一种半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法

1.本发明涉及一种基于光束旋转镜（beam twister，bts）的半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法，是一种完全新型的半导体激光单管外腔光束质量优化系统及优化方法，属于半导体激光技术领域。


背景技术：

2.近年来，国内外对于半导体激光各类技术的研究逐渐深入，半导体激光单管逐渐进入科研实验以及日常使用中。半导体激光单管相较于固体、光纤激光器拥有较小的体积、较稳定以及较长的使用寿命、较为广泛的波长输出范围以及较好的电光转换效率，因而逐渐开始在各领域如工业加工、医疗照明及先进通讯作为重要光源使用。但半导体激光单管存在单个激光单管输出功率较低、输出光斑光束质量较差等明显缺点，因此如何进一步优化半导体激光单管输出光束质量以及提高半导体激光单管合束输出功率成为目前亟待解决的重要研究问题。
3.半导体激光单管目前主流输出波段为红光、红外以及目前较为先进的蓝光和绿光。目前日本的日亚公司于2016年推出了输出功率能够分别达到5w和2w的蓝光与绿光半导体激光单管；国内苏州纳米所于2020年将蓝光半导体激光单管的最大输出功率成功提高至7.5w。由于目前来说单个半导体激光单管的输出功率仍然有限，因此主要通过空间合束技术进一步提高激光输出功率。空间合束技术的实现方法主要分为光纤捆绑或空间压缩后耦合进输出光纤，目前，德国的laserline公司以及美国的nuburu公司均通过对蓝光半导体激光单管空间合束实现了总输出功率超过3kw的蓝光输出，光参数积bpp超过100mm
•
mrad；国内的深圳联赢以及北京凯普林公司于2021年成功突破了1kw功率的蓝光空间合束输出，光参数积bpp约为30mm
•
mrad。
4.目前制约半导体激光单管空间合束的主要问题是：由于半导体激光单管内部外延材料问题，其内部发光区域呈长方形，且该区域长与宽相差较大，导致输出的光斑为椭圆形，即使经过准直镜经过较好的准直后，其光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差仍然较大，进而导致无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均需要耦合进较大纤径的光纤中输出，导致最终输出光束质量较差；且由于光斑在快轴与慢轴光束质量相差较大，使用光纤耦合方式或空间压缩方式进行空间合束时，无法将最大数量的半导体激光单管耦合进确定纤径尺寸的输出耦合光纤，导致最终输出功率无法进一步提高；当时用使用空间压缩的方式进行空间合束时，则需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，导致整个空间合束系统极为复杂精密且整个体积较大，导致成本较高、调光难度较大且稳定性较差。


技术实现要素：

5.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法，通过对整个装置中各构成模块精确设
计以及搭建装置精密调光完成整个外腔光束优化平台建立并进行后续合束应用，用以解决现有合束技术由于半导体激光单管内部外延材料问题，其内部发光区域呈长方形，且该区域长与宽相差较大，导致输出的光斑为椭圆形，即使经过准直镜经过较好的准直后，其光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差仍然较大，进而导致无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均需要耦合进较大纤径的光纤中输出，导致最终输出光束质量较差；且由于光斑在快轴与慢轴光束质量相差较大，使用光纤耦合方式或空间压缩方式进行空间合束时，无法将最大数量的半导体激光单管耦合进确定纤径尺寸的输出耦合光纤，导致最终输出功率无法进一步提高；当时用使用空间压缩的方式进行空间合束时，则需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，导致整个空间合束系统极为精密且整个体积较大，导致成本较高、调光难度较大且稳定性较差的实际问题。本发明相较于现有技术能够有效提升能够有效提升半导体激光单管输出光束质量、最终合束激光的光束质量、输出功率以及合束效率，并有效增加后续合束装置的稳定性，减小合束装置的整体尺寸、调光难度以及成本。
6.本发明的技术方案如下：一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其结构包括：半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜。
7.所述半导体激光单管由若干半导体材料通过外延生长得到的半导体激光芯片在通过特定的封装方式成型，其发光区域称为有源区，能够发出横截面光斑为椭圆形的拥有特定波长的半导体激光光束，该光束在快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）方向均具有特定的发散角。
8.所述快轴准直镜以及慢轴准直镜用于分别对半导体激光单管输出激光光束的快轴与慢轴方向进行准直，能够分别减小快慢轴方向上的光束发散角，使半导体激光光束能够变为近乎平行光出射。
9.所述光束分割棱镜用于通过光束分割棱镜的不同面将经过快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后的近乎于水平出射的半导体激光光束在慢轴方向上分割为若干条子光束，部分或全部子光束以不同方向出射至对应的全反射镜上。
10.光束分割棱镜两侧设有全反射镜，全反射镜用于将被分割后的若干条子光束分别反射并改变其光路使其入射到后续对应的光束旋转镜上，光束旋转镜用于将接受到的子光束沿光轴方向旋转90
