一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统，包含多个并行放置形成一维阵列半导体激光器阵列的前端先后放置一个快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜；每个半导体激光器单元的输出光通过快轴准直透镜和慢轴准直透镜后在与x方向垂直的z方向上经过一棱镜堆并被在y方向上平移；棱镜堆由多个棱镜片组成，棱镜片的数目和半导体激光器单元数目一致；每个半导体激光器单元的输出光束通过棱镜堆后在z方向上分别经过一重新指向光学器件和一聚焦器件；聚焦后的光束耦合进入一输出光纤。
【专利说明】一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统。
【背景技术】
[0002]以激光器的排布方向为X轴，由于半导体激光器一维阵列在X方向宽度(通常为10毫米)和光束发散角(通常为8-12° )与在y方向高度(大约为I微米)和光束发散角(通常为30-60° )差别很大，光纤耦合比较困难。传统的做法采用与激光器数量相同的光纤集合成一条光纤束。耦合时在半导体激光器阵列前在X方向平行放置一快轴准直透镜，将光纤与各个半导体激光器一一对准，各个半导体激光器的输出光一一耦合到光纤束的各个光纤里。这种方法的缺点是由于光纤束的端面面积大，单位面积上的输出能量低。
[0003]为了提高光纤输出单位面积上的能量通常采用的方法是把半导体激光器阵列的输出光束在X方向上米用一光学器件进行分割，同时使分隔的光束在y方向上产生错位，通过另一光学器件分别把每个分隔的光束在y方向上叠加，重排后得到在χ-y平面里匀称化光斑，通过聚焦器件耦合进一根光纤。这种方法的缺点是在考虑光束分隔数目时在X方向上要把所有半导体激光器的发光尺寸和两个邻近半导体激光器之间非发光区域尺寸都计算在内，对光纤输出单位面积上的能量提高有一定限制。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明提供一种半导体激光器一维阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统。
[0005]为达到上述目的，本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统，所述系统包括等间距平行排布为一维阵列的若干半导体激光器，以所述激光器的排布方向为X轴，垂直于所述激光器组排布方向为Z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输;
[0006]所述系统还包括所述激光器器前端依次设置的快轴准直透镜、慢轴准直透镜、棱镜堆和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中
[0007]所述快轴准直透镜，用于将各个所述激光器输出的光束进行y轴方向上的准直并将所述光束平行输出；
[0008]所述慢轴准直透镜，用于将所述快轴准直透镜输出的所述光束进行X轴方向上的准直并将所述光束平行输出；
[0009]所述棱镜堆，用于对所述慢准直透镜输出的所述光束进行在y-z平面内进行偏移，并输出所述光束，其中平行排布的所述光束分为三部分，中间部分的光束在I轴方向不发生偏移输出，两侧部分的光束发生相反方向的偏移输出；
[0010]所述重新指向光学器件，用于对所述棱透镜输出的所述光束在X方向上进行相同角度的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行；
[0011]所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
[0012]进一步地，所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
[0013]进一步地，所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的子柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
[0014]进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述光束一一对应，所述棱镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0015]进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述光束一一对应，所述反射镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0016]进一步地，所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
[0017]本发明的有益效果:
[0018]本发明中棱镜堆的每个棱镜可以通过棱镜的内角和长度来控制对应激光器输出光束在y轴方向上的偏移量，在一定程度上可以补偿由半导体激光器一维阵列贴片过程和快轴准直透镜调节误差引起的输出光束在X方向上的弯曲现象，对输出光束进行匀称化。
[0019]本发明在对导体激光器一维阵列进行光束匀称化时不用考虑两个相邻半导体激光器之间的非发光区域，通过棱镜堆对每个单独激光器在慢轴准直透镜后的准直输出光束的位置进行重新排列，尽可能使输出光束在y轴方向以高密度叠加，提高光束匀称化后单位面积上的能量密度和亮度，允许把光束耦合进入一根小芯径的光纤里。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的在x-z平面里半导体激光器一维阵列光束匀称化和光纤耦合示意图；
