CN103944059A - 一种高功率半导体激光器扩束系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高功率半导体激光器扩束系统，可实现大倍率的扩束，结构简单紧凑，体积小，成本较低。本发明的原理是：激光器发出的光束经过第一组分光模块的分光镜后，一半的光直接透射，另一半光反射后进入反射器，进入反射器的光再次反射，与另一半透射光并行出射完成一次2倍扩束后入射至第二组分光模块再次进行扩束，以此方式进行多次扩束。

Description

一种高功率半导体激光器扩束系统

技术领域

本发明属于激光应用领域，具体涉及一种激光扩束装置。

背景技术

激光具有单色性好，方向性好，相干性好，亮度高的优点，已经广泛应用于国民经济的各个领域。激光器发出的光束直径很小，通常为1-2mm，在一些特定的应用领域中，比如激光加工，激光检测和激光照明等，需要使用较大直径的激光光束，这就需要扩束系统来实现。在激光加工应用中，为了提高加工效率，需要利用扩束系统增大激光光斑；在激光照明应用中，要求激光光斑较大并且均匀，需要扩束系统扩展光斑直径,再作为光源使用。激光扩束系统不但可以扩展激光束的直径，而且改善激光束的空间发散角，使光束的准直性得到进一步改善。

目前常用的激光扩束系统为倒伽利略结构。倒伽利略结构包括一个输入的凹透镜和一个输出的凸透镜，凹透镜进行发散，凸透镜进行准直。这种扩束方法中激光器发出的激光可以先加凸透镜进行准直，再用扩束系统进行扩束，也可以直接通过扩束系统进行准直，在小倍率的扩束需求中，可以改善发散角和增大光斑。但是在这种方法中扩束的光斑大小与透镜的口径有直接关系，扩束光斑越大，所需要的透镜口径越大；并且扩束光束大小与透镜组间距有关，间距越大，扩束光斑越大。如果需求较大面积的光斑，会使得扩束系统镜筒长度较长，体积较大。由于以上因素的制约，这种扩束系统不适用于大倍率的扩束，会造成系统体积大，使用不方便，并且透镜的加工材料一般使用玻璃，制作大倍率扩束的透镜成本较高。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种高功率半导体激光器扩束系统，可实现大倍率的扩束，结构简单紧凑，体积小，成本较低。

本发明的原理是：激光器发出的光束经过第一组分光模块的分光镜后，一半的光直接透射，另一半光反射后进入反射器，进入反射器的光再次反射，与另一半透射光并行出射完成一次2倍扩束后入射至第二组分光模块再次进行扩束，以此方式进行多次扩束。

实现方案如下：

该高功率半导体激光器扩束系统，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和分光系统，所述的半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元组成；所述分光系统包括沿激光出光方向依次设置的n组分光模块,每组分光模块包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角；激光光束经过分光器后，一半能量的光直接透射，另一半能量的光反射至反射器后再次反射，与分光器直接透射的光平行出射；

第一组分光模块的分光器与半导体激光器叠阵的堆叠高度相当；各组分光模块尺寸依次成倍增大，第m组分光模块出光光束入射至第m+1组分光模块的分光器上，1≤m＜n，m为分光模块的排列序号，排列序号按照激光依次通过的顺序进行排号。

基于上述基本方案，本发明还进一步作如下优化限定和改进：

分光模块可以有以下两类实现方式。

第一类：

分光模块中，反射器可以采用全反射平面镜或者全反射棱镜。全反射平面镜的材料可以采用玻璃或金属，表面镀高反膜，高反膜的材料为金属银或者铝；或者高反膜采用多层介质反射膜。

分光模块中，反射器也可以采用偏振器件；半导体激光器叠阵的偏振特性为TE光，则偏振器件对TE光全反射；或者半导体激光器叠阵的偏振特性为TM光，则偏振器件对TM光全反射。偏振器件具体可以是偏振片、偏振镜或者偏振合束器。

分光模块中，分光器可以采用分光镜，分光镜的基体材料为玻璃，分光镜表面镀半透半反膜，半透半反膜的材料为硫化锌-氟化镁膜系。

第二类：

分光模块也可以采用棱镜组合整体实现分光器和反射器的功能，棱镜组合中各个棱镜之间紧密贴合，使得整体上具有一个侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面，具有另一个侧面与所述入光面平行作为分光模块的出光面(按照上述基本方案，第一组分光模块的入光面和出光面均与半导体激光器叠阵的堆叠高度相当，各组分光模块的入光面和出光面尺寸依次成倍增大)；棱镜组合内部存在一个贴合面镀有半透半反膜作为分光器的分光面，与分光面平行且所述入光面相邻的一个侧面作为反射器的反射面。