°
（即光束的快轴方向与慢轴方向互换）后输出；由全反射镜输入光路的光束旋转镜，其输出光路上也设有全反射镜。
11.光束旋转镜输出光路上的全反射镜用于将若干经过快慢轴变换的子光束反射偏折光束后重新入射到另一个摆放位置位于光路最右端的光束分割棱镜的对应面上，光束经过最右端的光束分割棱镜的重新拼接为全新的光束输出。
12.优选的，所述半导体激光单管中的半导体激光芯片包括由gan、algan或inalgan等材料构成的单异质结、双异质结或量子阱结构，能够输出蓝光波段、绿光波段、红光波段以及红外波段等半导体激光。半导体激光芯片主要通过to、cs或f-mount等方式通过特定焊料焊接在散热热沉上，再连接电极并使用配套的外壳以及水冷结构装置通水冷却使半导体激光芯片能够稳定并长时间输出特定波段的激光。
13.优选的，由于半导体激光芯片输出的激光光束在快轴方向上的发散角大于慢轴方
向上的发散角，因此所述快轴准直镜的有效焦距较小，对于大发散角的快轴方向准直能力较强，所述慢轴准直镜的有效焦距较大，快轴准直镜的有效焦距小于慢轴准直镜的有效焦距，能够对发散角较小的慢轴方向光束进行准直，因此慢轴准直镜一般摆放在快轴准直镜后端。
14.进一步优选的，快轴准直镜焦距小于1.5mm，慢轴准直镜焦距通常大于5mm，甚至可以达到20mm以上。
15.优选的，所述光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其中梯形光束分割棱镜由透射材料制成，上底与下底面均为透射面，两腰面镀有全反射膜，光束由上底方向入射，光束慢轴方向最中间部分能够通过梯形光束分割棱镜的上底并从下底不改变光路方向直接出射（后面称为中心光束），光束慢轴方向两边部分则分别通过梯形光束分割棱镜的两腰面反射光束偏折90
°
分别以与中间光束垂直的相反方向出射，进而配合相应的棱镜尺寸设计以及摆放位置将准直后的激光光束分为相等的三部分输出；同理，三角形光束分割棱镜也由透射材料制成且为等腰直角三角形，其两腰面镀有全反射膜，因此在位置摆放合适的情况下可直接将准直后的激光光束分为相等的且方向相反的两部分输出。
16.优选的，光束分割棱镜的数量为至少两个且为偶数，光路前方的光束分割棱镜用于分割光束，光束后方对应的光束分割棱镜用于将分割的光束合并。
17.优选的，由于所述半导体激光单管输出的激光光束在最终完成拼接输出前需经过整个装置中的大量光学元件，因此，除半导体激光芯片单元前后腔面镀有特定反射率的反射膜，其他光学元件如快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜的透射面上均需镀有增透膜，保证最大的透过率，进而保证较小的损耗以及较大的输出功率，为后续合束应用提供保障。
18.一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，包括步骤如下：半导体激光单管发出的光束经过快轴准直镜、慢轴准直镜，射入光束分割棱镜，由光束分割棱镜将光束分割。
19.当光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜时，一个梯形光束分割棱镜将光束分为3条，由上底面与下底面透过的为中心光束，由两腰面反射为侧光束，中心光束射出至光束旋转镜，侧光束经过全反射镜的反射也分别射出至对应光路上的光束旋转镜，经过光束旋转镜的侧光束再次投射到全反射镜上并反射进入光路后方的梯形光束分割棱镜，经过光束旋转镜的中心光束也射入光路后方的梯形光束分割棱镜，由光路后方的梯形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束。
20.当光束分割棱镜为三角形光束分割棱镜时，一个三角形光束分割棱镜将光束分割为2条，2条子光束分别经过全反射镜、光束旋转镜、全反射镜射入光路后方的三角形光束分割棱镜，由光路后方的三角形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束。
21.合并后的光束输出至耦合透镜，再经过耦合光纤输出。
22.优选的，梯形光束分割棱镜能够将光束分割为3条，三角形光束分割棱镜能够将光束分割为2条，因此进一步设经过准直的半导体激光光束被分割为n条子光束，n≥ 2，且为自然数，且设装置在分割光束过程中梯形光束分割棱镜数量为n1，n1≥ 0，且为自然数，三角形光束分割棱镜数量为n2，n2≥ 0，且为自然数，n1与n2不同时为0，则总的被分割子光束数
量为：（1-1）由于所述半导体激光单管在快轴与慢轴方向初始发光尺寸与发散角不同，设半导体激光单管输出的激光光束快轴方向光参数积为bpp
快轴
；慢轴方向光参数积为bpp
慢轴
，设激光光束快轴方向光斑尺寸（直径）为ω
快轴
，剩余发散角（全角）为θ
快轴
；慢轴方向光斑尺寸为ω
慢轴
，剩余发散角为θ
慢轴
，经过所述快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后，再根据光参数积bpp不变原理，则经过准直后的半导体激光光束快轴和慢轴方向光参数积仍为bpp
快轴
与bpp
慢轴
且可表示为：（1-2）（1-3）所述半导体激光单管输出的经过准直的激光光束快轴bpp
快轴
一般远小于慢轴方向光参数积为bpp
慢轴
，这主要是由于半导体激光芯片本身限制所决定的，因此被分割后的总的子光束数量n与bpp
快轴
和bpp
慢轴
相差的倍数有着直接的关系。因此以尽可能使经过装置优化后的半导体激光光束能够在快轴与慢轴两方向较为均衡，通过调整n的数值使bpp
快轴
’ꢀ
≈bpp
慢轴’，本发明的最终达到的目的在于使光束快轴及慢轴光束质量较为均衡，即快轴方向光参数积bpp
快轴’与慢轴方向光参数积bpp
