用半导体激光产生强照明的方法和系统

1.一种用半导体激光产生强照明的系统，它包括：被照明目 标、光源以及两者之间的光学系统，其特征在于具体结构是：
1)被照明目标：具有一定形状的被照明面积，容许一定大小 的照明孔径角Ua、Ub，它在二个截面内的拉格朗奇不变量有定值 Ia，Ib，从而确定所需的光束光管；
2)光源——为多个半导体激光器：它们各具有一定的发光面 积和发散角，在两个截面内的拉格朗奇不变量是Ix，Iy；
3)光学系统：由二个母线正交的柱透镜组成，它们分别在二 个截面内将作为光源的半导体激光光管成象，使光管一端的位置 与所说的被照明目标重合，并使象的尺寸恰好充满被照明面积。
2.按照权利要求1的系统，其特征在于在两个截面内可以组 合使用的同类型半导体激光器数量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整数部 分决定。
3.按照权利要求1或2的系统，其特征在于所说的半导体激 光器是简单的激光二极管。
4.按照权利要求1或2的系统，其特征在于所说的半导体激 光器的内部具有列阵结构。
5.按照权利要求1的系统，其特征是所说的光学系统内具有 微透镜列阵，列阵微透镜的焦距f、孔径l满足关系式
    f＝d＝l/2·tan(u/2) 式中，l也就是激光器列阵间距，u是激光发散角，d是列阵微 透镜与半导体激光器的间距，列阵微透镜数与列阵激光器数相等。

本发明属于半导体激光光泵的方法和系统，主要特点是产生 高功率密度照明，用以产生高效率光泵激光或用细光纤传输高功 率半导体激光。\n用半导体激光光泵以产生激光(DPL：Diode Pumped Lasers) 已经发表过大量工作，例如由Y.Fan和D.F.Welch编的专题文 集：IEEE J.Quant.Electr，1992 QE-28，N.4.p.940-1160，和 D.Hnghes，J.Phys.D25 1992，P.563-586，的综述。已经注意到，为 达到高效率时，光泵应有尽可能高的功率密度。但是实际上所有 实验中做到的光泵功率密度都离可能的极限值很远。我们下面将 论证此极限值约为兆瓦/平方厘米，而现有实验值低于10千瓦/ 平方厘米。与此相关的激光斜率效率差别很大，以半导体光泵 Nd：YAG为例由20％以下到接近60％，离极限值(约76％)还有 相当距离，所以考虑照明功率密度极限值以及如何接近此极限是 有意义的。\n高功率密度照明对于用光纤传输半导体激光束也很重要，这 将使细光纤能传送高功率，使光纤能输出高功率密度激光，这将有 利于半导体激光作医疗等应用。\n由光度学定律(王之江，光学设计理论基础，科学出版社， 1985，p.454-456)，照明功率密度E由光束亮度B及照明孔径角 U决定(设光阑为圆孔)：\n        E＝πBsin2U 所以照明功率密度由光源亮度B所限制。半导体激光的亮度B 大致如下表1所列：其中LD指简单的单个二极管，LDA1是十个 间距10微米的LD形成的列阵器件，LDA2是将20个间距500 微米的LDA1列阵形成的器件。由于列阵形成不发光的空间使 平均亮度下降。\n由此可见，用半导体激光形成兆瓦/平方厘米的功率密度是 可能的，一般实验中光泵功率密度远低于此，是由于其发光面积的 形状特殊，使用的照明孔径角U很小，或者在此孔径角内并未充 满光束，或者被照面积内未充满光束。\n表1 激  光  名  称 LD  LDA1  LDA2 发光面积，x·y(μm) 1×4  1×100  1×10000 发散角，u·v 40°×10°  40°×10°  40°×10° 功率，(CW) 50mW  500mW  10W 亮度，(MW/cm2/sterad) 10  4  0.8 Ix(10-4cm·rad) 0.68  0.68  0.68 Iy(10-4cm·rad) 0.68  17  1700\n照明孔径角并不能任意加大，例如光纤仅能传输一定数值孔 径(NA)的光束，照明光束孔径角应与之相等。再如作为光泵以 产生激光，则在光泵吸收长度内的照明区域应与激光模体积一致， 否则光泵是无效的，由此规定了照明区光管的形状——包括孔径 角大小。由此可见照明问题也如波导联接问题一样，要考虑联接 处的模式匹配，在几何光学范围内的模式匹配也就是光管匹配。 大家知道，光管由一端孔径x和孔径角u决定，如图1，乘积是一 个不变量，拉格朗奇(Lagrange)不变量I：\nI＝nxu＝n′x′u′. 