專利名稱：一種半導體激光器光學整形的設計方法及其整形系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光器制造領域，具體涉及一種半導體激光器光學整形的設計方法及其整形系統。
背景技術：
半導體激光器又稱激光二極管(LD)。進入八十年代，人們吸收了半導體物理發(fā)展的最新成果，采用了量子阱(QW)和應變量子阱(SL-QW)等新穎性結構，引進了折射率調制 Bragg發(fā)射器以及增強調制Bragg發(fā)射器最新技術，同時還發(fā)展了 MBE、MOCVD及CBE等晶體生長技術新工藝，使得新的外延生長工藝能夠精確地控制晶體生長，達到原子層厚度的精度，生長出優(yōu)質量子阱以及應變量子阱材料。于是，制作出的LD，其閾值電流顯著下降，轉換效率大幅度提高，輸出功率成倍增長，使用壽命也明顯加長。半導體激光器及其光纖耦合系統在工業(yè)、醫(yī)療、軍事等領域得到越來越廣泛的應用。在眾多應用中，體積小，重量輕，成本低的半導體激光器的耦合模塊成為市場的關注重點和各國研究的焦點。由于半導體激光器的出射光束的發(fā)散角在快慢軸上各不相同并且相差很大，對于單管半導體激光器而言，兩者的BPP參數相差約20倍，這就造成了后續(xù)光學整形的難題，目前對半導體激光器進行光學整形，通常是在半導體激光器(LD)前端加相應的光束整形系統，如對光束進行切割，旋轉，重排等，將激光束壓縮至需要的光斑輸出(牛崗，樊仲維，王培峰等，“大功率半導體激光列陣單光纖耦合技術”，半導體學報，2007二8(10) 1607-1610)，這樣使得耦合模塊體積大，結構和工藝復雜，成本高。國內外相關產品很多，但多為兩種芯片基礎上開發(fā)出的產品，都存在一定的缺點(1)單管(Single Emitter)產品，該產品只有一個發(fā)光點，可以做到808nm， 50 μ m，5W的激光輸出，盡管光纖芯徑很小，但由于功率的限制，亮度并不是很高。(2)單Bar產品，該產品的發(fā)光點一般為19個或19個以上(如47個，62個)，針對這種Bar條，多使用切割、翻轉、重排、聚焦的光束整形方式來實現光纖耦合輸出，這類產品可以達到很高的功率，但由于采用了復雜的光學系統，成本很高，而且輸出光纖芯徑也不能做到很小，較難達到高亮度輸出的目的。(3)多Bar條產品，這類產品在功率方面具有絕對的優(yōu)勢，但很難使激光耦合進小芯徑的光纖內，這就決定了該類產品的亮度不高。綜上所述，傳統的半導體激光器光學整形方案中，激光芯片一般采用單管(Single Emitter)或者單Bar，而光學整形系統(主要是Bar條類)則往往需要進行復雜的光學切割、旋轉、重排。傳統技術具有以下缺點(1)基于Bar條的光纖耦合產品成本高，要求的驅動電流大。由于加入了復雜的光學系統，使得整個產品成本提高，降低了該類產品的市場競爭力，同時該類產品往往需要很高的驅動電流，這嚴重限制了產品的應用。(2)功率和亮度偏低。對于單管光纖耦合產品，由于其功率的限制，很難做出大功率、高亮度的激光器產品。而對于Bar條光纖耦合產品，由于很難將光束耦合進小芯徑的光纖中，所以亮度也不高。(3)工藝復雜。常見的Bar條光纖耦合產品通常采用復雜的光學系統，以達到小芯徑光纖耦合輸出的目的，這種光學系統包含了復雜的光束整形透鏡，在實際生產中，每增加一個透鏡，工藝難度大大增加，同時也帶來功率的損失。(4)結構復雜。傳統技術中，為了得到好的光束質量，無論是單管類還是Bar條類產品，均采用了復雜的光學整形系統，因此使得耦合模塊的結構復雜，體積龐大。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供一種半導體激光器光學整形的設計方法及其整形系統，以解決現有半導體激光器聚焦系統聚焦能量密度不高，無法將激光輸出耦合入更小芯徑的光纖內，從而導致輸出亮度有限的技術問題。