这一类的分光模块优选平行六面棱镜和三棱镜的组合，平行六面棱镜具有唯一侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面，与该侧面夹角为锐角的相邻侧面上紧密贴合所述三棱镜，贴合面上镀有半透半反膜作为分光器的分光面，与该侧面夹角为钝角的相邻侧面作为反射器的反光面；三棱镜还具有一个与所述激光出光方向垂直的外侧面，作为分光模块的出光面。

上述分光器的分光面和反射器的反射面最好均与激光出光方向成45°角设置。对于上述平行六面棱镜和三棱镜的组合，相当于是采用内夹角为45°和135°的平行六面棱镜来保证了分光面和反射面均与激光出光方向成45°角。

上述准直透镜组包括快轴准直镜和慢轴准直镜的组合或两者之一，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜。

本发明具有以下优点：

1)可以进行大倍率的扩束；

2)扩束光斑均匀，尺寸可根据需求自由调整；

3)扩束系统的长度仅与单个分光镜的直径有关，并且此长度不受扩束光斑大小的影响，这样在大倍率扩束系统中大大缩短了镜筒的长度，减小了系统体积；

4)分光面镀膜生产工艺成熟，降低了系统的成本。

附图说明

图1为实施例一的示意图。

图2为实施例二的示意图。

图3为实施例三的示意图。

图4为实施例四的示意图。

图5为实施例五的示意图。

图6为实施例六的示意图。

附图标号说明1为半导体激光器；2为准直透镜组；3为分光系统；4为快轴准直镜；5慢轴准直镜；6为分光器；7为反射器；8为分光面；9为出光面；10为反射面；11为入光面

具体实施方式：

一种高功率半导体激光器扩束装置：包括半导体激光器叠阵，准直透镜组和分光系统组成。所述的半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元组成；所述的准直透镜组放置于半导体激光器激光出射处；所述分光系统放置于准直后的激光光束出射方向，包括n组分光模块,每组分光模块包括一个分光器和一个反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角,第m((1≤m<n)组分光模块出光光束入射至第m+1组分光模块的分光器上，各组分光模块尺寸依次成倍增大

所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

所述的分光器的透射率为50％，反射率为50％；所述的反射器的反射率为100％，反射器可以是全反射镜，全反射棱镜，也可以是偏振器件，具体可以是偏振片、偏振镜或者偏振合束器。

最终，在第n组分光模块处将光束光斑扩大至n+1倍。

如图1和图2所示，此种高功率半导体激光器扩束装置：包括半导体激光器叠阵1，准直透镜组2和分光系统3组成。所述的半导体激光器叠阵1由若干个半导体激光单元组成；所述的准直透镜组2放置于半导体激光器叠阵1激光出射处；所述分光系统放置于准直后的激光光束出射方向，包括n组分光模块3,每组分光模块3包括一个分光器6和一个反射器7,第m((1≤m<n)组分光模块3出光光束入射至第m+1组分光模块3的分光器上。

如图1所示分光器6的透射率为50％，反射率为50％；所述的反射器7的反射率为100％，反射器7可以是全反射镜，也可以是偏振器件，具体可以是偏振片、偏振镜或者偏振合束器。

所述分光器6采用分光镜，基体材料为玻璃，分光镜表面镀半透半反膜，半透半反膜的材料为硫化锌-氟化镁膜系。

反射器7为全反射平面镜或者全反射棱镜，基体材料为玻璃或金属，表面镀高反膜；或者高反膜采用多层介质反射膜。

反射器7还可为偏振器件；半导体激光器叠阵的偏振特性为TE光，则偏振器件对TE光全反射；或者半导体激光器叠阵的偏振特性为TM光，则偏振器件对TM光全反射。

如图2所示，分光器6的透射率为50％，反射率为50％；所述的反射器7的反射率为100％，反射器7可以是全反射棱镜。

图5中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成60°夹角

图6中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成35°夹角

分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角，优选35°、45°、55°、60°夹角设置。

如图3、图4所示分光模块采用棱镜组合整体实现分光器6和反射器7的功能，棱镜组合中各个棱镜之间紧密贴合，使得整体上具有一个侧面面向半导体激光器叠阵1且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面11，具有另一个侧面与所述入光面平行作为分光模块的出光面9；第一组分光模块的入光面11和出光面9均与半导体激光器叠阵1的堆叠高度相当，各组分光模块的入光面11和出光面9尺寸依次成倍增大；棱镜组合内部存在一个贴合面镀有半透半反膜作为分光器的分光面8，与分光面8平行且所述入光面相邻的一个侧面作为反射器的反射面10。

