利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法技術

利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法,屬于激光技術領域，是一種用于大功率半導體激光堆棧的光束聚焦的設計方法。利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法，根據大功率半導體激光堆棧1的發光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發散角大小來設計一個相應尺寸的橢球面反射鏡2來反射聚焦光束，本發明專利技術的實現慢軸方向光傳輸、會聚、離焦，并與快軸方向的焦點位置相同、光斑尺寸相同，在焦平面上消除快慢軸方向上的差異。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于激光
，是一種用于大功率半導體激光堆棧的光束聚焦的設計方法。
技術介紹
大功率半導體激光由堆棧形式集聚能量，通過微透鏡進行準直。然而，準直后的快慢軸出射的激光仍然存在著不同大小的發散角，直接半導體激光器的快軸光束質量優于慢軸光束質量。由半導體激光的形成方式和光束特征，決定了其具有較大光斑，并且在任一光軸垂直的平面上都存在XY兩方向上的發散角差別較大，限制了大功率半導體激光器在加工方面的應用。因此，大功率半導體激光器的光束整形、聚焦顯得尤為重要。
技術實現思路
本專利技術的目的是針對大功率半導體激光堆棧I出射的矩形光斑，設計一種橢球面的反射聚焦方法，利用單一橢球反射鏡2，使快、慢軸處理合而為一，重組能流分布，消除快、慢軸差異，實現圓光斑匯聚。本專利技術采用如下技術方案:，根據大功率半導體激光堆棧I的發光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發散角大小來設計一個相應尺寸的橢球面反射鏡2來反射聚焦光束；具體方法如下:選取一個大功率半導體激光堆棧I，設其光斑尺寸為L1XLyL1為快軸方向尺寸,L2為慢軸方向尺寸，光斑形狀為矩形光斑，快軸方向發散角為α，慢軸方向發散角為β。為了實現物距為U，焦距為f，并且入射光和出射光成90°夾角的聚焦效果，采用橢球面反射鏡2對其進行聚焦，并計算出相應的橢球鏡尺寸。所述橢球面反射鏡2的反射面是一個大橢球體表面的面形的一小部分。將大功率激光堆棧I的快軸方向光束對應所述橢球面反射鏡2面形的橢圓4面方向放置，慢軸方向光束對應所述橢球面反射鏡2面形的圓5面方向放置，橢球反射鏡分別利用橢圓4和圓5的性質對快慢軸不同發散角的光束同時進行了聚焦，最終光束被聚焦到了焦點3上。接下來，確定橢球鏡的具體尺寸。選取大功率半導體激光堆棧I正中間的一列發光單兀，即快軸的方向發光單兀，發出發散角為α的快軸方向光，快軸方向光平面與橢球面反射鏡2相交軌跡為一個橢圓4里的一部分，將所述橢圓4面補充完整，并且建立直角坐標系。以橢圓4中心為原點0，橢圓4長軸方向為X軸方向，短軸方向為Y軸方向。橢球面反射鏡2鏡子中心點在橢圓4上的A (x0, y0)點上，位于坐標系第二象限，橢圓4長軸為a，短軸為b，兩焦點分別為右焦點S1，左焦點S2。連接線段AS1, AS2，其中AS2為焦距f，即AS2=f。以線段AS1中一點B為大功率半導體激光堆棧I中心點，線段AB為物距U，即AB=u，以B點為中心點做出線段CD并使之垂直于AS1，線段CD代表大功率半導體激光堆棧I正中間一列發光單元，點C和點D表示大功率半導體激光堆棧I邊界點，CD長度為大功率半導體激光堆棧I快軸方向光斑尺寸L1,即⑶=L115連接線段CS1, DS1，形成夾角Z DS1C, Z DS1C代表快軸方向發散角為本文檔來自技高網...