本發(fā)明的原理是半導體激光器激光光源作為激光產生裝置，其出射光束的發(fā)散角在快慢軸上各不相同并且相差很大，本發(fā)明利用梯度聚焦對半導體激光器的出射光束進行光學整形其中，梯度聚焦的作用在于當激光光束通過它以后，激光光束進行梯度聚焦，輸出的光束耦合進50um的光纖之中。本發(fā)明的技術方案如下大功率半導體激光器光學整形的設計方法，包括以下步驟(1)對半導體激光光源進行快軸壓縮或者慢軸壓縮或者先后進行快軸、慢軸壓縮；(2)對壓縮后的激光光源進行梯度聚焦。上述步驟( 所述梯度聚焦是通過具有梯度聚焦性質的光學元件/組件實現，該光學元件/組件在徑向上按照由中間向兩端折射率依次減小的方式進行梯度聚焦。上述光學元件/組件為自聚焦透鏡。上述光學元件/組件是由多層折射率不同的透明材料在徑向上順序粘貼組成。上述多層折射率不同的透明材料可以由五層組成，排列方式為中間折射率大兩側折射率小，在光路徑向上依次為有機玻璃，K9玻璃，聚碳酸酯，K9玻璃，有機玻璃(相鄰層的折射率差值小于0. 1)。一種大功率半導體激光器光學整形系統，包括在光軸上沿光源輸出方向依次設置的壓縮準直元件/組件、具有梯度聚焦性質的光學元件/組件。上述光學元件/組件為自聚焦透鏡或者是由多層折射率不同的透明材料在徑向上順序粘貼組成。上述壓縮準直元件/組件為快軸準直鏡或者慢軸準直鏡；上述壓縮準直元件/組件也可以是由沿光源輸出方向依次設置的快軸準直鏡、慢軸準直鏡組成，快軸壓縮和慢軸壓縮也可以在同一光學器件實現。具體選擇何種壓縮方式，取決于整個耦合系統的設計，一般情況下，小功率的耦合模塊由于結構簡單，光路短，多采用只進行快軸壓縮；功率大一些的耦合模塊結構要復雜一些，光路長，多需要快慢軸都壓縮。本發(fā)明利用梯度聚焦的方式對半導體激光器出射光束進行光學整形，其具有制作工藝簡單、功率高、亮度高的優(yōu)點。應用本發(fā)明的方法，可以將輸出光束耦合進50um的光纖之中，功率密度可達IO5 的數量級。


圖1為本發(fā)明實施例一示意圖結構原理圖；圖2為本發(fā)明實施例二示意圖結構原理圖；圖3為本發(fā)明實施例三示意圖結構原理圖。附圖標號說明1-激光光源，2-快軸準直鏡，3-聚碳酸酯，4-K9玻璃，5_有機玻璃，6_慢軸準直鏡，7-具有梯度聚焦性質的光學元件/組件。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明作進一步的詳細描述實施例一如圖1，一種半導體激光器的光學整形設計方法，按照以下步驟進行(1)對激光光源進行快軸壓縮處理，具體是在激光光源1光出射端安裝快軸準直鏡2 (D型透鏡)對激光光源快軸進行壓縮 (準直)。(2)對壓縮后的激光光源進行梯度聚焦處理，具體是(2. 1)選用折射率不同的透明材料；3為聚碳酸酯，4為K9玻璃，5為有機玻璃；(2. 2)將材料按照中間折射率大兩側折射率依次減小的順序依次粘貼在一起；中間聚碳酸酯3兩側依次貼K9玻璃4、有機玻璃5 ；(2. 3)壓縮后的激光光源依次通過折射率逐漸減小的材料進行梯度聚焦；激光光源1經過快軸準直鏡2壓縮后，依次通過聚碳酸酯3、K9玻璃4、有機玻璃5后輸出。根據此方案選用的激光芯片為巴條芯片，測試得耦合效率在87 %以上，功率為 30ffo實施例二如圖2所示，一種半導體激光器的光學整形設計方法，按照以下步驟進行(1)對激光光源進行慢軸壓縮處理，具體是(1. 1)在激光光源光出射端安裝慢軸準直鏡(0型透鏡)對激光光源慢軸進行壓縮。慢軸準直鏡6置于激光光源1之后對激光光源進行慢軸壓縮。(2)對壓縮后的激光光源進行梯度聚焦處理，具體是(2. 1)選用透明梯度折射率材料，選用梯度折射率材料7 ；(2. 2)壓縮后的激光光源通過梯度折射率材料進行梯度聚焦。激光光源1經過慢軸準直鏡6壓縮后，通過徑向梯度折射率材料7進行梯度聚焦后輸出。根據此方案選用的激光芯片為微型巴條芯片，測試得耦合效率在85%以上，功率為 20W。實施例三
