CN103944068B - 一种用于高功率半导体激光器的合束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种用于高功率半导体激光器的合束装置，可以得到均匀性好且能量密度高的激光光源。该装置包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束系统，所述半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元组成；所述合束系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135°。
Description
技术领域
本发明专利属于激光应用领域，具体涉及一种用于高功率半导体激光器的合束装置。
背景技术
半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，但是当前半导体激光器的推广应用受到其光束质量的制约，所以提高半导体激光器的光束质量、亮度和功率为当下重要的研究方向。激光合束技术近年来发展迅速，它是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程。激光合束技术在激光加工和高功率光纤耦合产品中已得到广泛应用。
目前常用的激光合束方法有偏振合束，波长合束和空间合束。常见的偏振合束装置由1/2玻片和偏振分光棱镜(PBS)组成，一部分激光通过1/2玻片将偏振态由TE变为TM(或TM变为TE)，再与另一部分激光进行合束。由于半导体激光器的激光光源偏振度约为90％，若采用偏振合束，光能损失较大，仅适用于快轴方向的合束，且输出光为混合偏振光，不能再次与其他光源进行偏振合束；当使用半导体激光叠阵作为光源时，输出光斑仍保留bar与bar之间的发光死区，均匀度较差。波长合束是不同波长的激光进行合束，但是在要求激光具有单一波长的场合无法应用，使其在应用领域具有局限性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种用于高功率半导体激光器的合束装置，可以得到均匀性好且能量密度高的激光光源，方案如下：
一种用于高功率半导体激光器的合束装置，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束系统，所述半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元组成；所述合束系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135°；
合束系统中平行六面棱镜的个数N与半导体激光单元个数m满足关系：
m为偶数，则或者m为奇数，则N＝(m-1)/2；
N个平行六面棱镜厚度、高度均相等且满足以下关系：
厚度满足关系：d≤a≤w+d
高度满足关系：h＝(m-1)(w+d)
位置关系满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上部侧面的最下端为原点O，则第N片平行六面棱镜的上部侧面的最下端M点的坐标值满足
y＝(N-1)(w+d)
x≥a
其中，m为半导体激光器叠阵中半导体激光单元个数，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为每个平行六面棱镜的厚度，h为每个平行六面棱镜的高度。
基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和改进：
上述平行六面棱镜的入射面和出射面镀增透膜(即所述下部侧面及与其平行侧面镀增透膜)。
上述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的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。
上述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。
上述N个平行六面棱镜通过固定架固定，固定架的材料为塑料，铝，钢或者铜。
上述合束系统采用N个相同平行六面棱镜的组合，N个平行六面棱镜依次紧密贴合，并依次向上位移w+d，每片平行六面棱镜的厚度为w+d；或者这样的N个相同平行六面棱镜的组合为一体件。
本发明具有以下优点：
1)该激光合束装置发出的激光光束具有单偏振特性，因此系统光能损失率低；
2)该激光合束装置采用插空合束方法，且可以降低光积参BPP(发光面乘以发散角)，改善光束质量，出射光斑的均匀度非常高，提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用。
3)本发明中的激光合束装置可以同时适用于快慢轴；
4)加工简单，全反射面不需要镀膜即可实现全反射，制作成本低。
附图说明
图1为一种用于高功率半导体激光器的合束装置的示意图。
图2为半导体激光器叠阵的尺寸说明。
图3为合束系统的尺寸说明。
图4为合束系统的坐标位置说明。
图5为采用三个平行六面棱镜组合的实施例示意图。
附图标号说明：1为半导体激光器叠阵，2为快轴准直透镜，3为慢轴准直阵列，4为准直透镜组，5为合束系统，6为平行六面棱镜。
具体实施方式
下面结合实例和附图对本发明的方案做进一步说明。
图1为结合本发明的一种用于高功率半导体激光器的合束装置，包括半导体激光器叠阵1、准直透镜组4和合束系统5组成。所述的半导体激光器叠阵1由4个半导体激光单元组成；所述的准直透镜组4放置于半导体激光器激光出射处，包括快轴准直透镜2和慢轴准直阵列3，其中快轴准直透镜2可为准直D型非球面透镜；慢轴准直阵列3为单阵列柱面透镜；所述合束系统5放置于准直后的激光光束出射方向，由两个个平行六面棱镜4组成，两个平行六面棱镜4相互平行等间距放置，并且放置位置依次在竖直方向上有固定的向上位移。平行六面棱镜4有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵1，上侧面与激光光轴成45°夹角，另一侧面为竖直放置且与上侧面的夹角为135°，即可保证全反射的临界角条件。半导体激光器叠阵发出的激光光束通过该合束装置后，光束直径为原直径的一半，能量密度为入射光能量密度的2倍，降低了光积参BPP(发光面乘以发散角)的目的，可以提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用。
所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。
如图1-图4所示，合束系统中平行六面棱镜的个数为半导体激光器叠阵中巴条个数4的一半，且两个平行六面棱镜厚度相等，且高度彼此相等，满足以下关系：
厚度满足关系：d≤a≤w+d
高度满足关系：h＝3(w+d)
位置关系需满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上反射面的最下端为原点O，则第2片平行六面棱镜的上反射面的最下端M点的坐标值满足
y＝w+d
x≥a
其中，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为单片平行六面棱镜厚度，h为单片平行六面棱镜高度。
平行六面棱镜的入射面和出射面最好加镀增透膜。
两个平行六面棱镜可以通过固定架固定,固定架的材料可以为塑料，铝，钢或者铜。
图5为本发明的一种用于高功率半导体激光器的合束装置的一个优化的实施例，合束系统采用三个平行六面棱镜组合的方式，且棱镜组合可以做成一体件。该装置中的平行六面棱镜在激光光束出射方向上相互紧密贴合，半导体激光器堆叠高度方向上依次等距离上移，上移距离为w+d，每片平行六面棱镜的厚度为w+d。该合束系统大大缩小了装置体积，且有效的压缩的了发光面积，合束得到的光束质量好，能量密度大。
Claims (6)
1.一种用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：包括半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束系统，所述半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束系统沿光路依次设置；所述半导体激光器叠阵由m个半导体激光单元组成；所述合束系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上平移相同距离；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135°；
合束系统中平行六面棱镜的个数N与半导体激光单元个数m满足关系：
m为偶数，则或者m为奇数，则N＝(m-1)/2；
N个平行六面棱镜厚度、高度均相等且满足以下关系：
厚度满足关系：d≤a≤w+d
高度满足关系：h＝(m-1)(w+d)
位置关系满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上部侧面的最下端为原点O，则第N片平行六面棱镜的上部侧面的最下端M点的坐标值满足
y＝(N-1)(w+d)
x≥a
其中，m为半导体激光器叠阵中半导体激光单元个数，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为每个平行六面棱镜的厚度，h为每个平行六面棱镜的高度。
2.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：所述平行六面棱镜的入射面和出射面镀增透膜。
3.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：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，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片或者巴条，或者为多个单管芯片或者多个巴条。
4.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中快轴准直透镜为准直D型非球面透镜；慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。
5.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：所述N个平行六面棱镜通过固定架固定，固定架的材料为塑料，铝，钢或者铜。
6.根据权利要求1所述的用于高功率半导体激光器的合束装置，其特征在于：所述合束系统采用N个相同平行六面棱镜的组合，N个平行六面棱镜依次紧密贴合，并依次向上位移w+d，每片平行六面棱镜的厚度为w+d；
或者这样的N个相同平行六面棱镜的组合为一体件。
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