分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角，优选35°、45°、55°、60°夹角设置。

如图3所示分光模块采用棱镜组合，平行六面棱镜(内夹角45°和135°)和三棱镜组合使用实现激光扩束；平行六面棱镜半透半反面即分光面8镀有半透半反膜，三棱镜的半透半反面即分光面8镀有半透半反膜；平行六面棱镜的反射面10镀有反射膜，三棱镜的透射面即出光面9镀有透射膜。图3中分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成45°夹角

如图3所示，分光模块只要实现激光光束通过半透半反面即分光面8后一半的光透射至透射面即出光面9进行透射，另一半的光射至反射面10进行全反射，然后合束出射，实现扩束；平行六面棱镜和三棱镜不能为一体件，如为一体件则半透半反面将不能实现半透半反的作用。

如图3所示，除使用三棱镜外，还可以使用其他不规则器件，只要半透半反面即分光面8可实现一半的光透射，一半的光反射且其半透半反面即分光面8可以直接垂直透射光即可。

如图4所示光模块采用棱镜组合，八面体棱镜和三棱镜组合使用实现激光扩束；八面体棱镜半透半反面即分光面8镀有半透半反膜，三棱镜的半透半反面即分光面8镀有半透半反膜，八面体棱镜的反射面10镀有反射膜，三棱镜的透射面即出光面9镀有透射膜，分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成60°夹角。除可用八面体棱镜外也可把反射面10延伸与出光面9相交后使用七面体棱镜。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和分光系统，所述的半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元组成；所述分光系统包括沿激光出光方向依次设置的n组分光模块,每组分光模块包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角；激光光束经过分光器后，一半能量的光直接透射，另一半能量的光反射至反射器后再次反射，与分光器直接透射的光平行出射；

第一组分光模块的分光器与半导体激光器叠阵的堆叠高度相当；各组分光模块尺寸依次成倍增大，第m组分光模块出光光束入射至第m+1组分光模块的分光器上，1≤m＜n，m为分光模块的排列序号，排列序号按照激光依次通过的顺序进行排号。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述反射器为全反射平面镜或者全反射棱镜。

3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述全反射平面镜的材料为玻璃或金属，表面镀高反膜，高反膜的材料为金属银或者铝；或者高反膜采用多层介质反射膜。

4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述反射器为偏振器件；半导体激光器叠阵的偏振特性为TE光，则偏振器件对TE光全反射；或者半导体激光器叠阵的偏振特性为TM光，则偏振器件对TM光全反射。

5.根据权利要求4所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述偏振器件采用偏振片、偏振镜或者偏振合束器。

6.根据权利要求2至5任一所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述分光器采用分光镜，分光镜的基体材料为玻璃，分光镜表面镀半透半反膜，半透半反膜的材料为硫化锌-氟化镁膜系。

7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述分光模块采用棱镜组合整体实现分光器和反射器的功能，棱镜组合中各个棱镜之间紧密贴合，使得整体上具有一个侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面，具有另一个侧面与所述入光面平行作为分光模块的出光面；棱镜组合内部存在一个贴合面镀有半透半反膜作为分光器的分光面，与分光面平行且所述入光面相邻的一个侧面作为反射器的反射面。

8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：

所述分光模块采用平行六面棱镜和三棱镜的组合，平行六面棱镜具有唯一侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面，与该侧面夹角为锐角的相邻侧面上紧密贴合所述三棱镜，贴合面上镀有半透半反膜作为分光器的分光面，与该侧面夹角为钝角的相邻侧面作为反射器的反光面；三棱镜还具有一个与所述激光出光方向垂直的外侧面，作为分光模块的出光面。

9.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：分光器的分光面和反射器的反射面均与激光出光方向成45°角设置。

10.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器扩束系统，其特征在于：所述准直透镜组包括快轴准直镜和慢轴准直镜的组合或两者之一，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜。