CN102545033B - 一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，包括A堆栈(1)、A整形透镜(11)、B堆栈(2)、B整形透镜(21)、耦合镜(3)、整形透镜(4)、反射聚焦镜(5)、进风口(6)、光闸(7)、屏蔽箱(8)。本发明采用耦合镜将二束激光叠加以提高激光的输出功率；屏蔽箱将装置内部与外部环境隔离，进风口输入正压空气以阻止外部的尘垢侵入并对箱内诸器件进行风冷；光闸的光阑作用阻隔外部漫射光热逆向回传；反射聚焦镜将沿光路逆向回传的光热吸收并加以冷却的技术方案，通过耦合叠加、封闭隔离、光阑阻逆、反射吸热、正压风冷使半导体激光发生器达到了提高输出功率、阻隔尘垢侵害、避免回传和自身光热损伤的目的。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光发生装置，具体是指将两束不同波长的功率半导体激光耦合叠加形成一束大功率的双波长激光用于工业激光加工用途的一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置。
背景技术
功率半导体激光器，是由堆栈形式集聚能量产生激光束，通过透镜对激光束进行整形、聚焦而获得单一波长的功率激光束，半导体激光器具有形体小、重量轻的特点；现有技术用于工业激光加工用途的大功率激光通常由形体庞大、重量重的大功率气体激光器提供，这是由于半导体激光器受到半导体激光芯片功率的制约，半导体激光器的输出功率难以进一步提高；此外，现有技术用于工业激光加工的功率半导体激光器，常因光热回传的高温以及附着在镜组表面的尘垢吸收了激光能量产生高热而使激光器自身和镜组损坏，因此，现有技术存在输出功率难以提高以及光热回传和尘垢为害的问题与不足。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题与不足，本发明采用在封闭的屏蔽箱中设置A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜、耦合镜、整形透镜、反射聚焦镜、进风口、光闸、屏蔽箱构成的装置，将A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜发出的二束不同波长的矩形激光通过耦合镜耦合叠加，再通过整形透镜整形，经反射聚焦镜聚焦后通过光闸输出；其中，耦合镜的耦合叠加使输出的激光功率得以提高；屏蔽箱用于将装置内部与外部环境隔离；由外设的净化空气装置通过进风口向屏蔽箱内输送干燥洁净的空气，使屏蔽箱内部处于正压状态以阻止屏蔽箱外部的尘垢侵入装置内部，并同时对屏蔽箱中的诸器件自身产生的光热进行风冷；由光闸构成的光阑用于阻隔装置外部的漫射的光热回传；反射聚焦镜将部分沿光路经光闸进入装置内部的回传光热吸收并加以冷却以保护反射聚焦镜的上游诸器件免遭热损的技术方案，提供一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，旨在通过耦合叠加、封闭隔离、光阑阻逆、反射吸热、正压风冷使半导体激光发生器，达到提高输出功率、阻隔尘垢侵害、避免回传和自身光热损伤的目的。
本发明的目的是这样实现的：一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，包括A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜、耦合镜、整形透镜、反射聚焦镜、进风口、光闸、屏蔽箱，其中：所述的屏蔽箱为金属质的矩形中空有盖封闭的箱体；屏蔽箱设有进风口，所述进风口位于屏蔽箱的底部，且与外设的净化空气装置的风机输出口连接；屏蔽箱的一侧壁上设有用于激光输出的窗口称为光闸口；
所述的A堆栈为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；A堆栈输出的激光波长为940nm，输出功率为2700W，截面为圆柱形；A堆栈发射的激光的方向轴称为A光轴；
所述的B堆栈为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；B堆栈输出的激光波长为808nm，输出功率为1800W，截面为圆柱形；B堆栈发射的激光的方向轴称为B光轴；
