一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置和方法与流程

1.本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置和方法。


背景技术：

2.目前，大功率的边发射的半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、寿命长和成本低等优点，因而在激光雷达、工业激光等领域有着广阔的应用前景。边发射半导体激光器虽然具有很多优点，但最大的缺点在于其光束质量差。常见的单管边发射半导体激光器，其有源区是扁平形状的，快轴方向的有源区尺寸通常为1um或几um，激光的发散角达到了约50度，接近于单模分布；而慢轴方向的有源区尺寸通常为几十um到几百um，激光的发散角达到了约10度，为多模分布。因此边发射半导体激光器通常需要通过光学系统整形后再使用。目前半导体激光器的光束质量可以通过光参数积(bpp)来表示，其定义为光斑的束腰半径与光束远场发散角(全角)乘积的一半。bpp值越小，表明激光的光束质量越好。对于边发射半导体激光器而言，其慢轴方向的光的bpp值非常高，说明其光束质量很差，而快轴方向的光束质量很好，所以实际应用中需要对慢轴方向的光进行改善。通常激光经过理想的透镜和反射镜等光学元件组成的光学系统时，即不存在像差时，激光的bpp值保持不变。所以普通的光束整形系统无法缩小边发射半导体激光器的慢轴方向光的bpp值，存在无法提高光束质量的问题。


技术实现要素：

3.本发明为解决公知技术中存在的技术问题而提供一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置和方法。
4.本发明为解决公知技术中存在的技术问题所采取的技术方案是：一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置，包括相位延迟片、平行四边形棱镜及横截面为直角三角形或直角梯形的棱镜a；棱镜a、相位延迟片及平行四边形棱镜三者贴合构成直角梯形棱镜b；棱镜a包括依次相交的第一直角面、第二直角面及斜面，其斜面与第二直角面的夹角为45度，其斜面与相位延迟片或平行四边形棱镜贴合。
5.进一步地，平行四边形棱镜、相位延迟片及棱镜a采用光胶或胶合的方法贴合。
6.进一步地，棱镜a、相位延迟片及平行四边形棱镜依次贴合。
7.进一步地，设垂直于直角梯形棱镜b的底面且从较大面积底面指向较小面积底面的方向为x方向，当激光沿x方向在相位延迟片中传播时，激光中的o光和e光之间的相位差等于π或π的奇数倍；相位延迟片的光轴与沿x方向在相位延迟片中传播的光线的s偏振方向成45度夹角，相位延迟片的光轴与s偏振方向所构成的平面垂直于沿x方向在相位延迟片中传播的光线。
8.进一步地，设相位延迟片中，面向棱镜a斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1的夹角为135度的面为sa3，与sa1的夹角为45度的面为sa4；设平行四边形棱镜中，面向
棱镜a斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2，与sb3的夹角为135度的面为sb1，与sb3的夹角为45度的面为sb4；棱镜a中，其第一直角面为切割面或磨砂面或抛光面，其第二直角面镀有匹配激光波长的增透膜；相位延迟片，其sa1和sa2镀有匹配激光波长的增透膜，其sa3和sa4为切割面或磨砂面或抛光面；平行四边形棱镜，其sb1和sb4镀有匹配激光波长的增透膜，其sb2抛光不镀膜或镀有匹配激光波长的高反膜。
9.进一步地，棱镜a的斜面镀有匹配激光波长的增透膜；平行四边形棱镜的sb3面镀有匹配激光波长的pbs膜。
10.进一步地，棱镜a的斜面镀有匹配激光波长的pbs膜；平行四边形棱镜的sb3镀有匹配激光波长的增透膜。
11.进一步地，棱镜a、平行四边形棱镜及相位延迟片依次贴合。