【技術保護點】
利用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法，根據大功率半導體激光堆棧（1）的發光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發散角大小來設計一個相應尺寸的橢球面反射鏡（2）來反射聚焦光束；其特征在于：具體方法如下：選取一個大功率半導體激光堆棧（1），設其光斑尺寸為L1×L2，L1為快軸方向尺寸，L2為慢軸方向尺寸，光斑形狀為矩形光斑，快軸方向發散角為α，慢軸方向發散角為β；為了實現物距為u，焦距為f，并且入射光和出射光成90°夾角的聚焦效果，采用橢球面反射鏡（2）對其進行聚焦，并計算出相應的橢球鏡尺寸；所述橢球面反射鏡（2）的反射面是一個橢球體表面的面形的一部分；將大功率激光堆棧（1）的快軸方向光束對應所述橢球面反射鏡（2）面形的橢圓（4）面方向放置，慢軸方向光束對應所述橢球面反射鏡（2）面形的圓（5）面方向放置，橢球反射鏡分別利用橢圓（4）和圓（5）的性質對快慢軸不同發散角的光束同時進行了聚焦，最終光束被聚焦到了焦點（3）上；接下來，確定橢球鏡的具體尺寸；選取大功率半導體激光堆棧（1）正中間的一列發光單元，即快軸的方向發光單元，發出發散角為α的快軸方向光，快軸方向光平面與橢球面反射鏡（2）相交軌跡為一個橢圓（4）里的一部分，將所述橢圓（4）面補充完整，并且建立直角坐標系；以橢圓（4）中心為原點O，橢圓（4）長軸方向為X軸方向，短軸方向為Y軸方向；橢球面反射鏡（2）鏡子中心點在橢圓（4）上的A（x0,y0）點上，位于坐標系第二象限，橢圓（4）長軸為a，短軸為b，兩焦點分別為右焦點S1，左焦點S2；連接線段AS1，AS2，其中AS2為焦距f，即AS2=f；以線段AS1中一點B為大功率半導體激光堆棧（1）中心點，線段AB為物距u，即AB=u，以B點為中心點做出線段CD并使之垂直于AS1，線段CD代表大功率半導體激光堆棧（1）正中間一列發光單元，點C和點D表示大功率半導體激光堆棧（1）邊界點，CD長度為大功率半導體激光堆棧（1）快軸方向光斑尺寸L1，即CD=L1；連接線段CS1，DS1，形成夾角∠DS1C，∠DS1C代表快軸方向發散角為α，即 ∠DS1C=α；經過幾何計算可得出橢圓（4）長軸a=u+L12tanα2+f2,短軸b=a2-(AS12+f22)2,其中AS1=u+L12tanα2;為了求出橢球面反射鏡（2）中心點A坐標（x0,y0），根據橢圓（4）自身幾何性質建立如下方程組：x02a2+y02b2=1(S1S22-|x0|)2+y02=f2方程組中a=u+L12tanα2+f2,b=a2-(AS12+f22)2,S1S2=AS12+f2,其中AS1=u+L12tanα2,所以a，b，S1S2，f的值都可根據已知條件求出，方程組中只剩下x0，y0兩個未知數；最終可解得A（x0，y0）對應坐標系中橢圓（4）上的位置；得到橢球面反射鏡（2的中心點為點A（x0，y0）,所在橢圓為橢圓（4）長軸a和短軸b的值，尺寸大于大功率半導體激光堆棧（1）發出光束投影到橢球鏡上光斑尺寸的大小，所設計出的橢球面反射鏡（2）用于聚焦。...

【技術特征摘要】
1.用非球面反射鏡聚焦大功率直接半導體激光的方法，根據大功率半導體激光堆棧(O的發光特性，也就是光斑尺寸和快慢軸方向發散角大小來設計一個相應尺寸的橢球面反射鏡(2)來反射聚焦光束；其特征在于:具體方法如下: 選取一個大功率半導體激光堆棧(I)，設其光斑尺寸為L1XLyL1為快軸方向尺寸,L2為慢軸方向尺寸，光斑形狀為矩形光斑，快軸方向發散角為α，慢軸方向發散角為β ;為了實現物距為U，焦距為f，并且入射光和出射光成90°夾角的聚焦效果，采用橢球面反射鏡(2)對其進行聚焦，并計算出相應的橢球鏡尺寸； 所述橢球面反射鏡(2)的反射面是一個橢球體表面的面形的一部分；將大功率激光堆棧(I)的快軸方向光束對應所述橢球面反射鏡(2 )面形的橢圓(4 )面方向放置，慢軸方向光束對應所述橢球面反射鏡(2 )面形的圓(5 )面方向放置，橢球反射鏡分別利用橢圓(4 )和圓(5)的性質對快慢軸不同發散角的光束同時進行了聚焦，最終光束被聚焦到了焦點(3)上； 接下來，確定橢球鏡的具體尺寸； 選取大功率半導體激光堆棧(I)正中間的一列發光單兀，即快軸的方向發光單兀，發出發散角為α的快軸方向光，快軸方向光平面與橢球面反射鏡(2)相交軌跡為一個橢圓...

【專利技術屬性】
技術研發人員：王旭葆，米慶改，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：