式中n是介质折射率，图中光管的一个截面由光线AB，AD，CB， CD所定，A′、B′、C′、D′分别是A，B，C，D的象，光管A′、B′、C′、 D′是光管A，B，C，D的象，适当选择光学系统时，光管一端的孔 径x可以被任意放大或缩小，成为予定值x′，但由Lagrange不变 量，角u′一定同时变化。图2表示二个光管，其x，u，I都相同，但 一个光管较短，另一个较长。光束结构也有所不同。一般而言光 管长度是可变的，若模式匹配不单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(光管有予定长度)，这种光学 系统的设计要难些。但也是能够做到的，一般而言，采用场镜后就 可以达到这个要求。场镜处于光管的一端，选择场镜的焦距值，即 可使光管的另一端成象于予定位置。在图2中在位置与x重合的 场镜可以不改变x和u的大小，但可使角v变为v′同时改变y为 y′(vy＝v′y′)。\n用光管描述半导体激光束时，光管的一端即表面发光区，光管 另一端则在无限远(光束中心线与发光表面垂直)。\n由于半导体激光的发光区常呈线状或细长的长方形，经过变 形光学系统成象后，可以变为方形或予定的长方形，但难以变为任 意形状，所以照明一个圆形目标时可以象图3所示的种种方式，虽 然各有利弊，但都可算是：充分照明或光束充满了这个圆形而积。 这也反映光管匹配中的损耗有些是不能避免的。\n表1中也列出了半导体激光束在二个截而中的拉格朗奇不变 量Ix，Iy之值，由于Ix，Iy在传输中的不变性，它的大小已决定了模 式匹配的可能性。例如光泵固体激光的模体积所定的I值若小于 LDA2的Iy＝1700，则不可能用简单的光学系统把LDA2的光束 完全射入振荡模体积内，反之，如I＞Ix，则在x截而内可以将多 个LDA2发出的光束都射入振荡模体积内。\n由于LDA2发光区太长，Iy过大，它的光束难以完全进入振 荡模体积内，H.Zbin den等(Opt.Lett.1990，V.15，p.1014)建 议用光纤列阵将列阵激光束引出，然后排列光纤在圆形内输出。 但他所用光纤的I值(拉格朗奇不变量)远大于激光二极管(约 0.68)，亦即二者模式不匹配，故输出端亮度已大大下降，再加光纤 损耗，故效率不高。\n也可以用微透镜(或微柱透镜)列阵，将LDA2的发光区列阵 一一成象于一点，而且同时使光管成为是充满光束的。这就是说， 用微透镜列阵可以将不充满光线的光管转变为I值较小的充满光 线的光管。S.Yamaguchi(IEEE J.Quant.Electr，1992， V.28.p.1101)已采用了列阵微透镜，但他未考虑模式匹配，也未能 使光管内充满光线，因此达到的照明功率密度仍然不高。\n本发明的目的就是提供一种用半导体激光器产生强照明的光 学系统，以实现高效率光泵激光，或用细光纤传输高功率半导体激 光。\n本发明以用于半导体激光器产生强照明的系统由被照明目 标、光源即多个半导体激光器和光学系统组成：\n被照明目标，具有一定形状的被照明面积，容许一定大小的照 明孔径角Ua、Ub，它在二个截而内的拉格朗奇不变量有定值Ia、 Ib，并从而确定要求的照明光束光管；\n光源——多个半导体激光器，它们各有一定的发光而积和发 散角，在两个截而内的拉格朗奇不变量是Ix、Iy；\n光学系统，它把半导体激光光管的一端成象在被照明目标上， 象的大小充满被照明而积。组合多个带有这种光学系统的半导体 激光器，使孔径角Ua、Ub被半导体激光束充满，从而使光源和被 照明目标的拉格朗奇不变量相匹配，并用场镜使光管完全匹配。\n在上述系统中，在两个截而内可以组合使用的同类型半导体 激光器数量由比值Ia/Ix，Ib/Iy的整数部分决定。当然，所使用 的半导体激光器的数量可以少小上述比值，此时孔径角Ua、Ub不 完全充满光束。\n上述光学系统可以用透镜和反射镜组成；为在二个截而有很 不相同的倍率，这种光学系统中最简单的情况是由二个母线正交 的柱透镜组成，它们分别在两个截面内将半导体激光光管成象，使 光管一端象的位置与所说的被照明目标重合，分别选定二个成象 倍率，使象的尺寸恰好充满被照明面积。\n对于光源是内部具有列阵结构的半导体激光器，还可以在光 学系统中采用微透镜列阵，列阵微透镜的焦距f、孔径l满足：\n    f＝d＝l/2·tan(u/2) 其中l也是激光列阵间距，u是激光发散角，d是列阵微透镜与半 导体激光器的间距，列阵微透镜与列阵激光器数量相等。