慢轴’较为接近，以此为目的通过计算可以得到具体将光束分为多少束子光束较为合适。即经过整形后的快轴方向光参数积bpp
快轴’与慢轴方向光参数积bpp
慢轴’较为接近（bpp
快轴
’ꢀ
≈bpp
慢轴’），且经过快慢轴方向变换且重新拼接的最终光束快轴与慢轴光参数积分别可表示为：（1-4）（1-5）因此被分割后的总的子光束数量n可由下述公式（1-6）确定：（1-6）值得注意的是，本式（1-6）所得出的被分割的总子光束数量仅为参考值，具体需要将经过准直的半导体激光光束分为多少子光束则需要根据实际的实验条件、实验精度、以及后续合束应用等装置的具体尺寸以及需要耦合的光纤纤径等实际情况再做确定。
23.进一步优选的，对所述半导体激光单管进行一次分割时，使用梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜最多可将光束分为3条子光束，调整n的数值时，若想增加被分割的子光束数量，在一次分割为梯形光束分割棱镜的情况下，中心光束可直接继续叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，两边部分的侧光束则需要首先经过全反射镜对应反射光束偏折使侧光束重新与中心光束平行后再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光
束分割棱镜；叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行。
24.在一次分割为三角形光束分割棱镜的情况下，则无中心光束情况，两个腰面将光束分割为反向的两条子光束，每条子光束经过全反射镜后光路互相平行，每条子光束的光路上均可以再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行，其步骤原理与上述梯形光束分割棱镜情况一致。以此类推，在此基础上后续通过继续叠加梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，进而达到所需要分割的子光束数量。值得注意的是，在分割光束过程中使用到的梯形光束分割棱镜数量为n1，三角形光束分割棱镜数量为n2，那么则需要完全对应数量的梯形光束分割棱镜以及三角形光束分割棱镜在后续重新拼接光束，即整个装置中梯形光束分割棱镜数量为2n1，三角形光束分割棱镜数量为2n2。因为前方光路有多少分割，后方光路就需要将多少分割再重新合束，前后两方为轴对称的分布。
25.进一步优选的，以使用梯形光束分割棱镜为一次分割棱镜为例，一次分割时使用梯形光束分割棱镜，若后续在中心光束上继续叠加了一个梯形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上也分别叠加一个梯形光束分割棱镜；若后续在中心光束上继续叠加了一个三角形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上分别叠加一个三角形光束分割棱镜，以此类推。
26.一次分割时使用三角形光束分割棱镜，后续在两侧子光束上叠加的光束分割棱镜为同种类，每一次叠加均为同种类，即光束分割棱镜需要在满足分割后的子光束完全相同的最终目的下进行叠加；就是说永远要保证每一束子光束都是等分的，然后按照这个规律以此类推。
27.优选的，除中心光束外其他被分割的光束均需要配备一个所述全反射镜使其光束偏折并与中心光束平行入射到所述光束旋转镜上，且后续均需搭配一个同样的全反射镜用来偏折光束并入射到所述光束分割棱镜进行光束重新拼接，因此可以得到，整个装置中全反射镜的数量为2
·
（3
·
n1+2
·n2-n1），而光束旋转镜的需要与子光束一一对应，因此其数量与子光束对应为3
·
n1+2
·
n2，即为n。
28.本发明的有益效果在于：1. 本发明能够提高优化半导体激光单管的光束质量并进一步提高后续应用合束输出的光束质量。首先，在半导体激光单管内部由于发光的有源区长度与宽度相差较大导致发光区域呈椭圆形，光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差较大，本装置通过对慢轴方向光斑的分割后首先将慢轴光束分割为光束质量较好的若干部分，之后通过光束旋转镜的旋转将若干慢轴方向光束变为快轴方向并通过重新拼接后实现慢轴方向变为原光束质量较好的快轴方向光束叠加，而快轴方向则仅剩光束质量较好的一部分被切割的原慢轴光斑，进而实现对于光斑的快慢轴光束质量的优化；进一步的，拥有更加优异及均衡的光束质量的半导体激光单管输出光束在后续无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均可以相应的耦合进较小纤径的光纤中输出，进一步提高了半导体激光单管在后续应用中总的合束输出光束质量。
29.2. 本发明能够有效提高半导体激光单管在后续总的合束输出功率以及合束效
率。上述创新点1所述经过本装置整形优化的半导体激光单管拥有在快慢轴方向上较为均衡的光束质量，因此在光纤耦合方式合束时，半导体激光单管首先可以被耦合进纤径较小的光纤中，进一步在后续可以将更多的半导体激光单管耦合进确定纤径的总输出光纤中，从而提高总的输出功率，进而提升了总的合束效率；在空间压缩方式合束时，由于参与合束的半导体激光单管光束质量已经经过优化，因此再经过空间压缩后，总的光斑排布光束质量也较为均匀，因此同样能够将更多的半导体激光单管耦合进确定纤径的总输出光纤中，从而提高总的输出功率，进而提升了总的合束效率。
30.3. 本发明能够有效增加后续合束装置的稳定性，减小合束装置的整体尺寸、调光难度以及成本。在使用空间压缩方式进行合束时，由于上述创新点1所述经过本装置整形优化的半导体激光单管拥有在快慢轴方向上较为均衡的光束质量，因此不再需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，这样能够很大程度上减小整个空间合束系统的复杂精密程度，进而减小整个后续合束装置体积、装配时的调光难度，并有效增加稳定性。