所述的A整形透镜为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；A整形透镜对波长940nm激光透过率大于99.8％，A整形透镜的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的B整形透镜为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；B整形透镜对波长808nm激光透过率大于99.9％，B整形透镜的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的耦合镜为k9玻璃制成的平面透镜，耦合镜对波长940nm激光透过率大于98％，耦合镜对波长808nm激光45°入射角的反射率大于89％，耦合镜的通光口径为60×100mm的矩形，耦合镜的厚度为3mm；
所述的整形透镜为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有波长940nm和波长808nm双波长的增透膜；整形透镜对波长940nm和808nm激光透过率均大于98％，整形透镜的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的反射聚焦镜为无氧铜质的凹面反射镜，镜座设有水冷，镜面对激光反射率大于80％；
所述的光闸为由气缸驱动开关光路的阀门装置，光闸由铜质的阀体与阀芯构成，光闸的阀芯的光路通道为矩形，光闸的闸体设有水冷；
A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜、耦合镜、整形透镜、反射聚焦镜置于屏蔽箱的内部，俯视，按激光射线光路方向进行描述，所述光轴的光路与所述光轴的光路正交，整形透镜位于A堆栈的正前方，B整形透镜位于B堆栈的正前方；耦合镜的左侧表面位于A光轴的光路与B光轴的光路汇聚点处且与B光轴的光路夹45°角；
沿A光轴的光路方向，整形透镜位于耦合镜的前方，反射聚焦镜位于整形透镜的前方；反射聚焦镜的凹面朝向整形透镜，反射聚焦镜的轴线与A光轴的光路夹45°角；光闸位于反射聚焦镜的反射光轴光路的前方，所述反射光轴为沿A光轴光路入射的光经反射聚焦镜反射形成的与A光轴正交的射线光路方向轴；光闸固定连接在屏蔽箱的所述光闸口处。
工作原理
应用时，反射聚焦镜、光闸通水冷却，开启外设的净化空气装置通过进风口向屏蔽箱内输送干燥洁净的空气，使屏蔽箱内处于正压状态。
开始工作，启动A堆栈、B堆栈，同时开启光闸，A堆栈发生的截面为圆柱形的激光束经过A整形透镜整形为矩形称为A激光束，B堆栈发生的截面为圆柱形的激光束经过B整形透镜整形为矩形称为B激光束，A激光束与B激光束通过耦合镜交汇耦合叠加成一束由二个不同波长激光耦合的矩形的AB激光束，AB激光束经过整形透镜整形，反射聚焦镜反射聚焦，通过开启的光闸向外输出工作；
停止工作，关闭A堆栈、B堆栈，延时关闭光闸和外设的净化空气装置进风，待屏蔽箱内部装置冷却后先关闭光闸再关闭外设的净化空气装置，最后关闭反射聚焦镜、光闸的水冷。
耦合镜的耦合叠加作用使输出的AB激光束的功率输出得以大幅度提高；屏蔽箱将装置内部与外部环境隔离防止尘垢侵害；通过进风口进入屏蔽箱内的干燥洁净空气，使屏蔽箱内部处于正压状态，光闸开启后屏蔽箱内洁净空气从光闸溢出，从而阻止屏蔽箱外部尘垢侵入到屏蔽箱内部，同时，从进风口进入从光闸溢出的洁净空气还起到对屏蔽箱中的诸器件自身产生的光热进行风冷的作用；光闸的阀芯的光路通道起到光阑作用，可阻隔装置外部漫射的光热回传，同时，水冷使光闸自身得以冷却；部分沿输出光路经光闸逆向进入屏蔽箱内部的回传光热，由镜座设有水冷的反射聚焦镜吸收并加以冷却，以保护反射聚焦镜的上游诸器件免遭热损。
有益效果
本装置最终可获得最大激光输出功率为4000W，根据需要可分别获得尺寸8×1.2mm、10×1mm和15×1mm的三个不同的矩形聚焦光斑。
上述，本发明采用在封闭的屏蔽箱中设置A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜、耦合镜、整形透镜、反射聚焦镜、进风口、光闸、屏蔽箱构成的装置，将A堆栈、A整形透镜、B堆栈、B整形透镜发出的二束不同波长的矩形激光通过耦合镜耦合叠加，再通过整形透镜整形，经反射聚焦镜聚焦后通过光闸输出；其中，耦合镜的耦合叠加使输出的激光功率得以提高；屏蔽箱用于将装置内部与外部环境隔离；由外设的净化空气装置通过进风口向屏蔽箱内输送干燥洁净的空气，使屏蔽箱内部处于正压状态以阻止屏蔽箱外部的尘垢侵入装置内部，并同时对屏蔽箱中的诸器件自身产生的光热进行风冷；由光闸构成的光阑用于阻隔装置外部的漫射的光热回传；反射聚焦镜将部分沿光路经光闸进入装置内部的回传光热吸收并加以冷却以保护反射聚焦镜的上游诸器件免遭热损的技术方案，克服了现有技术存在输出功率难以提高以及光热回传和尘垢为害的问题与不足，所提供的一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，通过耦合叠加、封闭隔离、光阑阻逆、反射吸热、正压风冷使半导体激光发生器，达到了提高输出功率、阻隔尘垢侵害、避免回传和自身光热损伤的目的。
