CN102324697A - 半导体激光器插空排列合束方法及高功率半导体激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种方法简单、结构紧凑、成本低廉的半导体激光器插空排列合束方法及组成的高功率半导体激光器。该半导体激光器插空排列合束方法：包括第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置；所述的第一半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第一激光束与第二半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第二激光束在空间上相互插空对应；所述多个第一激光束和所述多个第二激光束经合束装置分别反射和透射后进行插空排列形成合束光。这样，所形成的合束光的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所形成的光斑相当。解决了现有叠阵型激光器合束方法应用范围有限、成本高的技术问题。

Description

半导体激光器插空排列合束方法及高功率半导体激光器
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器合束方法及相应的高功率半导体激光器。
背景技术
高功率半导体激光器，包括单芯片、阵列和叠阵型激光器，在抽运固体激光器系统方面的用途不断增加，可用于工业、军事、医疗和直接的材料处理如焊接、切割和表面处理。随着激光器功率、效率、可靠性、制造力的提高，大功率半导体激光器涌现出了许多新的用途。
为了实现半导体激光器的高功率输出，一般采用多个激光器合束方法来实现。目前比较常用的合束方法主要有两种：
第一种是多波长合束方法，为了达到功率合成，可以通过镀制分光膜来实现，原理简单，实现容易，但这是针对输出的波长宽度很宽的情况下使用，对同一种波长或范围很窄的波段范围输出要求就有局限性。
第二种是PBS合束方法，用于同一种或不同波长的输出光，利用芯片偏振态的不同，镀制PBS合束膜来实现功率合束。但这种方法费用比较高，光斑尺寸会不均匀，器件的体积大，不利于产业化。
发明内容
本发明目的是提供一种方法简单、结构紧凑、成本低廉的半导体激光器插空排列合束方法及组成的高功率半导体激光器，其解决了现有叠阵型激光器合束方法应用范围有限、成本高的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种半导体激光器插空排列合束方法：包括第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置；所述的第一半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第一激光束与第二半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第二激光束在空间上相互插空对应；所述多个第一激光束和所述多个第二激光束经合束装置分别反射和透射后进行插空排列形成合束光。这样，所形成的合束光的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所形成的光斑相当。
根据上述半导体激光器插空排列合束方法可设计出多种高功率半导体激光器。
第一种高功率半导体激光器，包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置包括多个间隔设置的反射片，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射片进行反射；所述多个间隔设置的反射片之间为空隙，用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的空隙与经过反射片反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
第二种高功率半导体激光器，包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述的合束装置包括多个反射部件和多个透射部件，反射部件与透射部件相间排列，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射部件反射，第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的透射部件后与经过反射部件反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
第三种高功率半导体激光器，包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置为合束元件，合束元件上设置有间隔排列的多个反射区，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射区进行反射；这些反射区之间均留有空隙，用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的空隙与经过反射区反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
第四种高功率半导体激光器，包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置为合束元件，所述合束元件上设置有多个反射区和多个透射区，反射区与透射区相间排列，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射区反射，第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的透射区后与经过反射区反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
