本發(fā)明涉及激光器領(lǐng)域，尤其是一種階梯型的半導(dǎo)體垂直疊陣激光陣列以及具有該激光陣列的激光合束裝置。

背景技術(shù)：

大功率二極管激光器陣列具有體積小、效率高、壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)加工中有著廣泛的應(yīng)用。通常通過堆疊多個巴條可提高半導(dǎo)體激光器的輸出功率，從而滿足對二極管激光器輸出功率的越來越高的要求。但受到散熱和巴條本身厚度的限制，堆疊多個巴條時兩個巴條之間的周期不能太小，一般在2mm左右，而對于最新的高輸出功率的巴條，這個周期甚至?xí)笥?mm。并且快軸準(zhǔn)直透鏡的高度也在1.5mm以上。同時，經(jīng)過快軸準(zhǔn)直鏡的準(zhǔn)直后的快軸方向的光束不會充滿整個快軸準(zhǔn)直鏡的高度，一般約占整個快軸準(zhǔn)直鏡高度的50％～75％。所以，由二極管激光器陣列構(gòu)成的垂直疊陣輸出的光束經(jīng)過快軸準(zhǔn)直透鏡后，中間有相當(dāng)多的空隙。

這種情況下可以采取適當(dāng)?shù)墓馐詈戏椒?即合束技術(shù))，將相鄰二極管激光器陣列的光束通過光學(xué)元件重新排列，減少中間的空隙，以提高垂直疊陣輸出光束的平均亮度。

目前對于半導(dǎo)體垂直疊陣激光器的合束技術(shù)常見的有偏振合束技術(shù)、波長合束技術(shù)和空間合束技術(shù)。

偏振合束技術(shù)，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的兩路激光組合在一起沿相同方向傳播，例如Serguei G.Anikitchev在美國專利US6,993,059 B2所介紹的，通過波片和偏振耦合棱鏡將疊陣的上半部分和下半部分的光束重疊輸出，通常偏振合束技術(shù)是將兩路偏振方向相互垂直的激光束或激光束組合相互合并，且總是于其它合束技術(shù)配合使用。

波長合束技術(shù)，將不同波長的激光束通過二向色鏡、光柵等光學(xué)元件組合在一起，能有效提高功率與亮度，是目前高功率直接半導(dǎo)體激光器發(fā)展的主要方向。然而無論是采用二向色鏡、體布拉格光柵還是衍射光柵，總是要受到光譜的限制，不同波長之間要求相互獨立，要保持足夠的波長間隔。

空間合束技術(shù)，例如Keming Du等人在美國專利No.6,124,973中所介紹的，是通過將多個半導(dǎo)體激光器在空間上按照一定的次序進行排列堆疊，形成一組沿著相同方向傳播的激光束，從而得到高功率的激光輸出。而一般來說，空間堆疊無法改善光束質(zhì)量，由此得來的高功率激光輸出一般直接應(yīng)用于對光束質(zhì)量要求不高的場合，如作為光纖激光器的泵浦源等。但是，對于半導(dǎo)體垂直疊陣激光器，由于光束在豎直方向的高度被半導(dǎo)體垂直疊陣激光器自身所決定，因此在相鄰光束之間存在明顯的空隙，因此對于半導(dǎo)體垂直疊陣激光器來說，可以通過空間合束技術(shù)，得到能量密度高的激光光源。例如中國專利CN102751660A所公開的，又如中國專利CN103944067A所公開的，但是受限于疊陣的空隙尺寸和快軸光斑尺寸是否匹配的問題，不一定能完全消除光束中的空隙。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種激光陣列以及激光合束裝置，該激光合束裝置可以減小或消除每一個二極管激光器出射的激光之間的空隙，得到能量密度高的激光光源。

根據(jù)本發(fā)明的一個方面提供一種激光陣列，所述激光陣列包括多個二極管激光器，所述激光陣列的出光側(cè)、每個所述二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列。

優(yōu)選地，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側(cè)的一端呈階梯排列。

優(yōu)選地，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側(cè)的一端齊平。

優(yōu)選地，所述二極管激光器包括熱沉以及設(shè)置于所述熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片。

優(yōu)選地，所述半導(dǎo)體激光器芯片為至少一個單管芯片或巴條。

根據(jù)本發(fā)明的另一個方面還提供一種激光合束裝置，所述激光合束裝置包括：上述的激光陣列；整形光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置于所述激光陣列的出光側(cè)；合束光學(xué)元件，設(shè)置于所述整形光學(xué)系統(tǒng)的出光側(cè)，所述合束光學(xué)元件包括多個與所述激光陣列的二極管激光器相對應(yīng)的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。

優(yōu)選地，所述激光陣列的多個二極管激光器沿第一方向排列，每個所述二極管激光器的出射光沿第二方向射出，其中，多個所述反射面沿所述第二方向上的間距小于多個所述二極管激光器沿所述第一方向上的間距。

優(yōu)選地，所述合束光學(xué)元件的多個反射面在與其反射方向相垂直的平面上的投影無縫銜接。

優(yōu)選地，所述激光合束裝置的每個所述二極管激光器發(fā)出的出射光具有相同的光程。

優(yōu)選地，所述合束光學(xué)元件的每個所述反射面與所述整形光學(xué)系統(tǒng)的出射光的出射方向之間的夾角為45度。

優(yōu)選地，所述合束光學(xué)元件包括多個反射鏡，每個所述反射鏡均設(shè)置于一個所述二極管激光器的出光端。

優(yōu)選地，所述合束光學(xué)元件為一個具有多個所述反射面的反射鏡，其中，每個所述反射面均設(shè)置于一個所述二極管激光器的出光端。

優(yōu)選地，所述整形光學(xué)系統(tǒng)包括多個與所述二極管激光器一一對應(yīng)的快軸準(zhǔn)直鏡，每個所述快軸準(zhǔn)直鏡均設(shè)置于一個所述二極管激光器的出光側(cè)。

優(yōu)選地，所述整形光學(xué)系統(tǒng)還包括多個慢軸準(zhǔn)直鏡，每個所述慢軸準(zhǔn)直鏡均設(shè)置于一個所述快軸準(zhǔn)直鏡的出光側(cè)。

優(yōu)選地，所述整形光學(xué)系統(tǒng)還包括多個光束扭轉(zhuǎn)器，每個所述光束扭轉(zhuǎn)器均設(shè)置于一個所述快軸準(zhǔn)直鏡和一個所述慢軸準(zhǔn)直鏡之間。

本發(fā)明實施例揭示了一種激光陣列以及激光合束裝置，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發(fā)射的激光經(jīng)過整形光學(xué)系統(tǒng)進行準(zhǔn)直后，由具有多個與二極管激光器相對應(yīng)的反射面的合束光學(xué)元件進行反射，通過調(diào)整合束光學(xué)元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數(shù)，進而，有效改善激光束質(zhì)量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經(jīng)濟，對光束其他方面的質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學(xué)元件的多個反射面也相應(yīng)地呈階梯排列，進而，在使用本發(fā)明實施例中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學(xué)元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發(fā)射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的第一實施例的激光陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的第一實施例激光合束裝置結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的第一實施例激光合束裝置光路圖

圖4為本發(fā)明的第二實施例的激光合束裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的第三實施例的激光陣列的結(jié)構(gòu)示意圖；以及

圖6為本發(fā)明的第三實施例的激光合束裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

依據(jù)本發(fā)明主旨構(gòu)思，所述激光合束裝置包括：激光陣列，所述激光陣列包括多個二極管激光器，所述激光陣列的出光側(cè)、每個所述二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列；整形光學(xué)系統(tǒng)，設(shè)置于所述激光陣列的出光側(cè)；合束光學(xué)元件，設(shè)置于所述整形光學(xué)系統(tǒng)的出光側(cè)，所述合束光學(xué)元件包括多個與所述二極管激光器相對應(yīng)的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進行進一步地說明。

第一實施例

請參見圖1，其示出了本發(fā)明的第一實施例的激光陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。在圖1所示的實施例中，激光陣列1包括多個二極管激光器。具體來說，每個二極管激光器均能產(chǎn)生具有一定光譜寬度的激光束。所述二極管激光器包括一熱沉以及設(shè)置于該熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片。其中，所述半導(dǎo)體激光器芯片為至少一個單管芯片或巴條，其可以焊接于熱沉上。需要說明的是，所述巴條也可以是微型巴條。

多個二極管激光器沿第一方向(圖1中Z軸方向)排列。圖1中以三個二極管激光器11、12、13為例進行說明，需要說明的是，在本發(fā)明的實施例中，二極管激光器的數(shù)量并不以此為限，而可以根據(jù)實際的需求進行設(shè)置，例如，沿圖1中Z軸的方向進行進一步的增設(shè)。此外，在本發(fā)明的實施例中，多個二極管激光器互相之間沿圖1中Z軸方向的間距(例如二極管激光器11與二極管激光器12之間的間距、或者二極管激光器12與二極管激光器13之間的間距)可以根據(jù)實際的需求進行調(diào)整，在此不予贅述。

進一步地，在激光陣列1的出光側(cè)、每個二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列。每個二極管激光器的出射光沿第二方向(圖1中的X軸方向)射出。具體來說，如圖1所示，三個二極管激光器11、12和13各自具有一個出光端，分別為出光端111、121和131，其中，出光端一般為熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片所在的一端。出光端111、121和131呈階梯排列。需要說明的是，出光端111、121和131呈階梯排列是指沿著多個二極管激光器的排布方向(第一方向、即圖1中Z軸方向)上，多個二極管激光器的出光端逐個向第二方向(圖1中X軸方向)進行延伸。例如，圖1中二極管激光器12的出光端121相比二極管激光器11的出光端111沿X軸方向進行了延伸；而圖1中二極管激光器13的出光端131相比二極管激光器12的出光端121沿X軸方向進行了延伸。

進一步地，在圖1所示的實施例中，為了節(jié)約成本，激光陣列1的每個二極管激光器使用完全相同的二極管激光器，而多個二極管激光器的出光端呈階梯排列，因此，相應(yīng)地，多個二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側(cè)的一端也呈階梯排列。

進一步地，本發(fā)明提供一種激光合束裝置，該激光合束裝置包括上述圖1中的激光陣列。具體來說，請參見圖2，其示出了本發(fā)明的第一實施例激光合束裝置結(jié)構(gòu)示意圖。在圖2所示的優(yōu)選實施例中，所述激光合束裝置包括：激光陣列1、整形光學(xué)系統(tǒng)2以及合束光學(xué)元件3。其中，激光陣列1可以是上述圖1所示的結(jié)構(gòu)。

整形光學(xué)系統(tǒng)2置于激光陣列1出光側(cè)。整形光學(xué)系統(tǒng)2用于對對激光陣列1產(chǎn)生的激光束進行光學(xué)整形。具體來說，整形光學(xué)系統(tǒng)2包括多個與所述二極管激光器一一對應(yīng)的快軸準(zhǔn)直鏡。每個所述快軸準(zhǔn)直鏡均設(shè)置于一個二極管激光器的出光側(cè)。其中，快軸準(zhǔn)直鏡用于將二極管激光器在快軸上的發(fā)散光束進行準(zhǔn)直，使其成為接近平行發(fā)射的激光束。在圖2所示的實施例中，整形光學(xué)系統(tǒng)2包括三個快軸準(zhǔn)直鏡21、22和23。其中，快軸準(zhǔn)直鏡21對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器11的出光側(cè)；快軸準(zhǔn)直鏡22對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器12的出光側(cè)；快軸準(zhǔn)直鏡23對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器13的出光側(cè)。

