一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的制造方法
一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种激光技术应用领域，尤其是一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置。
【背景技术】
[0002]由于半导体激光器具有电光转换效率高、可靠性好、小型化等优点，在激光泵浦源和直接应用等方面均得到迅速发展及广泛应用，特别是作为固体激光器和光纤激光器的泵浦源，推动了全固态激光器的快速发展。高亮度、高功率的半导体激光器泵浦源是光纤激光器和固体激光器实现高效率、高功率输出的重要基础条件。
[0003]半导体激光器具有不对称分布的输出光场。半导体激光器在垂直于PN结的方向(快轴方向)上呈现30° ~70°的高发散角，但发光区仅I μπι宽，光束质量达到衍射极限；在平行于PN结的方向(慢轴方向)上虽只有10°左右的发散角，但发光区具有10ym左右的长度，而且发光区之间存在能量死区，相当于许多发光区断续排列成线光源，光束质量极差，快轴和慢轴方向的光束质量相差成百倍。
[0004]因此如何消除半导体激光器的发光死区，匀化快慢轴方向的光束质量，提高半导体激光器的发光亮度，是半导体激光光纤耦合模块实现高亮度、高功率和高可靠性输出的一项关键技术。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的技术方案，该方案采用直角棱镜空间组合作为光束旋转器件，采用分布式柱面镜阵列作为光程差补偿和慢轴准直器件，基于光束全反射原理，通过半导体激光器发光点和直角棱镜的空间位置调节，消除半导体激光器的发光死区，可实现半导体激光器的发光点旋转密排。该实用新型具有光束旋转无像差，整形系统装调简单易行等特点。基于该实用新型研制的半导体激光高亮度光纤耦合输出光源可应用在泵浦光纤激光器、医疗及工业加工等众多领域。
[0006]本方案是通过如下技术措施来实现的:
[0007]一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜阵列；半导体激光器芯片封装在热沉上；半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜阵列和柱面透镜组后射出。
[0008]作为本方案的优选:快轴准直透镜对半导体激光器芯片发出的激光进行快轴准直，快轴准直后的半导体激光器芯片各发光点Y轴方向光斑宽度小于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离。
[0009]作为本方案的优选:直角棱镜阵列由多个直角棱镜组错位排列组成；直角棱镜组由直角棱镜A和直角棱镜B组成；所述直角棱镜A和直角棱镜B截面形状为等腰直角三角形。
[0010]作为本方案的优选:直角棱镜A的直角面和直角棱镜B的直角面通过UV胶水固定，且直角棱镜A的斜面和直角棱镜B的斜面所在的轴向方向不相同。
[0011]作为本方案的优选:柱面透镜组由多个柱面透镜单元组成，柱面透镜单元按照光程差组合固定，相邻柱面透镜单元在X方向的距离差等于半导体激光器芯片各发光点的光程差，其误差不超过土 100 μ m。
[0012]作为本方案的优选:直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μ m ;直角棱镜A的高度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι。
[0013]作为本方案的优选:直角棱镜B的直角边长度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι ;直角棱镜B的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μπι。
[0014]作为本方案的优选:直角棱镜A和直角棱镜B的重合面的误差在X方向小于100 μ m、Z 方向小于 100 μ m。
[0015]作为本方案的优选:半导体激光器芯片的每个发光点都对应设置有一组直角棱镜组，相邻的直角棱镜组在Z方向上的的距离等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±5 μπι。
[0016]作为本方案的优选:直角棱镜阵列中的每个直角棱镜组分别对应半导体激光器芯片的每个发光点，相邻的直角棱镜组在Z方向的距离差等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差要求不超过±5 μπι。
[0017]本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本实用新型的优点在于:当半导体激光光束通过直角棱镜组合元件后通过光束旋转，改变了原来的快慢轴光束质量分布，实现了快慢轴光束质量的匀化；同时直角棱镜组合元件的空间位置差异，填充了各发光点之间的能量死区，实现了各发光点的紧密接触，提升了半导体激光器的发光亮度，而且整形系统结构简单，整形元件加工容易。
[0018]由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的结构示意图。
[0020]图2为经过快轴准直透镜后的光斑。
[0021]图3为经过直角棱镜组的光斑。
[0022]图4为经过柱面透镜组的光斑。
[0023]图5为直角棱镜组的光路旋转示意图。
[0024]图中，I为直角棱镜Α，2为直角棱镜B，3为半导体激光器芯片，4为快轴准直透镜，5为柱面透镜组，6为直角棱镜组。
【具体实施方式】
[0025]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0026]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似 特征中的一个例子而已。
[0027]实施例:
[0028]选取半导体激光器包含5个发光点，每个发光点快轴发光区尺寸为I ym、慢轴发光区尺寸为100 μ m，各发光点之间的间距为1000 μ m，快轴发散角< 60° (包含90%能量)、慢轴发散角小于10° (包含90%能量)。
[0029]使用焦距为360 μπι的快轴准直透镜对半导体激光器进行快轴准直，准直后的光斑分布如图2所不，准直后快轴剩余发散角为3mrad，快轴方向光斑尺寸为0.5mm。
[0030]激光束经过直角棱镜组进行发光点旋转和密排，直角棱镜A的直角边为0.5_、高度为1_，直角棱镜B的直角边为1_、高度为0.5mm,采用UV胶水将直角棱镜A和B进行组合固定，直角棱镜A和B重合面的误差:X方向小于100 μ m，Z方向小于100 μ m。将5对直角棱镜组合固定后，相邻的直角棱镜组在Z轴方向依次间距0.5mmο半导体激光器光束经过直角棱镜组后的光斑分布如图3所不，由于各发光点的光程差不同，旋转密排后各发光点的Y方向尺寸呈从小到大的分布趋势。
[0031]分布式柱面透镜组进行发光点的慢轴准直和光程差补偿，柱面透镜单元曲率沿Y方向分布，焦距为10.0mm,后一个柱面透镜单元比前一个柱面透镜单元沿X方向内缩
0.5_。经过分布式柱面透镜组后的光斑分布如图4所示，各发光点之间的光程差得到补偿，沿Y方向的剩余发散角为9.3mrad，Y方向光斑尺寸为1.5mm。
[0032]由上述过程可以看出，半导体激光器光束经过本实用新型的半导体激光器的发光点旋转密排整形装置后，得到的光斑沿X方向尺寸为2.5mm、发散角为3mrad，Y方向尺寸为
1.5mm、发散角为9.3mrad。实现了快慢轴光束质量的匀化，同时填充了各发光点之间的能量死区，实现了各发光点的紧密接触，提升了半导体激光器的发光亮度。
[0033]本实用新型并不局限于前述的【具体实施方式】。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组入口 ο
【主权项】
1.一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜阵列；所述半导体激光器芯片封装在热沉上；所述半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜阵列和柱面透镜组后射出。2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述快轴准直透镜对半导体激光器芯片发出的激光进行快轴准直，快轴准直后的半导体激光器芯片各发光点Y轴方向光斑宽度小于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离。3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜阵列由多个直角棱镜组错位排列组成；所述直角棱镜组由直角棱镜A和直角棱镜B组成；所述直角棱镜A和直角棱镜B截面形状为等腰直角三角形。4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜A的直角面和直角棱镜B的直角面通过UV胶水固定，且直角棱镜A的斜面和直角棱镜B的斜面所在的轴向方向不相同。5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述柱面透镜组由多个柱面透镜单元组成，柱面透镜单元按照光程差组合固定，相邻柱面透镜单元在X方向的距离差等于半导体激光器芯片各发光点的光程差，其误差不超过土100 μm。6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μπι;所述直角棱镜A的高度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι。7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:直角棱镜B的直角边长度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μ m;直角棱镜B的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过± 2 μ m08.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:直角棱镜A和直角棱镜B的重合面的误差在X方向小于100 μπκ Z方向小于100 μπι。9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述半导体激光器芯片的每个发光点都对应设置有一组直角棱镜组，相邻的直角棱镜组在Z方向上的的距离等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±5 μ m。10.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜阵列中的每个直角棱镜组分别对应半导体激光器芯片的每个发光点，相邻的直角棱镜组在Z方向的距离差等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差要求不超过±5 μm。
【专利摘要】本实用新型提供了一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的技术方案，该方案包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜组；半导体激光器芯片封装在热沉上；半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜组和柱面透镜组后射出。该方案同时通过光束的旋转，实现了快慢轴光束质量的匀化，而且结构简单，元件加工容易。
【IPC分类】G02B27/30, G02B27/09
【公开号】CN204694920
【申请号】CN201520345214
【发明人】唐淳, 余俊宏, 郭林辉, 吴华玲, 颜昊, 王昭, 高松信, 武德勇
【申请人】中国工程物理研究院应用电子学研究所
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月26日