本发明具有的优点：
1、本发明采用相间隔插空排列合束，因此第一半导体激光器叠阵与第二半导体激光器叠阵近乎处于一个高度，所以本发明高功率半导体激光器具有结构紧凑、体积小的优点。
2、本发明输出的激光光束进行相间隔插空排列合束，使光斑均匀化，光斑大小近似于一个叠阵的大小，由于光束满足拉格朗日不变量的原则，因此光斑尺寸变小，光束质量好。
3、本发明半导体激光器只运用了反射原理，因此制造成本低。
4、在体积和光斑大小的限制下，为了达到更大功率的输出，本发明利用两个叠阵之间的空隙，使叠阵在排列时利用插空排列的方法，再经过镀膜的合束片，而达到高功率合束。
5、易于调整。因为只是利用反射和透射的原理，因此，只需调整装置的反射角度即可。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置的空间位置关系示意图；
图3为本发明第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置的光路示意图；
图4为本本发明第一种合束装置示意图；
图5为本发明第二种合束装置示意图；
图6为本发明第三种合束装置示意图；
图7为本发明第四种合束装置示意图。
附图标号说明：
1-第一半导体激光器叠阵；2-第二半导体激光器叠阵；3-合束装置；4-第一激光束；5-第二激光束；6-合束光；7-反射部件(反射区)；8-第一种、第三种合束装置中的空隙；9-透射部件(透射区)；10-第三种合束装置采用的一体件的合束元件；11-第四种合束装置采用的一体件的合束元件。
具体实施方式
本发明半导体激光器插空排列合束方法：
包括第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置；所述的第一半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第一激光束经过合束装置后与第二半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第二激光束在空间上相间隔排列，进行插空排列合束，所形成的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所形成的光斑相当。
本发明原理：
第一半导体激光器叠阵经过合束装置时，每个巴条(bar条)的激光束光对应合束装置的反射位置反射输出；
第二半导体激光器叠阵与第一半导体激光器叠阵的高度错开半个pitch(巴条与巴条之间的距离)或半个pitch的奇数倍的间隔；
第二半导体激光器叠阵直接透过合束装置输出；
第一半导体激光器叠阵和第二半导体激光器叠阵经合束装置后，巴条的光束进行插空排列合束。
本发明方法的具体要求：
1.合束装置的反射位置的数量可以和第一半导体激光器叠阵的巴条数量相对应也可以多于或少于第一半导体激光器叠阵巴条的数量；
2.合束装置与第一半导体激光器叠阵之间的角度范围为0°～90°，以45°为最佳；
3.合束装置可以为一体件(合束元件)，比如在一个镜片上镀膜等光学处理方式实现反射区和透射区的相间排列以满足插空需要；也可以采用多个反射部件和透射部件拼接组成；透射部件也可以为空气隙。
图1为本发明的工作原理图，第一半导体激光器叠阵1发出的第一激光束4通过合束装置3反射，第二半导体激光器叠阵2发出的第二激光束5通过合束装置3后与经合束装置3反射后的第一半导体激光器叠阵1发出的第一激光束4进行相互插空排列合束形成合束光6，合束光6的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所发出的激光光束形成的光斑大小相当。
图3为本发明第一半导体激光器叠阵1、第二半导体激光器叠阵2、合束装置3的光路示意图，第一半导体激光器叠阵1所发出的第一激光束4经过合束装置3时，每个巴条(bar条)的激光束对应合束装置的反射位置反射输出，第二半导体激光器叠阵2与第一半导体激光器叠阵1的高度错开半个pitch(巴条与巴条之间的距离)或半个pitch的奇数倍的间隔；第二半导体激光器叠阵2所发出的第二激光束5直接透过合束装置3输出；第二半导体激光器叠阵2发出的第二激光束5经合束装置3后与经合束装置3反射的第一激光束4进行插空排列合束形成合束光6。
图2为本发明第一半导体激光器叠阵1、第二半导体激光器叠阵2、合束装置3的空间位置关系示意图，合束装置3与第一半导体激光器叠阵1之间的角度范围为0°～90°，以45°为最佳。
图4为本发明第一种高功率半导体激光器所用的合束装置。相应的高功率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一(平面)激光束4的第一半导体激光器叠阵1、可产生多个相互平行的第二(平面)激光束5的第二半导体激光器叠阵2、用于多个第一激光束4和多个第二激光束5进行插空排列合束的合束装置3，所述合束装置包括与第一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射部件7，反射部件7之间为与所述第二激光束数量一致且位置一一对应的空隙8。所述多个反射部件为多个平行设置的反射片。第二半导体激光器叠阵2中每个巴条发出的激光光束从反射部件7之间的空隙8透过后与经反射部件7反射后的第一半导体激光器叠阵中每个巴条发出的激光光束相互插空排列合束。
图5为本发明第二种高功率半导体激光器所用的合束装置。相应的高功率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一(平面)激光束4的第一半导体激光器叠阵1、可产生多个相互平行的第二(平面)激光束5的第二半导体激光器叠阵2、用于多个第一激光束4和多个第二激光束5进行插空排列合束的合束装置3。所述合束装置包括与第一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射部件7和与所述第二激光束数量一致且位置一一对应的多个透射部件9，反射部件7与透射部件9相间排列，反射部件用于将第一半导体激光器叠阵1每个巴条发出的激光光束进行反射；第二半导体激光器叠阵2每个巴条发出的激光光束从透射部件9通过后与经过反射部件7反射后的第一半导体激光器叠阵1中每个巴条发出的激光光束相互插空排列合束。
