用半導體激光產生強照明的方法和系統的制作方法

專利名稱：用半導體激光產生強照明的方法和系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于半導體激光光泵的方法和系統，主要特點是產生高功率密度照明，用以產生高效率光泵激光或用細光纖傳輸高功率半導體激光。
用半導體激光光泵以產生激光(DPLDiode Pumped Lasers)已經發表過大量工作，例如由Y.Fan和D.F.Welch編的專題文集IEEE J.Quant.Electr，1992 QE—28，N.4.p.940—1160，和D.Hnghes，J.Phys.D25 1992，P.563—586，的綜述。已經注意到，為達到高效率時，光泵應有盡可能高的功率密度。但是實際上所有實驗中做到的光泵功率密度都離可能的極限值很遠。我們下面將論證此極限值約為兆瓦/平方厘米，而現有實驗值低于10千瓦/平方厘米。與此相關的激光斜率效率差別很大，以半導體光泵Nd∶YAG為例由20％以下到接近60％，離極限值(約76％)還有相當距離，所以考慮照明功率密度極限值以及如何接近此極限是有意義的。
高功率密度照明對于用光纖傳輸半導體激光束也很重要，這將使細光纖能傳送高功率，使光纖能輸出高功率密度激光，這將有利于半導體激光作醫療等應用。
由光度學定律(王之江，光學設計理論基礎，科學出版社，1985，p.454—456)，照明功率密度E由光束亮度B及照明孔徑角U決定(設光闌為圓孔)E＝πBsin2U所以照明功率密度由光源亮度B所限制。半導體激光的亮度B大致如下表1所列其中LD指簡單的單個二極管，LDA1是十個間距10微米的LD形成的列陣器件，LDA2是將20個間距500微米的LDA1列陣形成的器件。由于列陣形成不發光的空間使平均亮度下降。
由此可見，用半導體激光形成兆瓦/平方厘米的功率密度是可能的，一般實驗中光泵功率密度遠低于此，是由于其發光面積的形狀特殊，使用的照明孔徑角U很小，或者在此孔徑角內并未充滿光束，或者被照面積內未充滿光束。
表1
照明孔徑角并不能任意加大，例如光纖僅能傳輸一定數值孔徑(NA)的光束，照明光束孔徑角應與之相等。再如作為光泵以產生激光，則在光泵吸收長度內的照明區域應與激光模體積一致，否則光泵是無效的，由此規定了照明區光管的形狀——包括孔徑角大小。由此可見照明問題也如波導聯接問題一樣，要考慮聯接處的模式匹配，在幾何光學范圍內的模式匹配也就是光管匹配。大家知道，光管由一端孔徑x和孔徑角u決定，如

圖1，乘積是一個不變量，拉格朗奇(Lagrange)不變量I
I＝nxu＝n′x′u′.式中n是介質折射率，圖中光管的一個截面由光線AB，AD，CB，CD所定，A′、B′、C′、D′分別是A，B，C，D的象，光管A′、B′、C′、D′是光管A，B，C，D的象，適當選擇光學系統時，光管一端的孔徑x可以被任意放大或縮小，成為予定值x′，但由Lagrange不變量，角u′一定同時變化。圖2表示二個光管，其x，u，I都相同，但一個光管較短，另一個較長。光束結構也有所不同。一般而言光管長度是可變的，若模式匹配不單要求光管一端有予定尺寸(倍率)，而且要求光管一端在予定位置(光管有予定長度)，這種光學系統的設計要難些。但也是能夠做到的，一般而言，采用場鏡后就可以達到這個要求。場鏡處于光管的一端，選擇場鏡的焦距值，即可使光管的另一端成象于予定位置。在圖2中在位置與x重合的場鏡可以不改變x和u的大小，但可使角V變為v′同時改變y為y′(vy＝v′y′)。
