專利名稱：一種半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，尤其是涉及半導(dǎo)體陣列激光器的光束整形結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景半導(dǎo)體激光器由于其具有光轉(zhuǎn)換效率高、線寬窄、性能穩(wěn)定可靠、體積小、 質(zhì)量輕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體激光器抽運(yùn)的固體激光器、光纖激光器、材 料處理等多個(gè)領(lǐng)域。然而半導(dǎo)體激光器由于其特殊的工作原理，其光束質(zhì)量在垂直與平行于P-N結(jié)的兩個(gè)方向上相差4艮大，在實(shí)際應(yīng)用(如光纖耦合)時(shí)需 要對(duì)其光束進(jìn)行整形，形成小芯徑、小數(shù)值孔徑的高亮度的光纖耦合半導(dǎo)體激 光輸出。通常使用的光束整形方法有多光纖單個(gè)耦合成光纖束，或與光纖耦合到 單個(gè)多模光纖，或單獨(dú)準(zhǔn)直再用大透鏡匯聚。半導(dǎo)體激光器芯片的特點(diǎn)是在垂直與平行于P-N結(jié)的兩個(gè)方向上光束發(fā)散 角相差很大，平行于P-N結(jié)方向發(fā)散角約為10° 、垂直于P-N結(jié)方向則大約為 30° 。半導(dǎo)體激光器陣列， 一般lcm有20至60個(gè)芯片，采用普通的微透鏡陣 列的準(zhǔn)直系統(tǒng)將導(dǎo)致準(zhǔn)直光斑直徑較小、發(fā)散角較大、工作距離較短，光束得 不到充分利用。如f-l隱的微透鏡，在10°方向，可將光束準(zhǔn)直至0. 2咖；f=l. 5mm 的微透鏡，則將光束準(zhǔn)直至0. 3mm。 發(fā)明內(nèi)容為克服上述問(wèn)題，本發(fā)明提出一種新的半導(dǎo)體激光器光束整形結(jié)構(gòu)在半 導(dǎo)體芯片之間距離較大時(shí)，可采用單個(gè)普通較大焦距準(zhǔn)直透鏡對(duì)單個(gè)芯片發(fā)光 準(zhǔn)直；在半導(dǎo)體芯片距離較小時(shí)，可由較大焦距(直徑大于或與半導(dǎo)體激光器芯片之間的距離相近)的玻璃或塑料制作的常規(guī)自聚焦透鏡、非球面透鏡、球 面透鏡、柱透鏡制成。采用大焦距的準(zhǔn)直透鏡，使光斑尺寸最大化以保證最小 發(fā)散角，從而可獲得長(zhǎng)距離平行光。較小發(fā)散角為棱鏡或光柵高倍率壓縮提供 了可能性。通過(guò)單棱鏡或棱鏡組合、或者光柵壓縮后，所得光束可直接或再經(jīng) 過(guò)匯聚透鏡高效率耦合到多模光纖、高效率雙包層光纖，或用于端面泵浦激光 器中。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案本發(fā)明的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體激光器陣列、準(zhǔn)直 元件和變束元件。所述的準(zhǔn)直元件由與半導(dǎo)體激光器陣列中單元半導(dǎo)體激光器 數(shù)量一致的準(zhǔn)直單元排列構(gòu)成，所述的準(zhǔn)直單元為長(zhǎng)焦距的透鏡單元，所述的 準(zhǔn)直單元的排列間距與所述的單元半導(dǎo)體激光器的排列間距相等。'進(jìn)一步的，所述的透鏡單元可以是自聚焦透鏡、非球面透鏡、球面透鏡、 柱透鏡。進(jìn)一步的，所述的透鏡單元的焦距大于所述的單元半導(dǎo)體激光器的排列間距。激光器陣列，也可以是多個(gè)單獨(dú)的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器陣列，也 可以是LED和LED陣列。'進(jìn)一步的，所述的變束元件可以是單個(gè)的兩通光方向可鍍?cè)鐾改さ睦忡R、 兩通光方向可鍍?cè)鐾改さ睦忡R對(duì)、變束光柵。進(jìn)一步的，所述的準(zhǔn)直單元通過(guò)兩側(cè)拋光，膠合、光膠或深化光膠為一體 的準(zhǔn)直元件?；蛘咚龅臏?zhǔn)直元件是一體開(kāi)模壓制的排列有多個(gè)準(zhǔn)直單元的整 體構(gòu)件。進(jìn)一步的，光束經(jīng)過(guò)所述的變束元件后耦合入多模光纖，或高功率雙包層 光纖，或用于端面泵浦固體激光器中。更進(jìn)一步的，所述的變束元件后還^:置有匯聚透4竟。本發(fā)明采用如上技術(shù)方案，是一種新型的半導(dǎo)體激光器光束整形結(jié)構(gòu)，具 有輸出光束光斑直徑較大、發(fā)散角較小、工作距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。