[0021]图2是本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的在y-z平面里半导体激光器一维阵列光束匀称化和光纤耦合示意图；
[0022]图3是本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的棱镜堆的俯视图；
[0023]图4是本发明本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的棱镜堆的侧视图；
[0024]图5是本发明本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的基于反射棱镜的重新指向光学器件的俯视图；
[0025]图6是本发明本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的基于反射棱镜的重新指向光学器件的侧视图；
[0026]图7是本发明本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的基于反射镜的重新指向光学器件的俯视图；
[0027]图8是本发明本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统的基于反射镜的重新指向光学器件的侧视图。
【具体实施方式】
[0028]下面结合说明书附图对本发明做进一步的描述。
[0029]本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统，所述系统包括等间距平行排布为一维阵列的若干半导体激光器，以所述激光器的排布方向为X轴，垂直于所述激光器组排布方向为z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输；
[0030]所述系统还包括所述激光器器前端依次设置的快轴准直透镜、慢轴准直透镜、棱镜堆和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中
[0031]所述快轴准直透镜，用于将各个所述激光器输出的光束进行y轴方向上的准直并将所述光束平行输出；
[0032]所述慢轴准直透镜，用于将所述快准直透镜输出的所述光束进行X轴方向上的准直并将所述光束平行输出；
[0033]所述棱镜堆，用于对所述慢准直透镜输出的所述光束进行在y-z平面内进行偏移，并输出所述光束，其中平行排布的所述光束分为三部分，中间部分的光束在I轴方向不发生偏移输出，两侧部分的光束发生相反方向的偏移输出；
[0034]所述重新指向光学器件，用于对所述棱透镜输出的所述光束在X方向上进行相同角度的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在x-z和y-z平面里均平行；
[0035]所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
[0036]进一步地，所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
[0037]进一步地，所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的子柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
[0038]进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述光束一一对应，所述棱镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0039]进一步地，所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述光束一一对应，所述反射镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
[0040]进一步地，所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
[0041]如图1至8所示，本发明一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统，多个半导体激光器单元2，在这里为了说明方便只画了 6个半导体激光器单元以一定间距沿X方向在一平面内并行放置在热沉I上形成一维半导体激光器阵列。每个半导体激光器单兀输出光束3沿与X方向垂直的z方向传播。
[0042]每个半导体激光器前面放置一个高数值口径的快轴准直透镜4，对半导体激光器阵列输出光束3在y方向进行准直。在快轴准直透镜4后沿z方向放置一慢轴准直透镜5，慢轴准直透镜的每个子柱透镜与每个半导体激光器单元一一对应，压缩每个导体激光器单元输出光束3在x-z平面里的发散角。
[0043]在慢轴准直透镜后z方向上放置一与z轴垂直的棱镜堆6。该棱镜堆对半导体激光器单元输出光束3在y-z平面里进行偏移。
[0044]该棱镜堆6由多个棱镜片组成，棱镜片的数目可以和半导体激光器单元数目一致，也可以不同。如图3和4所示，本实施例的棱镜堆由三片棱镜片10、11和12组成，每个棱镜片分别对应两条相邻半导体激光器单兀输出光束3。该多个棱镜片在X方向非常紧密排列，每个棱镜片的宽度等于半导体激光器单元排列中间间距的两倍，确保相邻两棱镜片的界面位于两个半导体激光器单元中间。
[0045]棱镜片的内角度、长度和所采用光学材料的折射率决定在I方向上被偏移光束的高度。被偏移相邻两条光束在y方向上的高度差要稍大于半导体激光器单元光束通过快轴准直透镜后在y方向上的高度。由于半导体激光器单元光束通过快轴准直透镜后在y方向上的高度通常小于I毫米，被偏移相邻两条光束在y方向上的高度差可以为I毫米。