如圖3所示，一種半導體激光器的光學整形設計方法，按照以下步驟進行(1)對激光光源進行快軸和慢軸壓縮處理，具體是在激光光源光出射端安裝快軸準直鏡和慢軸準直鏡對激光光源快軸和慢軸進行壓縮，即快軸軸準直鏡2置于激光光源1之后對激光光源進行快軸軸壓縮，然后經過慢軸準直鏡6對激光光源進行慢軸壓縮。(2)對壓縮后的激光光源進行梯度聚焦處理，具體是(2. 1)選用折射率不同的透明材料；3為聚碳酸酯，4為K9玻璃，5為有機玻璃；(2. 2)將材料按照中間折射率大兩側折射率依次減小的順序依次粘貼在一起沖間聚碳酸酯3兩側依次貼K9玻璃4、有機玻璃5 ；(2. 3)壓縮后的激光光源依次通過折射率逐漸減小的材料進行梯度聚焦；激光光源1經過快軸準直鏡2壓縮后，依次通過聚碳酸酯3、K9玻璃4、有機玻璃5后輸出。上述折射率材料具體選擇聚碳酸酯(1. 586)、K9玻璃(1. 5168)、有機玻璃(1. 49)、 石英玻璃(1.45843)較佳。根據此方案選用的激光芯片為單管芯片，測試得耦合效率在89%以上，功率可達
到 IOffo
權利要求
1.高功率半導體激光器光學整形的設計方法，其特征在于半導體激光光源所發(fā)出的激光光束經過快軸壓縮或者快軸和慢軸壓縮后，對壓縮的的激光光源進行梯度聚焦。
2.根據權利要求1所述的光學整形的設計方法，其特征在于所述梯度聚焦是通過具有梯度聚焦性質的光學元件/組件實現，該光學元件/組件在徑向上按照由中間向兩端折射率依次減小的方式進行梯度聚焦。
3.根據權利要求2所述的光學整形的設計方法，其特征在于所述光學元件/組件為自聚焦透鏡。
4.根據權利要求2所述的光學整形的設計方法，其特征在于所述光學元件/組件是由多層折射率不同的透明材料在徑向上順序粘貼組成。
5.根據權利要求4所述的光學整形的設計方法，其特征在于所述多層折射率不同的透明材料共有五層，排列方式為中間折射率大兩側折射率小，在光路徑向上依次為有機玻璃，K9玻璃，聚碳酸酯，K9玻璃，有機玻璃。
6.大功率半導體激光器光學整形系統，其特征在于包括在光軸上沿光源輸出方向依次設置的壓縮準直元件/組件、具有梯度聚焦性質的光學元件/組件。
7.根據權利要求6所述的大功率半導體激光器光學整形系統，其特征在于所述光學元件/組件為自聚焦透鏡或者是由多層折射率不同的透明材料在徑向上順序粘貼組成。
8.根據權利要求7所述的大功率半導體激光器光學整形系統，其特征在于所述壓縮準直元件/組件為快軸準直鏡。
9.根據權利要求7所述的大功率半導體激光器光學整形系統，其特征在于所述壓縮準直元件/組件是由沿光源輸出方向依次設置的快軸準直鏡、慢軸準直鏡組成。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導體激光器光學整形的設計方法及其整形系統，以解決現有半導體激光器聚焦系統聚焦能量密度不高，無法將激光輸出耦合入更小芯徑的光纖內，從而導致輸出亮度有限的技術問題。本發(fā)明的半導體激光器激光光源作為激光產生裝置，其出射光束的發(fā)散角在快慢軸上各不相同并且相差很大，本發(fā)明利用梯度聚焦對半導體激光器的出射光束進行光學整形其中，梯度聚焦的作用在于當激光光束通過它以后，激光光束進行梯度聚焦，輸出的光束耦合進大于等于50μm的光纖之中。本發(fā)明的制作工藝簡單、功率高、亮度高。
文檔編號G02B27/30GK102354054SQ201110282580
公開日2012年2月15日 申請日期2011年9月22日 優(yōu)先權日2011年9月22日
發(fā)明者劉興勝, 周倩倩, 楊凱, 鄭艷芳, 高毅 申請人:西安炬光科技有限公司