CN102324699A - 一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统 - Google Patents

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刘兴胜
王敏
郑艳芳
王晓飚
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Abstract

本发明公开了一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括整体呈扇形或椎体形或球形排布的多个半导体激光器叠阵和分别对应于各个半导体激光器叠阵单独设置的整形透镜组；各个半导体激光器叠阵和相应的整形透镜组形成的光轴在所述高功率半导体激光光源系统的出口汇聚。本发明不仅原理简单、体积小、电光转换效率高、功率高、亮度高，并且功率可调节，可实现万瓦级输出，可直接应用于激光加工领域中。

Description

一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种半导体激光光源系统，尤其是一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统。
背景技术
由于高功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，已广泛用于激光加工、激光医疗、激光显示及科学研究领域，已经成为新世纪发展快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高新技术。
激光加工技术是融合了现代物理学、化学、计算机、材料科学、先进制造技术等多学科技术的高新技术，包括激光表面改性技术、激光表面修复技术、激光熔覆技术、激光产品化技术等，能使低等级材料实现高性能表层改性，达到零件低成本与工作表面高性能的最佳组合，为解决整体强化和其它表面强化手段难以克服的矛盾带来了可能性，对重要构件材质与性能的选择匹配、设计、制造产生重要的有利影响，且生产效率高、加工质量稳定可靠、成本低，经济效益和社会效益好。
但是，激光加工技术也存在不足之处，具体表现在：目前激光加工技术中多采用CO2激光器，灯泵及Nd:YAG激光器。
(1)CO2激光器，通过将燃烧气体的热能转化为激光能量，实现兆瓦级输出，但能量效率很低(1％-2％)，且体积大。
(2)固体激光器，灯泵和Nd:YAG激光器电光转换效率只有3％，寿命1000小时，成本高，效率低，散热困难。虽然半导体激光器泵浦的固体激光器高于灯泵固体激光器，体积也明显减小。但其电光转换效率仍比较低，仅相当于半导体激光器效率的1/3-1/2。
发明专利申请“激光熔覆用半导体激光光源装置”(公开号为CN101854029A)公开了一种用于激光熔覆的半导体激光光源，使用光纤输出，但是该装置处理面积小，输出功率低，只能输出千瓦级。
发明内容
本发明的主要目的是克服上述现有技术的不足，提供一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，解决目前激光加工系统存在的光电转换率低，体积大、成本高、寿命短等问题。
本发明的目的是通过以下技术方案解决的：
一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括多个单元，每个单元由一个半导体激光器叠阵和用于对该半导体激光器叠阵发出的激光光束进行整形的整形透镜组构成；所有单元的激光光束在所述高功率半导体激光光源系统的出射端口交聚。
上述多个单元成扇形或锥体形或者半球形排布为佳。当然，对于单元自身而言，每个单元中的半导体激光器叠阵以及整形透镜在其光轴上的位置可以与其他单元的设置不同，即，在投影平面上看，各个半导体激光器叠阵并非必须处在同一圆弧上，各个整形透镜亦然。
上述半导体激光器叠阵可由多个单发光点发光芯片或者多发光点芯片堆叠而成。
上述整形透镜组可以是快轴整形透镜组，所述的快轴整形透镜组是由一个或多个球面或非球面透镜组成。
上述整形透镜组也可以是由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成，其中，快轴整形透镜组是由一个或多个球面或非球面透镜组成，慢轴整形透镜组是由一个或者多个球面或非球面透镜组成。
本发明有以下有益效果：
(1)本发明功率高、亮度高，并且功率可调节，可实现万瓦级输出，可直接应用于激光加工领域中；
(2)本发明原理简单、重量轻、体积小、电光转换效率高、寿命长；
(3)本发明工作距离大、可靠性高；
(4)本发明的高功率半导体激光光源系统成本低。
附图说明
图1为本发明高功率半导体激光光源系统中具有两个半导体激光器叠阵的结构示意图；
图2为本发明高功率半导体激光光源系统中具有多个半导体激光器叠阵工作原理结构示意图；
图3为本发明实施例二的结构示意图。
1为半导体激光器叠阵；2为整形透镜组；3为快轴整形透镜组；4为慢轴整形透镜组；5，6，7，8，9，15，16，17，18，19，20，27，28，29，30，31，32，33，34为球面或者非球面透镜；10，11，12，13，14，21，22，23，24，25，26为激光光束。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于，包括两个或两个半导体激光器叠阵1以及设于所述半导体激光器叠阵1出射端的整形透镜组2。整形透镜组2由一个快轴整形透镜组3，或者所述整形透镜组2是由快轴整形透镜组3和慢轴整形透镜组4组成。快轴整形透镜组3是由一个或多个球面或非球面柱透镜组成；慢轴整形透镜组4是由一个或者多个球面或非球面柱透镜组成。
参见图1，若半导体激光器叠阵1的个数为两个时，在每个半导体激光器叠阵1的出射端设置整形透镜组2后，将两个半导体激光器叠阵1及其后端的整形透镜组2成角度α摆放，成扇形排布使得整形后的光束叠加后输出。
本发明的工作原理图见图2，半导体激光器叠阵1的个数为多个时，在每个半导体激光器叠阵1的出射端设置整形透镜组2后，将多个半导体激光器叠阵1及其后端的整形透镜组2成扇形或锥体形或者半球形排布使得整形后的光束叠加后输出。
