CN102195231A - 用于高功率半导体激光器的功率扩展器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于高功率半导体激光器的功率扩展器，主要解决了现有技术难于将功率扩展至两倍以上，或扩展两倍以上功率容易造成功率扩展器损坏的问题。该用于高功率半导体激光器的功率扩展器，包括三个等腰直角三角棱镜，三个等腰直角三角棱镜的纵截面为等腰直角三角形，其在同一光学系统中既可以进行多波长合束，又可以进行偏振合束实现功率扩展，在2～6倍间调整功率扩展倍数，可以实现2～4种不同波长的合束。

Description

用于高功率半导体激光器的功率扩展器

技术领域

本发明涉及一种功率扩展器，具体涉及一种用于半导体激光器的功率扩展器。

背景技术

半导体激光二极管(LD)由于具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优点，被广泛地应用在民用和军用等领域，如医疗、印刷、激光测距、激光制导、材料处理和加工等各个方面，特别是LD抽运的固体激光器(DPL)和光纤激光器已经成为重点的发展方向，得到了广泛的重视和研究。

近年来追求更高功率激光器已成为激光器的发展目标，功率扩展技术是高功率激光器的技术趋势之一。半导体激光器的功率扩展首先是从优化和改变自身结构达到功率扩展，(1)提高单元芯片生长技术从而增加单发射腔半导体激光器输出功率，如增加芯片的腔长，由2mm腔长增加到4mm腔长，功率也有2～5W，提高到8～10W，(2)增加半导体激光器中单发光单元的个数从而提高输出功率。一个发光区为最小单元，制备水平线阵、垂直叠阵及面阵的方法不断增加激光器的输出功率，输出功率从几瓦扩展到几千瓦，甚至数十千瓦。

此外通过增加外部光学元件使同一个系统中实现多个线阵、叠阵或者面阵激光器的合束从而实现功率扩展。目前用于功率扩展的光学元件主要包括多波长合束和偏振合束元件。这些元件不仅适用于高功率半导体激光器的功率扩展，其它类型的激光器扩展功率仍然实用。

目前常用的多波长合束器是将两个波长的光束合束，功率扩展到两倍；偏振合束器实现了两种偏振态(T偏振和P偏振)的合束，功率扩展到两倍。也可将现有多波长或偏振耦合元件重叠实现两倍以上工率扩展器重叠，但是重叠处容易产生空气间隙，当用于高功率激光器合束时空气间隙由于受热膨胀，使玻璃表面破裂，从而不利于高功率激光束的合束。尽管可以采用胶粘合的方式结合得到两倍以上的功率扩展器，但胶粘合仍然不利于高功率激光束的合束。

发明内容

本发明提供一种用于高功率半导体激光器的功率扩展器，主要解决了现有技术难于将功率扩展至两倍以上，或扩展两倍以上功率容易造成功率扩展器损坏的问题。

本发明提供的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，在同一光学系统中既可以进行多波长合束，又可以进行偏振合束实现功率扩展，在2～6倍间调整功率扩展倍数，可以实现2～4种不同波长的合束。

本发明的具体技术解决方案如下：

该用于高功率半导体激光器的功率扩展器，包括三个等腰直角三角棱镜，三个等腰直角三角棱镜的纵截面为等腰直角三角形，第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜全等；第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边与第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边长度相等；第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面完全结合，第二等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的另一直角边所在的平面完全结合；

第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有增透膜；

或在所述第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有增透膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜。

上述完全结合是吸合或粘合两种方式：吸合时，表面的加工误差达到精度等级A标准；粘合时，用耐高温且高透过率的光学胶将两个表面结合，可以选择硅胶等；

上述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的入射光和出射光面上均镀有增透膜；

上述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的剩余面上进行抛光，以便杂散光透射出元件到其它散热元件上。

上述激光光束传输方向与入射表面垂直。

上述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜为石英玻璃棱镜、K9玻璃棱镜。

本发明具有以下优点：

1.本发明提供的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，在同一光学系统中既可以实现多波长合束，又可以实现偏振合束从而达到功率扩展；