12.进一步地，设相位延迟片中，面向棱镜a斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1的夹角为135度的面为sa3，与sa1的夹角为45度的面为sa4；设平行四边形棱镜中，面向棱镜a斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2，与sb3的夹角为135度的面为sb1，与sb3的夹角为45度的面为sb4；棱镜a中，其第一直角面为切割面或磨砂面或抛光面，其斜面及第二直角面镀有匹配激光波长的增透膜；相位延迟片，其sa1镀有匹配激光波长的增透膜，其sa2镀有匹配激光波长的高反膜，其sa3和sa4为切割面或磨砂面或抛光面；平行四边形棱镜，其sb1、sb2和sb4镀有匹配激光波长的增透膜，其sb3镀有匹配激光波长的pbs膜。
13.本发明还提供了一种提高半导体激光器慢轴光束质量的方法，该方法利用上述的提高半导体激光器慢轴光束质量的装置；使半导体激光器输出的经过快慢轴准直的s偏振激光束或p偏振激光束，从直角梯形棱镜b的面积较大的底面侧入射且入射方向垂直于其底面，s偏振激光束或p偏振激光束沿入射方向的投影轮廓对应位于平行四边形棱镜的投影范围内。
14.本发明具有的优点和积极效果是：采用本发明的一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置，对半导体激光的慢轴方向的准直光斑尺寸进行折叠压缩，而其快轴方向光斑尺寸保持不变。折叠压缩后的激光的慢轴方向bpp得到了下降，提高了光束质量。
附图说明
15.图1为本发明实施例1的实施结构示意图和光线传输图。
16.图2为本发明实施例2的实施结构示意图和光线传输图。
17.图3为本发明实施例3的实施结构示意图和光线传输图。
18.图4为本发明相位延迟片的结构示意图。
19.图5为本发明平行四边形棱镜的结构示意图。
20.图6为本发明直角梯形棱镜a的结构示意图。
21.图中：1、平行四边形棱镜；2、直角梯形棱镜a；3、相位延迟片。
具体实施方式
22.为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效，兹列举以下实施例，并配合附图详细说明如下：
23.请参见图1至图6，一种提高半导体激光器慢轴光束质量的装置，包括相位延迟片
3、平行四边形棱镜1及横截面为直角三角形或直角梯形的棱镜a；棱镜a、相位延迟片3及平行四边形棱镜1三者贴合构成直角梯形棱镜b；棱镜a包括依次相交的第一直角面、第二直角面及斜面，其斜面与第二直角面的夹角为45度，其斜面与相位延迟片3或平行四边形棱镜1贴合。
24.棱镜a可为等腰直角棱镜或直角梯形棱镜。
25.等腰直角棱镜包括依次相交的第一直角面、第二直角面及斜面，第二直角面又称为底面。
26.直角梯形棱镜包括依次相交的第一直角面、第二直角面、斜面及第四直角面，第一直角面与斜面相对，第一直角面与斜面又称腰面；第二直角面与第四直角面相对，第二、四直角面又称为底面。第二直角面的面积大于第四直角面的面积。
27.直角梯形棱镜b的横截面为直角梯形，其较大面积的底面与第二直角面同侧。
28.优选地，平行四边形棱镜1、相位延迟片3及棱镜a可采用光胶或胶合的方法贴合。
29.优选地，棱镜a、相位延迟片3及平行四边形棱镜1可依次贴合。
30.优选地，可设垂直于直角梯形棱镜b的底面且从较大面积底面指向较小面积底面的方向为x方向，当激光沿x方向在相位延迟片3中传播时，激光中的o光和e光之间的相位差可等于π或π的奇数倍；相位延迟片3的光轴可与沿x方向在相位延迟片3中传播的光线的s偏振方向成45度夹角，相位延迟片3的光轴与s偏振方向所构成的平面可垂直于沿x方向在相位延迟片3中传播的光线。