圖l是本發(fā)明的準(zhǔn)直元件的第一種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是本發(fā)明的準(zhǔn)直元件的第二種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是本發(fā)明的準(zhǔn)直元件的第三種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖4是本發(fā)明的準(zhǔn)直元件的第四種結(jié)構(gòu)示意圖； 圖5是本發(fā)明的第一實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖； 圖6是本發(fā)明的第二實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖； 圖7是本發(fā)明的第三實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖； 圖8是本發(fā)明的第四實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖； 圖9是本發(fā)明的第五實(shí)施例結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)結(jié)合

和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。半導(dǎo)體激光器芯片的特點(diǎn)是在垂直與平行于P-N結(jié)的兩個(gè)方向上光束發(fā)散 角相差很大，平行于P-N結(jié)方向發(fā)散角約為10° 、垂直于P-N結(jié)方向則大約為 30° 。半導(dǎo)體激光器陣列， 一般lcm有20至60個(gè)芯片，采用普通的微透鏡陣 列的準(zhǔn)直系統(tǒng)將導(dǎo)致準(zhǔn)直光斑直徑較小、發(fā)散角較大、工作距離較短，光束得 不到充分利用。如f=lmm的微透鏡，在10°方向，可將光束準(zhǔn)直至0. 2mm; f=l. 5mm 的微透鏡，則將光束準(zhǔn)直至0. 3mm。因此本發(fā)明采用長(zhǎng)焦距的透鏡，對(duì)光束準(zhǔn)直，結(jié)構(gòu)如圖1、圖2、圖3、圖4所示。將直徑大于半導(dǎo)體芯片最小距離的自聚焦 透鏡、非球面透鏡、球面透鏡兩側(cè)磨去，使透鏡間中心距等于或小于相鄰半導(dǎo) 體激光器芯片的間距，并通過(guò)膠合、光膠或深化光膠或直接粘結(jié)成一體，或通 過(guò)開(kāi)模直接壓制通光面上長(zhǎng)軸與短軸不一樣的準(zhǔn)直透鏡單個(gè)元件再通過(guò)膠合、 光膠或深化光膠為一體，亦可以通過(guò)整體開(kāi)模制作整塊透鏡陣列，其中每個(gè)透 鏡長(zhǎng)軸與短軸不一樣，其短軸方向透鏡中心線之間距離與半導(dǎo)體芯片之間間隔 相等；另一方向(球面長(zhǎng)軸方向)的尺寸大于芯片間隔。可以采用如圖l所示 的結(jié)構(gòu)，透鏡焦距盡可能大，接近10°角可允許準(zhǔn)直光束尺寸的極限，即小于 和接近兩個(gè)芯片之間中心距離，使光斑尺寸最大化；也可以采用如圖2所示的 非球面透鏡陣列與柱面鏡的組合；也可以釆用圖3所示的柱面鏡與微柱面鏡陣 列的組合，這種結(jié)構(gòu)中要求柱面陣列R很小，否則會(huì)因光束發(fā)散角大而光束會(huì) 相互重疊；還可以采用圖4所示的微透鏡陣列立體結(jié)構(gòu)。.本發(fā)明的光束壓縮結(jié)構(gòu)可采用如圖5、圖6、圖7、圖8、圖9所示的結(jié)構(gòu), 可以采用單個(gè)棱鏡壓縮，亦可以采用棱鏡對(duì)進(jìn)行光束壓縮，還可以用變束光柵 壓縮。棱4fc或光柵的光束束寬變束率為M—餘出光束的束寬/輸入光束的束寬， 如圖1所示，M=d/D，這里d〈D，因此稱作光束束寬的壓縮率。棱鏡的光束束寬 壓縮率跟掠入射的角度有關(guān)，而且壓縮倍率不同，棱鏡的頂角也不同。如下表 所示入射角87. 87°87. 15°85. 7。81. 35Q壓縮倍率201510棱鏡頂角41. 78°41. 75°41. 67e41. 23。采用棱鏡對(duì)，光束束寬壓縮率可以更高。采用光柵對(duì)光束進(jìn)行壓縮時(shí)，對(duì)于2400線/mm的光柵，如激光波長(zhǎng)為590nm,入射角為89°,擴(kuò)束率達(dá)到52 (由 于光路可逆，即壓縮率為1/52)。本發(fā)明的具體實(shí)施方式
如下 實(shí)施方式一如圖l所示，光學(xué)元件結(jié)構(gòu)為順序排列的半導(dǎo)體激光器陣列101、準(zhǔn)直透鏡 陣列102、柱面鏡103和變束棱鏡104。激光從半導(dǎo)體激光器發(fā)出，先通過(guò)準(zhǔn)直透鏡陣列，將光束IO。方向整形， 透鏡焦距盡可能大，接近IO。角可允許準(zhǔn)直光束尺寸的極限，即小于和接近兩 個(gè)芯片之間中心距離，使光斑尺寸最大化。通過(guò)棱鏡、棱鏡對(duì)或光柵對(duì)半導(dǎo)體 激光器輸出光束長(zhǎng)軸方向進(jìn)一步壓縮后，可以直接或者再經(jīng)過(guò)匯聚透鏡高效率 耦合到多模光纖，高功率光纖或直接用于端面泵浦激光器中。實(shí)施方式二如圖2所示，光學(xué)元件結(jié)構(gòu)為順序排列的半導(dǎo)體激光器陣列201、準(zhǔn)直透鏡 陣列202、柱面鏡203和變束棱鏡對(duì)204和205、耦合透4fe 206和光纖207。 是否需要耦合透鏡206視光束壓縮后的直徑的具體情況而定。