用光管描述半導體激光束時，光管的一端即表面發光區，光管另一端則在無限遠(光束中心線與發光表面垂直)。
由于半導體激光的發光區常呈線狀或細長的長方形，經過變形光學系統成象后，可以變為方形或予定的長方形，但難以變為任意形狀，所以照明一個圓形目標時可以象圖3所示的種種方式，雖然各有利弊，但都可算是充分照明或光束充滿了這個圓形面積。這也反映光管匹配中的損耗有些是不能避免的。
表1中也列出了半導體激光束在二個截面中的拉格朗奇不變量Ix，Iy之值，由于Ix，Iy在傳輸中的不變性，它的大小已決定了模式匹配的可能性。例如光泵固體激光的模體積所定的I值若小于LDA2的Iy＝1700，則不可能用簡單的光學系統把LDA2的光束完全射入振蕩模體積內，反之，如I＞Ix，則在x截面內可以將多個LDA2發出的光束都射入振蕩模體積內。
由于LDA2發光區太長，Iy過大，它的光束難以完全進入振蕩模體積內，H.Zbin den等(Opt.Lett.1990，V.15，p.1014)建議用光纖列陣將列陣激光束引出，然后排列光纖在圓形內輸出。但他所用光纖的I值(拉格朗奇不變量)遠大于激光二極管(約0.68)，亦即二者模式不匹配，故輸出端亮度已大大下降，再加光纖損耗，故效率不高。
也可以用微透鏡(或微柱透鏡)列陣，將LDA2的發光區列陣一一成象于一點，而且同時使光管成為是充滿光束的。這就是說，用微透鏡列陣可以將不充滿光線的光管轉變為I值較小的充滿光線的光管。S.Yamaguchi(IEEE J.Quant.Electr，1992，V.28.p.1101)已采用了列陣微透鏡，但他未考慮模式匹配，也未能使光管內充滿光線，因此達到的照明功率密度仍然不高。
本發明的目的就是提供一種用半導體激光器產生強照明的光學系統，以實現高效率光泵激光，或用細光纖傳輸高功率半導體激光。
本發明以用于半導體激光器產生強照明的系統由被照明目標、光源即多個半導體激光器和光學系統組成被照明目標，具有一定形狀的被照明面積，容許一定大小的照明孔徑角Ua、Ub，它在二個截而內的拉格朗奇不變量有定值Ia、Ib，并從而確定要求的照明光束光管；光源——多個半導體激光器，它們各有一定的發光面積和發散角，在兩個截面內的拉格朗奇不變量是Ix、Iy；
光學系統，它把半導體激光光管的一端成象在被照明目標上，象的大小充滿被照明面積。組合多個帶有這種光學系統的半導體激光器，使孔徑角Ua、Ub被半導體激光束充滿，從而使光源和被照明目標的拉格朗奇不變量相匹配，并用場鏡使光管完全匹配。
在上述系統中，在兩個截而內可以組合使用的同類型半導體激光器數量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整數部分決定。當然，所使用的半導體激光器的數量可以少小上述比值，此時孔徑角Ua、Ub不完全充滿光束。
上述光學系統可以用透鏡和反射鏡組成；為在二個截面有很不相同的倍率，這種光學系統中最簡單的情況是由二個母線正交的柱透鏡組成，它們分別在兩個截面內將半導體激光光管成象，使光管一端象的位置與所說的被照明目標重合，分別選定二個成象倍率，使象的尺寸恰好充滿被照明面積。
對于光源是內部具有列陣結構的半導體激光器，還可以在光學系統中采用微透鏡列陣，列陣微透鏡的焦距f、孔徑l滿足f＝d＝l/2·tan(u/2)其中l也是激光列陣間距，u是激光發散角，d是列陣微透鏡與半導體激光器的間距，列陣微透鏡與列陣激光器數量相等。采用微透鏡(或微柱透鏡)列陣后，使光管充滿光線，并使此半導體激光束的拉格朗奇不變量I變小。
