CN102520524A - 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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Abstract

本发明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输出激光能量有限，体积大、成本高等问题。本发明的多个半导体激光器叠阵在高度方向上相互错位，其中一个半导体激光器叠阵发出的光束与整形透镜组处于同一光轴上，其他n-1个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，或者n个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，这些反射光束的光轴均与整形透镜组的光轴平行，在整形透镜组的入射镜面形成的光斑沿其高度方向的中心线整齐排布。本发明原理简单、实现方便，充分利用了系统整体空间，电光转换效率高、可靠性高；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，具体涉及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
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，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。
激光表面处理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，激光表面处理技术也存在不足之处，具体表现在：目前激光表面处理技术中多采用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，其输出激光能量有限、系统体积较大；采用光纤输出，处理面积小。
发明内容
本发明的目的主要是克服背景技术的不足，提供一种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输出激光能量有限，体积大、成本高等问题。
本发明的技术方案如下：
一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括作为原始光源的n个半导体激光器叠阵和用于将多个半导体激光器叠阵发出的光束进行整形的整形透镜组，所述多个半导体激光器叠阵在高度方向上相互错位，其中一个半导体激光器叠阵发出的光束与整形透镜组处于同一光轴上，其他n-1个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，这些反射光束的光轴均与整形透镜组的光轴平行；在整形透镜组的入射镜面形成的光斑沿其高度方向的中心线整齐排布。
上述半导体激光器叠阵可以由一个或者多个经过预准直的多发光单元芯片堆叠组成。
上述的整形透镜组是快轴整形透镜组或者慢轴整形透镜组，或者由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成。
最好使所有半导体激光器叠阵至整形透镜组的光程相等。
多个上述反射镜可以同轴安装于一个或多个沿高度方向平行于整形透镜组光轴的反射镜支架上。
另一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括作为原始光源的n个半导体激光器叠阵和用于将多个半导体激光器叠阵发出的光束进行整形的整形透镜组，所述多个半导体激光器叠阵在高度方向上相互错位，n个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，这些反射光束的光轴均与整形透镜组的光轴平行，在整形透镜组的入射镜面形成的光斑沿其高度方向的中心线整齐排布。
上述半导体激光器叠阵是由一个或者多个经过预准直的多发光单元芯片堆叠组成。
上述的整形透镜组是快轴整形透镜组或者慢轴整形透镜组，或者由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成。
最好使所有半导体激光器叠阵至整形透镜组的光程相等。
多个上述反射镜可以沿高度方向同轴安装于一个位于整形透镜组光轴上的反射镜支架上。
本发明具有以下优点：
(1)本发明功率高、亮度高，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、实现方便，充分利用了系统整体空间，成本低，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)光学系统使用正负透镜同时整形，使光斑更均匀，光束质量更好。
附图说明
图1为本发明的高功率半导体激光光源系统。
图2为本发明的高功率半导体激光光源系统的工作原理图。
图3为在整形透镜组的入射镜面上形成的光斑示意。
附图标号说明：
1为第一半导体激光器叠阵；2为第二半导体激光器叠阵；3为反射镜；8为快轴整形透镜组；9为慢轴整形透镜组；4为快轴准直正透镜；5为快轴准直负透镜；6为慢轴准直正透镜；7为慢轴准直负透镜。
具体实施方式
以采用两个半导体激光器叠阵作为原始光源构成的系统为例，结合附图对本发明做进一步详细描述：
本发明高功率半导体激光光源系统，如图1所示，包括第一半导体激光器叠阵1、第二半导体激光器叠阵2、反射镜3、快轴整形透镜组8和慢轴整形透镜组9。
所述反射镜3与第二半导体激光器叠阵2出光面的夹角为w；所述的第一半导体激光器叠阵1和第二半导体激光器叠阵2为上下错位成角度摆放的方式排布；第一半导体激光器叠阵1出光面与反射镜在水平面投影的角度w，w小于90度；
上述的第一半导体激光器叠阵1和第二半导体激光器叠阵2是由1个或者多个经过预准直的多发光单元芯片堆叠而成；
上述的快轴整形透镜组8由快轴准直正透镜4或者快轴准直正透镜4和快轴准直负透镜5组成；
上述的慢轴整形透镜组9由慢轴准直正透镜6或者慢轴准直正透镜6和慢轴准直负透镜7组成；
第二半导体激光器叠阵2发出的光经反射镜3和第二半导体激光器叠阵2发出的光共同经过整形透镜8和整形透镜9进行整形。
本发明高功率半导体激光光源系统工作原理如图2所示，第二半导体激光器叠阵2出光面与反射镜3成w角度放置，第一半导体激光器叠阵1与第二半导体激光器2上下错位成角度排列，第一半导体激光器叠阵1出光面与反射镜在水平面投影的角度w角度，半导体激光器叠阵2的激光经反射镜3反射后到达整形透镜8处，半导体激光器叠阵1的激光透过反射镜3的下部空间或者上部空间，直接到达整形透镜8处，两路激光共同经过整形透镜4、5、6、7，最终到达聚焦面处。
当然，也可以考虑设置多个半导体激光叠阵，只要在高度方向上分别错开，同时充分利用系统整体空间，保证其水平投影分散错开，就能够汇集得到更高功率的激光光源系统；原理同上。
也可以是所有半导体激光叠阵均采用反射镜将其输出光反射至整形透镜组，这样，在“主光轴”上，不再设置半导体激光叠阵；原理同上。
图3为在整形透镜组的入射镜面上形成的光斑示意，由图3可知第一半导体激光器叠阵1和第二半导体激光器叠阵2在整形透镜组8前的光斑状态，有图3可知半导体激光器叠阵1所发出的激光束在整形透镜组8前方的光斑的慢轴方向(水平方向)的中心连线(垂直方向)和半导体激光器叠阵2所发出的激光束在整形透镜组8前方的光斑的慢轴方向(水平方向)的中心连线(垂直方向)在一条直线上；半导体激光器叠阵1所发出的激光束在整形透镜组8前方的光斑的快轴方向(垂直方向)的中心连线(水平方向)和半导体激光器叠阵2所发出的激光束在整形透镜组8前方的光斑的快轴方向(垂直方向)的中心连线(水平方向)近似平形。
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，包括第一半导体激光器叠阵1、第二半导体激光器叠阵2、反射镜3、快轴整形透镜组8和慢轴整形透镜9。
对于第一半导体激光叠阵1，其由25个加了微透镜的巴条芯片叠加组成，对于第二半导体激光器叠阵2，其由25个加了微透镜的巴条芯片叠加组成，反射镜2置于第二半导体激光器叠阵2出射光前端，与第二半导体器叠阵2的角度为45度，用于将第二半导体激光器叠阵2发射出的光进行全反射。第一半导体激光器叠阵1和第二半导体激光器叠阵2成上下错位摆放的排列方式，在第一半导体激光器叠阵1后设置第一整形透镜组8和第二整形透镜组9，第一整形透镜组8包括快轴准直正透镜4和快轴准直负透镜5，第二整形透镜组9包括第慢轴准直正透镜6和慢轴准直负透镜7。该实施的工作面距离为150mm，焦点处光斑大小为2x8mm，功率密度为2.5x104W/cm2，总功率可达到4000w。
综上，本发明的高功率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 (10)

1.一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括作为原始光源的n个半导体激光器叠阵和用于将多个半导体激光器叠阵发出的光束进行整形的整形透镜组，所述多个半导体激光器叠阵在高度方向上相互错位，其中一个半导体激光器叠阵发出的光束与整形透镜组处于同一光轴上，其他n-1个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，这些反射光束的光轴均与整形透镜组的光轴平行；在整形透镜组的入射镜面形成的光斑沿其高度方向的中心线整齐排布。
2.根据权利要求1所述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一个或者多个经过预准直的多发光单元芯片堆叠组成。
3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述的整形透镜组是快轴整形透镜组或者慢轴整形透镜组，或者由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成。
4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所有半导体激光器叠阵至整形透镜组的光程相等。
5.根据权利要求1所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：多个所述反射镜同轴安装于一个或多个沿高度方向平行于整形透镜组光轴的反射镜支架上。
6.一种用于激光加工的高功率半导体激光光源系统，包括作为原始光源的n个半导体激光器叠阵和用于将多个半导体激光器叠阵发出的光束进行整形的整形透镜组，所述多个半导体激光器叠阵在高度方向上相互错位，n个半导体激光器叠阵通过在各自高度位置上设置的反射镜形成反射光束，这些反射光束的光轴均与整形透镜组的光轴平行，在整形透镜组的入射镜面形成的光斑沿其高度方向的中心线整齐排布。
7.根据权利要求6所述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一个或者多个经过预准直的多发光单元芯片堆叠组成。
8.根据权利要求6所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所述的整形透镜组是快轴整形透镜组或者慢轴整形透镜组，或者由快轴整形透镜组和慢轴整形透镜组组合构成。
9.根据权利要求6所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：所有半导体激光器叠阵至整形透镜组的光程相等。
10.根据权利要求6所述的高功率半导体激光光源系统，其特征在于：多个所述反射镜沿高度方向同轴安装于一个位于整形透镜组光轴上的反射镜支架上。
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