采用微 透镜(或微柱透镜)列阵后，使光管充满光线，并使此半导体激光束 的拉格朗奇不变量I变小。\n所说的被照明目标，可以是光纤的端而，也可以是激光介质， 对激光介质而言，其尺寸应与振荡模体积相符，从而使照明光束限 于振荡模体积内，不散开逸出。\n下面结合附图对本发明及其实施例作进一步说明。\n图1光管成象光路图；\n图2具有不同长度和形状的光管图；\n图3充分照明示意图；\n图4单个半导体激光器，光纤和两个柱透镜组成的光学系统 光路结构示意图，实施例1；\n图5实施例2光学系统光路结构示意图；\n图6实施例4的光学系统光路结构示意图；\n图7实施例5的光学系统光路示意图。\n图8实施例7用场境使光管与振模体积匹配的光图示意图\n实施例1：用光纤传输半导体激光，或用半导体激光光泵光纤 激光器。\n若光纤OF直径1微米，相对孔径NA0.35，则I＝0.7×10-4 恰与半导体激光器LD的Ix＝Iy相当，用图4所示的二个柱透镜 即可将LD发出的激光完全耦合进入光纤。柱透镜CL1在x截 而由将LD发光区1∶1成象，柱透镜CL2则在y截而内将LD发 光区成出4∶1的象，所以LD成象光斑是1微米×1微米发散角 40°×40°。故光纤直径1.4微米才能把光斑完全容纳。这里只 决定了二个柱透镜的倍率，透镜的焦距可以由予定的LD到OF 间距L而算出。计算公式如下： 公式中a为半导体激光器发光而到透镜的距离，b为被照明目标 到透镜的距离，f为透镜的焦距，M为透镜的放大倍率。这里设 透镜是薄透镜，实际上透镜有一定厚度，而且为校正象差以保证光 束质量，透镜须作仔细设计校正。\n实施例2：光纤直径6微米，相对孔径NA0.35，由于I＞0.7 ×10-4，可以将多个LD发出的光都耦合进入光纤。由于光纤在 二个截面的I值都比Ix＝Iy＝0.7×10-4大四倍，可以容纳4× 4＝16个LD激光束。具体结构如图5，柱透镜CL3在x截而内 将LD成1∶4的象，象在此截而内尺寸是4微米，发散角则为 10°，这就可以组合四个LD形成总张角40°(NA0.35)；在y截 面内则由柱透镜CL4将LD成出1∶1的象，象尺寸也是4微米，张 角10°，所以在y截而也可以组合四个LD形成张角40°，所以 组合16个LD形成光斑尺寸4微米×4微米，张角40°×40°。 由此可见直径5.6微米NA0.35的光纤可以传送800毫瓦半导体 激光；或者说，直径5.6微米长1厘米的掺钕钇铝石榴石(Nd∶ YAG光纤可以成为输入800毫瓦的高效激光器。\n和例1相同，柱透镜焦距是任意的，可由予定的LD到OF间 距及予定的倍率而算出。\n实施例3：直径32微米，NA0.35的光纤传输10W半导体激 光。\n由于光纤的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截面组合20个LDA1 输入此光纤。仍然对每一个半导体激光器用二个柱透镜成象，使 象斑尺寸为20微米×25微米：x截而放大20倍，y截而缩小4 倍。此时x截而光束张角2°，y截而张角40°。在x截而将20 个带有相同光学系统的半导体激光组合，成为张角40°的光束。\n由于LDA1在100微米的发光长度内并不到处发光，所以上 述20微米×25微米，40°×40°的光管内并未完全充满光束，但 已可传输10瓦半导体激光。\n实施例4：将LDA1加列阵微柱透镜，使发散角减小。\n如前所述LDA1是由相距10微米的10个发光二极管LD 所组成，为使光管内充满光线，采用10个柱透镜，每个孔径为10 微米，孔径角10°，故焦距为57微米透镜到LD表面距等于焦 距，由于发光区宽4微米故经微透镜后的发散角是4°，如图6。 所以LDA1经微柱透镜列阵后成为发散角40°×4°，亮度10 兆瓦/平方厘米/立体弧度，Ix＝0.68×10-4，Iy＝6.8×10-4的光 束，可以用更细的光纤传输。\n类似于例3，将图6所示的y截面再经柱透镜成象缩小10 倍，在x截面则用另一柱透镜放大10倍，则形成光斑尺寸10微米 ×10微米，发散角4°×40°的光束。将带有这种光学系统的 LDA1组合十个，可以在直径15微米NA0.35的光纤内传送5 瓦半导体激光，这比例3的功率密度高一倍。\n假若图6所示的是列阵透镜而非列阵柱透镜，则LDA1经此 微透镜列阵后，成为发散角1°×4°发光尺寸(透镜表而尺寸)40 微米×100微米的光束，也达到相同的亮度改善。