31.优选地，可设相位延迟片3中，面向棱镜a斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1的夹角为135度的面为sa3，与sa1的夹角为45度的面为sa4；可设平行四边形棱镜1中，面向棱镜a斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2，与sb3的夹角为135度的面为sb1，与sb3的夹角为45度的面为sb4；棱镜a中，其第一直角面可为切割面或磨砂面或抛光面，其第二直角面可镀有匹配激光波长的增透膜；相位延迟片3，其sa1和sa2可镀有匹配激光波长的增透膜，其sa3和sa4可为切割面或磨砂面或抛光面；平行四边形棱镜1，其sb1和sb4可镀有匹配激光波长的增透膜，其sb2可抛光不镀膜或镀有匹配激光波长的高反膜。
32.优选地，棱镜a的斜面可镀有匹配激光波长的增透膜；平行四边形棱镜1的sb3面可镀有匹配激光波长的pbs膜。
33.优选地，棱镜a的斜面可镀有匹配激光波长的pbs膜；平行四边形棱镜1的sb3可镀有匹配激光波长的增透膜。
34.优选地，棱镜a、平行四边形棱镜1及相位延迟片3可依次贴合。可设平行于直角梯形棱镜b的底面且从直角梯形棱镜b的斜面指向对面直角面的方向为y方向，当激光沿y方向在相位延迟片中传播时，激光中的o光和e光之间的相位差等于π或π的奇数倍；相位延迟片的光轴与沿y方向在相位延迟片中传播的光线的p偏振方向成45度夹角，相位延迟片的光轴与p偏振方向所构成的平面垂直于沿y方向在相位延迟片中传播的光线。
35.优选地，可设相位延迟片3中，面向棱镜a斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1的夹角为135度的面为sa3，与sa1的夹角为45度的面为sa4；可设平行四边形棱镜1中，面向棱镜a斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2，与sb3的夹角为135度的面为sb1，与sb3的夹角为45度的面为sb4；棱镜a中，其第一直角面可为切割面或磨砂面或抛光面，其斜面及第二直角面可镀有匹配激光波长的增透膜；相位延迟片3，其sa1可镀有匹配激光波长的增透膜，
其sa2可镀有匹配激光波长的高反膜，其sa3和sa4可为切割面或磨砂面或抛光面；平行四边形棱镜1，其sb1、sb2和sb4可镀有匹配激光波长的增透膜，其sb3可镀有匹配激光波长的pbs膜。
36.本发明还提供了一种提高半导体激光器慢轴光束质量的方法，该方法利用上述的提高半导体激光器慢轴光束质量的装置；使半导体激光器输出的经过快慢轴准直的s偏振激光束或p偏振激光束，从直角梯形棱镜b的面积较大的底面侧入射且入射方向垂直于其底面，s偏振激光束或p偏振激光束沿入射方向的投影轮廓对应位于平行四边形棱镜1的投影范围内。
37.下面以本发明的几个优选实施例来进一步说明本发明的结构及工作原理：
38.实施例1：
39.如图1，为本发明实施例1的一种提高半导体激光器光束质量的装置的结构示意图，其中，该装置包括：平行四边形棱镜1、直角梯形棱镜a2、相位延迟片3。平行四边形棱镜、相位延迟片和直角梯形棱镜a2按从下到上顺序光胶或胶合成一体，构成直角梯形棱镜b。
40.如图4、图5和图6，设相位延迟片中，面向直角梯形棱镜a2斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1成135度的面为sa3，与sa1成45度的面为sa4。设平行四边形棱镜中，面向直角梯形棱镜斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2；与sb3的夹角为135度的面为sb1；与sb3的夹角为45度的面为sb4。设直角梯形棱镜a中，其面积较大的底面为sc1，其斜面为sc2,其与斜面相对的面为sc3，其面积较小的底面为sc4。
41.相位延迟片3的sa1面和直角梯形棱镜a2的斜面光胶或胶合成一体，相位延迟片3的sa2面和平行四边形棱镜1的sa3面光胶或胶合成一体。