所說的被照明目標，可以是光纖的端而，也可以是激光介質，對激光介質而言，其尺寸應與振蕩模體積相符，從而使照明光束限于振蕩模體積內，不散開逸出。
下面結合附圖對本發明及其實施例作進一步說明。
圖1光管成象光路圖；圖2具有不同長度和形狀的光管圖；圖3充分照明示意圖；圖4單個半導體激光器，光纖和兩個柱透鏡組成的光學系統光路結構示意圖，實施例1；圖5實施例2光學系統光路結構示意圖；圖6實施例4的光學系統光路結構示意圖；圖7實施例5的光學系統光路示意圖。
圖8實施例7用場境使光管與振模體積匹配的光圖示意圖實施例1用光纖傳輸半導體激光，或用半導體激光光泵光纖激光器。
若光纖OF直徑1微米，相對孔徑NA0.35，則I＝0.7×10-4恰與半導體激光器LD的Ix＝Iy相當，用圖4所示的二個柱透鏡即可將LD發出的激光完全耦合進入光纖。柱透鏡CL1在x截面由將LD發光區1∶1成象，柱透鏡CL2則在y截面內將LD發光區成出4∶1的象，所以LD成象光斑是1微米×1微米發散角40°×40°。故光纖直徑1.4微米才能把光斑完全容納。這里只決定了二個柱透鏡的倍率，透鏡的焦距可以由予定的LD到OF間距L而算出。計算公式如下 公式中a為半導體激光器發光面到透鏡的距離，b為被照明目標到透鏡的距離，f為透鏡的焦距，M為透鏡的放大倍率。這里設透鏡是薄透鏡，實際上透鏡有一定厚度，而且為校正象差以保證光束質量，透鏡須作仔細設計校正。
實施例2光纖直徑6微米，相對孔徑NA0.35，由于I＞0.7×10-4，可以將多個LD發出的光都耦合進入光纖。由于光纖在二個截面的I值都比Ix＝Iy＝0.7×10-4大四倍，可以容納4×4＝16個LD激光束。具體結構如圖5，柱透鏡CL3在x截面內將LD成1∶4的象，象在此截面內尺寸是4微米，發散角則為10°，這就可以組合四個LD形成總張角40°(NA0.35)；在y截面內則由柱透鏡CL4將LD成出1∶1的象，象尺寸也是4微米，張角10°，所以在y截而也可以組合四個LD形成張角40°，所以組合16個LD形成光斑尺寸4微米×4微米，張角40°×40°。由此可見直徑5.6微米NA0.35的光纖可以傳送800毫瓦半導體激光；或者說，直徑5.6微米長1厘米的摻釹釔鋁石榴石(Nd∶YAG光纖可以成為輸入800毫瓦的高效激光器。
和例1相同，柱透鏡焦距是任意的，可由予定的LD到OF間距及予定的倍率而算出。
實施例3直徑32微米，NA0.35的光纖傳輸10W半導體激光。
由于光纖的I＝22×10-4已大于LDA1的Iy，而且大于LDA1的Ix的20倍20Ix，所以可以在x截面組合20個LDA1輸入此光纖。仍然對每一個半導體激光器用二個柱透鏡成象，使象斑尺寸為20微米×25微米x截面放大20倍，y截而縮小4倍。此時x截而光束張角2°，y截面張角40°。在x截而將20個帶有相同光學系統的半導體激光組合，成為張角40°的光束。
由于LDA1在100微米的發光長度內并不到處發光，所以上述20微米×25微米，40°×40°的光管內并未完全充滿光束，但已可傳輸10瓦半導體激光。
實施例4將LDA1加列陣微柱透鏡，使發散角減小。
如前所述LDA1是由相距10微米的10個發光二極管LD所組成，為使光管內充滿光線，采用10個柱透鏡，每個孔徑為10微米，孔徑角10°，故焦距為57微米透鏡到LD表而距等于焦距，由于發光區寬4微米故經微透鏡后的發散角是4°，如圖6。所以LDA1經微柱透鏡列陣后成為發散角40°×4°，亮度10兆瓦/平方厘米/立體弧度，Ix＝0.68×10-4，Iy＝6.8×10-4的光束，可以用更細的光纖傳輸。