31.4. 本发明直接使用镀有反射膜的规则棱镜以及镀有增透膜的光束旋转镜即可完成光束质量优化，加工及调光难度较低。
附图说明
32.图1为本发明所提供的基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置整体装置及后续耦合光纤图；图2为本发明所提供的to封装半导体激光单管结构示意图；图3为本发明所提供的to封装半导体激光单管与配套的冷却装置装配图；图4为本发明所提供的梯形光束分割棱镜结构图；图5为本发明所提供的光束旋转镜（beam twister，bts）对通过的光斑作用效果示意图；图6为本发明所提供的整个光束质量优化过程初始光斑到最终输出光斑变化示意图。
33.图7为本发明所提供的经过优化后光束耦合进光纤后续应用示意图；图8为本发明所提供的梯形光束分割棱镜结构图；图9为本发明不同光束分割棱镜组合应用示意图。
34.上述图中所含数字编号对应光学元件如下：1为已准直的半导体激光单管；2为梯形光束分割棱镜；3为全反射镜；4为光束旋转镜；5为耦合透镜、6为耦合光纤。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
36.实施例1：一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其结构包括：半
导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜。
37.半导体激光单管由若干半导体材料通过外延生长得到的半导体激光芯片在通过特定的封装方式成型，其发光区域称为有源区，能够发出横截面光斑为椭圆形的拥有特定波长的半导体激光光束，该光束在快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）方向均具有特定的发散角。
38.快轴准直镜以及慢轴准直镜用于分别对半导体激光单管输出激光光束的快轴与慢轴方向进行准直，能够分别减小快慢轴方向上的光束发散角，使半导体激光光束能够变为近乎平行光出射；快轴准直镜的有效焦距小于慢轴准直镜的有效焦距，能够对发散角较小的慢轴方向光束进行准直，因此慢轴准直镜一般摆放在快轴准直镜后端，快轴准直镜焦距小于1.5mm，慢轴准直镜焦距通常大于5mm。
39.参照图1与图2，已准直的半导体激光单管1为nichia公司to封装的绿光525nm波段的半导体激光单管，其内部半导体激光芯片采用金属有机化学气相沉积(mocvd)技术制备了 gan基板，外延结构主要由n型alingan包层、n型ingan光波导层、ingan多量子阱、ingan光波导层、p型algan包层和p型gan接触层组成，且为了使p型接触层具有良好的接触特性，在脊的顶部沉积了p型铟锡氧化物(ito)电极并进行了退火。该绿光半导体激光芯片为to封装，首先通过焊料焊接在aln的过渡热沉上，之后将整个绿光半导体激光单管封装为如图2所示的外观结构，两引脚分别为已准直的半导体激光单管1的正极与负极。值得注意的是，本实施例使用的nichia公司的已准直的半导体激光单管1在to封装的内部已经使用非球面透镜对半导体激光芯片输出的绿光光束进行了快轴与慢轴的准直。
40.如图3所示，已准直的半导体激光单管1需要一个与之匹配的冷却底座装置，材料为黄铜。由于本to封装为直径为9mm的封装方式，因此本冷却底座装置上用于固定已准直的半导体激光单管1的圆形槽直径应为9.1mm左右，误差允许
±
0.03mm以内，且由图2可以看出本实施例已准直的半导体激光单管1在外圈上有矩形及三角形的缺口，因此在冷却底座装置圆形槽的内壁上也应在对应位置上相应增加矩形及三角形的凸起，便于在将已准直的半导体激光单管1放入圆形槽时进行定位且在安装完成后不易产生错位引起误差。将所述已准直的半导体激光单管1安装入冷却底座装置的圆形槽后使用183℃的焊接锡膏进行固定，之后将完成固化的所述已准直的半导体激光单管1与冷却底座装置通过m2螺丝及导热硅胶固定在水冷机连接的黄铜基座上，保证绿光525nm单管的稳定工作。
41.光束分割棱镜用于通过光束分割棱镜的不同面将经过快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后的近乎于水平出射的半导体激光光束在慢轴方向上分割为若干条子光束，部分或全部子光束以不同方向出射至对应的全反射镜上。
42.光束分割棱镜两侧设有全反射镜，全反射镜用于将被分割后的若干条子光束分别反射并改变其光路使其入射到后续对应的光束旋转镜上，光束旋转镜用于将接受到的子光束沿光轴方向旋转90
°
（即光束的快轴方向与慢轴方向互换）后输出；由全反射镜输入光路的光束旋转镜，其输出光路上也设有全反射镜。
43.光束旋转镜输出光路上的全反射镜用于将若干经过快慢轴变换的子光束反射偏折光束后重新入射到另一个摆放位置位于光路最右端的光束分割棱镜的对应面上，光束经过最右端的光束分割棱镜的重新拼接为全新的光束输出。
44.本实施例中，前方光路采用一个梯形光束分割棱镜，其中梯形光束分割棱镜由透
射材料制成，上底与下底面均为透射面，两腰面镀有全反射膜，光束由上底方向入射，光束慢轴方向最中间部分能够通过梯形光束分割棱镜的上底并从下底不改变光路方向直接出射（后面称为中心光束），光束慢轴方向两边部分则分别通过梯形光束分割棱镜的两腰面反射光束偏折90
°
分别以与中间光束垂直的相反方向出射，进而配合相应的棱镜尺寸设计以及摆放位置将准直后的激光光束分为相等的三部分输出。如图1所示。两个侧光束经过全反射镜后与中心光束互相平行，三个子光束均经过光束旋转镜，经过光束旋转镜后的侧光束经由全反射镜与经过光束旋转镜的中心光束在光路后方的梯形光束分割棱镜处汇集合束，中心光束从下底面射入上底面射出，后方光路与前方光路成轴对称状态。经由光路后方的提醒光束分割棱镜进行合束后，光束进入耦合透镜、耦合光纤进行后续应用。
