[发明专利]利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，是一种用于大功率半导体激光堆栈的光束聚焦的设计方法。

背景技术

大功率半导体激光由堆栈形式集聚能量，通过微透镜进行准直。然而，准直后的快慢轴出射的激光仍然存在着不同大小的发散角，直接半导体激光器的快轴光束质量优于慢轴光束质量。由半导体激光的形成方式和光束特征，决定了其具有较大光斑，并且在任一光轴垂直的平面上都存在XY两方向上的发散角差别较大，限制了大功率半导体激光器在加工方面的应用。因此，大功率半导体激光器的光束整形、聚焦显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是针对大功率半导体激光堆栈1出射的矩形光斑，设计一种椭球面的反射聚焦方法，利用单一椭球反射镜2，使快、慢轴处理合而为一，重组能流分布，消除快、慢轴差异，实现圆光斑汇聚。

本发明采用如下技术方案：

利用非球面反射镜聚焦大功率直接半导体激光的方法，根据大功率半导体激光堆栈1的发光特性，也就是光斑尺寸和快慢轴方向发散角大小来设计一个相应尺寸的椭球面反射镜2来反射聚焦光束；具体方法如下：

选取一个大功率半导体激光堆栈1，设其光斑尺寸为L₁×L₂，L₁为快轴方向尺寸，L₂为慢轴方向尺寸，光斑形状为矩形光斑，快轴方向发散角为α，慢轴方向发散角为β。为了实现物距为u，焦距为f，并且入射光和出射光成90°夹角的聚焦效果，采用椭球面反射镜2对其进行聚焦，并计算出相应的椭球镜尺寸。

所述椭球面反射镜2的反射面是一个大椭球体表面的面形的一小部分。将大功率激光堆栈1的快轴方向光束对应所述椭球面反射镜2面形的椭圆4面方向放置，慢轴方向光束对应所述椭球面反射镜2面形的圆5面方向放置，椭球反射镜分别利用椭圆4和圆5的性质对快慢轴不同发散角的光束同时进行了聚焦，最终光束被聚焦到了焦点3上。

接下来，确定椭球镜的具体尺寸。

选取大功率半导体激光堆栈1正中间的一列发光单元，即快轴的方向发光单元，发出发散角为α的快轴方向光，快轴方向光平面与椭球面反射镜2相交轨迹为一个椭圆4里的一部分，将所述椭圆4面补充完整，并且建立直角坐标系。

以椭圆4中心为原点O，椭圆4长轴方向为X轴方向，短轴方向为Y轴方向。椭球面反射镜2镜子中心点在椭圆4上的A（x₀,y₀）点上，位于坐标系第二象限，椭圆4长轴为a，短轴为b，两焦点分别为右焦点S₁，左焦点S₂。连接线段AS₁，AS₂，其中AS₂为焦距f，即AS₂=f。以线段AS₁中一点B为大功率半导体激光堆栈1中心点，线段AB为物距u，即AB=u，以B点为中心点做出线段CD并使之垂直于AS₁，线段CD代表大功率半导体激光堆栈1正中间一列发光单元，点C和点D表示大功率半导体激光堆栈1边界点，CD长度为大功率半导体激光堆栈1快轴方向光斑尺寸L₁，即CD=L₁。连接线段CS₁，DS₁，形成夹角∠DS₁C，∠DS₁C代表快轴方向发散角为α，即∠DS₁C=α。