第一个半导体激光器叠阵1，由多个巴条堆叠而成，半导体激光器叠阵1后设置有整形透镜组2，整形透镜组2包括快轴准直透镜组3，快轴准直透镜组3包括球面透镜15和16。
第二个半导体激光器叠阵1，由多个巴条堆叠而成，半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括快轴整形透镜组3，快轴整形透镜组3包括球面透镜17和18。
第三个半导体激光器叠阵1，有由多个巴条堆叠而成，半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括快轴整形透镜组3，快轴整形透镜组3包括球面透镜19和20。
对于第一个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束21，激光光束21经过快轴整形透镜组3进行快轴整形后输出激光22，同时对于第二个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束23，激光光束23经过快轴整形透镜组3中球面透镜17和18进行快轴整形后输出激光光束24，同时对于第三个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束25，激光光束25经过快轴整形透镜组3中球面透镜19和20进行快轴整形后输出激光光束26。激光光束22、激光光束24和激光光束16在工作区叠加后同时输出。
以下结合实施例进一步说明以上所述本发明的技术方案：
实施例一
如图1所示，该实施例中采用的基本结构与以上阐述的结构相同，包括两个半导体激光器叠阵1、整形透镜组2，将两个半导体激光器叠阵1及其后端的整形透镜组2成角度α摆放，成扇形排布使得整形后的光束叠加后输出。
对于第一个半导体激光叠阵1，其由40个加了微透镜的巴条芯片叠加组成，在半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括快轴整形透镜组3和慢轴整形透镜组4，快轴整形透镜组3包括两个球面透镜5和6，慢轴整形透镜组4包括非球面透镜7。
对于第二个半导体激光叠阵1，其由40个加了微透镜的巴条芯片叠加组成，半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括快轴整形透镜组3，快轴整形透镜组3包括球面透镜8和非球面透镜9。
对于第一个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束10，激光光束10经过快轴整形透镜组3进行快轴光学整形后输出激光光束11，激光光束11经过慢轴整形透镜组进行慢轴压缩后输出激光光束12，同时对于第二个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束13，激光光束13经过快轴整形透镜组3中球面透镜8和非球面透镜9进行快轴压缩后输出激光光束14。激光光束13和激光光束14叠加后同时输出，功率可达到6000瓦以上。
实施例二
如图3所示，包括4个半导体激光器叠阵1、整形透镜组2，4个半导体激光器叠阵1成扇形或锥体形或者半球形排布。
对于第一个半导体激光叠阵1，其由50个加了微型透镜的巴条芯片叠加组成，在半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括两个快轴准直球面透镜27和28。
对于第二个半导体激光叠阵1，其由50个加了微型透镜的巴条芯片叠加组成，半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2包括两个快轴准直球面透镜29和30。
对于第三个半导体激光叠阵1，其由50个加了微型透镜的巴条芯片叠加组成，半导体激光器叠阵1后设置整形透镜组2，整形透镜组2两个快轴准直球面透镜31和32。
对于第一个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束经过快轴准直球面透镜27和28进行快轴准直压缩后输出激光光束，同时对于第二个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束经过快轴准直球面透镜29和30进行快轴整形后输出激光光束，同时对于第三个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束经过快轴准直球面透镜31和32进行快轴整形后输出激光光束，同时对于第四个半导体激光器叠阵1，发射出激光光束经过快轴准直球面透镜33和34进行快轴整形后输出激光光束，这些经过快轴压缩的激光光束在工作区叠加后同时输出，功率可达上万瓦。
该半导体激光光源系统工艺简单，体积小，成本低，可实现万瓦级输出。

Claims (5)

1.一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：包括多个单元，每个单元由一个半导体激光器叠阵和用于对该半导体激光器叠阵发出的激光光束进行整形的整形透镜组构成；所有单元的激光光束在所述高功率半导体激光光源系统的出射端口交聚。
2.根据权利要求1所述的用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述多个单元成扇形或锥体形或者半球形排布。
3.根据权利要求1所述的用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述半导体激光器叠阵是由多个单发光点发光芯片或者多发光点芯片堆叠而成。
4.根据权利要求1所述的用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述整形透镜组为快轴整形透镜组，所述的快轴整形透镜组是由一个或多个球面或非球面透镜组成。
5.根据权利要求1所述的用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述整形透镜组是由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成，其中，快轴整形透镜组是由一个或多个球面或非球面透镜组成，慢轴整形透镜组是由一个或者多个球面或非球面透镜组成。
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