空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體激光疊陣、第二半導(dǎo)體激光疊陣，第一半導(dǎo)體激光疊陣和第二半導(dǎo)體激光疊陣均由多個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成，該兩個疊陣包含的巴條數(shù)量相同；還包括第一快軸準(zhǔn)直透鏡組、第二快軸準(zhǔn)直透鏡組、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組、周期性空間耦合鏡、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦鏡；該系統(tǒng)中的兩路激光疊陣在空間上通過周期性空間耦合鏡疊加輸出高功率激光，光束準(zhǔn)直采用快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣來實現(xiàn)，保持高亮度和線偏振的特性，同時，加入了反饋光隔離系統(tǒng)保護(hù)內(nèi)部器件。有效解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器工藝的復(fù)雜性問題，輸出高功率的條形均勻光斑。
【專利說明】空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光由于亮度高、功率密度高、熱作用區(qū)域小，材料加工作用時間短、加工速度快、非接觸加工，無“刀具”磨損，無“切削力”作用于工件可對多種金屬、非金屬加工，特別是高硬度、高脆性及高熔點材料與數(shù)控系統(tǒng)配合組成激光加工中心，熱影響區(qū)小，工件變形小、后續(xù)加工量小生產(chǎn)效率高、加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，解決了許多常規(guī)方法無法解決的難題，大大提高了工作效率和加工質(zhì)量，目前，發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)已經(jīng)步入“光加工”時代。在激光加工業(yè)中，半導(dǎo)體激光器由于體積小、質(zhì)量輕、效率高、壽命長及性價比高而引起人們的廣泛重視。近年來工業(yè)用的半導(dǎo)體激光器的功率和效率的大大提高，使之在材料處理領(lǐng)域的應(yīng)用得到極大關(guān)注。
[0003]由于工業(yè)應(yīng)用激光器輸出功率不斷提高，而要得到高的激光輸出功率，垂直疊陣成為目前的首選結(jié)構(gòu)。垂直疊陣封裝的主要技術(shù)挑戰(zhàn)是光束質(zhì)量、光譜控制及偏振特性的控制問題，垂直疊陣半導(dǎo)體激光器各巴條之間產(chǎn)生的熱相互干擾、水流不均勻?qū)е掳蜅l的冷卻溫度不均勻都將導(dǎo)致巴條的波長漂移和光譜展寬。光束控制包括輸出光斑尺寸控制、光強(qiáng)密度均勻控制和光束傳輸方向控制，因此需要設(shè)計和安裝光束整形及疊加耦合系統(tǒng)，以保證高功率輸出、光束質(zhì)量及指向控制。
[0004]目前，為了得到高的激光輸出功率，通常將兩個半導(dǎo)體激光疊陣通過偏振耦合鏡疊加起來。在現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光疊陣通過偏振鏡耦合疊加的結(jié)構(gòu)中，通常將兩個半導(dǎo)體激光疊陣垂直放置，輸出光均為水平偏振，要實現(xiàn)偏振鏡稱合疊加，其中一路在光路中設(shè)有要放入1/2波片用于將該路激光偏振方向旋轉(zhuǎn)90度變?yōu)榇怪逼?，且兩個半導(dǎo)體激光疊陣的光路的交界面上安裝有一個偏振鏡用于將兩路激光通過偏振鏡耦合疊加。該偏振鏡的使用主要存在以下三個問題:1)該偏振鏡在光路中應(yīng)按布儒斯特角59.4°放置，但該角度在實際制作過程中不易控制，角度的微偏會使得能量損耗過大；2)該偏振鏡也可做成45度正入射，但這種角度下，其膜層設(shè)計比較復(fù)雜，工藝上很難實現(xiàn)，通常結(jié)果損耗比較大。3)輸出的光不是線偏振光，無法通過加入反饋保護(hù)系統(tǒng)對激光器內(nèi)部器件進(jìn)行有效保護(hù)。同時，在半導(dǎo)體激光疊陣光路上設(shè)置的O級1/2波片通常膠合安裝，高功率激光通過時易損壞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的在于，提供一種空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)中的兩路激光疊陣在空間上通過周期性空間耦合鏡疊加輸出高功率激光，光束準(zhǔn)直采用快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣來實現(xiàn)，保持高亮度和線偏振的特性，同時，加入了反饋光隔離系統(tǒng)保護(hù)內(nèi)部器件。有效解決了現(xiàn)有半導(dǎo)體激光器工藝的復(fù)雜性問題，輸出高功率的條形均勻光斑。[0006]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案予以解決:
[0007]—種空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體激光疊陣、第二半導(dǎo)體激光疊陣，所述第一半導(dǎo)體激光疊陣和第二半導(dǎo)體激光疊陣均由多個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成，且該兩個疊陣包含的半導(dǎo)體激光巴條數(shù)量相同；還包括第一快軸準(zhǔn)直透鏡組、第二快軸準(zhǔn)直透鏡組、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組、周期性空間耦合鏡、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦鏡；其中:
[0008]所述第一快軸準(zhǔn)直透鏡組和第二快軸準(zhǔn)直透鏡組均由與半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條個數(shù)相同的多個準(zhǔn)直透鏡組成；第一快軸準(zhǔn)直透鏡組的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第二快軸準(zhǔn)直透鏡組中準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組和第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組均由多個準(zhǔn)直透鏡列陣組成；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；
