CN104300368B - 半导体激光合束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种半导体激光合束装置，包括：半导体激光堆阵，以及沿光路依次设置的快轴准直镜组、第一柱面镜、第一衍射光栅、第二柱面镜，和窄条部分反射镜，所述第一衍射光栅放置为与所述第一柱面镜的光轴成30‑60°的角度。本发明的利用窄条部分反射镜进行外腔反馈，结合多点波谱合束，有效改善了半导体激光光束质量。

Description

半导体激光合束装置
【技术领域】
本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种半导体激光合束装置。
【背景技术】
高功率激光器在工业加工领域发挥的作用越来越大，目前所用的高功率激光器有全固态激光器、光纤激光器、半导体激光器等。半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、可靠性高和寿命长等优点，被众多再制造、加工领域所青睐。
然而，半导体激光器的波导结构导致其光束质量不好，快慢轴方向的光参数积极不均衡，快轴方向接近衍射极限，而慢轴方向的光束质量极差，严重制约了其更广的应用范围。
亟需一种能够兼具光束质量好、电光效率高、价格低等优点的激光光源。
【发明内容】
本发明的目的是至少解决以上问题之一，改善半导体激光器的光束质量。
本发明的技术方案为一种半导体激光合束装置，包括半导体激光堆阵，以及沿光路依次设置的快轴准直镜组、第一柱面镜、第一衍射光栅、第二柱面镜，和窄条部分反射镜，所述第一衍射光栅放置为与所述第一柱面镜的光轴成30-60°的角度。
所述第一衍射光栅的光栅密度可以在1000-1800线/mm的范围，例如可以为1200线/mm。
所述第一衍射光栅可以为透射型光栅，例如透射型相位光栅，或为反射型光栅，例如反射型闪烁光栅。
一些实施方案中，所述半导体激光合束装置还包括在所述第一衍射光栅与所述第二柱面镜之间的第二衍射光栅。
一些实施方案中，所述衍射光栅为透射型衍射光栅，并且还包括设置在所述第一衍射光栅之后的全反射镜，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅为同一衍射光栅，所述第一柱面镜和所述第二柱面镜为同一柱面镜。
所述全反射镜可以被放置为以1°-5°的偏移角，反射入射到所述全反射镜的激光束。
一些实施方案中，所述第一衍射光栅为反射型光栅，所述第一柱面镜与所述第二柱面镜为同一柱面镜，并且所述衍射光栅具有在1°-5°范围可调的角度，以1°-5°的偏移角反射来自所述第一柱面镜的激光束。
所述窄条部分反射镜的反射区域宽度可以为50um-200um，其反射区域可以为矩形分布或高斯型分布。
本发明利用外腔反馈原理，结合多点波谱合束，产生超高亮度半导体激光。使用窄条部分反射镜起空间滤波的作用，可以有效地消除相邻子激光器间串扰反馈的影响，保证合束光斑的单峰性，经过窄条反射腔镜出射的激光为自动合束的激光，从而显著改善半导体激光光束的质量。
【附图说明】
图1是根据第一实施例的半导体激光合束装置的立体示意图。
图2是图1的半导体激光合束装置的平面示意图。
图3是根据第二实施例的半导体激光合束装置的立体示意图。
图4是图3的半导体激光合束装置的平面示意图。
图5是根据第三实施例的半导体激光合束装置的立体示意图。
图6是图5的半导体激光合束装置的平面示意图。
图7是窄条部分反射腔镜的示意图。
图8是窄条部分反射腔镜的反射率曲线。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
图1和图2分别为本发明第一实施例的半导体激光合束装置的立体和平面示意图。从图中可见，半导体激光合束装置由半导体激光堆阵1、快轴准直镜组2、第一柱面镜3、衍射光栅4、第二柱面镜5、窄条部分反射镜6组成，合束后的激光束从窄条反射镜6输出。图1所示的该实施例中，半导体激光堆阵1包括3组行阵列激光器，对应地，该快轴准直镜组2包括快轴准直镜2-1、2-2、2-3。应理解，根据需要，半导体激光堆阵1也可以包括更多或更少的行阵列，并且快轴准直镜组也相应地包括与之对应数目的快轴准直镜组。