\n实施例5：用列阵微透镜使LDA2的发散角变小。\n例4已经表明如何用微柱透镜列阵使光管内充满光线，从而 提高光束的亮度。其基本原则可表述为：透镜数与列阵激光器数 相等；透镜孔径等于列阵激光间距l；列阵透镜将列阵激光器成象 于同一点(例3中象点在无限远，这是特例，但也最易于实施)。微 柱透镜列阵与列阵激光间距为d应满足：\n            d＝l/2tan(u/2) u是激光发散角，如图7。微柱透镜焦距f≤d。\n因此，采用f＝d＝2.87毫米，l＝0.5毫米的柱透镜20个列阵 置于LDA2之前，就可以将LDA2的激光束变成发光面积1微 米×1厘米，发散角40°×2°，亮度4兆瓦/平方厘米/立体弧 度，Ix＝0.68，Iy＝340的光束。\n若再用例3中的更小微透镜(20×10个)，将每个激光二极管 成象，还可以把LDA2的亮度再提高2.5倍，达到10兆瓦/平方 厘米/立体弧度。\n实施例6：输入半导体激光达千瓦级的光泵结构。\n当光泵功率数十瓦以至数千瓦时，采用0.5瓦输出的LDA1 数量太多，结构上不太方便；当采用LDA2时，由于Iy＝1700厘米 —弧度，故当NA＝0.35时，激光棒直径须大于3毫米。此时在y 截而将LDA2缩小4倍成象，x截面则可放大2000倍成象，所以 可以有2000个LDA2的光束在x截面组合输入直径3毫米的棒 (二万瓦)。\n对氙灯光泵热负载的实验和理论表明(周峰等，物理学报 1989，V.38 p.247)，激光介质能负载的光泵功率体密度与棒直径 (或平板厚度)平方成反比，直径10毫米的YAG棒负载极限为 103瓦/立方厘米(直径1毫米为105瓦/立方厘米，0.1毫米时为 10′瓦/立方厘米)。\n含Nd 1％的Nd∶YAG吸收长度约为7毫米，所以上述光泵 体密度已达4×105瓦/立方厘米，虽然半导体激光泵时热效应会 比氙灯小一个量级以上，但看来也接近光泵损伤。因此，高功率 YAG激光介质的截而宜为薄板而非圆盘。例如2.5毫米×0.2毫 米×10毫米，已可输入LDA2激光束200束(2000瓦)并安全工 作。采用微透镜列阵改善的LDA2时，激光介质尺寸可更小。\n实施例7：用场镜使光管与振荡模体积匹配。\n上述所有例子中都只使半导体激光形成了所须的照明孔径 角，一般而言，如图2所示，光管一般是不匹配的，上述诸例中形成 的光管一端是被照明表而，另一端则在所用透镜列阵处；例如图 5，一端是OF表而，另一端则在CL3(或CL4，二截面在不同位 置)。\n图8中CL3是列阵透镜位置，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处(例如OF和 OT是一根激光棒的二端，或者OF和OT是振荡模所定模体 积)，可见一般而言照明光束将溢出激光棒，或不能完全进入模体 积，在OF处放一个场镜，其焦距f若满足： $\frac{1}{l^{\prime }}=\frac{1}{f}+\frac{1}{l}$ 就可将CL3成象为OT，从而使光管相匹配。上式中l′是OT到 OF间距，l是CL3到OF的间距。\nl和l′差别愈大，场镜使光管匹配的必要性也愈大。一般而言 由于半导体激光光束结构在二个截而很不相同，场镜在二个截而 要有不同焦距，但折衷地取同一值也是可能的。\n综上所述，本发明的特点如下：\n1.照明的光学系统要考虑模式匹配问题，即拉格朗奇 (Laglange)不变量(I值)在二个截面匹配，而且光管要匹配。\n2.为将多个半导体激光束组合照明一个被照明目标，将每 个激光束的光管一端成象充满整个被照明而积并占有一定张角， 多个激光束在各张角组合以充满全张角。\n3.对于内部具有列阵结构的半导体激光器可用列阵柱透镜 (或列阵透镜)缩小发散角，从而提高光泵功率密度。\n4.用半导体激光照明可以达到兆瓦/立方厘米的而功率密 度，兆瓦/立方厘米的体功率密度。\n5.照明容许一定的数值孔径(NA)是默认光束在介质中将 如光纤中那样由内反射受限，否则光泵光束将在传输中扩大孔 径。因此激光介质尺寸应与其模体积相当，不宜过大。\n6.此照明方式不仅适用于端面光泵，也适用于侧面光泵。 但用于侧面光泵时，为使光泵充分吸收，直径须大于吸收长度之半 (一方镀反射膜时)，因此激光介质一定体积甚大，从热负载考虑， 不适于高功率密度下工作。