42.平行四边形棱镜1的sb1和sb2面的夹角为45度，sb3和sb4面的夹角为45度。平行四边形棱镜1的sb1和sb4面镀有匹配激光波长的增透膜，平行四边形棱镜1的sb2面镀有匹配激光波长的高反膜或抛光不镀膜，平行四边形棱镜1的sb3面镀有匹配激光波长的pbs膜，pbs膜对s偏振光高反并对p偏振光高透。
43.其中，相位延迟片3的sa1和sa2面镀有匹配激光波长的增透膜，相位延迟片3的sa3和sa4面为切割面或磨砂面或抛光面。
44.其中，直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面的夹角为45度。直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面镀有匹配激光波长的增透膜，直角梯形棱镜a2的sc3和sc4面为切割面或磨砂面或抛光面。直角梯形棱镜a2还可以为等腰直角棱镜。
45.其中，平行四边形棱镜1的sb2和sb3面、相位延迟片3的sa1和sa2面、直角梯形棱镜a2的sc2面的尺寸相同。平行四边形棱镜1的sb1面、直角梯形棱镜a2的sc3面的尺寸相同。
46.其中，相位延迟片3对于沿垂直于其sa3面方向(如图4所示的箭头a方向)传输的激光的o光和e光之间的相位差等于π或π的奇数倍。相位延迟片3的光轴和s偏振方向成45度夹角，两者所构成的平面垂直于入射光线。
47.半导体激光器输出的经过快慢轴准直的s偏振激光束，其慢轴方向的光束投影的上下方向的尺寸为平行四边形棱镜1的sb1尺寸的两倍大小，光线1和光线6为光束的慢轴方向的边缘光线。光线1和光线3为能透过平行四边形棱镜1的sb1面的边缘光线，光线2为能透过平行四边形棱镜1的sb1面的典型光线。光线4和光线6为能透过直角梯形棱镜a2、相位延迟片3和平行四边形棱镜1的sb4面的边缘光线，光线5为能透过直角梯形棱镜a2、相位延迟
片3和平行四边形棱镜1的sb4面的典型光线。光线3和光线4之间的光被相位延迟片的sa3面散射。
48.以典型的s偏振光线2为例，从左到右射入平行四边形棱镜1，透过平行四边形棱镜1的sb1面后，被平行四边形棱镜1的sb2面反射后向上传输，射入到平行四边形棱镜1的sb3面的pbs膜后被反射，从左到右透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为s偏振的光线2。
49.以典型的s偏振光线5为例，从左到右射入直角梯形棱镜a2，分别透过直角梯形棱镜a2的s1和s2面后射入相位延迟片3，从左到右透过相位延迟片3后，其偏振方向旋转了90度，变为了p偏振光，p偏振光射入平行四边形棱镜1的s3面的pbs膜后被透射，从左到右透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为p偏振的光线5。
50.s偏振光线1、s偏振光线2和s偏振光线3组成的光束经过此装置后仍为s偏振光线1、s偏振光线2和s偏振光线3组成的s偏振光束输出；s偏振光线4、s偏振光线5和s偏振光线6组成的光束经过此装置后变为p偏振光线4、p偏振光线5和p偏振光线6组成的p偏振光束输出。s偏振光束和p偏振光束在空间上交叠在一起，合成一束光输出。
51.实施例2：
52.如图2，为本发明实施例2的一种提高半导体激光器光束质量的装置的结构示意图，其中，该装置包括：平行四边形棱镜1、直角梯形棱镜a2、相位延迟片3。
53.如图4、图5和图6，设相位延迟片中，面向直角梯形棱镜a2斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1成135度的面为sa3，与sa1成45度的面为sa4。设平行四边形棱镜中，面向直角梯形棱镜斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2；与sb3的夹角为135度的面为sb1；与sb3的夹角为45度的面为sb4。设直角梯形棱镜a中，其面积较大的底面为sc1，其斜面为sc2,其与斜面相对的面为sc3，其面积较小的底面为sc4。