半导体激光堆阵1中的行阵列激光经各自的快轴准直镜2（例如为2-1、2-2或2-3）在快轴方向变为平行光；经第一柱面镜3在慢轴方向变为准平行光；衍射光栅4放置为与所述第一柱面镜3的光轴成30-60°的角度，使得在快、慢轴方向经处理后的光束以30-60度的方向入射至衍射光栅4。衍射光栅4的光栅密度可以在1000-1800线/mm范围。本实施例中，衍射光栅为透射型相位光栅，然而应理解，也可以使用类型的衍射光栅，例如反射型光栅。
衍射光栅4之后放置第二柱面镜5，其将衍射光汇聚成像在窄条部分反射镜6上。
图7示出根据本发明的窄条部分反射镜6的示意图。如图中所示，反射区域R的宽度为d，d一般可以为50um-200um左右，反射区域R的反射率可以为5-15%；有效反射区域R之外是增透区域T，在该增透区域T镀有增透膜，从而落在T区域的光斑返回半导体腔内的能量几乎为零，起空间滤波的作用。
该实施例中，反射区域R为矩形分布。然而应理解，在其他实施例中，反射区域R可以为高斯型分布，如图8中所示。D为窄条部分反射镜6的总体宽度，其高度可以与半导体激光堆阵的长度相当，该实施例中具体为20mm，然而，应理解该宽度对于本发明的目的并非必须的，实践中，可以由本领域技术人员根据需要进行选择和调整。
这样的窄条部分反射镜的有效反射区域很窄，落在反射区域R的光斑经反射后沿原光路回到各子腔内，落在增透区域T的光斑则无法返回子腔内，多个子光点的阵列半导体激光经过色散成像系统，具备一定波长子光腔在窄条反射镜的外腔作用下，可以锁定各子光源的激光波长，透过窄条反射镜6出射的光实现了自动合束功能。
亦即，窄条反射可以起到空间滤波的作用，从而可以有效地消除相邻子激光器间串扰反馈的影响，保证合束光斑的单峰性。经过窄条部分反射镜6出射的激光即为自动合束的激光，半导体激光堆阵1中各行阵列锁定的光斑在窄条反射镜6上沿反射区域在列方向上空间叠加形成线状合束激光束。
总体上，本发明利用外腔反馈改善半导体激光光束质量，结合多点波谱合束，从而产生超高亮度半导体激光。原理上，本发明是利用一维半导体激光阵列通过含有色散元件的光学系统组成色散成像系统，在像平面放置窄条部分反射镜，构成半导体激光的外腔输出镜，使多物和一像间形成激光振荡。色散作用使不同波长的物点与同一像点组成激光外腔，在改善子光束质量的同时，使各子光像点完全重合，实现了自动合束的功能。
图3和图4分别为本发明第二实施例的半导体激光合束装置的立体和平面示意图。从图中可见。半导体激光合束装置由半导体激光堆阵1，快轴准直镜组2（例如，图3中具体为2-1、-2、2-3），柱面镜3，衍射光栅4，全反射镜7，窄条部分反射腔镜6组成。
半导体激光堆阵1中的行阵列激光经各自的快轴准直镜2（2-1、2-2、2-3），在快轴方向变为平行光；继而经过柱面镜3在慢轴方向变为准平行光。衍射光栅4放置为与柱面镜3的光轴成30-60°的角度，使得在快、慢轴方向经处理后的光束以30-60度的方向入射至衍射光栅4。该实施例中，衍射光栅同样为透射型相位光栅，其光栅密度可以在1000-1800线/mm范围。
衍射光栅4之后放置全反射镜7，第一次衍射透射后的光束在全反射镜7处被反射，全反射镜7被放置为使反射后的光束基本沿入射光束但略有偏移地（例如以1°-5°的偏移角）返回至衍射光栅4的后表面，从而再次进入衍射光栅4发生第二次衍射。第二次衍射光的方向与第一次入射光方向相反，同时与第一次入射光基本重合但略有偏移。第二次衍射光至柱面镜3后，与柱面镜3的光轴有一微小夹角，经汇聚后成像在半导体激光堆阵1旁边附近的区域，在所述区域中放置有窄条部分反射镜6。
可见，该实施例中通过使用全反射镜7，使得第一柱面镜和第二柱面镜为同一柱面镜3，并且第一衍射光栅和第二衍射光栅为同一衍射光栅。