图6为本发明的第三种高功率半导体激光器的合束装置。相应的高功率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一(平面)激光束4的第一半导体激光器叠阵1、可产生多个相互平行的第二(平面)激光束5的第二半导体激光器叠阵2、用于多个第一激光束4和多个第二激光束5进行插空排列合束的合束装置3。合束装置是一体件的合束元件10，合束元件10上设置有与第一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射区(反射部件)7，具体采用在一块介质上间隔镀反射膜的形式，用于将第一半导体激光器叠阵1发出的多个第一激光束4进行反射；多个反射区7之间为空隙8，第二半导体激光器叠阵2中每个巴条发出的激光光束从反射区7之间的空隙8通过后与经反射区7反射后的第一半导体激光器叠阵1中每个巴条发出的激光光束进行相互插空排列合束。
图7为本发明的第四种高功率半导体激光器的合束装置。相应的高功率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一(平面)激光束4的第一半导体激光器叠阵1、可产生多个相互平行的第二(平面)激光束5的第二半导体激光器叠阵2、用于多个第一激光束4和多个第二激光束5进行插空排列合束的合束装置3。合束装置是一体件的合束元件11，合束元件11上设置有与第一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射区(反射部件)7和与所述第二激光束数量一致且位置一一对应的多个透射区(透射部件)9，反射区7和透射区9可采用在一块介质上间隔镀反射膜和透射膜的方式实现。反射区7用于将第一半导体激光器叠阵1每个巴条发出的激光光束进行反射；反射区7之间为透射区9，第二半导体激光器叠阵2每个巴条发出的激光光束从透射区9通过后与经过反射区7反射后的第一半导体激光器叠阵1中每个巴条发出的激光光束进行相互插空排列合束。

Claims (5)

1.一种半导体激光器插空排列合束方法，其特征在于：包括第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、合束装置；所述的第一半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第一激光束与第二半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第二激光束在空间上相互插空对应；所述多个第一激光束和所述多个第二激光束经合束装置分别反射和透射后进行插空排列形成合束光。
2.一种高功率半导体激光器，其特征在于：包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置包括多个间隔设置的反射片，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射片进行反射；所述多个间隔设置的反射片之间为空隙，用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的空隙与经过反射片反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
3.一种高功率半导体激光器，其特征在于：包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述的合束装置包括多个反射部件和多个透射部件，反射部件与透射部件相间排列，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射部件反射，第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的透射部件后与经过反射部件反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
4.一种高功率半导体激光器，其特征在于：包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置为合束元件，合束元件上设置有间隔排列的多个反射区，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射区进行反射；这些反射区之间均留有空隙，用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的空隙与经过反射区反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
5.一种高功率半导体激光器，其特征在于：包括可发出多个第一激光束的第一半导体激光器叠阵、可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠阵、用于将多个第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排列合束的合束装置；所述合束装置为合束元件，所述合束元件上设置有多个反射区和多个透射区，反射区与透射区相间排列，用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相应的反射区反射，第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束透过相应的透射区后与经过反射区反射后的多个第一激光束相互插空排列合束。
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