一种线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿光束前进方向依次放置的微柱透镜，平行四边形微片堆整形器，轴对称非球面透镜和柱面透镜，所述的轴对称非球面透镜和柱面透镜对整形后光束聚焦的焦点重合。本发明专利技术可将线形大功率激光二极管阵列发出的光束耦合进能量传输光纤，也可用于固态激光器的泵浦耦合。本发明专利技术具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及光束整形，特别是一种线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，用于线形激光二极管阵列发出的光束进行分割和重新排布的光学整形系统，可将线形激光二极管阵列出射的激光经整形后耦合进光纤中，也可用作固体激光器的抽运耦合系统。
技术介绍
激光二极管阵列的发光面多为1×100微米至1×400微米的长方形，发出的激光束在两个方向上具有不同的发散角：沿着长度方向为慢轴，发散角通常为10度；平行于1微米的方向称为快轴，发散角通常为38度。再由不连续的数个这样的发光区呈线形排列组成大功率激光二极管阵列，通常长度方向上达到1厘米。不难算得这样的大功率激光二极管阵列在两个方向上的拉格朗日不变量相差可多达上千倍，因此很难将此激光束直接通过透镜组会聚成具有一定焦深的小光斑，也难以进入到具有较低数值孔径(典型值如0.22)的能量传输光纤中。为此有很多专利技术与方法被用来对激光二极管阵列输出的光束进行整形，其基本的原则是改变快轴与慢轴的拉格朗日不变量，使慢轴方向的拉格朗日不变量减小，而快轴的增大，从而使输出光束能够用透镜组聚焦为具有一定焦深的较小光斑，为能量传输光纤所传输或直接用于抽运激光介质。具体的整形方法可根据采用的光学元件的光学特性大致分为折射法、镜面反射法及折反法。图1是一种典型的采用镜面反射法整形的耦合装置，它采用梯形镜面反射使光束重组得到两个方向上的拉格朗日不变量相当的光场分布，再利用透镜组对光束聚焦从而耦合进光纤中。该方法是德国弗朗和菲激光技术所的杜可明等人提出的，其核心技术是一种称之为“阶梯镜”的特殊反射镜，该反射镜通过反射面的呈阶梯状排列，使入射的光束被分割并重新排布，利用两块相对称的这样的反射镜完成所需的光束排布。图1中线形光束从半导体激光器阵列1中发出，经过微柱透镜2将快轴的发散角压缩后进入阶梯镜3，经过阶梯镜3的分割与重组后，快轴与慢轴两个方向上的光束的拉格朗日不变量几近相同，再经过柱面透镜4和非球面镜-->5聚焦进入光纤6中。这种结构能够实现良好的整形并因此能够得到很高的耦合效率，但是此技术的缺点是：(1)经阶梯镜重组的各光场之间的光程不等需要补偿；(2)阶梯镜加工面形难度很大，目前国内还没有这样的加工能力。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述已有技术缺点，是提供一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，通过它将线形激光二极管阵列发出的光束进行分割整形并将其耦合进能量传输光纤中，并且具有结构简单，加工与安装方便，成本低廉，整形效果较好，耦合效率较高的优点。本专利技术的技术解决方案如下：一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜、光束整形器、轴对称非球面透镜、柱面透镜和能量传输光纤，其特征在于所述的光束整形器是一平行四边形微片堆整形器，他由两组结构相同的微片堆相垂直放置构成，每组微片堆均由多块锐角为45度的平行四边形薄片紧密排列组成，每一块平行四边形薄片的高度逐渐递增，并且排列的次序使得第一组微片堆中高度最高的薄片对应于第二组中高度最低的薄片，所述的轴对称非球面透镜和柱面透镜的焦点同位于所述的能量传输光纤的输入端。所述的平行四边形微片堆整形器中构成微片堆的微片的数目根据整形后两个方向的拉格朗日不变量相当的原则来确定。所述的轴对称非球面透镜也可用柱面透镜代替。本专利技术的技术效果：由于本专利技术采用平行四边形微片堆整形器，该整形器由两部分相同结构的微片堆组成，每一组微片堆中平行四边形薄片的高度均依次递增排列，每一片薄片的锐角都为45度，光束进入薄片后在两个45度面均发生全反射，这样每一片薄片都形成一个单独的光波导，光束经过这样的光波导后出射方向并不改变，只是发生了平移。而由于每片波导的高度呈递增分布，因此当线形光束经过一组这样的微片堆后会被分割并重新排布为与平行四边形薄片的高度相对应的高度呈递增分布的多段小线形光束。再经过第二组与第一组微片堆相垂直放置的微片堆，经过相同的原理，将这些高度呈递增分布的小段线形光束进一步重新排布为一列小段线形光束。并且由于光束经过了两组相同的微片堆，第二组微片堆中高度最低的薄片对应于第一组-->高度最高的薄片，因此整形后光束各部分的光程基本相同。