[0009]所述第一快軸準(zhǔn)直透鏡組中的每個準(zhǔn)直透鏡相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該準(zhǔn)直透鏡的焦距；第二快軸準(zhǔn)直透鏡組中的每個準(zhǔn)直透鏡與第二半導(dǎo)體激光疊陣中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為快軸準(zhǔn)直透鏡的焦距；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組的每個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣中對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距；第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組的每一個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第二半導(dǎo)體激光疊陣中相對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距；
[0010]所述第一半導(dǎo)體激光疊陣發(fā)出的光束依次經(jīng)第一快軸準(zhǔn)直透鏡組、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組在快、慢軸方向上進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第一平行光，第一平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；第二半導(dǎo)體激光疊陣發(fā)出的光束依次經(jīng)第二快軸準(zhǔn)直透鏡組、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組在快、慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第二平行光，第二平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；周期性空間耦合鏡所在面與第一平行光、第二平行光的夾角均為45°，第一平行光經(jīng)周期性空間耦合鏡全部透過，第二平行光以垂直于第一平行光的方向到達(dá)周期性空間耦合鏡，經(jīng)周期性空間耦合鏡進(jìn)行45°反射后，與通過周期性空間耦合鏡的第一平行光同向且相互疊加，疊加光束經(jīng)慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)調(diào)整慢軸擴(kuò)束倍數(shù)，最后經(jīng)聚焦透鏡聚焦后輸出。
[0011]本發(fā)明還包括如下其他技術(shù)特征:
[0012]所述周期性空間耦合鏡為周期性裝置，其一個周期內(nèi)的上面1/2周期為45°全透，下面1/2周期45°高反，其一個周期寬度與半導(dǎo)體激光巴條的間距相等。
[0013]所述周期性空間耦合鏡由二分之一巴條間距寬度的多個45°反射鏡按二分之一巴條間距排列并固定為一體而成，或采用一整塊45°反射鏡用激光沿水平方向刻蝕而成。
[0014]該系統(tǒng)還包括由偏振鏡、四分之一波片和擋光器組成的反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)，所述偏振鏡和四分之一波片設(shè)置在慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)和聚焦透鏡之間，偏振鏡與周期性空間耦合鏡平行設(shè)置，擋光器設(shè)置在偏振鏡的一側(cè)；經(jīng)慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)后的光束先到達(dá)偏振鏡，偏振鏡的水平偏振的光經(jīng)過四分之一波片偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，經(jīng)過加工工件表面反射回來后再次通過該四分之一波片偏振方向又旋轉(zhuǎn)45度，兩次通過該四分之一波片偏振方向工旋轉(zhuǎn)90度，即由水平偏振變成垂直偏振，再次到達(dá)偏振鏡后被高反至擋光器，擋光器將上述光束導(dǎo)出。
[0015]所述第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣中每個半導(dǎo)體激光巴條在快軸方向準(zhǔn)直后的光束尺寸為二分之一巴條間距，第二半導(dǎo)體激光疊陣在快軸方向上比第一半導(dǎo)體激光疊陣I高出二分之一巴條間距；周期性空間耦合鏡比第二半導(dǎo)體激光疊陣在快軸方向高出四分之一巴條間距，比第一半導(dǎo)體激光疊陣在快軸方向上高出四分之三巴條間距。
[0016]所述擋光器采用設(shè)有45度錐形凹面金屬塊，在其凹面上涂有黑色。
[0017]所述第一半導(dǎo)體激光疊陣和第二導(dǎo)體激光疊陣均采用由976nm、功率為120W的25個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成的3000瓦的疊陣。
[0018]與現(xiàn)有的半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)相比較，本發(fā)明的優(yōu)點如下:
[0019]1、采用兩個半導(dǎo)體激光疊陣作為光源，經(jīng)快慢軸方向的依次準(zhǔn)之后，通過周期性空間耦合鏡耦合空間疊加，保證了高功率線偏振輸出均勻光斑輸出，也使得加入反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)來避免激光器內(nèi)部遭受損壞變得可行。
[0020]2、由偏振鏡、四分之一波片和擋光器組成的反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)置使的系統(tǒng)工作安全穩(wěn)定，且能夠提高系統(tǒng)使用壽命。
[0021]3、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)加工需要的均勻可調(diào)的條形光斑。
[0022]4、聚焦透鏡的設(shè)置能夠?qū)崿F(xiàn)加工工件上激光功率密度可調(diào)。
[0023]5、結(jié)構(gòu)簡單緊湊，效率高，性能穩(wěn)定，易于安裝和調(diào)試。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1是本發(fā)明的空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖。
[0025]圖2是實施例中第一半導(dǎo)體激光疊陣或第二半導(dǎo)體激光疊陣的結(jié)構(gòu)示意圖，疊陣包括25條半導(dǎo)體激光巴條。
[0026]圖3是實施例中周期性空間耦合鏡的結(jié)構(gòu)示意圖，包括25個周期。
[0027]圖4是實施例中第一半導(dǎo)體激光疊陣、第二半導(dǎo)體激光疊陣和周期性空間耦合鏡在快軸方向上的空間分布示意圖。
[0028]圖5是由偏振鏡、四分之一波片和擋光器組成的反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)的原理圖。
[0029]以下結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明進(jìn)一步解釋說明。
【具體實施方式】
[0030]如圖1所示，本發(fā)明的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體激光疊陣1、第二半導(dǎo)體激光疊陣2、第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3、第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6、周期性空間耦合鏡7、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8、聚焦鏡9、偏振鏡11、四分之一波片12和擋光器13。
[0031]如圖2所示，第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2均由多個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成，且該兩個疊陣包含的半導(dǎo)體激光巴條數(shù)量相同；半導(dǎo)體激光巴條的波長和功率根據(jù)激光系統(tǒng)輸出需要確定。[0032]第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3和第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4均由多個準(zhǔn)直透鏡組成；第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣I中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同。第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4中準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣2中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同。第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5和第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6均由多個準(zhǔn)直透鏡列陣組成；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣I中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同。第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣2中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同。準(zhǔn)直透鏡為常規(guī)光學(xué)元件，可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
[0033]其中，第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3中的每個準(zhǔn)直透鏡相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣I中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該準(zhǔn)直透鏡的焦距；第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4中的每個準(zhǔn)直透鏡與第二半導(dǎo)體激光疊陣2中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為快軸準(zhǔn)直透鏡的焦距。從而獲得快軸方向均勻化的激光束輸出；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5的每個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣中對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距；第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6的每個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第二半導(dǎo)體激光疊陣中相對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距。
[0034]周期性空間耦合鏡7為本發(fā)明的關(guān)鍵部件，如圖3所示，周期性空間耦合鏡7的一個周期內(nèi)，上面1/2周期為45°全透，下面1/2周期45°高反，一個周期寬度與巴條間距相等。實際制作時，可采用二分之一巴條間距寬度的多個45°反射鏡按二分之一巴條間距排列并固定為一體，也可采用一整塊45°反射鏡用激光沿水平方向刻蝕形成，周期為巴條間距。
[0035]慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8為常規(guī)光學(xué)元件，目前供應(yīng)廠商比如美國的Thorlabs,德國的LIM0,中國的Dayoptics等,可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