需要說明的是，在本發(fā)明的其他實施例中，整形光學(xué)系統(tǒng)2還可以根據(jù)實際的需求進行光學(xué)元件的增設(shè)。例如，在本發(fā)明的一個實施例中，整形光學(xué)系統(tǒng)2還可以包括多個慢軸準(zhǔn)直鏡，每個所述慢軸準(zhǔn)直鏡均設(shè)置于一個快軸準(zhǔn)直鏡的出光側(cè)。或者，在本發(fā)明的另一個實施例中，在上述具有慢軸準(zhǔn)直鏡的基礎(chǔ)上，整形光學(xué)系統(tǒng)2還可以包括多個光束扭轉(zhuǎn)器，每個所述光束扭轉(zhuǎn)器均設(shè)置于一個快軸準(zhǔn)直鏡和一個慢軸準(zhǔn)直鏡之間。這些實施例均可予以實現(xiàn)，并實現(xiàn)類似的效果，在此不予贅述。

合束光學(xué)元件3設(shè)置于整形光學(xué)系統(tǒng)2的出光側(cè)。合束光學(xué)元件3包括多個與所述二極管激光器相對應(yīng)的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。合束光學(xué)元件3對經(jīng)過整形光學(xué)系統(tǒng)2的激光束通過反射的方式進行重新排列。合束光學(xué)元件3的每個所述反射面與整形光學(xué)系統(tǒng)2的出射光的出射方向之間的夾角為45度。具體來說，在圖2所示的實施例中，合束光學(xué)元件3包括多個反射鏡，每個反射鏡均設(shè)置于一個二極管激光器的出光端。由于圖2中是以三個二極管激光器為例，因此，相應(yīng)地，在此實施例中，合束光學(xué)元件3包括三個反射鏡。如圖2所示，反射鏡31對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器11的出光側(cè)；反射鏡32對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器12的出光側(cè)；反射鏡33對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器13的出光側(cè)。

在圖2所示的實施例中，反射鏡31、32和33呈階梯排列。需要說明的是，反射鏡31、32和33呈階梯排列是指沿著反射鏡31、32和33的排布方向(圖2中為沿Z軸方向)上，反射鏡31、32和33逐個向與圖2中X軸所示的方向相反的方向進行排布。例如，圖2中反射鏡32相比反射鏡31更靠近整形光學(xué)系統(tǒng)2的出光側(cè)，即反射鏡31與二極管激光器11的出光端111之間的距離大于反射鏡32與二極管激光器12的出光端121之間的距離；而圖2中反射鏡33相比反射鏡32更靠近整形光學(xué)系統(tǒng)2的出光側(cè)，即反射鏡32與二極管激光器12的出光端121之間的距離大于反射鏡33與二極管激光器13的出光端131之間的距離。

進一步地，多個反射面沿第二方向上的間距小于多個二極管激光器沿第一方向上的間距。從而可以減小由該反射面反射后的各個反射光束之間的間隙，提高改激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數(shù)，進而，有效改善激光束質(zhì)量。具體來說，圖3示出了本發(fā)明的第一實施例激光合束裝置光路圖。圖3可以理解為上述圖2所示的激光合束裝置的光路圖。如圖3所示，二極管激光器11、12、13沿第二方向射出出射光，并經(jīng)相對應(yīng)的反射鏡31、32和33的反射面反射后射出。其中，反射鏡31的反射面與反射鏡32的反射面沿第二方向(圖3中X軸方向)上的間距為d1；反射鏡32的反射面與反射鏡33的反射面沿第二方向(圖3中X軸方向)上的間距為d2；二極管激光器11與二極管激光器12沿第一方向(圖3中Z軸方向)上的間距為D1；二極管激光器12與二極管激光器13沿第一方向(圖3中Z軸方向)上的間距為D2。為了實現(xiàn)上述減小由反射面反射后的各個反射光束之間的間隙，在本發(fā)明的實施例中，d1小于D1，d2小于D2。

進一步優(yōu)選地，合束光學(xué)元件3的多個反射面在與其反射方向相垂直的平面上的投影無縫銜接，以此消除反射后的多個激光束之間的空隙。具體來說，在圖2所示的實施例中，二極管激光器11、12和13發(fā)出的激光束經(jīng)過反射鏡31、32和33反射后沿與Z軸相反的方向射出。進而，反射鏡31、32和33的反射面在與Z軸向垂直的一個平面上的投影無縫銜接。結(jié)合圖3所示光路圖，即反射鏡31的反射面與反射鏡32的反射面沿第二方向上的間距為d1以及反射鏡32的反射面與反射鏡33的反射面沿第二方向上的間距為d2均等于0。

