CN103545718A - 用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统 - 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器光源系统，该系统包括偏振态一致的半导体激光叠阵和设置于半导体激光器出光方向的整形模块；其中，半导体激光器叠阵的每个半导体激光器单元安装有两组激光芯片，其中第一激光芯片组与第二激光芯片组出光平行；所述整形模块包括二分之一波片、反射镜和偏振合束器，所述偏振合束片设置于第一激光芯片组出光光路上，所述反射镜设置于第二激光芯片组出光光路上，反射镜镜面与偏振合束片平行设置，所述二分之一波片设置于反射镜的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片组的激光通过偏振合束片与第一激光芯片组的激光合束出射。本发明输出功率高，可靠性高。
Description
技术领域
本发明属于激光加工技术领域，涉及一种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核心器件。
半导体激光器正朝着高功率的方向发展，尤其在激光加工等领域，半导体激光器的千瓦级连续输出已成为必然需求。并且随着对加工件的加工深度增大，更高输出功率，更小光斑的半导体激光器急需研制。但是，与其他激光器相比，半导体激光器的光束质量比较差，快慢轴的光束质量不均匀，远场光强呈椭圆高斯分布，聚焦难度较大，实现较小光斑的激光输出不易。同时目前用于激光加工半导体激光器叠阵为单一波长，因不同金属对不同波长的激光吸收效率不同，单一波长在激光加工过程中所加工的金属种类有限，且对一同一种金属加工效率低。
半导体激光器慢轴方向BPP（光束质量参数）很大，其慢轴方向光束质量很差，而快轴方向BPP（光束质量参数）比较小，这样同一巴条类半导体激光器快轴方向和慢轴方向BPP不匹配限制了其应用，需平衡快轴方向和慢轴方向的BPP，需要复杂的光学整形来实现。
一般用多个棱镜进行切割重排的光学整形方式，此种方法是将BPP大的方向的压力分担到BPP小的方向，切割重排形式复杂，能量损失大。
另外，目前市场上仅见一个芯片封装在一个液体制冷器上的结构，且光学整形较复杂、功率低。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提供一种用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统。
本发明的技术方案如下：
用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，包括偏振态一致的半导体激光叠阵和设置于半导体激光器出光方向的整形模块；其中，半导体激光器叠阵的每个半导体激光器单元安装有两组激光芯片，其中第一激光芯片组与第二激光芯片组出光平行；所述整形模块包括二分之一波片、反射镜和偏振合束器，所述偏振合束片设置于第一激光芯片组出光光路上，所述反射镜设置于第二激光芯片组出光光路上，反射镜镜面与偏振合束片平行设置，所述二分之一波片设置于反射镜的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片组的激光通过偏振合束片与第一激光芯片组的激光合束出射。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：
上述反射镜和偏振合束片均在所处光路中成45度角设置。
上述每个半导体激光器单元包括液体制冷块、绝缘层和电极层；其中，液体制冷块由导电导热材料制成，该液体制冷块在平面上分为主体制冷区和芯片安装区，所述第一激光芯片组和第二激光芯片组的正极面焊接在芯片安装区，绝缘层焊接覆盖在主体制冷区上，电极层整体焊接覆盖在绝缘层以及第一激光芯片组和第二激光芯片组的负极面上。
上述第一激光芯片组和第二激光芯片组分置于芯片安装区的两侧，所述电极层对应于芯片安装区的部分为U型，该U型部贴紧第一激光芯片组和第二激光芯片组。
上述第一激光芯片组和第二激光芯片组均采用单个芯片。当然，也可以是由两、三个芯片组成其中一组。
上述电极层材料选用高导热导电材料，可以是金，也可以是铜；绝缘层材料为绝缘树脂材料，可以是聚酰亚胺、聚酯材料，也可选用陶瓷。
本发明具有以下优点：
在同一个液体制冷器上封装两组激光芯片，在相同电流下，输出功率比单个芯片封装在一个液体制冷器高一倍，同时在进行光学整形时，光斑比单个芯片的激光器的能量更高。
电极层前端设置为U型，U型部分贴合在两个芯片上，使得电极层前端不易与液体制冷器中两个芯片安装区的中间位置接触而导致短路，使得激光器可靠性更高；同时这种散热绝缘结构也保证了对两个激光芯片的散热效果。