[0036]聚焦鏡9、偏振鏡11、四分之一波片12均為常規(guī)光學(xué)元件，目前供應(yīng)廠商如美國的Thorlabs,德國的LIM0,中國的Dayoptics等,可根據(jù)需要進(jìn)行選擇。偏振鏡11與周期性空間耦合鏡7平行設(shè)置。
[0037]擋光器13設(shè)置在偏振鏡11的一側(cè)。
[0038]如圖1、圖4所示，第一半導(dǎo)體激光疊陣I發(fā)出的光束依次經(jīng)第一快軸準(zhǔn)直透鏡組
3、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5在快、慢軸方向上進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第一平行光，第一平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；第二半導(dǎo)體激光疊陣2發(fā)出的光束依次經(jīng)第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6在快、慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第二平行光，第二平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；第一平行光經(jīng)周期性空間耦合鏡7全部透過，第二平行光以垂直于第一平行光的方向到達(dá)周期性空間耦合鏡，經(jīng)周期性空間耦合鏡7進(jìn)行45°反射后，與通過周期性空間耦合鏡7的第一平行光同向且相互疊加，疊加光束經(jīng)慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8調(diào)整慢軸擴(kuò)束倍數(shù)；然后經(jīng)偏振鏡11后進(jìn)入四分之一波片12，最后經(jīng)聚焦透鏡9聚焦后輸出。
[0039]本發(fā)明的系統(tǒng)的各部件的作用如下:
[0040]第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2作為光源在空間上疊加，保證獲得滿足工業(yè)加工需要的高輸出功率。第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3和第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4分別對第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2的快軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5和第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6分別對第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2的慢軸光束進(jìn)行準(zhǔn)直，以獲得快、慢軸均勻化的激光束輸出。周期性空間耦合鏡7構(gòu)成第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2在空間上疊加耦合提高輸出功率，并保持高亮度和線偏振的特性。慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8可根據(jù)需要進(jìn)行焦距選擇，調(diào)整慢軸擴(kuò)束倍數(shù)以滿足對條形光斑長度的調(diào)節(jié)。聚焦透鏡9可根據(jù)需要進(jìn)行焦距選擇以滿足加工工件10對激光功率密度和銳利長度的要求。偏振鏡11、四分之一波片12和擋光器13構(gòu)成反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)(如圖5所示)，用于避免反饋光返回系統(tǒng)對系統(tǒng)造成傷害。其原理是:偏振鏡11是對水平偏振光高透、垂直偏振光高反的偏振耦合鏡。透過偏振鏡11的水平偏振的光經(jīng)過四分之一波片12偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，經(jīng)過加工工件表面反射回來后再次通過該四分之一波片12偏振方向又旋轉(zhuǎn)45度,兩次通過該四分之一波片12偏振方向工旋轉(zhuǎn)90度，由原來水平偏振變成垂直偏振，再次到達(dá)偏振鏡11后被高反至擋光器13，擋光器13將上述光束導(dǎo)出，以避免光束反射回原光路對激光器造成永久損害。
[0041]本發(fā)明的系統(tǒng)的工作原理:
[0042]如圖1、圖5所示，第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3和第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4分別對第一半導(dǎo)體激光疊陣1、第二半導(dǎo)體激光疊陣2進(jìn)行快軸和慢軸方向準(zhǔn)直，獲得快、慢軸光束質(zhì)量均勻化的激光束。每個半導(dǎo)體激光疊陣中的半導(dǎo)體激光巴條在快軸方向準(zhǔn)直后光束尺寸控制在巴條間距的一半，第一半導(dǎo)體激光疊陣1、第二半導(dǎo)體激光疊陣2上相對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條在快軸方向的空間距離為二分之一巴條，使得第一半導(dǎo)體激光疊陣I所有半導(dǎo)體激光巴條輸出的平行光束經(jīng)周期性空間耦合鏡7全部透過，而第二半導(dǎo)體激光疊陣2輸出的平行光束經(jīng)周期性空間耦合鏡7全部45°反射，透射光(第一平行光)和反射光(第二平行光)經(jīng)周期性空間耦合鏡7后空間疊加，實現(xiàn)高功率輸出，并保證了輸出光線偏振特性，使整個系統(tǒng)很方便加入反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)。從周期性空間耦合鏡7輸出的光束通過慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8，后向反饋光兩次經(jīng)過四分之一波片12后偏振方向改變90°入射到偏振鏡11，經(jīng)偏振鏡11反射至擋光器13，擋光器13上的錐形凹面涂黑，以避免反饋光返回對系統(tǒng)造成傷害；最后光束經(jīng)聚焦鏡9后聚焦到工件10的表面對其加工處理，聚焦透鏡9的后焦面與加工工件10表面重合。