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及的是一种激光技术应用领域，尤其是一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置。
【背景技术】
[0002]由于半导体激光器具有电光转换效率高、可靠性好、小型化等优点，在激光泵浦源和直接应用等方面均得到迅速发展及广泛应用，特别是作为固体激光器和光纤激光器的泵浦源，推动了全固态激光器的快速发展。高亮度、高功率的半导体激光器泵浦源是光纤激光器和固体激光器实现高效率、高功率输出的重要基础条件。
[0003]半导体激光器具有不对称分布的输出光场。半导体激光器在垂直于PN结的方向(快轴方向)上呈现30° ~70°的高发散角，但发光区仅I μπι宽，光束质量达到衍射极限；在平行于PN结的方向(慢轴方向)上虽只有10°左右的发散角，但发光区具有10ym左右的长度，而且发光区之间存在能量死区，相当于许多发光区断续排列成线光源，光束质量极差，快轴和慢轴方向的光束质量相差成百倍。
[0004]因此如何消除半导体激光器的发光死区，匀化快慢轴方向的光束质量，提高半导体激光器的发光亮度，是半导体激光光纤耦合模块实现高亮度、高功率和高可靠性输出的一项关键技术。
【实用新型内容】
[0005]本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的技术方案，该方案采用直角棱镜空间组合作为光束旋转器件，采用分布式柱面镜阵列作为光程差补偿和慢轴准直器件，基于光束全反射原理，通过半导体激光器发光点和直角棱镜的空间位置调节，消除半导体激光器的发光死区，可实现半导体激光器的发光点旋转密排。该实用新型具有光束旋转无像差，整形系统装调简单易行等特点。基于该实用新型研制的半导体激光高亮度光纤耦合输出光源可应用在泵浦光纤激光器、医疗及工业加工等众多领域。
[0006]本方案是通过如下技术措施来实现的:
[0007]一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜阵列；半导体激光器芯片封装在热沉上；半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜阵列和柱面透镜组后射出。
[0008]作为本方案的优选:快轴准直透镜对半导体激光器芯片发出的激光进行快轴准直，快轴准直后的半导体激光器芯片各发光点Y轴方向光斑宽度小于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离。
[0009]作为本方案的优选:直角棱镜阵列由多个直角棱镜组错位排列组成；直角棱镜组由直角棱镜A和直角棱镜B组成；所述直角棱镜A和直角棱镜B截面形状为等腰直角三角形。
[0010]作为本方案的优选:直角棱镜A的直角面和直角棱镜B的直角面通过UV胶水固定，且直角棱镜A的斜面和直角棱镜B的斜面所在的轴向方向不相同。
[0011]作为本方案的优选:柱面透镜组由多个柱面透镜单元组成，柱面透镜单元按照光程差组合固定，相邻柱面透镜单元在X方向的距离差等于半导体激光器芯片各发光点的光程差，其误差不超过土 100 μ m。
[0012]作为本方案的优选:直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μ m ;直角棱镜A的高度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι。
[0013]作为本方案的优选:直角棱镜B的直角边长度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι ;直角棱镜B的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μπι。
[0014]作为本方案的优选:直角棱镜A和直角棱镜B的重合面的误差在X方向小于100 μ m、Z 方向小于 100 μ m。
[0015]作为本方案的优选:半导体激光器芯片的每个发光点都对应设置有一组直角棱镜组，相邻的直角棱镜组在Z方向上的的距离等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±5 μπι。
[0016]作为本方案的优选:直角棱镜阵列中的每个直角棱镜组分别对应半导体激光器芯片的每个发光点，相邻的直角棱镜组在Z方向的距离差等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差要求不超过±5 μπι。
[0017]本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本实用新型的优点在于:当半导体激光光束通过直角棱镜组合元件后通过光束旋转，改变了原来的快慢轴光束质量分布，实现了快慢轴光束质量的匀化；同时直角棱镜组合元件的空间位置差异，填充了各发光点之间的能量死区，实现了各发光点的紧密接触，提升了半导体激光器的发光亮度，而且整形系统结构简单，整形元件加工容易。
[0018]由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有实质性特点和进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
【附图说明】
[0019]图1为本实用新型的结构示意图。
[0020]图2为经过快轴准直透镜后的光斑。
[0021]图3为经过直角棱镜组的光斑。
[0022]图4为经过柱面透镜组的光斑。
[0023]图5为直角棱镜组的光路旋转示意图。
[0024]图中，I为直角棱镜Α，2为直角棱镜B，3为半导体激光器芯片，4为快轴准直透镜，5为柱面透镜组，6为直角棱镜组。
【具体实施方式】
[0025]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0026]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似 特征中的一个例子而已。
[0027]实施例:
[0028]选取半导体激光器包含5个发光点，每个发光点快轴发光区尺寸为I ym、慢轴发光区尺寸为100 μ m，各发光点之间的间距为1000 μ m，快轴发散角< 60° (包含90%能量)、慢轴发散角小于10° (包含90%能量)。
[0029]使用焦距为360 μπι的快轴准直透镜对半导体激光器进行快轴准直，准直后的光斑分布如图2所不，准直后快轴剩余发散角为3mrad，快轴方向光斑尺寸为0.5mm。
[0030]激光束经过直角棱镜组进行发光点旋转和密排，直角棱镜A的直角边为0.5_、高度为1_，直角棱镜B的直角边为1_、高度为0.5mm,采用UV胶水将直角棱镜A和B进行组合固定，直角棱镜A和B重合面的误差:X方向小于100 μ m，Z方向小于100 μ m。将5对直角棱镜组合固定后，相邻的直角棱镜组在Z轴方向依次间距0.5mmο半导体激光器光束经过直角棱镜组后的光斑分布如图3所不，由于各发光点的光程差不同，旋转密排后各发光点的Y方向尺寸呈从小到大的分布趋势。
[0031]分布式柱面透镜组进行发光点的慢轴准直和光程差补偿，柱面透镜单元曲率沿Y方向分布，焦距为10.0mm,后一个柱面透镜单元比前一个柱面透镜单元沿X方向内缩
0.5_。经过分布式柱面透镜组后的光斑分布如图4所示，各发光点之间的光程差得到补偿，沿Y方向的剩余发散角为9.3mrad，Y方向光斑尺寸为1.5mm。
[0032]由上述过程可以看出，半导体激光器光束经过本实用新型的半导体激光器的发光点旋转密排整形装置后，得到的光斑沿X方向尺寸为2.5mm、发散角为3mrad，Y方向尺寸为
1.5mm、发散角为9.3mrad。实现了快慢轴光束质量的匀化，同时填充了各发光点之间的能量死区，实现了各发光点的紧密接触，提升了半导体激光器的发光亮度。
[0033]本实用新型并不局限于前述的【具体实施方式】。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组入口 ο
【主权项】
1.一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜阵列；所述半导体激光器芯片封装在热沉上；所述半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜阵列和柱面透镜组后射出。2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述快轴准直透镜对半导体激光器芯片发出的激光进行快轴准直，快轴准直后的半导体激光器芯片各发光点Y轴方向光斑宽度小于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离。3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜阵列由多个直角棱镜组错位排列组成；所述直角棱镜组由直角棱镜A和直角棱镜B组成；所述直角棱镜A和直角棱镜B截面形状为等腰直角三角形。4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜A的直角面和直角棱镜B的直角面通过UV胶水固定，且直角棱镜A的斜面和直角棱镜B的斜面所在的轴向方向不相同。5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述柱面透镜组由多个柱面透镜单元组成，柱面透镜单元按照光程差组合固定，相邻柱面透镜单元在X方向的距离差等于半导体激光器芯片各发光点的光程差，其误差不超过土100 μm。6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜A的直角边长度等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±2 μπι;所述直角棱镜A的高度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μπι。7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:直角棱镜B的直角边长度应等于半导体激光器芯片上各发光点之间的距离，其误差不超过±5 μ m;直角棱镜B的高度应等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过± 2 μ m08.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:直角棱镜A和直角棱镜B的重合面的误差在X方向小于100 μπκ Z方向小于100 μπι。9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述半导体激光器芯片的每个发光点都对应设置有一组直角棱镜组，相邻的直角棱镜组在Z方向上的的距离等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑的宽度，其误差不超过±5 μ m。10.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置，其特征是:所述直角棱镜阵列中的每个直角棱镜组分别对应半导体激光器芯片的每个发光点，相邻的直角棱镜组在Z方向的距离差等于快轴准直后各发光点Y轴方向光斑宽度，其误差要求不超过±5 μm。
【专利摘要】本实用新型提供了一种半导体激光器的发光点旋转密排整形装置的技术方案，该方案包括有半导体激光器芯片、热沉、快轴准直透镜、柱面透镜组、直角棱镜组；半导体激光器芯片封装在热沉上；半导体激光器芯片发射的激光依次穿过快轴准直透镜、直角棱镜组和柱面透镜组后射出。该方案同时通过光束的旋转，实现了快慢轴光束质量的匀化，而且结构简单，元件加工容易。
【IPC分类】G02B27/30, G02B27/09
【公开号】CN204694920
【申请号】CN201520345214
【发明人】唐淳, 余俊宏, 郭林辉, 吴华玲, 颜昊, 王昭, 高松信, 武德勇
【申请人】中国工程物理研究院应用电子学研究所
【公开日】2015年10月7日
【申请日】2015年5月26日
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