進一步優(yōu)選地，所述激光合束裝置的每個二極管激光器發(fā)出的出射光具有相同的光程。具體來說，在圖3所示的實施例中，二極管激光器11的一點A至反射鏡31上的反射點B之間的光程距離S_AB；二極管激光器12的一點C至反射鏡32上的反射點D之間的光程距離為S_CD；二極管激光器13的一點E至反射鏡33上的反射點F之間的光程距離S_EF；反射點D至A、B光路上的垂直距離為S_DH；反射點F至A、B光路上的垂直距離為S_FG。進而，在此實施例中，優(yōu)選地滿足以下關(guān)系：S_AB＝S_CD+S_DH＝S_EF+S_FG，以使激光陣列1的每個二極管激光器發(fā)出的出射光經(jīng)各自的反射面反射后射出的出射光具有相同的光程，進而提高該激光合束裝置的激光質(zhì)量。

在此實施例中，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發(fā)射的激光經(jīng)過整形光學(xué)系統(tǒng)進行準(zhǔn)直后，由具有多個與二極管激光器相對應(yīng)的反射面的合束光學(xué)元件進行反射，通過調(diào)整合束光學(xué)元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數(shù)，進而，有效改善激光束質(zhì)量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經(jīng)濟，對光束其他方面的質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學(xué)元件的多個反射面也相應(yīng)地呈階梯排列，進而，在使用圖1中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學(xué)元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發(fā)射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。

第二實施例

請參見圖4，其示出了本發(fā)明的第二實施例的激光合束裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。與上述圖2所示的第一實施例不同的是，所述合束光學(xué)元件為一個具有多個所述反射面的反射鏡，其中，每個所述反射面均設(shè)置于一個所述二極管激光器的出光端。具體來說，如圖4所示，合束光學(xué)元件為一反射鏡3’。反射鏡3’具有多個反射面。在圖4所示的實施例中，由于圖4中同樣以三個二極管激光器為例，因此，相應(yīng)地，在此實施例中，反射鏡3’包括三個反射面31’、32’和33’。其中，反射面31’對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器11的出光側(cè)；反射面32’對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器12的出光側(cè)；反射面33’對應(yīng)設(shè)置于二極管激光器13的出光側(cè)。類似地反射面31’、32’和33’呈階梯排列，且優(yōu)選地，反射面31’、32’和33’的反射面在與Z軸向垂直的一個平面上的投影無縫銜接。該實施例可以實現(xiàn)與上述第一實施例類似的技術(shù)效果，在此不予贅述。

第三實施例

請一并參見圖5和圖6，其分別示出了本發(fā)明的第三實施例的激光陣列和激光合束裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。與上述圖1和圖2所示的第一實施例不同的是，在此實施例中，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側(cè)的一端齊平。具體來說，在圖5和圖6所示的實施例中，二極管激光器11、12和13的出光端111、121和131仍然呈階梯排列，而二極管激光器11、12和13遠離所述激光陣列的出光側(cè)的一端齊平。該實施例可以實現(xiàn)與上述第一實施例類似的技術(shù)效果，在此不予贅述。

綜上所述，本發(fā)明實施例揭示了一種激光陣列以及激光合束裝置，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發(fā)射的激光經(jīng)過整形光學(xué)系統(tǒng)進行準(zhǔn)直后，由具有多個與二極管激光器相對應(yīng)的反射面的合束光學(xué)元件進行反射，通過調(diào)整合束光學(xué)元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數(shù)，進而，有效改善激光束質(zhì)量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經(jīng)濟，對光束其他方面的質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質(zhì)量(例如平行度、準(zhǔn)直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學(xué)元件的多個反射面也相應(yīng)地呈階梯排列，進而，在使用本發(fā)明實施例中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學(xué)元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發(fā)射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。

雖然本發(fā)明已以優(yōu)選實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發(fā)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，當(dāng)可作各種的更動與修改。因此，本發(fā)明的保護范圍當(dāng)視權(quán)利要求書所界定的范圍為準(zhǔn)。