一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，可以得到均勻性好且能量密度高的激光光源。該裝置包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和合束系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述合束系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次平行等間距排布的N個(gè)平行六面棱鏡，并在半導(dǎo)體激光器堆疊高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱鏡有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣；其中上部側(cè)面與所述出光方向成45°夾角，下部側(cè)面與上部側(cè)面的夾角為135°。
【專利說明】一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專利屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，但是當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的推廣應(yīng)用受到其光束質(zhì)量的制約，所以提高半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量、亮度和功率為當(dāng)下重要的研究方向。激光合束技術(shù)近年來發(fā)展迅速，它是一個(gè)改善光束質(zhì)量、增加輸出功率、提高功率密度的過程。激光合束技術(shù)在激光加工和高功率光纖耦合產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用。
[0003]目前常用的激光合束方法有偏振合束，波長合束和空間合束。常見的偏振合束裝置由1/2玻片和偏振分光棱鏡(PBS)組成，一部分激光通過1/2玻片將偏振態(tài)由TE變?yōu)門M(或TM變?yōu)門E)，再與另一部分激光進(jìn)行合束。由于半導(dǎo)體激光器的激光光源偏振度約為90 %,若米用偏振合束，光能損失較大，僅適用于快軸方向的合束，且輸出光為混合偏振光，不能再次與其他光源進(jìn)行偏振合束；當(dāng)使用半導(dǎo)體激光疊陣作為光源時(shí)，輸出光斑仍保留bar與bar之間的發(fā)光死區(qū)，均勻度較差。波長合束是不同波長的激光進(jìn)行合束，但是在要求激光具有單一波長的場合無法應(yīng)用，使其在應(yīng)用領(lǐng)域具有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，可以得到均勻性好且能量密度高的激光光源，方案如下:
[0005]一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和合束系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述合束系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次平行等間距排布的N個(gè)平行六面棱鏡，并在半導(dǎo)體激光器堆疊高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱鏡有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣；其中上部側(cè)面與所述出光方向成45°夾角，下部側(cè)面與上部側(cè)面的夾角為135° ；
[0006]合束系統(tǒng)中平行六面棱鏡的個(gè)數(shù)N與半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)m滿足關(guān)系:
[0007]m為偶數(shù)，則N = $或者m為奇數(shù)，則N = —-1;
[0008]N個(gè)平行六面棱鏡厚度、高度均相等且滿足以下關(guān)系:
[0009]厚度滿足關(guān)系:d < a < w+d
[0010]高度滿足關(guān)系:h= (m-1) (w+d)
[0011]位置關(guān)系滿足以下坐標(biāo)關(guān)系:以第一片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端為原點(diǎn)
O,則第N片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端M點(diǎn)的坐標(biāo)值滿足
[0012]y = (N-1) (w+d)[0013]x≥a
[0014]其中，m為半導(dǎo)體激光器疊陣中半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)，N為平行六面棱鏡個(gè)數(shù)，w為相鄰半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光束間距，d為半導(dǎo)體激光器單元發(fā)出的激光光束直徑，a為每個(gè)平行六面棱鏡的厚度，h為每個(gè)平行六面棱鏡的高度。
[0015]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0016]上述平行六面棱鏡的入射面和出射面鍍增透膜(即所述下部側(cè)面及與其平行側(cè)面鍍增透膜)。
[0017]上述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述的半導(dǎo)體激光器芯片為一個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0018]上述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直陣列，其中快軸準(zhǔn)直透鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直陣列為單陣列柱面透鏡。
[0019]上述N個(gè)平行六面棱鏡通過固定架固定，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
[0020]上述合束系統(tǒng)采用N個(gè)相同平行六面棱鏡的組合，N個(gè)平行六面棱鏡依次緊密貼合，并依次向上位移w+d，每片平行六面棱鏡的厚度為w+d;或者這樣的N個(gè)相同平行六面棱鏡的組合為一體件。
[0021]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0022]I)該激光合束裝置發(fā)出的激光光束具有單偏振特性，因此系統(tǒng)光能損失率低；
[0023]2)該激光合束裝置采用插空合束方法，且可以降低光積參BPP(發(fā)光面乘以發(fā)散角)，改善光束質(zhì)量，出射光斑的均勻度非常高，提高光束質(zhì)量，提高其輸出功率密度，使其更利于應(yīng)用。
[0024]3)本發(fā)明中的激光合束裝置可以同時(shí)適用于快慢軸；
[0025]4)加工簡單，全反射面不需要鍍膜即可實(shí)現(xiàn)全反射，制作成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置的示意圖。
[0027]圖2為半導(dǎo)體激光器疊陣的尺寸說明。
[0028]圖3為合束系統(tǒng)的尺寸說明。
[0029]圖4為合束系統(tǒng)的坐標(biāo)位置說明。
[0030]圖5為采用三個(gè)平行六面棱鏡組合的實(shí)施例示意圖。
[0031]附圖標(biāo)號說明:I為半導(dǎo)體激光器疊陣，2為快軸準(zhǔn)直透鏡，3為慢軸準(zhǔn)直陣列，4為準(zhǔn)直透鏡組，5為合束系統(tǒng)，6為平行六面棱鏡。
【具體實(shí)施方式】
[0032]下面結(jié)合實(shí)例和附圖對本發(fā)明的方案做進(jìn)一步說明。
[0033]圖1為結(jié)合本發(fā)明的一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，包括半導(dǎo)體激光器疊陣1、準(zhǔn)直透鏡組4和合束系統(tǒng)5組成。所述的半導(dǎo)體激光器疊陣I由4個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述的準(zhǔn)直透鏡組4放置于半導(dǎo)體激光器激光出射處，包括快軸準(zhǔn)直透鏡2和慢軸準(zhǔn)直陣列3，其中快軸準(zhǔn)直透鏡2可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直陣列3為單陣列柱面透鏡；所述合束系統(tǒng)5放置于準(zhǔn)直后的激光光束出射方向，由兩個(gè)個(gè)平行六面棱鏡4組成，兩個(gè)平行六面棱鏡4相互平行等間距放置，并且放置位置依次在豎直方向上有固定的向上位移。平行六面棱鏡4有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣1，上側(cè)面與激光光軸成45°夾角，另一側(cè)面為豎直放置且與上側(cè)面的夾角為135°，即可保證全反射的臨界角條件。半導(dǎo)體激光器疊陣發(fā)出的激光光束通過該合束裝置后，光束直徑為原直徑的一半，能量密度為入射光能量密度的2倍，降低了光積參BPP (發(fā)光面乘以發(fā)散角)的目的，可以提高光束質(zhì)量，提高其輸出功率密度，使其更利于應(yīng)用。
[0034]所述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直陣列，其中快軸準(zhǔn)直透鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直陣列為單陣列柱面透鏡。
[0035]如圖1-圖4所示，合束系統(tǒng)中平行六面棱鏡的個(gè)數(shù)為半導(dǎo)體激光器疊陣中巴條個(gè)數(shù)4的一半，且兩個(gè)平行六面棱鏡厚度相等，且高度彼此相等，滿足以下關(guān)系:
[0036]厚度滿足關(guān)系:d < a < w+d
[0037]高度滿足關(guān)系:h = 3 (w+d)
[0038]位置關(guān)系需滿足以下坐標(biāo)關(guān)系:以第一片平行六面棱鏡的上反射面的最下端為原點(diǎn)0，則第2片平行六面棱鏡的上反射面的最下端M點(diǎn)的坐標(biāo)值滿足
[0039]y = w+d
[0040]X ≥ a
[0041]其中，N為平行六面棱鏡個(gè)數(shù)，w為相鄰半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光束間距，d為半導(dǎo)體激光器單元發(fā)出的激光光束直徑，a為單片平行六面棱鏡厚度，h為單片平行六面棱鏡高度。
[0042]平行六面棱鏡的入射面和出射面最好加鍍增透膜。
[0043]兩個(gè)平行六面棱鏡可以通過固定架固定，固定架的材料可以為塑料，鋁，鋼或者銅。
[0044]圖5為本發(fā)明的一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置的一個(gè)優(yōu)化的實(shí)施例，合束系統(tǒng)采用三個(gè)平行六面棱鏡組合的方式，且棱鏡組合可以做成一體件。該裝置中的平行六面棱鏡在激光光束出射方向上相互緊密貼合，半導(dǎo)體激光器堆疊高度方向上依次等距離上移，上移距離為w+d，每片平行六面棱鏡的厚度為w+d。該合束系統(tǒng)大大縮小了裝置體積，且有效的壓縮的了發(fā)光面積，合束得到的光束質(zhì)量好，能量密度大。
【權(quán)利要求】
1.一種用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和合束系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述合束系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次平行等間距排布的N個(gè)平行六面棱鏡，并在半導(dǎo)體激光器堆疊高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱鏡有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣；其中上部側(cè)面與所述出光方向成45°夾角，下部側(cè)面與上部側(cè)面的夾角為135° ； 合束系統(tǒng)中平行六面棱鏡的個(gè)數(shù)N與半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)m滿足關(guān)系:
/iljyj m為偶數(shù)，則# = Y'或者m為奇數(shù),則N = y-Ι ； N個(gè)平行六面棱鏡厚度、高度均相等且滿足以下關(guān)系: 厚度滿足關(guān)系:d < a < w+d 高度滿足關(guān)系:h = (m-1) (w+d) 位置關(guān)系滿足以下坐標(biāo)關(guān)系:以第一片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端為原點(diǎn)O，則第N片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端M點(diǎn)的坐標(biāo)值滿足
y = (N-1) (w+d) x^a 其中，m為半導(dǎo)體激光器疊陣中半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)，N為平行六面棱鏡個(gè)數(shù)，w為相鄰半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光束間距，d為半導(dǎo)體激光器單元發(fā)出的激光光束直徑，a為每個(gè)平行六面棱鏡的厚度，h為每個(gè)平行六面棱鏡的高度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:所述平行六面棱鏡的入射面和出射面鍍增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述的半導(dǎo)體激光器芯片為一個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直陣列，其中快軸準(zhǔn)直透鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直陣列為單陣列柱面透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:所述N個(gè)平行六面棱鏡通過固定架固定，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高功率半導(dǎo)體激光器的合束裝置，其特征在于:所述合束系統(tǒng)采用N個(gè)相同平行六面棱鏡的組合，N個(gè)平行六面棱鏡依次緊密貼合，并依次向上位移w+d,每片平行六面棱鏡的厚度為w+d ； 或者這樣的N個(gè)相同平行六面棱鏡的組合為一體件。
【文檔編號】H01S5/40GK103944068SQ201410195899
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】蔡磊, 劉興勝, 楊凱, 王警衛(wèi) 申請人:西安炬光科技有限公司