專利名稱：半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器陣的輸出光整形合并，屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在激光加工、激光顯示、激光醫(yī)療等激光應(yīng)用領(lǐng)域，人們?yōu)榱双@得更高亮度、更高功率的激光輸出付出了巨大和持之以恒的努力。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的成熟和進(jìn)步，高亮度、高功率半導(dǎo)體激光器得到了長(zhǎng)足發(fā)展。但是，半導(dǎo)體激光器的功率以及功率密度的提高受到材料和結(jié)構(gòu)的限制。傳統(tǒng)上采用半導(dǎo)體激光器列陣芯片的方式來(lái)提高輸出功率。但是列陣芯片的方式只能提升輸出功率而并不能提高輸出亮度。直接輸出的列陣芯片的光束，由于發(fā)光單元之間有間隙，其光束質(zhì)量比單個(gè)發(fā)光單元還要低。有不少技術(shù)方案采用各種手段對(duì)列陣輸出的光束的各個(gè)單元的子光束進(jìn)行整形、重排，將它們緊密地排列在一起，以提高總體亮度。這些方案都無(wú)一例外地用到了復(fù)雜的透鏡、棱鏡系統(tǒng)，安裝、調(diào)試都比較困難。與列陣芯片相比，單發(fā)光區(qū)的單管芯半導(dǎo)體激光器有不少優(yōu)點(diǎn)。它的封裝散熱更好，因此壽命和可靠性更好；它可以在使用前通過(guò)嚴(yán)格的程序進(jìn)行篩選，提高了可靠性。但是單管功率有限，為了獲得更高的功率，可以采用多只單管芯串聯(lián)，通過(guò)一定光學(xué)手段將它們發(fā)出的光合并密排，這已經(jīng)成為一種主流的獲取高功率、高功率密度激光輸出的方法，尤其應(yīng)用于光纖耦合輸出的激光模塊中。這種多管芯方案使用便宜的分立透鏡，在成本和制造難度上均優(yōu)于列陣方式。目前，采用多管芯整形的方案，大多是對(duì)排列成一維，或變形一維的單管陣列進(jìn)行整形，壓縮間距形成密排光束，如7733932號(hào)美國(guó)專利，201010174581.2,200820180693.7、200720195326.X等專利。如果進(jìn)一步加大輸出功率，可以將一維單管陣列擴(kuò)展為二維。有一些專利方案中描述了二維陣列的方式，如200610149340.6號(hào)專利中的方案，但它做不到將光束在二維方向都?jí)嚎s密排，并且制作和工藝都比較麻煩。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種二維半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，由多行半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的陣列、準(zhǔn)直透鏡、反射鏡構(gòu)成，對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列的光束進(jìn)行整形，通過(guò)兩次反射進(jìn)行排列，獲得二維密排準(zhǔn)直光束輸出。多只半導(dǎo)體激光器以行為單位排列成多行陣列形式，見(jiàn)圖1和圖2，每一個(gè)激光器I的光束先通過(guò)各自的準(zhǔn)直透鏡2準(zhǔn)直。以每一行為一個(gè)組，如圖1所示。每個(gè)組內(nèi)的激光器經(jīng)準(zhǔn)直的光束3都在XY平面內(nèi)共面，沿Y方向射出并分別被一個(gè)對(duì)應(yīng)的反射鏡4.1反射，反射后的光束在Y方向相互平行，相鄰的反射鏡在光傳輸方向Y方向上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)距離，使每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，且該距離使相鄰光束的間距被壓縮為最小，在光束出口 A處，形成一個(gè)一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束5.1,其光束橫截面的排列如6.1所不。[0009]第二次反射整形如圖2所示。類似于前一個(gè)步驟，再將多個(gè)組的一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束5.1各自再通過(guò)一個(gè)第二反射鏡4.2反射，使各組一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束之間互相平行并沿Z方向出射，相鄰的反射鏡在光傳輸方向上沿X方向錯(cuò)開(kāi)一個(gè)距離，每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，且該距離使相鄰組的一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束之間的間距被壓縮為最小，在光束出口 B處，疊合形成二維緊密排列的準(zhǔn)直光束5.2輸出，其光束橫截面排列方式如6.2所示，為二維緊密排列，達(dá)到最高亮度的合束效果。