CN103472582A

CN103472582A - 实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置

Info

Publication number: CN103472582A
Application number: CN2012101852921A
Authority: CN
Inventors: 汪晓波; 李江; 鄢雨; 黄哲; 王俊; 廖新胜
Original assignee: Suzhou Everbright Photonics Technology Co Ltd
Current assignee: Suzhou Everbright Photonics Technology Co Ltd
Priority date: 2012-06-07
Filing date: 2012-06-07
Publication date: 2013-12-25

Abstract

本发明公开了实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置。本发明包含n个独立的半导体激光器单元，一线分布且高度递增，统一以一定的斜角向斜前方发射激光，首先进行快轴准直，再经过一列n个中心高度递增的柱面反射镜的反射实现慢轴准直，并转向发射到汇聚光学模块上，再经过一个透镜组透射，或者反射镜反射，汇聚为一个轮廓接近正方形或者圆形的光斑，汇聚光学模块处每个半导体激光器单元对应的光斑彼此相邻，填充比为100%、或者接近100%。光束整形后可直接使用也可耦合进入光纤后再使用。本发明在保证高光束质量的前提下，显著改善了半导体激光光斑的对称性。

Description

实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域,具体涉及一种实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置。

背景技术

半导体激光器由于体积小、重量轻、电光效率高等优点得到越来越广泛的应用：大功率半导体激光器的光束整形后再耦合到光纤中对材料加工具有明确的应用前景，相对于传统的灯泵固体激光器具有显著的优势，另外使用半导体激光器光纤耦合模块泵浦的光纤激光器得到广泛应用，客观上也推动了半导体激光器及其光束整形技术的不断发展。目前半导体激光尚存在光斑不对称、光束质量偏低、功率密度偏低等不足，利用光束整形装置可以改善光斑对称性并提高功率密度。

目前半导体激光器直接发出的光斑绝大多数为长条状或者椭圆形，原因绝大多数的半导体激光器为边发射式结构，典型半导体激光器单个发光区的宽度通常为80μm～500μm、高度通常为1μm以内，宽度方向垂直pn结方向，为慢轴方向，高度方向平行于pn结方向，为快轴方向。快轴方向的激光光束质量接近衍射极限，典型的高斯发散半角（1/e²）为25°左右；慢轴方向的激光光束质量通常较差，通常达到数十上百倍衍射极限，典型的发散半角（1/e²）为5°左右。

BPP（光束参数乘积，为光束高斯腰斑半径乘以光束远场发散高斯半角）是衡量光束质量的一个重要质量，半导体激光快轴方向的BPP在准直前约为0.3mm·mrad，准直后一般为0.6～2 mm·mrad，慢轴方向单个发光区约为4～20mm·mrad，Bar条封装半导体激光器的慢轴方向约为400 mm·mrad。通常在快轴方向上重叠多个半导体激光单元，使得快轴方向的光束质量与慢轴方向光束质量接近。

因为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的高度不对称性，通常半导体激光器的快轴方向和慢轴方向分开独立进行准直。一般来说，快轴方向首先通过一块非球面微柱透镜进行准直，再通过一块球面柱透镜进行慢轴准直，最后汇通过透镜汇聚为一点，但因为半导体激光器在快轴方向和慢轴方向的光束质量的明显区别，通常光斑为条纹状，很难满足应用需求。这就需要使用一个光束整形装置将光斑形状的快轴方向和慢轴方向调整到接近对称。

目前光束整形装置的的主要方法分为：折射式光束整形方法、折/反射式光束整形方法两种。目前美国nLight公司的产品主要基于折射式元件的光束整形方案，每个激光器单元快轴透射元件准直后，再通过慢轴透射元件准直，最后经过一个透镜组调整光斑尺寸并汇聚。美国IPG公司的产品主要基于折/反射式元件的光束整形方案，每个激光器单元快轴透射元件准直后，再通过合适尺寸的慢轴透射元件准直，随后反射进入聚焦光学元件。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的以上问题，提供一种实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，该装置能够在保证高光束质量的前提下，将多个半导体激光单元发射的激光聚焦到一个近似正方形或者圆形的小区域内，能够耦合到光纤中。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明通过以下技术方案实现：

实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，包括半导体激光器单元，所述半导体激光器单元与底板连接，所述底板还设置有柱面反射镜，所述柱面反射镜正前方设置有汇聚光学模块。半导体激光器单元为单个发光区或多个发光区

进一步的，所述半导体激光器单元与底板的连接处设置为台阶状，且设置有过渡热沉，所述半导体激光器单元一线分布、高度递增，统一以一定的斜角向斜前方发射激光，所述半导体激光器单元的数量范围为2～50。

进一步的，所述汇聚光学模块由一组消像差的透射透镜或者一片球面反射镜或者非球面反射镜组成。

进一步的，所述柱面反射镜的中心高度沿入射激光传输方向依次递增。

进一步的，所述柱面反射镜由金属基体或玻璃或其它基体组成，其中所述柱面反射镜的镀膜为金属膜或介质膜，其中所述柱面反射镜的反射面在慢轴方向为普通圆弧或非球面曲线，快轴方向为直线或接近直线。

本发明的有益效果是:

本发明能够在保证高光束质量的前提下，将多个半导体激光单元发射的激光聚焦到一个近似正方形或者圆形的小区域内，能够耦合到光纤中。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的光束整形装置的立体；

图2为本发明的光束整形装置的上视图；

图3为本发明的采用反射汇聚光学元件的光束整形装置的上视图；

图4为本发明的半导体激光器单元采用不同形式过渡热沉的光束整形装置的上视图；

图5为本发明的半导体激光器单元之间金属线连接方式的上视图。

图中标号说明：1、半导体激光器单元，2、柱面反射镜，3、汇聚光学模块，4、底板，5、过渡热沉，6、金属丝，7、半导体激光器单管。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本发明。