该平行四边形薄片结构简单，加工方便，目前国内完全可以加工，所以本专利技术克服了已有技术的缺点，同时保持了好的整形效果并由此得到较高耦合效率。附图说明图1是已有技术使用梯形镜构成光束整形器核心的线状半导体激光器阵列的光束导光和整形器装置示意图，其中1为线状半导体激光器阵列，2为微柱透镜，3为阶梯镜整形器，4为柱面透镜，5为为轴对称非球面透镜，6为能量传输光纤。图2是本专利技术用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统的俯视结构示意图，其中1为线形激光二极管阵列，2为微柱透镜，301为平行四边形微片堆整形器的第一组玻璃微片堆，302为平行四边形微片堆整形器的第二组玻璃微片堆，4为轴对称非球面透镜，5为柱面透镜，6为能量传输光纤。图3是构成本专利技术光束整形器的平行四边形四边形微片的正视图，图中黑色箭头表示光束前进的方向。图4是本专利技术的平行四边形微片堆整形器的正视图，其中E1为线状光束。图5是本专利技术的平行四边形微片堆整形器的左视图(即沿光束入射的方向看)，其中E1为线状光束。图6是线形光束经过第一组玻璃微片堆被分割和重新排布后的光场分布示意图。图7是线形光束经过第二组玻璃微片堆被进一步排布后的光场分布示意图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术作进一步说明，但不应以此限制本专利技术的保护范围。先请参阅图2，图2是本专利技术用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统的俯视结构示意图，由图可见，本专利技术用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线状激光二极管阵列1发出的光束的前进方向依次设置的微柱透镜2，整形器3、轴对称非球面透镜4，柱面透镜5以及光束最终被耦合进的能量传输光纤6，其特征在于所述的整形器3是由301和302两组相互垂直放置的平行四边形微片玻璃堆所构成，每组微片玻璃堆均由多片高度依次递增的锐角为45度的平行四边形玻璃薄片紧密排列组成，并且使每片薄片的一个45度边对齐，从而使另一个45度-->斜边组成阶梯状的内全反射面，两组之间的薄片的对应关系为第一组中最高的平行四边形薄片对应于第二组中最低的平行四边形薄片，其余依次类推。所述的轴对称非球面透镜4和柱面透镜5的焦点重合于能量传输光纤6的端部。本专利技术装置的工作过程：线状大功率激光二极管阵列1发出的光束首先经过微柱透镜2对光束快轴方向的发散角进行压缩，得到近似于线形的水平光束。再经过平行四边形微片堆整形器3对光束进行分割和重组。平行四边形微片堆整形器3是本专利技术的核心部件，由两组相同的平行四边形玻璃微片堆301和302相垂直放置组成。图4和图5分别是平行四边形微片堆整形器3的正视图和左视图(沿光路方向看)，以图4中水平方向为长度方向，竖直方向为高度方向，垂直于视图平面的方向为平行四边形微片的宽度方向。从图3中可以看出，微片的两个平行的斜面与竖直方向夹角为45度，光线遇到两个斜面发生全内反射，这样每一片薄片便形成一个光波导。每一组微片堆中的微片高度逐渐递增，这样当以一组斜面对齐后，另一组斜面便组成一组阶梯状的全内反射面。当水平线本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列（１）发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜（２）、光束整形器（３）、轴对称非球面透镜（４）、柱面透镜（５）和能量传输光纤（６），其特征在于所述的光束整形器（３）是一平行四边形微片堆整形器，他由两组结构相同的微片堆相垂直放置构成，每组微片堆均由多块锐角为４５度的平行四边形薄片紧密排列组成，每一块平行四边形薄片的高度逐渐递增，并且排列的次序使得第一组微片堆中高度最高的薄片对应于第二组中高度最低的薄片，所述的轴对称非球面透镜（４）和柱面透镜（５）的焦点同位于所述的能量传输光纤（６）的输入端。
【技术特征摘要】
1、一种用于线形激光二极管阵列的光束整形及耦合系统，包括沿线形激光二极管阵列(1)发出的激光前进方向依次放置的微柱透镜(2)、光束整形器(3)、轴对称非球面透镜(4)、柱面透镜(5)和能量传输光纤(6)，其特征在于所述的光束整形器(3)是一平行四边形微片堆整形器，他由两组结构相同的微片堆相垂直放置构成，每组微片堆均由多块锐角为45度的平行四边形薄片紧密排列组成，每一块平行四边形薄片的高度逐渐递增，并且排列的次...
【专利技术属性】
技术研发人员：孟俊清，陈卫标，陆雨田，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：31[中国|上海]
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