54.平行四边形棱镜1的sb1、sb3和sb4面镀有匹配激光波长的增透膜，平行四边形棱镜1的sb2面镀有匹配激光波长的高反膜或抛光不镀膜。
55.相位延迟片3的sa1和sa2面镀有匹配激光波长的增透膜，相位延迟片3的sa3和sa4面为切割面或磨砂面或抛光面。
56.直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面的夹角为45度。直角梯形棱镜a2的sc1面镀有匹配激光波长的增透膜，直角梯形棱镜a2的sc2面镀有匹配激光波长的pbs膜，pbs膜对s偏振光高反并对p偏振光高透，直角梯形棱镜a2的sc3和sc4面为切割面或磨砂面或抛光面。
57.平行四边形棱镜1的sb2和sb3面、相位延迟片3的sa1和sa2面、直角梯形棱镜a2的sc2面的尺寸相同。平行四边形棱镜1的sb1面、直角梯形棱镜a2的sc3面的尺寸相同。
58.相位延迟片3对于平行于sa3面方向(如图4所示箭头b方向)传输的激光的o光和e光之间的相位差等于π或π的奇数倍。相位延迟片3的光轴和上下传播的光线的p偏振方向成45度夹角，两者所构成的平面垂直于上下传播的的光线。
59.相位延迟片3的sa1面和直角梯形棱镜a2的sc2面光胶或胶合成一体，相位延迟片3的sa2面和平行四边形棱镜1的sb3面光胶或胶合成一体，平行四边形棱镜1、相位延迟片3和直角梯形棱镜a2按从下到上顺序光胶或胶合成一体，构成直角梯形棱镜b。
60.半导体激光器输出的经过快慢轴准直的p偏振激光束，其慢轴方向的尺寸为平行四边形棱镜1的sb1尺寸的两倍大小，光线1和光线6为光束的慢轴方向的边缘光线。光线1和光线3为能透过平行四边形棱镜1的sb1面的边缘光线，光线2为能透过平行四边形棱镜1的
sb1面的典型光线。光线4和光线6为能透过直角梯形棱镜a2、相位延迟片3和平行四边形棱镜1的sb4面的边缘光线，光线5为能透过直角梯形棱镜a2、相位延迟片3和平行四边形棱镜1的sb4面的典型光线。光线3和光线4之间的光被相位延迟片的sa3面散射。
61.以典型的p偏振光线2为例，从左到右射入平行四边形棱镜1，透过平行四边形棱镜1的sb1面后，被平行四边形棱镜1的sb2面反射后向上传输，透过平行四边形棱镜1的sb3面后射入到相位延迟片3，透过相位延迟片3后变为s偏振光，s偏振光射入到直角梯形棱镜a2的sc2面的pbs膜，被反射后再次透过相位延迟片3，仍为s偏振光，透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为s偏振的光线2。
62.以典型的p偏振光线5为例，从左到右射入直角梯形棱镜a2，透过直角梯形棱镜a2的sc1面后射入到直角梯形棱镜a2的sc2面的pbs膜，被pbs膜透射后射入相位延迟片3，从左到右透过相位延迟片3后，仍为p偏振光，透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为p偏振的光线5。
63.p偏振光线1、p偏振光线2和p偏振光线3组成的光束经过此结构后变为s偏振光线1、s偏振光线2和s偏振光线3组成的s偏振光束输出；p偏振光线4、p偏振光线5和p偏振光线6组成的光束经过此结构后仍为p偏振光线4、p偏振光线5和p偏振光线6组成的p偏振光束输出。s偏振光束和p偏振光束在空间上交叠在一起，合成一束光输出。
64.实施例3：
65.如图3，为本发明实施例3的一种提高半导体激光器光束质量的装置的结构示意图，其中，该装置包括：平行四边形棱镜1、直角梯形棱镜a2、相位延迟片3。直角梯形棱镜a2的sc2面和平行四边形棱镜1的sb3面光胶或胶合成一体，相位延迟片3的sa1面和平行四边形棱镜1的sb2面光胶或胶合成一体，相位延迟片3、平行四边形棱镜1和直角梯形棱镜a2按从下到上顺序光胶或胶合成一体，构成直角梯形棱镜b。