附图说明
图1是本发明的一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置的光路及结构的俯视示意图。
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步详细说明，但不应理解为对本发明的任何限制。
图中：A堆栈1、A整形透镜11、B堆栈2、B整形透镜21、耦合镜3、整形透镜4、反射聚焦镜5、进风口6、光闸7、屏蔽箱8。
具体实施方式
参阅图1，本发明的一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，包括A堆栈1、A整形透镜11、B堆栈2、B整形透镜21、耦合镜3、整形透镜4、反射聚焦镜5、进风口6、光闸7、屏蔽箱8，其中：所述的屏蔽箱8为金属质的矩形中空有盖封闭的箱体；屏蔽箱8设有进风口6，所述进风口6位于屏蔽箱8的底部，且与外设的净化空气装置的风机输出口连接；屏蔽箱8的一侧壁上设有用于激光输出的窗口称为光闸口；
所述的A堆栈1为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；A堆栈1输出的激光波长为940nm，输出功率为2700W，截面为圆柱形；A堆栈1发射的激光的方向轴称为A光轴；
所述的B堆栈2为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；B堆栈2输出的激光波长为808nm，输出功率为1800W，截面为圆柱形；B堆栈2发射的激光的方向轴称为B光轴；
所述的A整形透镜11为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；A整形透镜11对波长940nm激光透过率大于99.8％，A整形透镜11的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的B整形透镜21为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；B整形透镜21对波长808nm激光透过率大于99.9％，B整形透镜21的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的耦合镜3为k9玻璃制成的平面透镜，耦合镜3对波长940nm激光透过率大于98％，耦合镜3对波长808nm激光45°入射角的反射率大于89％，耦合镜3的通光口径为60×100mm的矩形，耦合镜3的厚度为3mm；
所述的整形透镜4为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有波长940nm和波长808nm双波长的增透膜；整形透镜4对波长940nm和808nm激光透过率均大于98％，整形透镜4的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的反射聚焦镜5为无氧铜质的凹面反射镜，镜座设有水冷，镜面对激光反射率大于80％；
所述的光闸7为由气缸驱动开关光路的阀门装置，光闸7由铜质的阀体与阀芯构成，光闸7的阀芯的光路通道为矩形，光闸7的闸体设有水冷；
A堆栈1、A整形透镜11、B堆栈2、B整形透镜21、耦合镜3、整形透镜4、反射聚焦镜5置于屏蔽箱8的内部，俯视，按激光射线光路方向进行描述，所述A光轴的光路与所述B光轴的光路正交，A整形透镜11位于A堆栈1的正前方，B整形透镜21位于B堆栈2的正前方；耦合镜3的左侧表面位于A光轴的光路与B光轴的光路汇聚点处且与B光轴的光路夹45°角；
沿A光轴的光路方向，整形透镜4位于耦合镜3的前方，反射聚焦镜5位于整形透镜4的前方；反射聚焦镜5的凹面朝向整形透镜4，反射聚焦镜5的轴线与A光轴的光路夹45°角；光闸7位于反射聚焦镜5的反射光轴光路的前方，所述反射光轴为沿A光轴光路入射的光经反射聚焦镜5反射形成的与A光轴正交的射线光路方向轴；光闸7固定连接在屏蔽箱8的所述光闸口处。
工作原理
应用时，反射聚焦镜5、光闸7通水冷却，开启外设的净化空气装置通过进风口6向屏蔽箱8内输送干燥洁净的空气，使屏蔽箱8内处于正压状态。
开始工作，启动A堆栈1、B堆栈2，同时开启光闸7，A堆栈1发生的截面为圆柱形的激光束经过A整形透镜11整形为矩形称为A激光束，B堆栈2发生的截面为圆柱形的激光束经过B整形透镜21整形为矩形称为B激光束，A激光束与B激光束通过耦合镜3交汇耦合叠加成一束由二个不同波长激光耦合的矩形的AB激光束，AB激光束经过整形透镜4整形，反射聚焦镜5反射聚焦，通过开启的光闸7向外输出工作；