45.实施例2：一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，光路前方的光束分割棱镜为一个，使用三角形光束分割棱镜，三角形光束分割棱镜也由透射材料制成且为等腰直角三角形，其两腰面镀有全反射膜，因此在位置摆放合适的情况下可直接将准直后的激光光束分为相等的且方向相反的两部分输出。两个子光束分别经由全反射镜反射后，呈相互平行状态，并都经过光束旋转镜，后经由全反射镜再次反射至光路后方的三角形光束分割棱镜，由光路后方的三角形光束分割棱镜进行合束，然后光束再进入耦合透镜、耦合光纤进行后续应用。
46.实施例3：一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其结构如实施例1所述，所不同的是，由于所述半导体激光单管输出的激光光束在最终完成拼接输出前需经过整个装置中的大量光学元件，因此，除半导体激光芯片单元前后腔面镀有特定反射率的反射膜，其他光学元件如快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜的透射面上均需镀有增透膜，保证最大的透过率，进而保证较小的损耗以及较大的输出功率，为后续合束应用提供保障。
47.实施例4：一种利用实施例1所述基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，包括步骤如下：半导体激光单管发出的光束经过快轴准直镜、慢轴准直镜，射入光束分割棱镜，由光束分割棱镜将光束分割。
48.当光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜时，一个梯形光束分割棱镜将光束分为3条，由上底面与下底面透过的为中心光束，由两腰面反射为侧光束，中心光束射出至光束旋转镜，侧光束经过全反射镜的反射也分别射出至对应光路上的光束旋转镜，经过光束旋转镜的侧光束再次投射到全反射镜上并反射进入光路后方的梯形光束分割棱镜，经过光束旋转镜的中心光束也射入光路后方的梯形光束分割棱镜，由光路后方的梯形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束。
49.当光束分割棱镜为三角形光束分割棱镜时，一个三角形光束分割棱镜将光束分割为2条，2条子光束分别经过全反射镜、光束旋转镜、全反射镜射入光路后方的三角形光束分割棱镜，由光路后方的三角形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束；合并后的光束输出至耦合透镜，再经过耦合光纤输出。
50.梯形光束分割棱镜能够将光束分割为3条，三角形光束分割棱镜能够将光束分割为2条，因此进一步设经过准直的半导体激光光束被分割为n条子光束，n≥ 2，且为自然数，且设装置在分割光束过程中梯形光束分割棱镜数量为n1，n1≥ 0，且为自然数，三角形光束分割棱镜数量为n2，n2≥ 0，且为自然数，n1与n2不同时为0，则总的被分割子光束数量为：（1-1）由于所述半导体激光单管在快轴与慢轴方向初始发光尺寸与发散角不同，设半导体激光单管输出的激光光束快轴方向光参数积为bpp
快轴
；慢轴方向光参数积为bpp
慢轴
，设激光光束快轴方向光斑尺寸（直径）为ω
快轴
，剩余发散角（全角）为θ
快轴
；慢轴方向光斑尺寸为ω
慢轴
，剩余发散角为θ
慢轴
，经过所述快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后，再根据光参数积bpp不变原理，则经过准直后的半导体激光光束快轴和慢轴方向光参数积仍为bpp
快轴
与bpp
慢轴
且可表示为：（1-2）（1-3）所述半导体激光单管输出的经过准直的激光光束快轴bpp
快轴
一般远小于慢轴方向光参数积为bpp
慢轴
，这主要是由于半导体激光芯片本身限制所决定的，因此被分割后的总的子光束数量n与bpp
快轴
和bpp
慢轴
相差的倍数有着直接的关系。因此以尽可能使经过装置优化后的半导体激光光束能够在快轴与慢轴两方向较为均衡，通过调整n的数值使bpp
快轴
’ꢀ
≈bpp
慢轴’，本发明的最终达到的目的在于使光束快轴及慢轴光束质量较为均衡，即快轴方向光参数积bpp
快轴’与慢轴方向光参数积bpp
慢轴’较为接近，以此为目的通过计算可以得到具体将光束分为多少束子光束较为合适。即经过整形后的快轴方向光参数积bpp
快轴’与慢轴方向光参数积bpp
慢轴’较为接近（bpp
快轴
’ꢀ
≈bpp
慢轴’），且经过快慢轴方向变换且重新拼接的最终光束快轴与慢轴光参数积分别可表示为：（1-4）（1-5）因此被分割后的总的子光束数量n可由下述公式（1-6）确定：（1-6）值得注意的是，本式（1-6）所得出的被分割的总子光束数量仅为参考值，具体需要将经过准直的半导体激光光束分为多少子光束则需要根据实际的实验条件、实验精度、以及后续合束应用等装置的具体尺寸以及需要耦合的光纤纤径等实际情况再做确定。
51.除中心光束外其他被分割的光束均需要配备一个所述全反射镜使其光束偏折并与中心光束平行入射到所述光束旋转镜上，且后续均需搭配一个同样的全反射镜用来偏折
光束并入射到所述光束分割棱镜进行光束重新拼接，因此可以得到，整个装置中全反射镜的数量为2
·
（3
·
n1+2
·n2-n1），而光束旋转镜的需要与子光束一一对应，因此其数量与子光束对应为3
·
n1+2
·
n2，即为n。
52.参照图1，经过准直的激光光束首先通过数量为n1（n1≥ 0，且为自然数）的梯形光束分割棱镜以及数量为n2（n2≥ 0，且为自然数）的三角形光束分割棱镜以及配套数量为3