66.如图4、图5和图6，设相位延迟片中，面向直角梯形棱镜a2斜面的面为sa1，与sa1相对的面为sa2；与sa1成135度的面为sa3，与sa1成45度的面为sa4。设平行四边形棱镜中，面向直角梯形棱镜斜面的面为sb3，与sb3平行的面为sb2；与sb3的夹角为135度的面为sb1；与sb3的夹角为45度的面为sb4。设直角梯形棱镜a中，其面积较大的底面为sc1，其斜面为sc2,其与斜面相对的面为sc3，其面积较小的底面为sc4。
67.平行四边形棱镜1的sb1和sb2面的夹角为45度，sb3和sb4面的夹角为45度。平行四边形棱镜1的sb1、sb2和sb4面镀有匹配激光波长的增透膜，平行四边形棱镜1的sb3面镀有匹配激光波长的pbs膜，pbs膜对s偏振光高反并对p偏振光高透。
68.其中，相位延迟片3的sa1面镀有匹配激光波长的增透膜，相位延迟片3的sa2面镀有匹配激光波长的高反膜，相位延迟片3的sa3和sa4面为切割面或磨砂面或抛光面。
69.其中，直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面的夹角为45度。直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面镀有匹配激光波长的增透膜，直角梯形棱镜a2的sc3和sc4面为切割面或磨砂面或抛光面。直角梯形棱镜a2还可以替换为等腰直角棱镜。
70.其中，平行四边形棱镜1的sb2和sb3面、相位延迟片3的sa1和sa2面、直角梯形棱镜a2的sc2面的尺寸相同。平行四边形棱镜1的sb1面、直角梯形棱镜a2的sc3面的尺寸相同。
71.其中，相位延迟片3对于平行于sa3面方向(如图4所示箭头b方向)传输的激光的o光和e光之间的相位差等于π或π的奇数倍。相位延迟片3的光轴和上下传播的光线的p偏振
方向成45度夹角，两者所构成的平面垂直于上下传播的的光线。
72.半导体激光器输出的经过快慢轴准直的p偏振激光束，其慢轴方向的尺寸被准直成平行四边形棱镜1的sb1尺寸的两倍大小，光线1和光线6为光束的慢轴方向的边缘光线。光线1和光线3为能透过平行四边形棱镜1的sb1面和相位延迟片3的边缘光线，光线2为能透过平行四边形棱镜1的sb1面和相位延迟片3的典型光线。光线4和光线6为能透过直角梯形棱镜a2和平行四边形棱镜1的sb4面的边缘光线，光线5为能透过直角梯形棱镜a2和平行四边形棱镜1的sb4面的典型光线。光线3和光线4之间的光被相位延迟片3的sa4面散射。
73.以典型的p偏振光线2为例，从左到右射入平行四边形棱镜1，透过平行四边形棱镜1的sb1面后，被平行四边形棱镜1的sb2面透射后射入到相位延迟片3，p偏振光偏振方向保持不变地传输到相位延迟片3的sa2面，被相位延迟片3的sa2面反射后再次经过相位延迟片3，透过相位延迟片3后p偏振光变为了s偏振光，然后射入到平行四边形棱镜1的sb3面的pbs膜，被平行四边形棱镜1的sb3面反射后，从左到右透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为s偏振的光线2。
74.以典型的p偏振光线5为例，从左到右射入直角梯形棱镜a2，透过直角梯形棱镜a2的sc1和sc2面后射入平行四边形棱镜1的sb3面的pbs膜，被平行四边形棱镜1的sb3面的pbs膜透射后仍保持为p偏振光，p偏振光从左到右透过平行四边形棱镜1的sb4面后输出为p偏振的光线5。
75.p偏振光线1、p偏振光线2和p偏振光线3组成的光束经过此结构后变为s偏振光线1、s偏振光线2和s偏振光线3组成的s偏振光束输出；p偏振光线4、p偏振光线5和p偏振光线6组成的光束经过此结构后仍为p偏振光线4、p偏振光线5和p偏振光线6组成的p偏振光束输出。s偏振光束和p偏振光束在空间上交叠在一起，合成一束光输出。
76.以上的实施例仅用于说明本发明的技术思想及特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够理解本发明的内容并据以实施，不能仅以本实施例来限定本发明的专利范围，即凡本发明所揭示的精神所作的同等变化或修饰，仍落在本发明的专利范围内。