2.本发明提供的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，改变组成功率扩束器的等腰直角三角棱镜的个数，可以调整合束波长数与偏振耦合的比例。也可在2～6倍间调整功率扩展倍数；

3.本发明提供的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，制备简单，简化了合束结构；

4.本发明提供的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，可以实现2～4种不同波长的合束。

附图说明

图1为本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器结构图；

图2为本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器剖面图；

图3-1为本发明的用于高功率半导体激光器的多波长合束功率扩展的原理；

图3-2为本发明的用于高功率半导体激光器的偏振合束功率扩展的原理；

图4为本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器原理图。

其中：1-为第一等腰直角三棱镜；2-第二等腰直角三棱镜；3-第三等腰直角三棱镜；4为功率扩展器4；5为功率扩展器5；6为激光6；7为激光7；8为激光8；9为激光9；10为激光10；11为激光11；12为激光12；13为激光13。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

该用于高功率半导体激光器的功率扩展器，其具体制备是依据下述方法进行：

1]制备三个等腰直角三角棱镜

取透明材料进行三个等腰直角三角棱镜的制作，其中第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜全等，第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边与第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边长度相等；

2]抛光

对步骤1制备好的三个等腰直角三角棱镜分别进行抛光处理；

3]镀膜

对步骤2抛光完成的三个等腰直角三角棱镜分别进行镀膜，其具体是

分别在第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面、第二等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面、第三等腰直角三角棱镜纵截面的两条直角边所在的平面上进行镀膜处理，镀膜是镀上偏振增透膜或对应的波长增透膜；

当第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜时，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有增透膜；

当第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有增透膜时，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜；

4]抛光处理

将第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的入射光和出射光面上均镀有增透膜；三个等腰直角三角棱镜未进行镀膜的平面上进行抛光，以便杂散光透射出元件到其它散热元件上；

5]结合

将第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面完全结合，第二等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的另一直角边所在的平面完全结合；结合完成后得到构成功率扩展器；

功率扩展原元件的结合，采用吸合或粘合的方式，吸合方式对需要结合的两个面的加工要求很高，表面的误差达到精度等级A标准，表面疵病参数要求很高；粘合的方法是用耐高温且高透过率的光学胶，如硅胶，将两个表面结合，但是粘合的方法在激光功率密度大时不建议使用，以吸合方式为佳；

参见图1、图2，

该用于高功率半导体激光器的功率扩展器，包括三个等腰直角三角棱镜，三个等腰直角三角棱镜的纵截面为等腰直角三角形，第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜全等；第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边与第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边长度相等；第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面完全结合，第二等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的另一直角边所在的平面完全结合；

第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有增透膜；或在第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有增透膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜。

第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的入射光和出射光面上均镀有增透膜；第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的剩余面上进行抛光，以便杂散光透射出元件到其它散热元件上。

第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜一般选用石英玻璃棱镜、K9玻璃棱镜。

本发明的工作原理如下：

如图3-1和3-2所示，本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器多波长合束工作原理为：

功率扩展器4的第一等腰直角三角棱镜1的斜面镀有多波长膜，第二等腰直角三角棱镜2的两个直角面镀有增透膜，第三等腰直角三角棱镜3的斜面镀有多波长膜，当波长不相同偏振态相同的4束波长为λ1，λ2，λ3和λ4的激光束入射到功率扩展器上，功率扩展器的第一等腰直角三角棱镜1的斜面和第二等腰直角三角棱镜2的一个直角面实现波长为λ1的光束实现全反射输出，对波长为λ2的激光束实现全透射输出，功率扩展器的第三等腰直角三角棱镜3的斜面和第二等腰直角三角棱镜2的另一个直角面实现波长为λ4的光束实现全反射输出，对波长为λ3的激光束实现全透射输出，这样输出波长为λ1，λ2，λ3和λ4的光束通过多波长合束器后为4个波长的激光束。