[0043]以下是發(fā)明人給出的一個實施例。
[0044]實施例:
[0045]遵循本發(fā)明的技術(shù)方案，本實施例的空間疊加耦合高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體激光疊陣1、第二半導(dǎo)體激光疊陣2、第一快軸準(zhǔn)直透鏡組3、第二快軸準(zhǔn)直透鏡組4、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組5、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組6、周期性空間耦合鏡7、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8、聚焦鏡9、偏振鏡11、四分之一波片12和擋光器13。其中:
[0046]第一半導(dǎo)體激光疊陣1、第二導(dǎo)體激光疊陣2相同，它們均采用由976nm、功率為120W的25個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成的3000瓦的疊陣。第一半導(dǎo)體激光疊陣
1、第二導(dǎo)體激光疊陣2的總功率為6000瓦。如圖3所示，周期性空間耦合鏡7采用25個寬二分之一巴條間距的45°反射鏡按二分之一巴條間距在空間上排布疊加而成。擋光器13采用設(shè)有45度錐形凹面金屬塊，在其凹面上涂有黑色。
[0047]在第一半導(dǎo)體激光疊陣I的光路上依次設(shè)置第一快軸準(zhǔn)直透鏡3、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣5、周期性空間耦合鏡7、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8、偏振鏡11、四分之一波片12和聚焦鏡9 ；其中，第一快軸準(zhǔn)直透鏡3、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣5、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)8、聚焦鏡9和四分之一波片12均與第一半導(dǎo)體巴條激光陣列I所在面平行且同心設(shè)置；在第二半導(dǎo)體激光疊陣2的光路上依次設(shè)置第二快軸準(zhǔn)直透鏡4、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣6和周期性空間耦合鏡7。
[0048]第一半導(dǎo)體激光疊陣I輸出的光束在快軸和慢軸方向準(zhǔn)直后成為第一平行光，第二半導(dǎo)體激光疊陣2輸出的光束在快軸和慢軸方向準(zhǔn)直后成為第二平行光，第二平行光與第一平行光相垂直。周期性空間耦合鏡7所在面與第一平行光、第二平行光的夾角均為45°。第一平行光從周期性空間耦合鏡7全部通過，第二平行光到達(dá)周期性空間耦合鏡7的反射面。
[0049]如圖4所示，第一半導(dǎo)體激光疊陣I和第二半導(dǎo)體激光疊陣2中每個半導(dǎo)體激光巴條在快軸方向準(zhǔn)直后的光束尺寸為二分之一巴條間距，第二半導(dǎo)體激光疊陣2在快軸方向上比第一半導(dǎo)體激光疊陣I高出二分之一巴條間距；周期性空間耦合鏡7比第二半導(dǎo)體激光疊陣2在快軸方向高出四分之一巴條間距，比第一半導(dǎo)體激光疊陣I在快軸方向上高出四分之三巴條間距。這樣設(shè)計的目的:第一半導(dǎo)體激光疊陣I中每個半導(dǎo)體激光巴條準(zhǔn)直后的光束能夠透過周期性空間耦合鏡7，而第二半導(dǎo)體激光疊陣2每個巴條準(zhǔn)直后的光束剛好入射到周期性空間耦合鏡7上對應(yīng)的45°反射鏡上，從而與第一半導(dǎo)體激光疊陣I的第一平行光在空間上疊加輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，包括第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)、第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)，所述第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)和第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)均由多個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成，且該兩個疊陣包含的半導(dǎo)體激光巴條數(shù)量相同；其特征在于，還包括第一快軸準(zhǔn)直透鏡組(3)、第二快軸準(zhǔn)直透鏡組(4)、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(5)、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(6)、周期性空間耦合鏡(7)、慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)(8)、聚焦鏡(9);其中: 所述第一快軸準(zhǔn)直透鏡組(3)和第二快軸準(zhǔn)直透鏡組(4)均由與半導(dǎo)體激光疊陣中半導(dǎo)體激光巴條個數(shù)相同的多個準(zhǔn)直透鏡組成；第一快軸準(zhǔn)直透鏡組(3)中準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第二快軸準(zhǔn)直透鏡組(4)中準(zhǔn)直透鏡的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(5)和第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(6)均由多個準(zhǔn)直透鏡列陣組成；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(5)中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同；第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(6)中準(zhǔn)直透鏡列陣的數(shù)量與第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)中半導(dǎo)體激光巴條的數(shù)量相同； 