[0046]中间棱镜片11的内角度可以为90°，位于如图1和2中，一维半导体激光器阵列I的中间两条光束3通过中间棱镜片11后在I方向上不发生偏移。通过选取棱镜片10和12合适的内角度、长度和光学材料使一维半导体激光器阵列I两侧光束3在y方向偏移量为I毫米左右。棱镜片10和11的内角度、长度和光学材料可以完全相同，在y-z平面里以I轴为中心轴镜像放置，使相应光束3通过棱镜片10和12后在y方向上偏移方向相反。
[0047]在z方向上棱镜堆6后面放置一重新指向光学器件7，该重新指向光学器件7对经过棱镜堆6的所有偏移光束在x-z平面里进行偏转。该重新指向光学器件7可以由阶梯状的底座13和棱镜14组成。底座上相邻阶梯的高度差和通过棱镜堆6后阶梯光束条的相邻间隔一致。每个阶梯上放置一个棱镜14，棱镜14可以是直角棱镜或者其它形状的反射棱镜。每个反射棱镜14对应一条入射偏移光束,对入射偏移光束在X方向上进行相同角度的偏转，使所有偏移光束在离开重新指向光学器件7后在X方向上重合，在x-z和y-z平面里都平行。经过偏转后的光束集束与z方向成一定角度，这个角度可以是90°。
[0048]该重新指向光学器件7也可以由阶梯状的底座15和反射镜16组成。底座上相邻阶梯在y方向上的错开高度和通过棱镜堆6后两条相邻阶梯光束的间隔一致。每个阶梯上放置一反射镜16。
[0049]在重新指向光学器件7后面与光束传输方向垂直的方向上放置一聚焦透镜8。该聚焦透镜8可以是一非球面透镜，非球表面面向重新指向光学器件。该聚焦透镜把匀称化的光束聚焦成一焦点，焦点位于耦合光纤91的端面前面、端面表面或端面后面。
[0050]最后需要说明的是:以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非用于对本发明的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的技术人员应当理解:依然可以对本发明的【具体实施方式】进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围内。
【权利要求】
1.一种半导体激光器阵列输出光束匀称化和光纤耦合系统，其特征在于:所述系统包括等间距平行排布为一维阵列的若干半导体激光器，以所述激光器的排布方向为X轴，垂直于所述激光器组排布方向为z轴，所述的激光器输出的光束沿z轴方向传输； 所述系统还包括所述激光器器前端依次设置的快轴准直透镜、慢轴准直透镜、棱镜堆和重新指向光学器件以及对应所述重新指向光学器件的光束出口的聚焦透镜，所述聚焦透镜的光束出口设有光纤，其中 所述快轴准直透镜，用于将各个所述激光器输出的光束进行y轴方向上的准直并将所述光束平行输出； 所述慢轴准直透镜，用于将所述快轴准直透镜输出的所述光束进行X轴方向上的准直并将所述光束平行输出； 所述棱镜堆，用于对所述慢轴准直透镜输出的所述光束进行在y-ζ平面内进行偏移，并输出所述光束，其中平行排布的所述光束分为三部分，中间部分的光束在y轴方向不发生偏移输出，两侧部分的光束发生相反方向的偏移输出； 所述重新指向光学器件，用于对所述棱透镜输出的所述光束在X方向上进行相同角度的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在χ-ζ和y-z平面里均平行； 所述聚焦透镜，用于将所述重新指向光学器件输出的所述光束聚成一焦点，所述焦点输入所述光纤。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阵列输出光束勻称化和光纤稱合系统，其特征在于:所述快轴准直透镜包括成一维阵列排布的准直柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个准直柱透镜。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阵列输出光束勻称化和光纤稱合系统，其特征在于:所述慢轴准直透镜包括成一维阵列排布的子柱透镜，其中，所述主激光器和各个所述子激光器的前端分别各自放置有一个柱透镜。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阵列输出光束勻称化和光纤稱合系统，其特征在于:所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个棱镜，所述棱镜和所述光束 对应，所述棱镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在χ-ζ和y-z平面里均平行。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阵列输出光束勻称化和光纤稱合系统，其特征在于:所述重新指向光学器件包括呈阶梯状的底座，所述底座的每个阶梯上设置有一个反射镜，所述反射镜和所述光束一一对应，所述反射镜将所述光束进行在X轴方向上的偏转，输出在X轴方向上重合的光束，所述光束在X-Z和y-z平面里均平行。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器阵列输出光束勻称化和光纤稱合系统，其特征在于:所述光纤的端面为平面、半球面、圆锥面。
【文档编号】G02B6/43GK104049325SQ201410045318
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年2月8日 优先权日:2014年2月8日
【发明者】王嘉宇 申请人:武汉柏汉激光技术有限公司