入射至窄条部分反射镜6的光束沿入射方向原路返回半导体激光子腔内，起选模、锁定波长的作用。窄条部分反射镜6与实施例1的类似，此处不再累述。
该实施例中，衍射光栅有第二次衍射，因此相比较第一实施例中仅有一次衍射的情况，第二实施例中的色散率较高，合束后的光谱宽度更窄，但相应地能量损失也较大。
图5和图6分别为本发明第三实施例的半导体激光合束装置的立体和平面示意图。从图中可见，半导体激光合束装置由半导体激光堆阵1、快轴准直镜组2、柱面镜3、衍射光栅4，和窄条部分反射镜5组成。该实施例中，衍射光栅4采用反射型闪烁光栅。
半导体激光堆阵1中的行阵列激光经快轴准直镜组2（图5中所示包括快轴准直镜2-1、2-2和2-3）准直后，光束在快轴方向变为平行光；继而经过柱面镜3，在慢轴方向也变为准平行光。柱面镜3的焦距可以为100-300mm，而快轴方向的光束不变。
之后，衍射光栅4放置为与柱面镜3的光轴成30-60°的角度，使得准平行光以30-60度入射至反射型闪烁光栅4。该具体实施例中，衍射光栅4的一级衍射率为85%，光栅密度采用1200线/mm，一级衍射光几乎沿原路返回柱面镜3。衍射光栅4具有在1°-5°范围可调节的放置角度，以1°-5°的偏移角反射来自所述第一柱面镜的激光束，从而可以通过略微调整衍射光栅4的角度，使衍射光偏移入射光一个微小角度（例如，该实施例中偏移的角度范围为1°-5°）。结果，从反射型闪烁光栅4反射，并经过柱面镜3后的光聚焦在半导体激光堆阵1旁边的区域内的窄条部分反射镜6上。
同样地，窄条部分反射镜6只有很窄的反射区域，在横向d只有50-200um的长度，其外的区域是增透区域T。只有反射区域R的光斑经窄条部分反射镜6后返回子激光腔内，锁定该子激光的波长，增透区域T的光与反射区域R的透射光一同形成合束的输出光。
该实施例中，窄条部分反射镜6的反射区域采用高斯分布型，其三维反射率示意图如图8中所示，图中z轴为反射率，该实施例中的反射率为4-15%。
可见，该实施例中通过使用反射型闪烁光栅4，使得第一柱面镜和第二柱面镜为同一柱面镜3。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (7)

1.一种半导体激光合束装置，包括：半导体激光堆阵，以及沿光路依次设置的快轴准直镜组、第一柱面镜、第一衍射光栅、第二柱面镜，和窄条部分反射镜，所述第一衍射光栅放置为与所述第一柱面镜的光轴成30-60°的角度；所述窄条部分反射镜的反射区域宽度为50um-200um；所述窄条部分反射镜的反射区域为矩形分布或高斯型分布；
所述窄条部分反射镜的反射区域的反射率为5-15％，增透区域T镀有增透膜。
2.如权利要求1所述的半导体激光合束装置，其中，所述第一衍射光栅的光栅密度在1000-1800线/mm的范围。
3.如权利要求1所述的半导体激光合束装置，其中，所述第一衍射光栅为透射型光栅或反射型光栅。
4.如权利要求1所述的半导体激光合束装置，其中，所述半导体激光合束装置还包括在所述第一衍射光栅与所述第二柱面镜之间的第二衍射光栅。
5.如权利要求4所述的半导体激光合束装置，所述第一衍射光栅为透射型衍射光栅，并且还包括设置在所述第一衍射光栅之后的全反射镜，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅为同一衍射光栅，所述第一柱面镜和所述第二柱面镜为同一柱面镜。
6.如权利要求5所述的半导体激光合束装置，其中，所述全反射镜放置为以1°-5°的偏移角反射来自所述第一衍射光栅的激光束。
7.如权利要求1所述的半导体激光合束装置，其中，所述第一衍射光栅为反射型光栅，所述第一柱面镜与所述第二柱面镜为同一柱面镜，并且所述衍射光栅具有在1°-5°范围可调的角度，以1°-5°的偏移角反射来自所述第一柱面镜的激光束。
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