類似于例3，將圖6所示的y截面再經柱透鏡成象縮小10倍，在x截面則用另一柱透鏡放大10倍，則形成光斑尺寸10微米×10微米，發散角4°×40°的光束。將帶有這種光學系統的LDA1組合十個，可以在直徑15微米NA0.35的光纖內傳送5瓦半導體激光，這比例3的功率密度高一倍。
假若圖6所示的是列陣透鏡而非列陣柱透鏡，則LDA1經此微透鏡列陣后，成為發散角1°×4°發光尺寸(透鏡表而尺寸)40微米×100微米的光束，也達到相同的亮度改善。
實施例5用列陣微透鏡使LDA2的發散角變小。
例4已經表明如何用微柱透鏡列陣使光管內充滿光線，從而提高光束的亮度。其基本原則可表述為透鏡數與列陣激光器數相等；透鏡孔徑等于列陣激光間距l；列陣透鏡將列陣激光器成象于同一點(例3中象點在無限遠，這是特例，但也最易于實施)。微柱透鏡列陣與列陣激光間距為d應滿足
d＝l/2tan(u/2)u是激光發散角，如圖7。微柱透鏡焦距f≤d。
因此，采用f＝d＝2.87毫米，l＝0.5毫米的柱透鏡20個列陣置于LDA2之前，就可以將LDA2的激光束變成發光面積1微米×1厘米，發散角40°×2°，亮度4兆瓦/平方厘米/立體弧度，Ix＝0.68，Iy＝340的光束。
若再用例3中的更小微透鏡(20×10個)，將每個激光二極管成象，還可以把LDA2的亮度再提高2.5倍，達到10兆瓦/平方厘米/立體弧度。
實施例6輸入半導體激光達千瓦級的光泵結構。
當光泵功率數十瓦以至數千瓦時，采用0.5瓦輸出的LDA1數量太多，結構上不太方便；當采用LDA2時，由于Iy＝1700厘米—弧度，故當NA＝0.35時，激光棒直徑須大于3毫米。此時在y截面將LDA2縮小4倍成象，x截面則可放大2000倍成象，所以可以有2000個LDA2的光束在x截面組合輸入直徑3毫米的棒(二萬瓦)。
對氙燈光泵熱負載的實驗和理論表明(周峰等，物理學報1989，V.38 p.247)，激光介質能負載的光泵功率體密度與棒直徑(或平板厚度)平方成反比，直徑10毫米的YAG棒負載極限為103瓦/立方厘米(直徑1毫米為105瓦/立方厘米，0.1毫米時為107瓦/立方厘米)。
含Nd 1％的NdYAG吸收長度約為7毫米，所以上述光泵體密度已達4×105瓦/立方厘米，雖然半導體激光泵時熱效應會比氙燈小一個量級以上，但看來也接近光泵損傷。因此，高功率YAG激光介質的截面宜為薄板而非圓盤。例如2.5毫米×0.2毫米×10毫米，已可輸入LDA2激光束200束(2000瓦)并安全工作。采用微透鏡列陣改善的LDA2時，激光介質尺寸可更小。
實施例7用場鏡使光管與振蕩模體積匹配。
上述所有例子中都只使半導體激光形成了所須的照明孔徑角，一般而言，如圖2所示，光管一般是不匹配的，上述諸例中形成的光管一端是被照明表而，另一端則在所用透鏡列陣處；例如圖5，一端是OF表面，另一端則在CL3(或CL4，二截面在不同位置)。
圖8中CL3是列陣透鏡位置，OF是被照明表面位置，它是被照明光管的一端，要求被照明光管的另一端在OT處(例如OF和OT是一根激光棒的二端，或者OF和OT是振蕩模所定模體積)，可見一般而言照明光束將溢出激光棒，或不能完全進入模體積，在OF處放一個場鏡，其焦距f若滿足1l′=1f+1l]]>就可將CL3成象為OT，從而使光管相匹配。上式中，l′是OT到OF間距，l是CL3到OF的間距。