·
n1+2
·n2-n1的全反射镜的光束偏折作用在慢轴方向被分割为数量为n的平行子光束，每条子光束的快轴光参数积仍为bpp
快轴
；而慢轴方向光参数积则变为bpp
慢轴
/n。
53.参照图1，数量为n的平行子光束经过与其匹配数量为n的光束旋转镜的旋转作用被旋转90
°
，每一条子光束的快轴与慢轴方向均发生了调换，即经过旋转后，子光束快轴方向光参数积变为bpp
慢轴
/n；慢轴方向光参数积变为bpp
快轴
。
54.参照图1，经过快慢轴调换的n条平行子光束再经过对应数量为3
·
n1+2
·n2-n1的全反射镜的光束偏折作用入射到与上述光束分割过程中数量相匹配的数量为n1（n1≥ 0，且为自然数）的梯形光束分割棱镜以及数量为n2（n2≥ 0，且为自然数）的三角形光束分割棱镜进行再次的光束重新拼接，进而得到一束经过光束质量优化的快轴方向光参数积为bpp
快轴’与慢轴方向光参数积为bpp
慢轴’的全新半导体激光光束。该优化后的激光光束通过耦合透镜的汇聚作用可以耦合进耦合光纤进而实现后续的合束应用。
55.参照图1、图2与图4，所述已准直的半导体激光单管输出的已准直的激光光束在快轴方向上的光斑尺寸为1.8mm左右，因此为了将光束分为三束相同的子光束，图4中所述梯形光束分割棱镜为梯形棱镜，其上底为0.6mm左右，两个腰镀有全反射膜，且角度与下底呈45
°
。值得注意的是，本实例中的梯形光束分割棱镜具体的玻璃材料使用，以及其它边的尺寸参数均需要在具体实施应用时设计确定，在本具体实施例中不需具体给出。
56.参照图1、图4与图5，所述已准直的半导体激光单管的初始输出其光束在快轴方向上光斑尺寸（直径）为1.5μm，发散角（全角）为46
°
；慢轴方向上光斑尺寸（直径）为100μm，发散角（全角）为9
°
。因此根据发明内容中式（1-2）与式（1-3）可以计算得到初始的光束快轴与慢轴光参数积bpp
快轴
和bpp
慢轴
分别为0.301mm
·
mrad和3.299mm
·
mrad。经过所述梯形光束分割棱镜被分为3条子光束后，每条子光束的快轴光参数积仍为0.301mm
·
mrad；而慢轴方向光参数积则变为1.099mm
·
mrad。每条子光束再经过其所对应的图1中所述全反射镜光束偏折和图5中所述光束旋转镜的旋转作用，新的子光束快轴方向光参数积变为1.099mm
·
mrad；慢轴方向光参数积变为0.301mm
·
mrad，实现了快轴与慢轴之间的调换。
57.参照图1、图5与图6，经过光束旋转的子光束，经过图1中所述全反射镜光束偏折以及所述梯形光束分割棱镜的重新拼接作用，最终完成了如图6所示的光束质量优化过程，由发明内容中式（1-4）与（1-5）可以进一步计算得到进过优化整形后的输出光束快轴方向光参数积bpp
快轴’变为1.099mm
·
mrad，而慢轴方向光参数积为bpp
慢轴’变为0.903mm
·
mrad，光束横截面光斑由长轴和短轴相差较大的椭圆形变为了较为均匀的近似于正方形的光斑。
58.参照图1、图6与图7，经过装置优化光束质量的拥有近似于矩形光斑的绿光525nm激光光束入射到所述耦合透镜中，选择适合绿光525nm激光光束的有效焦距以及通光孔径的耦合透镜可保证光束以最小的损耗耦合进所述耦合光纤中，并继续进行后续光纤耦合空间合束应用，预计实际能够耦合的耦合光纤纤径相较于现有不经过光束质量优化能够耦合的光纤纤径有明显减小。值得注意的是，实际情况下能够耦合的耦合光纤纤径具体值需要
实际实验中进行设计、计算与操作来确定，因此在本具体实施例中不需给出具体纤径。
59.实施例5：一种如实施例4所述基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，其步骤如实施例4所述，所不同的是，参照图1与图8，实施例4中设计使用的是梯形光束分割棱镜将光束分割为3条子光束，但通过上述计算可以得到实施例4对所述梯形光束分割棱镜的上底长度要求为0.6mm左右，对棱镜的加工精度要求较高，因此在实际实验时假如确实无法达到加工精度需求，也可看情况将所述梯形光束分割棱镜替换为图8中所示的三角形光束分割棱镜。值得注意的是，根据使用的半导体激光单管光源参数不同，也可视实际情况增加所述梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜的数量，但要遵循发明内容中所给的数量规定以及配套的所述全反射镜和光束旋转镜的数量规定。
60.实施例6：一种如实施例4所述基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，其步骤如实施例4所述，所不同的是，对所述半导体激光单管进行一次分割时，使用梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜最多可将光束分为3条子光束，调整n的数值时，若想增加被分割的子光束数量，在一次分割为梯形光束分割棱镜的情况下，中心光束可直接继续叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，两边部分的侧光束则需要首先经过全反射镜对应反射光束偏折使侧光束重新与中心光束平行后再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜；叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行。
61.在一次分割为三角形光束分割棱镜的情况下，则无中心光束情况，两个腰面将光束分割为反向的两条子光束，每条子光束经过全反射镜后光路互相平行，每条子光束的光路上均可以再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行，其步骤原理与上述梯形光束分割棱镜情况一致。以此类推，在此基础上后续通过继续叠加梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，进而达到所需要分割的子光束数量。值得注意的是，在分割光束过程中使用到的梯形光束分割棱镜数量为n1，三角形光束分割棱镜数量为n2，那么则需要完全对应数量的梯形光束分割棱镜以及三角形光束分割棱镜在后续重新拼接光束，即整个装置中梯形光束分割棱镜数量为2n1，三角形光束分割棱镜数量为2n2。因为前方光路有多少分割，后方光路就需要将多少分割再重新合束，前后两方为轴对称的分布。
62.以使用梯形光束分割棱镜为一次分割棱镜为例，一次分割时使用梯形光束分割棱镜，若后续在中心光束上继续叠加了一个梯形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上也分别叠加一个梯形光束分割棱镜；若后续在中心光束上继续叠加了一个三角形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上分别叠加一个三角形光束分割棱镜，以此类推，如图9所示，在前方光路，一次分割时使用梯形光束分割棱镜，二次叠加时，在一次分割的中心光束和两侧光束上均叠加三角形光束分割棱镜，叠加的光束分割棱镜无论是梯形还是三角形，均需要在叠加的分割棱镜两侧添加全反射镜，使叠加棱镜分割出的所有子光束均处于相互平行的状态，叠加完后形成最终的子光束为等分状态，均经过光束旋转镜，如图9所示，如此叠加后，形成6条子光束，在光路后方，光束分割棱镜和全反射镜的设
置与光路前方的设置镜像对称，经过光束旋转镜的子光束，两两分别经由全反射镜汇入三个三角形光束分割棱镜，形成3条光束，然后上下两条光束经由全反射镜与中间的光束汇入一个梯形光束分割棱镜，形成1条最终的光束，射入耦合透镜。
63.若一次分割时使用三角形光束分割棱镜，后续在两侧子光束上叠加的光束分割棱镜为同种类，每一次叠加均为同种类，即光束分割棱镜需要在满足分割后的子光束完全相同的最终目的下进行叠加；就是说永远要保证每一束子光束都是等分的，然后按照这个规律以此类推。
64.本发明能够适用于包含任意发光波段及封装方式的半导体激光单管的光束质量优化操作，在装置中元件尺寸及参数允许的情况下可以相应增加或减少所述参与光束质量优化的光学元件数量。进一步的，本发明装置中所有涉及采用的半导体激光单管光源及其他光学元件均可通过市售商品购买或通过现有技术开发构建。
65.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，其结构包括：半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜；所述半导体激光单管由若干半导体材料通过外延生长得到的半导体激光芯片在通过特定的封装方式成型，其发光区域称为有源区，发出横截面光斑为椭圆形的拥有特定波长的半导体激光光束，该光束在快轴与慢轴方向均具有特定的发散角；所述快轴准直镜以及慢轴准直镜用于分别对半导体激光单管输出激光光束的快轴与慢轴方向进行准直；所述光束分割棱镜用于通过光束分割棱镜的不同面将经过快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后的半导体激光光束在慢轴方向上分割为若干条子光束，部分或全部子光束以不同方向出射至对应的全反射镜上；光束分割棱镜两侧设有全反射镜，全反射镜用于将被分割后的若干条子光束分别反射并改变其光路使其入射到后续对应的光束旋转镜上，光束旋转镜用于将接受到的子光束沿光轴方向旋转90
°
后输出；由全反射镜输入光路的光束旋转镜，其输出光路上也设有全反射镜；光束旋转镜输出光路上的全反射镜用于将若干经过快慢轴变换的子光束反射偏折光束后重新入射到另一个摆放位置位于光路最右端的光束分割棱镜的对应面上，光束经过最右端的光束分割棱镜的重新拼接为全新的光束输出。2.根据权利要求1所述的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，所述半导体激光单管中的半导体激光芯片包括由gan、algan或inalgan材料构成的单异质结、双异质结或量子阱结构，半导体激光芯片通过to、cs或f-mount方式通过焊料焊接在散热热沉上，再连接电极并使用配套的外壳以及水冷结构装置通水冷却。3.根据权利要求1所述的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，快轴准直镜的有效焦距小于慢轴准直镜的有效焦距，慢轴准直镜摆放在快轴准直镜后端。4.根据权利要求1所述的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，所述光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其中梯形光束分割棱镜由透射材料制成，上底与下底面均为透射面，两腰面镀有全反射膜，光束由上底方向入射，光束慢轴方向最中间部分能够通过梯形光束分割棱镜的上底并从下底不改变光路方向直接出射，光束慢轴方向两边部分则分别通过梯形光束分割棱镜的两腰面反射光束偏折90
°
分别以与中间光束垂直的相反方向出射；同理，三角形光束分割棱镜也由透射材料制成且为等腰直角三角形，其两腰面镀有全反射膜。5.根据权利要求1所述的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，光束分割棱镜的数量为至少两个且为偶数，光路前方的光束分割棱镜用于分割光束，光束后方对应的光束分割棱镜用于将分割的光束合并。6.根据权利要求1所述的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其特征在于，除半导体激光芯片单元前后腔面镀有特定反射率的反射膜，其他光学元件如快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜的透射面上均需镀有增透膜。7.一种利用权利要求1-6任意一项权利要求所述半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，其特征在于，包括步骤如下：半导体激光单管发出的光束经过快轴准直镜、慢轴准直镜，射入光束分割棱镜，由光束
