔径角较大的部分通过折反射面得到准直。为 清晰的看到折反射柱透镜阵列在准直系统的相对位置，图7给出了本实施例准直系统的侧 面分布。
权利要求
一种准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜，由前表面和后表面所构成，其特征在于所述的后表面为平面结构，所述的前表面由非球面、折射面和全反射面所构成，且(1)非球面面型R(y，z)上光线与透镜光轴之间的夹角θ(即孔径角)、第i个采样点的表面切角βRi和透镜材料折射率n之间的关系式(一)为sin(θ+βRi)＝n.sin(βRi)；第i个采样点的表面切角βRi与非球面面型坐标R(y，z)的关系式(二)为(2)折射面面型为平面结构，折射面与透镜光轴之间的夹角θc＞0；(3)全反射面面型Q(y，z)上光线与透镜光轴之间的夹角θ(即孔径角)、折射面与透镜光轴之间的夹角θc、第i个采样点的表面切角βQi和透镜材料的折射率n之间的关系式(三)为第i个采样点的表面切角βQi与反射面面型坐标Q(y，z)的关系式(四)为FSA00000060501400011.tif,FSA00000060501400012.tif,FSA00000060501400013.tif
2.一种制造权利要求ι所述准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜的方法，其特 征在于由下述步骤所组成(1)确定非球面面型确定透镜材料，选取透镜顶点与半导体激光器发光区的距离，利 用所述的关系式(一)和关系式(二)通过迭代算法确定其面型分布，计算光线在非球面上 每一点的入射角θ κ，根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则确定临界孔径角θ_;(2)计算光线在折射面的入射角θd，并根据透过率与正入射情形相比变化不大的原则 确定折射面的倾斜角Θ。；(3)确定全反射面的面型按照每一点的入射角θQ大于或等于全反射角0的要求， 利用所述的关系式(三)和关系式(四)，通过迭代算法和调整θ。确定其面型分布；(4)利用上述步骤得到的面型数据进行产品生产。
3.如权利要求3所述的一种制造准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜的方法， 其特征在于所述的折反射柱透镜的口径小于或等于面阵半导体激光器的排列周期值。
全文摘要
一种准直半导体激光器快轴光束的折反射柱透镜及其制造方法。透镜的前表面分为两个部分，第一部分为非球面折射结构，用于准直发散角较小的光束，第二部分为折反射结构，用于准直发散角较大的光束，其中反射面满足全内反射条件；透镜的后表面为平面。不仅可将半导体激光器的出射光束全部收集，而且准直后的光束以近乎0°入射角从折反射柱透镜后表面出射，大大地提高了光学效率。透镜采用塑胶或玻璃材料制作，可采用注塑法等一次成型工艺制作完成。具有设计简单、结构紧凑、成本低廉、可大规模制造、调节方便等优点。
文档编号G02B17/08GK101893752SQ20101013093
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月19日 优先权日2010年3月19日
发明者周辉, 李松, 杨晋陵, 石岩, 郑国兴, 马跃, 高俊玲 申请人:武汉大学