準(zhǔn)直透鏡2可以是一個(gè)對(duì)快、慢軸方向同時(shí)準(zhǔn)直的單透鏡。不過(guò)通常由于半導(dǎo)體激光器的快、慢軸方向上發(fā)散角相差比較大，也可以采用用柱面透鏡組，在一定焦距上分別將光束在快、慢軸兩個(gè)方向進(jìn)行準(zhǔn)直。所用透鏡可以是自聚焦透鏡、球面透鏡、非球面透鏡，柱面鏡可以是圓柱面或非圓柱面。本發(fā)明所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)非常靈活的結(jié)構(gòu):二維半導(dǎo)體激光器陣列中每一行的激光器的數(shù)量可以相同，也可以不同；每個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出功率、波長(zhǎng)、封裝形式可以相同，也可以各不相同。當(dāng)需要將不同波長(zhǎng)的光進(jìn)行合束的時(shí)候，可以采用波長(zhǎng)復(fù)用合束的方式，見(jiàn)圖3的第一次反射不意圖。相鄰的兩個(gè)激光器1.a和1.b分別發(fā)射波長(zhǎng)為λ I和λ 2的光束,分別經(jīng)各自的準(zhǔn)直透鏡2.a和2.b整成為3.a和3.b兩束不同波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光。按照前面所述方案，這兩束光應(yīng)當(dāng)分別被在Y方向上錯(cuò)開(kāi)一定距離的兩個(gè)反射鏡所反射，但是也可以采用另外一種方案，在光束傳輸方向上靠前的反射鏡4.1可以換成一個(gè)雙色鏡7.11,且雙色鏡和靠后的反射鏡4.1a之間在光傳輸方向Y方向上不用錯(cuò)開(kāi)。雙色鏡7.11對(duì)波長(zhǎng)為λ I的光透射，對(duì)波長(zhǎng)為λ 2的光反射,于是靠后反射鏡4.1a反射的波長(zhǎng)為λ I的光束3.1透過(guò)雙色鏡7.11與經(jīng)它反射的波長(zhǎng)為λ 2的光束3.b共軸合束為光束5.11。進(jìn)一步，雙色鏡反射的光和透過(guò)雙色鏡的光分別可以只包含一個(gè)波長(zhǎng)，也可以包含多個(gè)波長(zhǎng)。例如，上述圖3所不的包含兩個(gè)波長(zhǎng)λ I和λ 2的合束光束5.11,和發(fā)光波長(zhǎng)為λ 3的激光器1.c經(jīng)準(zhǔn)直鏡2.c準(zhǔn)直后的光束3.C，通過(guò)一個(gè)雙色鏡7.12共軸合束為包含有λ 1、λ 2和λ 3三個(gè)波長(zhǎng)的準(zhǔn)直光束5.12，雙色鏡7.12可以反射波長(zhǎng)為λ 3的光，同時(shí)可以透射波長(zhǎng)為λ I和λ 2的光。對(duì)第二次反射，若不同組激光器的波長(zhǎng)不同，也可以對(duì)經(jīng)第一次反射整形的線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束做類似的共軸合束，見(jiàn)圖4。三個(gè)不同波長(zhǎng)的線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束分別為5.lb,5.1g和5.1r。光束5.1r經(jīng)過(guò)反射鏡4.2反射后透射過(guò)雙色片9.a,與經(jīng)9.a反射的光束5.1g合束成為5.2rg ;該包含雙波長(zhǎng)的合束光5.2rg再透過(guò)另外一個(gè)雙色片9.b，與經(jīng)9.b反射的光束5.1b合束，成為共軸合并了三個(gè)不同波長(zhǎng)光束的準(zhǔn)直光束
5.2rgb。每個(gè)激光器之間的電源驅(qū)動(dòng)的連接方式可以是多種多樣的，非常靈活，激光器之間可以按組別或不按組別串聯(lián)、并聯(lián)，或串并混合聯(lián)接，也可以是其中一個(gè)或幾個(gè)激光器由各自電源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)輸出光束的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、顏色等的變化。經(jīng)過(guò)以上步驟整形獲得的二維緊密排列的準(zhǔn)直光束，可以進(jìn)一步通過(guò)聚焦鏡耦合到光纖中，實(shí)現(xiàn)光纖輸出。如圖5顯不,聚焦鏡12和二維密排光束5.2共軸,光纖13安放在聚焦鏡12的焦面上，聚焦鏡的數(shù)值孔徑與光纖的數(shù)值孔徑相匹配，焦點(diǎn)光斑小于光纖芯，即可獲得高質(zhì)量的光纖耦合。[0017]此種半導(dǎo)體激光器陣列的整形方案，整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單明了，制作步驟清晰，不同激光器可以方便靈活地組合到一起。尤其適用于激光顯示、照明等自由空間輸出的激光應(yīng)用領(lǐng)域。