参照图1所示，实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，包括半导体激光器单元1，所述半导体激光器单元1与底板4连接，所述底板4还设置有柱面反射镜2，所述柱面反射镜2正前方设置有汇聚光学模块3。半导体激光器单元1为单个发光区或多个发光区（例如bar条）。

进一步的，所述半导体激光器单元1与底板4的连接处设置为台阶状，且设置有过渡热沉5，所述半导体激光器单元1一线分布、高度递增，统一以一定的斜角向斜前方发射激光，所述半导体激光器单元1的数量范围为2～50。

进一步的，所述汇聚光学模块3由一组消像差的透射透镜或者一片球面反射镜或者非球面反射镜组成。

进一步的，所述柱面反射镜2的中心高度沿入射激光传输方向依次递增。

进一步的，所述柱面反射镜2由金属基体或玻璃或其它基体组成，其中所述柱面反射镜2的镀膜为金属膜或介质膜，其中所述柱面反射镜2的反射面在慢轴方向为普通圆弧或非球面曲线，快轴方向为直线或接近直线。

本实施例的工作原理如下：

实施例1：

如图1所示，半导体激光器单元1的光源部分由6个半导体激光单管7组成，单个半导体激光器单管7经过一个非球面微柱透镜快轴准直后，快轴方向的光斑尺寸约为0.8mm，高斯发散半角为2mrad，慢轴方向发光区宽度为90μm，高斯发散半角约为102mrad，则单个半导体激光器单管7的快轴方向的BPP为0.8mm﹒mrad，慢轴方向的BPP为4.51 mm﹒mrad。

如图1所示，单个半导体激光器单管7焊接在一块过渡热沉5上，再固定到底板4上，底板4做成台阶状，台阶的递增方向与激光传输方向一致，台阶的高度差为1mm。

如图5所示，单个半导体激光器单管7通过金属线6将n面连接到过渡热沉5上的负极，p面直接接触到过渡热沉5上的正极。再通过金属线6将相邻的半导体激光器单管7的过渡热沉5正负极串联在一起。

如图1所示，6个半导体激光器单管7在上视图成一线分布，间隔相等，为10mm。

如图2所示，6个半导体激光器单管7的激光发射方向和器件分布连线的夹角为20°。

如图1所示，单个半导体激光器单管7发射区的高度与对应的柱面反射镜2的中心高度一致。柱面反射镜2放置在台阶状的底板上，台阶的递增方向与激光传输方向一致，台阶的高度差为1mm。

如图1所示，柱面反射镜2成一线分布，柱面反射镜2的分布连线与激光反射后的传输方向一致。

如图2所示，单个半导体激光器单管7的激光传播方向与柱面反射镜2的夹角为10°，对于本实施例，柱面反射镜2的离轴像差可以忽略。

如图1所示，单个半导体激光器单管7的发射区与对应的柱面反射镜2中心的距离为60mm，柱面反射镜2为普通圆弧状，柱面反射面的圆周曲率为120mm。

如图1所示，单个半导体激光器单管7传输到慢轴方向的柱面反射镜2时，光斑尺寸在慢轴方向约为6mm，快轴方向约为1mm，6个半导体激光器单管7发射激光在快轴方向重叠，则光斑整体轮廓约为6mm×6mm的正方形。快轴方向整体光束质量BPP约为4 mm﹒mrad，慢轴方向光束质量BPP约为4.51 mm﹒mrad。

如图1所示，汇聚光学模块3由两块透镜组合而成，组合透镜焦距为50mm，已经消球差、慧差，兼顾消除了色差。汇聚后光束的快轴方向、慢轴方向数值孔径约为0.12，对角线的方向数值孔径约为0.17，焦点光斑的外形轮廓为70μm×80μm的矩形。焦点处的光斑可以通过端面有效耦合进入芯径100μm、数值孔径0.15的光纤中

实施例2：

如图3所示，与实施例1的区别在于，汇聚光学模块3采用了一块球面反射镜，球面曲率为100mm，焦距与实施例1中的透镜组相同，入射夹角为10°。

实施例3：

如图4所示，与实施例1的区别在于，单个半导体激光器单管7采用了另外一种固定方式的过渡热沉5，这种过渡热沉导5热性能更好，但是结构相对于前者不够紧凑。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：包括半导体激光器单元（1），所述半导体激光器单元（1）与底板（4）连接，所述底板（4）还设置有柱面反射镜（2），所述柱面反射镜（2）正前方设置有汇聚光学模块（3）。

2.实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：所述半导体激光器单元（1）为单个发光区或多个发光区。

3.根据权利要求1所述的实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：所述半导体激光器单元（1）与底板（4）的连接处设置为台阶状，且设置有过渡热沉（5），所述半导体激光器单元（1）一线分布、高度递增，统一以一定的斜角向斜前方发射激光，所述半导体激光器单元（1）的数量范围为2～50。

4.根据权利要求1所述的实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：所述汇聚光学模块（3）由一组消像差的透射透镜或者一片球面反射镜或者非球面反射镜组成。

5.根据权利要求1所述的实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：所述柱面反射镜（2）的中心高度沿入射激光传输方向依次递增。

6.根据权利要求1所述的实现高功率高亮度半导体激光器的光束整形装置，其特征在于：所述柱面反射镜（2）由金属基体或玻璃或其它基体组成，其中所述柱面反射镜（2）的镀膜为金属膜或介质膜，其中所述柱面反射镜（2）的反射面在慢轴方向为普通圆弧或非球面曲线，快轴方向为直线或接近直线。