停止工作，关闭A堆栈1、B堆栈2，延时关闭光闸7和外设的净化空气装置进风，待屏蔽箱8内部装置冷却后先关闭光闸7再关闭外设的净化空气装置，最后关闭反射聚焦镜5、光闸7的水冷。
耦合镜3的耦合叠加作用使输出的AB激光束的功率输出得以大幅度提高；屏蔽箱8将装置内部与外部环境隔离防止尘垢侵害；通过进风口6进入屏蔽箱8内的干燥洁净空气，使屏蔽箱8内部处于正压状态，光闸7开启后屏蔽箱8内洁净空气从光闸7溢出，从而阻止屏蔽箱8外部尘垢侵入到屏蔽箱8内部，同时，从进风口6进入从光闸7溢出的洁净空气还起到对屏蔽箱8中的诸器件自身产生的光热进行风冷的作用；光闸7的阀芯的光路通道起到光阑作用，可阻隔装置外部漫射的光热回传，同时，水冷使光闸7自身得以冷却；部分沿输出光路经光闸7逆向进入屏蔽箱8内部的回传光热，由镜座设有水冷的反射聚焦镜5吸收并加以冷却，以保护反射聚焦镜5的上游诸器件免遭热损。
Claims (1)
1.一种大功率双波长半导体矩形激光发生装置，其特征在于：包括A堆栈(1)、A整形透镜(11)、B堆栈(2)、B整形透镜(21)、耦合镜(3)、整形透镜(4)、反射聚焦镜(5)、进风口(6)、光闸(7)、屏蔽箱(8)，其中：所述的屏蔽箱(8)为金属质的矩形中空有盖封闭的箱体；屏蔽箱(8)设有进风口(6)，所述进风口(6)位于屏蔽箱(8)的底部，且与外设的净化空气装置的风机输出口连接；屏蔽箱(8)的一侧壁上设有用于激光输出的窗口称为光闸口；
所述的A堆栈(1)为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；A堆栈(1)输出的激光波长为940nm，输出功率为2700W，截面为圆柱形；A堆栈(1)发射的激光的方向轴称为A光轴；
所述的B堆栈(2)为由半导体激光芯片阵列构成的激光发生元件；B堆栈(2)输出的激光波长为808nm，输出功率为1800W，截面为圆柱形；B堆栈(2)发射的激光的方向轴称为B光轴；
所述的A整形透镜(11)为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；A整形透镜(11)对波长940nm激光透过率大于99.8％，A整形透镜(11)的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的B整形透镜(21)为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有增透膜；B整形透镜(21)对波长808nm激光透过率大于99.9％，B整形透镜(21)的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的耦合镜(3)为k9玻璃制成的平面透镜，耦合镜(3)对波长940nm激光透过率大于98％，耦合镜(3)对波长808nm激光45°入射角的反射率大于89％，耦合镜(3)的通光口径为60×100mm的矩形，耦合镜(3)的厚度为3mm；
所述的整形透镜(4)为k9玻璃制成的柱面透镜，且镀有波长940nm和波长808nm双波长的增透膜；整形透镜(4)对波长940nm和808nm激光透过率均大于98％，整形透镜(4)的通光口径为62.5×60mm的矩形；
所述的反射聚焦镜(5)为无氧铜质的凹面反射镜，镜座设有水冷，镜面对激光反射率大于80％；
所述的光闸(7)为由气缸驱动开关光路的阀门装置，光闸(7)由铜质的阀体与阀芯构成，光闸(7)的阀芯的光路通道为矩形，光闸(7)的闸体设有水冷；
A堆栈(1)、A整形透镜(11)、B堆栈(2)、B整形透镜(21)、耦合镜(3)、整形透镜(4)、反射聚焦镜(5)置于屏蔽箱(8)的内部，俯视，按激光射线光路方向进行描述，所述A光轴的光路与所述B光轴的光路正交，A整形透镜(11)位于A堆栈(1)的正前方，B整形透镜(21)位于B堆栈(2)的正前方；耦合镜(3)的左侧表面位于A光轴的光路与B光轴的光路汇聚点处且与B光轴的光路夹45°角；沿A光轴的光路方向，整形透镜(4)位于耦合镜(3)的前方，反射聚焦镜(5)位于整形透镜(4)的前方；反射聚焦镜(5)的凹面朝向整形透镜(4)，反射聚焦镜(5)的轴线与A光轴的光路夹45°角；光闸(7)位于反射聚焦镜(5)的反射光轴光路的前方，所述反射光轴为沿A光轴光路入射的光经反射聚焦镜(5)反射形成的与A光轴正交的射线光路方向轴；光闸(7)固定连接在屏蔽箱(8)的所述光闸口处。
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