[发明专利]一种对面阵半导体激光光束进行匀化处理的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别是涉及一种利用多个柱型菲涅耳微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学系统。

背景技术

半导体激光器广泛地应用于焊接、退火、切割、打孔、微细加工以及军事、医疗等各个领域，对激光光束的外形、功率密度、能量分布的均一性以及稳定性有着很高的要求。因此，对半导体激光光束进行匀化处理已成为了一种必要的技术手段。

目前，半导体激光光束匀化的方法主要有两种：一种是波导方法，另一种是微透镜阵列法。前者不受入射光束的能量分布及随时波动的影响，但匀化后光束的光亮度低，且系统部件多，体积大，不容易集成组装。后者主要由准直透镜，非球面微透镜阵列，傅里叶透镜组成，系统部件少，体积小，容易集成，光斑能量密度高，但制造折射型非球面微透镜阵列非常困难，且生产成本很高。此外普通的折射型非球面微透镜由于工艺限制，其口径单元很难实现微型化且存在过渡区域，因而导致能量利用率较低，均匀性较差。在保证光束均匀性的前提下，若能降低制造微透镜阵列的工艺难度及生产成本，则微透镜阵列激光光束匀化系统更加具有实用性。

发明内容

本发明的目的是为了提高面阵半导体激光光束的均匀性、能量利用率及控制光斑的外形尺寸，降低工艺难度及生产成本，提高微透镜阵列激光匀化系统的实用性。为了解决上述问题，提出了一种利用柱型菲涅耳衍射微透镜阵列对面阵半导体激光光束进行匀化的光学系统。

所述光学系统主要构成有：面阵半导体激光器、准直透镜阵列、第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜、快轴场镜；面阵半导体激光器位于微准直透镜阵列的前焦面上，并以面阵半导体激光器输出激光束为系统光轴；第一微透镜阵列、第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜依序位于光轴上并垂直于光轴；半导体激光器发出的多模激光光束经准直透镜阵列准直后平行入射，再经第一微透镜阵列将激光光束均匀地分割成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列、慢轴场镜和快轴场镜将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。

本发明的有益效果：本发明采用柱型菲涅耳衍射微透镜组成的阵列对面阵半导体激光光束进行匀化，使焦平面上的光斑均匀性达到了8.3％，衍射效率达到了94.4％，有效地实现了对激光光束的匀化，相对波导匀化系统和非球面微透镜阵列匀化系统，缩小了分割微透镜的口径，对入射激光光束的分割次数增多，每次分割的面积减小，从而提高了匀化光束的均匀性；柱型菲涅耳微透镜阵列没有过渡区，提高了光斑的能量利用率；柱型菲涅耳微透镜阵列制作简单精确，降低了制作微透镜阵列的工艺难度及生产成本，很大程度上提高了微透镜阵列匀化系统的实用性。

附图说明

图1a和图1b是含有第一微透镜阵列和第二微透镜阵列的面阵半导体激光光束匀化系统原理图；

图2是一个柱型菲涅耳衍射微透镜y-z面视图；

图3是柱型菲涅耳衍射微透镜结构参数示意图；

图4a-图4c是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统ZEMAX模拟结果；

图5是第一微透镜阵列和第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统MATLAB数值模拟结果；

图6a和图6b是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化系统原理图；

图7a-图7c是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列构成的面阵半导体激光光束匀化系统ZEMAX模拟结果；

图8是第一微透镜阵列或第二微透镜阵列组成的面阵半导体激光光束匀化系统MATLAB数值模拟结果。

具体实施方式

下面将结合本发明实例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1a、图1b所示柱型菲涅耳衍射微透镜阵列激光光束匀化系统设计。系统含有：面阵半导体激光器1、准直镜阵列2、第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6。面阵半导体激光器1位于微准直镜阵列2的前焦面上，并以面阵半导体激光器1输出激光束为系统光轴。第一微透镜阵列3、第二微透镜阵列4、慢轴场镜5和快轴场镜6依序位于光轴上并垂直于光轴；面阵半导体激光器1发出的多模激光光束经准直透镜阵列2准直后平行入射，再经第一微透镜阵列3将激光光束均匀地分成多个子光束并聚焦于后焦面上，再经第二微透镜阵列4和慢轴场镜5和快轴场镜6将每一子光束叠加于场镜的后焦面，即照明面上。