圖1、多只半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的一組，激光器排列成一行，光束經(jīng)準(zhǔn)直鏡、第一次反射鏡整形。圖2、多組激光器組合起來(lái)經(jīng)第二次反射鏡整形。圖3、同組內(nèi)不同波長(zhǎng)的激光器第一次反射整形，通過(guò)雙色片實(shí)現(xiàn)共軸合束。圖4、不同組激光器的波長(zhǎng)不同，第二次反射整形，通過(guò)雙色片實(shí)現(xiàn)共軸合束。圖5、經(jīng)過(guò)兩次反射整形的二維密排光束通過(guò)透鏡耦合到光纖中。圖6、實(shí)施例，一組激光器的光束經(jīng)過(guò)第一次反射和第二次反射。圖7、實(shí)施例，兩組激光器組裝在一起，兩組光束并列輸出。圖8、實(shí)施例，兩組激光器波長(zhǎng)不同，通過(guò)上方組的雙色片實(shí)現(xiàn)兩組光束共軸合束。
具體實(shí)施方式
如圖6所示，一組六只TO封裝的激光器1.1等間距安裝在底板8的側(cè)壁上，保證TO管的外殼與底板有良好的熱接觸，底板8由銅、鋁等高導(dǎo)熱率金屬制成，上開(kāi)一矩形孔11，光束可以在垂直底板方向通過(guò)11。在對(duì)角線方向上有兩個(gè)通孔10，用來(lái)安裝固定。激光器采用串聯(lián)連接。在激光器1.1前方放置準(zhǔn)直透鏡2，使用五維調(diào)整裝置調(diào)整準(zhǔn)直透鏡2使從6只激光器發(fā)出的光束分別準(zhǔn)直、相互平行而且等間距，形成準(zhǔn)直光束3。調(diào)整過(guò)程中使用遠(yuǎn)場(chǎng)光斑校準(zhǔn)準(zhǔn)直度和方向。調(diào)整好的準(zhǔn)直透鏡2用膠粘接在底板8上。在準(zhǔn)直光束3的前方放置各自對(duì)應(yīng)的反射鏡4.1，使用四維調(diào)整裝置調(diào)整反射鏡
4.1，將光束傳播方向折轉(zhuǎn)90°，并且保證六個(gè)光束互相平行且在同一平面上，同時(shí)盡可能壓縮光束相互之間的距離，形成平行準(zhǔn)直光束的密排線陣列準(zhǔn)直光束。調(diào)整過(guò)程中通過(guò)觀察遠(yuǎn)場(chǎng)光斑校準(zhǔn)光束的排列和方向。調(diào)整好的反射鏡4.1用膠粘接在底板8上。將第二反射鏡4.2貼在一個(gè)斜角為45°的三角形反射鏡座7上，反射鏡座7的長(zhǎng)度大于開(kāi)孔11的寬度，放置在底板8上，調(diào)整反射鏡座7的位置，使線性密排準(zhǔn)直光束向上反射90°。按上述步驟，可以制作出多組激光器，只不過(guò)反射鏡座安裝在通孔11上的位置沿光束傳播方向依次后退一個(gè)長(zhǎng)度。將兩個(gè)如圖6所不安裝好的兩組激光器的底板8重疊安裝在一起，通過(guò)通孔10固定，即可形成一個(gè)2X6個(gè)激光器的陣列。由于上、下兩個(gè)反射鏡座7在光束傳輸方向上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)距離，下方的光束通過(guò)上方底座的通孔11垂直向上照射，和上方一組的二次反射光緊密排列，合束成為5.2，見(jiàn)圖7所示。按照這樣的方法，可以繼續(xù)向上重疊安放多組激光器，形成一個(gè)更大的二維陣列，獲得更大的功率，多組激光器通過(guò)安裝孔10組裝在一起。如果下面一組的激光器1.1r和上面一組的激光器1.1g所發(fā)出的光波長(zhǎng)不同，則可以按照前面所述的方法，如圖8所示，將上面一組的反射鏡4.2更換為一個(gè)雙色鏡9.a，反射鏡座7更換為兩個(gè)短鏡座7.1，分別粘在雙色鏡9.a的兩側(cè)，以讓出雙色鏡中間部分。鏡座7.1固定在底板。下層的光通過(guò)上層底板的通孔11垂直向上射出，通過(guò)雙色鏡9.a,與鏡雙色鏡反射的上面一組激光器的光束共軸合束成為5.2rg。如果有更多組不同波長(zhǎng)的激光器，可以按照此種方法組合出更大的陣列。這種組合方式，可以對(duì)上、下兩組激光器分別連接電源控制，使合束的光兩種波長(zhǎng)光的功率大小、比例隨意變化，如果是兩種不同波長(zhǎng)的可見(jiàn)光，就可以實(shí)現(xiàn)顏色的連續(xù)變化。如果在合束光的傳播方向上再安裝一個(gè)聚焦透鏡和光纖，可以進(jìn)一步獲得通過(guò)光纖輸出的組合光束。使用光纖輸出的最大好處就是它的超強(qiáng)的使用靈活性。
