[发明专利]半导体激光阵列快慢轴光束重排装置与制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体激光阵列快慢轴光束重排整形，介绍了一种将半导体激光阵列快慢轴光束重排的装置与制造方法，属于激光技术应用领域。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、重量轻等优点，使得它的应用变得越来越广泛。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，快慢轴的光束质量不均匀，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，在一定程度上限制了它的进一步发展。为满足应用上的需求，必须首先对半导体激光的光束进行重排整形处理。半导体激光器的研究朝着大功率高光束质量的方向发展，因此对于半导体激光二维阵列的整形，特别是快轴方向高填充因子的大功率半导体激光阵列的光束整形，意义重大。

半导体激光器的二维阵列也称为堆栈(stack)，是由半导体激光一维阵列----巴条(Bar)沿快轴方向排列组成。快轴方向是指垂直于发光PN节的方向，慢轴方向是指平行于发光PN节的方向。光束在快轴方向的发散角为50°～60°，慢轴方向发散角为5°～10°。评价激光光束质量优劣的光束参数乘积(BPP)定义为某个方向上的束腰半径(R)乘以远场发散角(半角θ)，单位是mm·mrad。对于半导体激光的巴条(Bar)，经过快慢轴微透镜准直之后，快轴的束腰直径在几百个微米，快轴的发散角为几个毫弧度，快轴的光束参数乘积BPP_f为1～2mm·mrad；慢轴方向光斑尺寸的典型值为10mm，慢轴的发散全角为0.2rad，慢轴的光束参数乘积BPP_s为500mm·mrad，快慢轴的光束参数乘积在整形前相差上百倍。光参数乘积是衡量激光光束质量的一个重要指标，它反映了激光的聚焦能力。快慢轴的光参数乘积相差越大，表示激光的聚焦能力就越差。光束 整形就是将快慢轴的光参数乘积均匀化，方法是对光束进行分割、旋转、重排，增加快轴的光参数乘积、降低慢轴的光参数乘积，从而达到快慢轴光参数乘积均匀化的目的。

通过调研发现，目前采用比较多的几何整形方法主要有反射式整形法、折射式整形法和折反射式整形法。

阶梯反射镜法是将经过微柱透镜准直后的光束，通过两组完全对称的阶梯型发射镜，每组都由N个高反射率表面组成，光束通过第一组阶梯反射镜后在慢轴方向被分割成N段，每个子光束经过第二组阶梯反射镜，再被反射到快轴方向上。原本是一条线状的光束就在同一高度上沿慢轴方向被重新排列为平行的N条子光束。整形结果光场分布为一正方形光斑，实现了快慢轴光参数乘积的均匀化。其缺点是阶梯镜镜面的加工难度大。

折反射整形法的整形思想是利用棱镜组的折反射，通过两组棱镜来分割和重排光束。两组棱镜中各片棱镜以斜边为基准，依次按一定距离错位放置。线光源出射光束从第一个棱镜组斜边入射，线光源与棱镜组的内表面成一定的角度，在各片棱镜中反射两次后从斜边出，沿着慢轴方向被分成n段，由于棱镜片错位，所以出射光束段也顺次产生错位。沿快轴方向成台阶形分布。然后出射光进入第2个棱镜组，按着相同的原理将光束在快轴方向进行重排。结果出射光经过棱镜组以后，光参数积在慢轴方向被减小1/n倍，而快方向上增加了n倍，从而达到光束整形的目的。这种方法的缺点是棱镜间的精确定位不好控制，装配困难。此方法是由Apllo instrument公司的Peter Y.Wang提出的。

折射式整形法是利用光学元件对光束的一次或多次折射实现光束均衡的方式。能实现折射式光束整形的光学元件很多，包括GRIN透镜阵列、微柱透镜阵列、棱镜组合、光学玻璃板片堆、分束堆置折射器等。它的基本原理是利用 整形模块将入射光束沿慢轴方向分割，并沿快轴方向错位排列，然后通过另一组整形模块进一步将偏折后的光束沿慢轴方向进行重排，从而使出射光变成具有一定形状的光束，实现光束整形的目的。这种方法的整形模块是由多个光学玻璃薄板片紧密排列而成，能够实现光束整形，且效率较高。但是这种方法有一定的局限，随着半导体激光阵列bar条数量的增多，需要用的到光学玻璃薄板片的数量随之成倍增加，光学玻璃薄板片的累积误差越来越大，超出了整形模块的承受范围，整形效果变差，存在装配困难、累积误差大、不好调节的问题。

随着中国国内光学加工工艺的提高，将不断有新的整形方案得以提出和实现。

发明内容

本发明将提供一种依靠超声加工工艺得以实现的半导体激光快慢轴光束重排装置。本发明的目的在于克服上述几种方案的技术缺点，提供了一种半导体激光阵列透射式重排装置。本装置能够实现半导体激光阵列重排的目的，大大减小了加工装配时的累积误差，降低了光功率的损耗，而且更易于装配和调节。