本发明的两组激光芯片可以为不同波长，即可实现多波长宽光谱高功率输出，对于激光加工应用可以处理多种不同的金属材料，另外，较之于单一波长，不同波长在对金属进行处理时，金属表面吸收效率更高。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的光学系统原理图。
图3为本发明中任一个半导体激光器拆解示意图。
附图标号说明：
1-半导体激光器叠阵；2-整形模块；3-二分之一波片；4-偏振合束器；5-反射镜；6-液体制冷器；7-第一半导体激光器芯片；8-第二半导体激光器芯片；9-绝缘层；10-电极层。
具体实施方式
用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统包括半导体激光叠阵、整形模块；半导体激光器叠阵为第一激光芯片和第二激光芯片同时封装在一个制冷器上，再将多个封装好芯片的制冷器堆叠而成。
传统的制冷器只能封装一个厘米型芯片，不利于后期光学整形。
本发明是将两个激光芯片同时封装在一个制冷器上，这样可以在后期整形的过程中较好的控制光斑的大小。
第一激光芯片和第二激光芯片的偏振态一致。第一激光芯片与第二激光芯片出光平行且出光端平齐。
整形模块包括二分之一波片、反射镜及偏振合束片。在第一巴条激光出射方向设置二分之一波片，用于将通过二分之一波片的第一巴条激光的偏振态旋转90°；在二分之一波片后设置反射镜，用于反射激光。在第二巴条激光出射方向设置偏振合束片，偏振合束片对第二巴条的激光进行透射，对通过反射镜的激光进行反射后将两束激光进行合束。
如图1、2所示，半导体激光器叠阵1偏振态为TE（或TM），半导体激光器叠阵1中第一激光芯片7和第二激光芯片8的偏振态一致，在第一激光芯片7激光出射方向设置二分之一波片3将第一激光芯片发出的激光由偏振态TE（或TM）旋转为TM（或TE），后经过反射镜5进行反射；第二激光芯片8所发出的激光偏振态与经过二分之一波片3的第一激光芯片7所发出的激光偏振态不一致，第一激光芯片7所发出的激光通过二分之一波片3后再通过反射镜5进行反射，第二激光芯片所发出的激光与经过二分之一波片3和反射镜5的第一激光芯片所发出的激光通过偏振合束器4进行合束，偏振合束器4对TE（或TM）进行透射，对TM（或TE）进行反射。
如图3所示，液体制冷器包括制冷主体及芯片安装区，在芯片安装区A和芯片安装区B处分别焊接芯片后，在制冷片主体处焊接绝缘层，在芯片及绝缘层上部焊接电极层，所述电极层前端为U型，U型部分别贴紧芯片。
电极层材料选用高导热导电材料，可以是金，也可以是铜；绝缘层材料为绝缘树脂材料，可以是聚酰亚胺、聚酯材料，也可选用陶瓷。
Claims (6)
1.用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，其特征在于：包括偏振态一致的半导体激光叠阵和设置于半导体激光器出光方向的整形模块；其中，半导体激光器叠阵的每个半导体激光器单元安装有两组激光芯片，其中第一激光芯片组与第二激光芯片组出光平行；所述整形模块包括二分之一波片、反射镜和偏振合束器，所述偏振合束片设置于第一激光芯片组出光光路上，所述反射镜设置于第二激光芯片组出光光路上，反射镜镜面与偏振合束片平行设置，所述二分之一波片设置于反射镜的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片组的激光通过偏振合束片与第一激光芯片组的激光合束出射。
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器光源系统，其特征在于：所述反射镜和偏振合束片均在所处光路中成45度角设置。
3.根据权利要求1或2所述的用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，其特征在于：所述每个半导体激光器单元包括液体制冷块、绝缘层和电极层；其中，液体制冷块由导电导热材料制成，该液体制冷块在平面上分为主体制冷区和芯片安装区，所述第一激光芯片组和第二激光芯片组的正极面焊接在芯片安装区，绝缘层焊接覆盖在主体制冷区上，电极层整体焊接覆盖在绝缘层以及第一激光芯片组和第二激光芯片组的负极面上。
4.根据权利要求3所述的用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，其特征在于：第一激光芯片组和第二激光芯片组分置于芯片安装区的两侧，所述电极层对应于芯片安装区的部分为U型，该U型部贴紧第一激光芯片组和第二激光芯片组。
5.根据权利要求4所述的用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，其特征在于：第一激光芯片组和第二激光芯片组均采用单个芯片。
6.根据权利要求3所述的用于激光加工的高功率半导体激光器光源系统，其特征在于：所述电极层材料采用金或铜，绝缘层材料为聚酰亚胺、聚酯材料或陶瓷。
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