所述第一快軸準(zhǔn)直透鏡組(3)中的每個準(zhǔn)直透鏡相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該準(zhǔn)直透鏡的焦距；第二快軸準(zhǔn)直透鏡組(4)中的每個準(zhǔn)直透鏡與第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)中對應(yīng)的半導(dǎo)體激光巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為快軸準(zhǔn)直透鏡的焦距；第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(5)的每個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第一半導(dǎo)體激光疊陣中對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距；第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(6)的每一個準(zhǔn)直透鏡列陣相對于第二半導(dǎo)體激光疊陣中相對應(yīng)的巴條平行且同心放置，且兩者之間的距離為該慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣的焦距； 所述第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)發(fā)出的光束依次經(jīng)第一快軸準(zhǔn)直透鏡組(3)、第一慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(5)在快、慢軸方向上進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第一平行光，第一平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)發(fā)出的光束依次經(jīng)第二快軸準(zhǔn)直透鏡組(4)、第二慢軸準(zhǔn)直透鏡列陣組(6 )在快、慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直后成為第二平行光，第二平行光中由每個半導(dǎo)體激光巴條發(fā)出的光束的尺寸為二分之一巴條間距；周期性空間耦合鏡(7)所在面與第一平行光、第二平行光的夾角均為45°，第一平行光經(jīng)周期性空間耦合鏡(7)全部透過，第二平行光以垂直于第一平行光的方向到達(dá)周期性空間耦合鏡，經(jīng)周期性空間耦合鏡(7)進(jìn)行45°反射后，與通過周期性空間耦合鏡(7)的第一平行光同向且相互疊加，疊加光束經(jīng)慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)(8)調(diào)整慢軸擴(kuò)束倍數(shù)，最后經(jīng)聚焦透鏡(9)聚焦后輸出。
2.如權(quán)利要求1所述的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性空間耦合鏡(7)為周期性裝置，其一個周期內(nèi)的上面1/2周期為45°全透，下面1/2周期45°高反，其一個周期寬度與半導(dǎo)體激光巴條的間距相等。
3.如權(quán)利要求2所述的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，所述周期性空間耦合鏡(7)由二分之一巴條間距寬度的多個45°反射鏡按二分之一巴條間距排列并固定為一體而成，或采用一整塊45°反射鏡用激光沿水平方向刻蝕而成。
4.如權(quán)利要求1所述的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，還包括由偏振鏡(11)、四分之一波片(12)和擋光器(13)組成的反饋光隔離保護(hù)系統(tǒng)，所述偏振鏡(11)和四分之一波片(12)設(shè)置在慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)(8)和聚焦透鏡(9)之間，偏振鏡(11)與周期性空間耦合鏡(7)平行設(shè)置，擋光器(13)設(shè)置在偏振鏡(11)的一側(cè)；經(jīng)慢軸擴(kuò)束系統(tǒng)(8)后的光束先到達(dá)偏振鏡(11)，偏振鏡(11)的水平偏振的光經(jīng)過四分之一波片(12)偏振方向旋轉(zhuǎn)45度，經(jīng)過加工工件表面反射回來后再次通過該四分之一波片(12)偏振方向又旋轉(zhuǎn)45度，兩次通過該四分之一波片(12)偏振方向工旋轉(zhuǎn)90度，即由水平偏振變成垂直偏振，再次到達(dá)偏振鏡(11)后被高反至擋光器(13)，擋光器(13)將上述光束導(dǎo)出。
5.如權(quán)利要求1所述的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)和第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)中每個半導(dǎo)體激光巴條在快軸方向準(zhǔn)直后的光束尺寸為二分之一巴條間距，第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)在快軸方向上比第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)高出二分之一巴條間距；周期性空間耦合鏡(7)比第二半導(dǎo)體激光疊陣(2)在快軸方向高出四分之一巴條間距，比第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)在快軸方向上高出四分之三巴條間距。
6.如權(quán)利要求1所述的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，所述擋光器(13)采用設(shè)有45度錐形凹面金屬塊，在其凹面上涂有黑色。
7.如權(quán)利要求1所述 的空間疊加高功率半導(dǎo)體激光疊陣系統(tǒng)，其特征在于，所述第一半導(dǎo)體激光疊陣(I)和第二導(dǎo)體激光疊陣(2)均采用由976nm、功率為120W的25個半導(dǎo)體激光巴條沿快軸方向疊加而成的3000瓦的疊陣。
【文檔編號】H01S5/40GK103579905SQ201310562384
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】王春, 白晉濤, 任兆玉, 馮曉強(qiáng), 曹勇, 王思原, 張伯陽 申請人:西北大學(xué)