分割棱镜将光束分割；当光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜时，一个梯形光束分割棱镜将光束分为3条，由上底面与下底面透过的为中心光束，由两腰面反射为侧光束，中心光束射出至光束旋转镜，侧光束经过全反射镜的反射也分别射出至对应光路上的光束旋转镜，经过光束旋转镜的侧光束再次投射到全反射镜上并反射进入光路后方的梯形光束分割棱镜，经过光束旋转镜的中心光束也射入光路后方的梯形光束分割棱镜，由光路后方的梯形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束；当光束分割棱镜为三角形光束分割棱镜时，一个三角形光束分割棱镜将光束分割为2条，2条子光束分别经过全反射镜、光束旋转镜、全反射镜射入光路后方的三角形光束分割棱镜，由光路后方的三角形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束；合并后的光束输出至耦合透镜，再经过耦合光纤输出。8.根据权利要求7所述的优化方法，其特征在于，梯形光束分割棱镜将光束分割为3条，三角形光束分割棱镜将光束分割为2条，设经过准直的半导体激光光束被分割为n条子光束，n ≥ 2，且为自然数，且设装置在分割光束过程中梯形光束分割棱镜数量为n1，n1≥ 0，且为自然数，三角形光束分割棱镜数量为n2，n2≥ 0，且为自然数，n1与n2不同时为0，则总的被分割子光束数量为： （1-1）设半导体激光单管输出的激光光束快轴方向光参数积为bpp
快轴
；慢轴方向光参数积为bpp
慢轴
，设激光光束快轴方向光斑尺寸为ω
快轴
，剩余发散角为θ
快轴
；慢轴方向光斑尺寸为ω
慢轴
，剩余发散角为θ
慢轴
，经过所述快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后，则经过准直后的半导体激光光束快轴和慢轴方向光参数积仍为bpp
快轴
与bpp
慢轴
且可表示为：（1-2）（1-3）通过调整n的数值使bpp
快轴
’ꢀ
≈ bpp
慢轴’，经过快慢轴方向变换且重新拼接的最终光束快轴与慢轴光参数积分别表示为：（1-4）（1-5）因此被分割后的总的子光束数量n可由下述公式（1-6）确定：（1-6）整个装置中全反射镜的数量为2
·
（3
·
n1+2
·
n
2 ‑ꢀ
n1），而光束旋转镜的需要与子光束一一对应，因此其数量与子光束对应为3
·
n1+2
·
n2，即为n。9.根据权利要求8所述的优化方法，其特征在于，调整n的数值时，在一次分割为梯形光束分割棱镜的情况下，中心光束可直接继续叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割
棱镜，两边部分的侧光束则需要首先经过全反射镜对应反射光束偏折使侧光束重新与中心光束平行后再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜；叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行；在一次分割为三角形光束分割棱镜的情况下，则无中心光束情况，两个腰面将光束分割为反向的两条子光束，每条子光束经过全反射镜后光路互相平行，每条子光束的光路上均可以再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行，在此基础上后续通过叠加梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，进而达到所需要分割的子光束数量。10.根据权利要求9所述的优化方法，其特征在于，一次分割时使用梯形光束分割棱镜，若后续在中心光束上继续叠加了一个梯形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上也分别叠加一个梯形光束分割棱镜；若后续在中心光束上继续叠加了一个三角形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上分别叠加一个三角形光束分割棱镜；一次分割时使用三角形光束分割棱镜，后续在两侧子光束上叠加的光束分割棱镜为同种类。

技术总结
本发明公开了一种半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法，属于半导体激光技术领域，包括：沿光路依次放置的半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜、全反射镜、光束分割棱镜。光束分割棱镜起到光束分割及最后实现光斑的重新拼接作用；通过光束分割后光束旋转镜对每一路光束快轴与慢轴之间的转换以及后续的重新拼接，最终实现半导体激光单管外腔光束质量优化整形过程，并进入后续合束应用阶段。能够有效提升最终半导体激光单管后续应用合束激光的光束质量、输出功率以及合束效率，并有效增加后续合束装置的稳定性，减小合束装置的整体尺寸、调光难度以及成本。调光难度以及成本。调光难度以及成本。


技术研发人员：郑婉华 赵昺旭 张伟桥 周旭彦 张建心 董风鑫 孟令谦
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.08.03
技术公布日：2023/9/6