l和l′差別愈大，場鏡使光管匹配的必要性也愈大。一般而言由于半導體激光光束結構在二個截而很不相同，場鏡在二個截面要有不同焦距，但折衷地取同一值也是可能的。
綜上所述，本發明的特點如下1.照明的光學系統要考慮模式匹配問題，即拉格朗奇(Laglange)不變量(I值)在二個截面匹配，而且光管要匹配。
2.為將多個半導體激光束組合照明一個被照明目標，將每個激光束的光管一端成象充滿整個被照明而積并占有一定張角，多個激光束在各張角組合以充滿全張角。
3.對于內部具有列陣結構的半導體激光器可用列陣柱透鏡(或列陣透鏡)縮小發散角，從而提高光泵功率密度。
4.用半導體激光照明可以達到兆瓦/立方厘米的面功率密度，兆瓦/立方厘米的體功率密度。
5.照明容許一定的數值孔徑(NA)是默認光束在介質中將如光纖中那樣由內反射受限，否則光泵光束將在傳輸中擴大孔徑。因此激光介質尺寸應與其模體積相當，不宜過大。
6.此照明方式不僅適用于端面光泵，也適用于側面光泵。但用于側面光泵時，為使光泵充分吸收，直徑須大于吸收長度之半(一方鍍反射膜時)，因此激光介質一定體積甚大，從熱負載考慮，不適于高功率密度下工作。
權利要求
1.一種用半導體激光產生強照明的方法和系統，其系統包括1)被照明目標具有一定形狀的被照明面積，容許一定大小的照明孔徑角Ua、Ub，它在二個截面內的拉格朗奇不變量有定值Ia，Ib，從而確定所需的光束光管；2)光源——多個半導體激光器它們各具有一定的發光面積和發散角，在兩個截面內的拉格朗奇不變量是Ix，Iy；3)光學系統其特征在于所說的光學系統將半導體激光光管的一端成象在被照明目標上，象的大小充滿被照明面積；組合多個帶有所說的光學系統的半導體激光器，使孔徑角Ua，Ub被半導體激光束充滿，并用場鏡使光管匹配。
2.按照權利要求1的系統，其特征在于在兩個截面內可以組合使用的同類型半導體激光器數量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整數部分決定。
3.按照權利要求1的系統，其特征在于所說的光學系統由二個母線正交的柱透鏡組成，它們分別在二個截面內將半導體激光光管成象，使光管一端的位置與所說的被照明目標重合，并使象的尺寸恰好充滿被照明面積。
4.按照權利要求1或2的系統，其特征在于所說的半導體激光器是簡單的激光二極管。
5.按照權利要求1或2的系統，其特征在于所說的半導體激光器的內部具有列陣結構。
6.按照權利要求1或3的系統，其特征是所說的光學系統內具有微透鏡列陣，列陣微透鏡的焦距f、孔徑l滿足關系式f＝d＝l/2·tan(u/2)式中，l也就是激光器列陣間距，u是激光發散角，d是列陣微透鏡與半導體激光器的間距，列陣微透鏡數與列陣激光器數相等。
全文摘要
一種用半導體激光產生強照明的方法和系統。它由被照明目標，多個半導體激光器組成的光源和光學系統組成，其特點是所說的光學系統將各個半導體激光器光管的一端成像在被照明目標上，而且像的大小充滿被照明面積，組合多個帶有光學系統的半導體激光器，使要求被照明的孔徑角被半導體激光束充滿，并采用場鏡使光管匹配。
文檔編號H01S3/00GK1117125SQ9411228
公開日1996年2月21日 申請日期1994年8月27日 優先權日1993年9月7日
發明者王之江, 王穎 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所