實(shí)施方式三如圖3所示，光學(xué)元件結(jié)構(gòu)為順序排列的半導(dǎo)體激光器陣列301、柱面鏡 302、變束光柵303、耦合透鏡304和光纖305。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)柱面鏡302和變束光柵303準(zhǔn)直和壓縮后， 可通過(guò)耦合透鏡或直接耦合進(jìn)光纖305。實(shí)施方式四如圖4所示，光學(xué)元件結(jié)構(gòu)為順序排列的半導(dǎo)體激光器陣列401、柱面鏡 40〗、變束光柵403、耦合棱鏡404和高功率雙包層光纖405。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)柱面鏡402和變束光柵403準(zhǔn)直和壓縮后, 可通過(guò)耦合棱鏡404耦合進(jìn)高功率雙包層光纖405。實(shí)施方式五如圖5所示，光學(xué)元件結(jié)構(gòu)為順序排列的半導(dǎo)體激光器陣列501、柱面鏡 502、變束棱鏡503、耦合透鏡504和端面泵浦固體激光器505。半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)柱面鏡502和變束棱鏡503準(zhǔn)直和壓縮后， 可通過(guò)耦合透鏡504耦合進(jìn)端面泵浦固體激光器505中。盡管結(jié)合優(yōu)選實(shí)施方案具體展示和介紹了本發(fā)明，但所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員 應(yīng)該明白，在不脫離所附權(quán)利要求書所限定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，在形式 上和細(xì)節(jié)上可以對(duì)本發(fā)明做出各種變化，均為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，包括半導(dǎo)體激光器陣列、準(zhǔn)直元件和變束元件，其特征在于所述的準(zhǔn)直元件由與半導(dǎo)體激光器陣列中單元半導(dǎo)體激光器數(shù)量一致的準(zhǔn)直單元排列構(gòu)成，所述的準(zhǔn)直單元為長(zhǎng)焦距的透鏡單元，所述的準(zhǔn)直單元的排列間距與所述的單元半導(dǎo)體激光器的排列間距相等。
2. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 透鏡單元可以是自聚焦透鏡、非球面透鏡、球面透鏡、柱透鏡。
3. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 透鏡單元的焦距大于所述的單元半導(dǎo)體激光器的排列間距。
4. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的是多個(gè)單獨(dú)的半導(dǎo)體激光器構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器陣列，也可以是LED和LED 陣列。
5. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 變束元件可以是單個(gè)的兩通光方向可鍍?cè)鐾改さ睦忡R、兩通光方向可鍍?cè)鐾?膜的棱鏡對(duì)、變束光^f冊(cè)。
6. 如權(quán)利要求l所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 準(zhǔn)直單元是通過(guò)兩側(cè)拋光，膠合、光膠或深化光膠為一體的準(zhǔn)直元件。
7. 如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的 準(zhǔn)直元件是一體開(kāi)才莫壓制的排列有多個(gè)準(zhǔn)直單元的整體構(gòu)件。
8. 如上任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于光 束經(jīng)過(guò)所述的變束元件后耦合入多模光纖，或高功率雙包層光纖，或用于端 面泵浦固體激光器中。
9. 如權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)，其特征在于所述的變束元件后還設(shè)置有匯聚透鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光領(lǐng)域，尤其是涉及半導(dǎo)體陣列激光器的光束整形結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的半導(dǎo)體陣列激光器光束整形結(jié)構(gòu)采用特殊結(jié)構(gòu)的自聚焦透鏡、非球面透鏡、球面透鏡或陣列，和柱面透鏡或柱面透鏡組合將各發(fā)光點(diǎn)整形為角度最小化的相互平行光束，采用單個(gè)棱鏡、棱鏡組或光柵陣列對(duì)半導(dǎo)體光束長(zhǎng)軸方向進(jìn)行高倍壓縮，所得光束可直接或經(jīng)過(guò)匯聚透鏡高效率耦合到多模光纖、高功率雙包層光纖，或用于端面泵浦激光器中。本發(fā)明是一種新型的半導(dǎo)體激光器光束整形結(jié)構(gòu)，具有輸出光束光斑直徑較大、發(fā)散角較小、工作距離較遠(yuǎn)的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/30GK101404385SQ20081007207
公開(kāi)日2009年4月8日 申請(qǐng)日期2008年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月31日
發(fā)明者凌吉武, 礪 吳, 英 邱 申請(qǐng)人:福州高意通訊有限公司