權(quán)利要求1.半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，由多只半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直透鏡和反射鏡構(gòu)成，其特征為: 多只半導(dǎo)體激光器以行為單位排列成多行陣列形式，每一個(gè)激光器的光束通過(guò)各自的準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直； 以每一行為一個(gè)組，每個(gè)組內(nèi)的激光器經(jīng)準(zhǔn)直的光束都共面，并分別被一個(gè)對(duì)應(yīng)的反射鏡反射，反射后的光束相互平行，相鄰的反射鏡在光傳輸方向上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)距離，每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，且該距離使相鄰光束的間距被壓縮為最小，形成一個(gè)一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束； 每一組一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束各自通過(guò)一個(gè)反射鏡第二次反射，使各組一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束之間互相平行，相鄰的反射鏡在光傳輸方向上錯(cuò)開(kāi)一個(gè)距離，每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，且該距離使相鄰組的一維線性緊密排列的組合準(zhǔn)直光束之間的間距被壓縮為最小，疊合形成二維緊密排列的準(zhǔn)直光束輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:準(zhǔn)直透鏡可以是一個(gè)對(duì)快、慢軸方向同時(shí)準(zhǔn)直的單透鏡，也可以是對(duì)快、慢軸方向分別準(zhǔn)直的透鏡組；透鏡可以是自聚焦透鏡、球面透鏡、非球面透鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:陣列中每一行的激光器數(shù)量可以相同，也可以不同。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:每個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出功率、波長(zhǎng)、封裝形式可以相同，也可以各不相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:如果相鄰的兩個(gè)反射鏡所對(duì)應(yīng)的光束波長(zhǎng)不同，則在光束傳輸方向上靠前的反射鏡可以換成一個(gè)雙色鏡，且雙色鏡和靠后的反射鏡之間在光傳輸方向上不用錯(cuò)開(kāi)，靠后反射鏡反射的光透過(guò)雙色鏡，與雙色鏡反射的光共軸合束；雙色鏡反射的光和靠后反射鏡反射的光分別可以只包含一個(gè)波長(zhǎng)，也可以包含多個(gè)波長(zhǎng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:每個(gè)激光器之間的電源驅(qū)動(dòng)的連接方式可以是串聯(lián)、并聯(lián)、或串并混合聯(lián)接，也可以是其中一個(gè)或幾個(gè)激光器由各自電源單獨(dú)驅(qū)動(dòng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，其特征為:通過(guò)整形獲得的二維緊密排列的準(zhǔn)直光束，可以進(jìn)一步通過(guò)聚焦鏡耦合到光纖中。
專利摘要半導(dǎo)體激光器陣列光束整形結(jié)構(gòu)，由多行半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的陣列、準(zhǔn)直透鏡、反射鏡構(gòu)成，先后對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列的光束進(jìn)行整形和兩次反射，獲得二維密排準(zhǔn)直光束。每一個(gè)激光器的光束通過(guò)一個(gè)準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直。以每一行為一個(gè)組，每個(gè)組的多只激光器經(jīng)準(zhǔn)直的光束，被各自的反射鏡反射，整形為相互平行且壓縮了為密排的一維線性排列準(zhǔn)直光束。每一組線性排列的準(zhǔn)直光束再各自通過(guò)第二個(gè)反射鏡反射，形成互相平行的疊合成二維緊密排列的準(zhǔn)直光束輸出。列陣中的激光器波長(zhǎng)可以相同，也可以不同。通過(guò)二維整形獲得的密排光束，通過(guò)聚焦鏡還可以高效耦合到光纖中。
文檔編號(hào)G02B27/09GK202995141SQ201220685959
公開(kāi)日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2012年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月13日
發(fā)明者王宇 申請(qǐng)人:王宇