一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜制造技术

本发明专利技术公开了一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜，第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行。本发明专利技术可以缩小光源阵列之间的间距，压缩不发光的区域，使出射的激光束紧密排列，从而大幅提高输出激光的光束质量。量。量。

【技术实现步骤摘要】
一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜


[0001]本专利技术涉及激光
，具体涉及一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜。

技术介绍

[0002]近年来，垂直腔面发射激光器(Vertical
‑
Cavity Surface
‑
Emitting Laser,VCSEL)随着功率和亮度的提高已成为全固态激光器的新型泵浦源。与传统的边发射半导体激光二极管相比，VCSEL具有以下更具吸引力的优点：1)更小的温漂特性(0.06nm/℃)，可以在宽温度范围内与激光晶体吸收谱匹配；2)光束各个方向的发散角相同，作为泵浦源时更容易整形；3)制造工艺简单，成本低廉；4)可在二维平面任意拓展集成，实现高功率激光输出。通过制造大尺寸的二维平面阵列，输出功率可达几百瓦甚至几千瓦，并且具有很高的电光转换效率(通常>42％)；上述优点使其可以替代传统的边发射半导体激光二极管，作为全固态激光器的泵浦源。
[0003]但是由于封装限制，高功率VCSEL通常采用多个VCSEL芯片阵列集成的方式，获得m
×
n的阵列光源(m为每行包含的芯片数量，n为每列包含的芯片数量)，芯片与芯片之间存在不发光的区域(Zhou D,Seurin J
‑
F,Xu G,Leeuwen RV,Miglo A,Wang Q,Kovsh A,and Ghosh C,Progress on high
‑
power808nm VCSELs and applications,Proc.SPIE,2017,10122:33
‑
41.)，致使光源面积变大的同时对阵列区域利用也不充分，输出光束质量较差；作为端面泵浦固体激光器的泵浦源时聚焦光斑较大，束腰较短，导致激光器效率和光束质量较差。

技术实现思路

[0004]针对现有技术VCSEL阵列芯片间存在不发光区域、光束质量差的问题，本专利技术提供一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其可压缩光束间距、提高VCSEL的光束质量。
[0005]本专利技术公开了一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；所述光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜；
[0006]所述第一整形镜设置在所述环形阵列单元的Z轴方向上，所述第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个所述棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；
[0007]每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束分别以预设的角度从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。
[0008]作为本专利技术的进一步改进，所述VCSEL阵列光源包括一个环形阵列单元，所述环形阵列单元由N边形排列的VCSEL芯片构成，所述第一整形镜由N个棱镜构成，N≥3；通过第一整形镜使多个激光束向中心汇聚。
[0009]作为本专利技术的进一步改进，当环形阵列单元为多个时，所述光束整形镜还包括第
二整形镜；
[0010]所述第二整形镜设置在所述第一整形镜的Z轴方向上，所述第二整形镜对应第一整形镜的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；
[0011]每个第一整形镜的输出光束以预设的角度从第二整形镜中对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。
[0012]作为本专利技术的进一步改进，所述VCSEL芯片为方形芯片或四分之一圆芯片。
[0013]作为本专利技术的进一步改进，棱镜的光束入射面和光束出射面上均镀有与VCSEL发光波长所对应的增透膜。
[0014]作为本专利技术的进一步改进，在X
‑
Z面上：
[0015]n0sinθ
1x
＝n1sinθ
2x
[0016]b
x
＝z
·
cosθ
0x
·
tanθ
2x
[0017]式中，n0为空气折射率，n1为棱镜折射率，θ
1x
为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ
2x
为光线在棱镜内的折射角，z为棱镜在Z轴方向的长度，b
x
为出射光相对于入射光在X轴方向上的平移距离，θ
0x
为棱镜的光束入射面沿X轴的倾斜角度；
[0018]在Y
‑
Z面上：
[0019]n0sinθ
1y
＝n1sinθ
2y
[0020]b
y
＝z
·
cosθ
0y
·
tanθ
2y
[0021]式中，θ
1y
为光线入射到棱镜入射面的入射角，θ
2y
为光线在棱镜内的折射角，b
y
为出射光相对于入射光在Y轴方向上的平移距离，θ
0y
棱镜的光束入射面沿Y轴的倾斜角度。
[0022]与现有技术相比，本专利技术的有益效果为：
[0023]本专利技术的光束整形镜可以缩小光源阵列之间的间距，压缩不发光的区域，使出射的激光束紧密排列，从而大幅提高输出激光的光束质量，且该光束整形镜具有结构紧凑、光损耗小等优点。
附图说明
[0024]图1为本专利技术公开的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜的轴测图；
[0025]图2为本专利技术实施例1公开的2
×
2VCSEL阵列光源的正视图；
[0026]图3为本专利技术实施例1公开的VCSEL阵列光源输出激光的光束分布示意图；
[0027]图4为本专利技术实施例1公开的VCSEL阵列光源光束整形结构正视图；
[0028]图5为本专利技术实施例1公开的VCSEL阵列光源光束整形结构轴测图；
[0029]图6为本专利技术实施例1公开的VCSEL阵列光源输出激光束经过光束整形镜后的光束分布示意图；
[0030]图7为本专利技术实施例2公开的2
×
2VCSEL阵列光源的正视图；
[0031]图8为本专利技术实施例2公开的VCSEL阵列光源输出激光的光束分布示意图；
[0032]图9为本专利技术实施例2公开的VCSEL阵列光源光束整形结构正视图；
[0033]图10为本专利技术实施例2公开的VCSEL阵列光源光束整形结构轴测图；
[0034]图11为本专利技术实施例2公开的VCSEL阵列光源输出激光束经过光束整形镜后的光
束分布示意图。
[0035]图中：
[0036]1、VCSEL阵列光源；11、第一VCSEL芯片；12、第二VCSEL芯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，VCSEL阵列光源包括至少一个环形阵列单元，每个环形阵列单元由多个VCSEL芯片构成；其特征在于，所述光束整形镜包括对应环形阵列单元的至少一个第一整形镜；所述第一整形镜设置在所述环形阵列单元的Z轴方向上，所述第一整形镜包括对应VCSEL芯片的多个棱镜，每个所述棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；每个环形阵列单元的VCSEL芯片发射的激光光束分别以预设的角度从对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。2.如权利要求1所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，所述VCSEL阵列光源包括一个环形阵列单元，所述环形阵列单元由N边形排列的VCSEL芯片构成，所述第一整形镜由N个棱镜构成，N≥3；通过第一整形镜使多个激光束向中心汇聚。3.如权利要求1所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，当环形阵列单元为多个时，所述光束整形镜还包括第二整形镜；所述第二整形镜设置在所述第一整形镜的Z轴方向上，所述第二整形镜对应第一整形镜的多个棱镜，每个棱镜的光束出射面与光束入射面相平行，沿X轴和/或Y轴具有预设的倾斜角度；每个第一整形镜的输出光束以预设的角度从第二整形镜中对应棱镜的光束入射面入射，在棱镜内经过折射后，分别从对应棱镜的光束出射面出射，输出光束与各自的输入光束平行且输出光束较输入光束的排列更紧密。4.如权利要求1～3中任一项所述的用于VCSEL阵列光源的光束整形镜，其特征在于，所述VCSEL芯片为方形芯片或四分之一圆芯片。5.如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜梦华，刘阳花，刘友强，秦文斌，曹银花，王智勇，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：