功率扩展器5的第一等腰直角三角棱镜1的斜面镀有偏振膜，第二等腰直角三角棱镜2的两个直角面镀有增透膜，第三等腰直角三角棱镜3的斜面镀有偏振膜，当偏振态不相同的4束激光，其中激光9和激光13的偏振态相同均，激光10和11的偏振相同。激光9和10入射到功率扩展器上，功率扩展器的第一等腰直角三角棱镜1的斜面和第二等腰直角三角棱镜2的一个直角面实现激光10的光束实现全反射输出，对激光9光束实现全透射输出，功率扩展器的第三等腰直角三角棱镜3的斜面和第二等腰直角三角棱镜2的另一个直角面实现激光11光束的全反射输出，对激光12实现全透射输出，这样输出激光9、10、11和12的光束通过偏振合束器后为两个偏振态的的激光束。

如图4所示，本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器由多波长合束与偏振合束的原理为：

功率扩展器5的第一等腰直角三角棱镜1的斜面镀有偏振膜，第二等腰直角三角棱镜2的两个直角面镀有增透膜，第三等腰直角三角棱镜3的斜面镀有偏振膜；功率扩展器4的第一等腰直角三角棱镜1的斜面镀有多波长膜，第二等腰直角三角棱镜2的两个直角面镀有增透膜，第三等腰直角三角棱镜3的斜面镀有多波长膜。将功率扩展器5设于功率扩展器4前功率扩展器，首先将波长相同但偏振态不同的激光6、激光7、激光8按照图4所示入射到功率扩展器5上，其中激光7和激光8的波长为λ1，偏振态为T，激光6的波长为λ1，偏振态为P，激光6的输出功率和输出光束尺寸是激光7或激光8的两倍。功率扩展器5对T偏振态实现全反，对P偏振态实现全透，这样激光6、激光7和激光8通过功率扩展器5合束后输出激光9，其功率为4倍激光束，波长为λ1。将激光9入射到功率扩展器4上，激光10和激光11的波长为λ2，按照图4所示垂直入射到功率扩展器4上，功率扩展器4对波长为λ1激光9进行全透射，对波长为λ2的激光10和激光11进行全反射，这样激光9、激光10、激光11通过功率扩展器4后输出激光12，其功率为6倍的激光束。

综上所述，本发明的用于高功率半导体激光器的功率扩展器在同一光学系统中既可以进行多波长合束，又可以进行偏振合束实现功率扩展，在2～6倍间调整功率扩展倍数，可以实现2～4种不同波长的合束。同时结构简单，简化了合束结构。

Claims (5)

1.一种用于高功率半导体激光器的功率扩展器，包括三个等腰直角三角棱镜，所述三个等腰直角三角棱镜的纵截面为等腰直角三角形，其特征在于：所述第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜全等；所述第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边与第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边长度相等；所述第一等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面完全结合，所述第二等腰直角三角棱镜纵截面的斜边所在的平面与第三等腰直角三角棱镜纵截面的另一直角边所在的平面完全结合；所述第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有增透膜；或在所述第一等腰直角三角棱镜和第二等腰直角三角棱镜的纵截面的斜边所在的平面上镀有增透膜，在第三等腰直角三角棱镜纵截面的直角边所在的平面上镀有偏振膜或者多波长膜。

2.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，其特征在于：所述完全结合是吸合或粘合；吸合时，表面的误差达到精度等级A标准；粘合时，用耐高温且高透过率的光学胶将两个表面结合。

3.根据权利要求1或2所述的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，其特征在于：所述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的入射光和出射光面上均镀有增透膜。

4.根据权利要求3所述的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，其特征在于：所述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜的剩余面进行抛光。

5.根据权利要求3所述的用于高功率半导体激光器的功率扩展器，其特征在于：所述第一等腰直角三角棱镜、第二等腰直角三角棱镜和第三等腰直角三角棱镜为石英玻璃棱镜或K9玻璃棱镜等高透光率的玻璃介质。

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