CN105904085A - 一种半导体激光加工系统 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光加工系统，包括：用于产生激光的半导体激光装置以及光路部分，光路部分包括：依次设置的第一双折射晶体、偏振旋转器、二分之一波片、以及第二双折射晶体；其中，所述激光正向通过所述光路部分后，对加工件进行加工，而由所述加工件反射形成的反馈光逆向通过所述光路部分后，沿与所述激光平行且偏移预设距离的方向出射，避免了反馈光返回半导体激光器造成的不良影响。

Description

一种半导体激光加工系统

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种半导体激光加工系统。

背景技术

由于半导体激光器在输出功率、电光转换效率、可靠性及成本等方面的优势，使得采用高功率半导体激光器进行激光加工已经成为必然需求。在激光加工过程中，高功率半导体激光器出射的激光在加工件表面工作时，会有部分光被加工件反射回来，这部分反馈光极易进入高功率半导体激光器中，造成激光器输出光谱不稳定，输出功率抖动等现象，甚至会减少半导体激光器的使用寿命，为此需要降低或者消除反馈光对半导体激光光源的影响。

目前消除反馈光的技术主要针对半导体激光光源输出光为一个偏振方向的，防反馈原理是只让这一种偏振方向的光通过，并变换反馈光的偏振方向，从而使反馈光无法通过返回，但高功率半导体激光器前端进行光束变换的时候，经常会进行偏振合束，使得输出光存在两个相互垂直的偏振方向，且两个方向功率都占有较大比重；以及半导体激光器输出光束本身不是完全的线偏振光，其偏振度高达95％-98％，但同样存在其他的偏振态。在这种情况下，这种方案将无法作用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，为了克服上述现有技术的不足，本发明提出了一种具有防光反馈作用的高功率的半导体激光加工系统。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种半导体激光加工系统。其包括：用于产生激光的半导体激光装置以及光路部分，光路部分包括：依次设置的第一双折射晶体、偏振旋转器、二分之一波片、以及第二双折射晶体；其中，所述激光正向通过所述光路部分后，对加工件进行加工，而由所述加工件反射形成的反馈光逆向通过所述光路部分后，沿与所述激光平行且偏移预设距离的方向出射。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明半导体激光加工系统至少具有以下有益效果其中之一：

(1)在半导体激光装置出光路径上依次设置第一双折射晶体、偏振旋转器、二分之一波片及第二双折射晶体，防止被加工件反射回的反馈光沿出射光路返回半导体激光器，降低了反馈光对半导体激光器输出性能及寿命的影响；

(2)半导体激光装置附近位置设置收光装置，来回收反馈光，防止反馈光干扰。

附图说明

图1为本发明第一实施例中具有防光反馈作用的高功率半导体激光加工系统的结构示意图；

图2为本发明第二实施例中具有防光反馈作用的高功率半导体激光加工系统的结构示意图；

图3为本发明第三实施例中具有防光反馈作用的高功率半导体激光加工系统的结构示意图。

【主要元件】

111，211，311-半导体激光装置；112-第一双折射晶体；

113-偏振旋转器； 114-二分之一波片； 115-第二双折射晶体；

116-第一收光装置； 117-第二收光装置； 118-被加工件；

121，221-第一光路； 122，322-第二光路；

123，223-第三光路； 124，324-第四光路。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种具有防光反馈作用的高功率半导体激光加工系统，包括半导体激光装置及在其出光方向依次设置的第一双折射晶体、偏振旋转器、二分之一波片及第二双折射晶体。

半导体激光装置产生高功率激光用于进行激光加工。

第一双折射晶体、偏振旋转器、二分之一波片及第二双折射晶体组合将半导体激光装置产生的高功率激光分束后合束进行激光加工，将反射的反馈光分束后均不返回半导体激光装置，减少了激光器内部损伤，进而提高了半导体激光器的使用寿命。

本发明具体实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

实施例1：

如图1所示，本实施例提供一种具有防光反馈作用的高功率半导体激光加工系统，包括半导体激光装置111及在其出光方向依次设置的第一双折射晶体112、偏振旋转器113、二分之一波片114及第二双折射晶体115。

其中半导体激光装置111输出为非单一方向偏振激光，其输出路径上设置第一双折射晶体112，将非单一方向偏振激光分为两束光，即o光和e光，调整所述第一双折射晶体112位置，使得o光直接透射沿第二光路122经第一双折射晶体112后沿原非单一方向偏振激光出射路径出射，e光发生折射沿第一光路121在经第一双折射晶体112后沿与原非单一方向偏振激光出射路径平行且向上偏离预定距离的路径出射。

偏振旋转器113优选为法拉第旋光器，法拉第旋光器的法拉第效应旋光角θ＝VBL，V为费尔德常数，B为平行光传播方向的磁感应强度，L为介质厚度，法拉第效应中，偏振旋转方向由磁场决定，和光传播方向无关。设置各参数使旋光角为45°，将入射到偏振旋转器113上的沿第二光路122的o光和沿第一光路121的e光的偏振态顺时针旋转45°，法拉第旋光器在本实施例的作用在于当光往返一周，偏振角度顺时针增加90°。

二分之一波片114用于旋转偏振光光的偏振方向，即若入射光偏振方向与波片光轴夹角为θ，则出射光的偏振方向朝光轴方位转过2θ。本实施例中调整二分之一波片114的光轴与入射光的偏振态的夹角，使得入射到二分之一波片114的沿第二光路122和第一光路121的光的偏振态再顺时针旋转45°，二分之一波片在本实施例的作用在于当光往返一周，偏振旋转角抵消为0。

经过偏振旋转器113和二分之一波片114后，o光和e光的偏振态均顺时针旋转90°，即沿第二光路122的光变为了e光，沿第一光路121的光变为了o光。

第二与第一双折射晶体相同，调整所述第二双折射晶体115位置，将沿第一光路121的o光直接透射沿入射路径射出，将沿第二光路122的e光发生折射同样沿上述入射路径射出，即将两束光合束还原为非单一方向偏振激光，进而进行激光加工，该用于激光加工的非单一方向偏振激光的出射路径与原非单一方向偏振激光的出射路径平行，且向上偏离预定距离。

上述进行激光加工的非单一方向偏振激光经被加工件118反射，形成反馈光，偏振方向未发生改变，该反馈光沿与进行激光加工的非单一方向偏振激光出射路径逆路径入射至第二双折射晶体115，反馈光经第二双折射晶体115分为两束，即反馈o光和反馈e光，反馈o光与o光偏振方向相同，反馈e光与e光偏振方向亦相同，反馈o光沿第三光路123经第二双折射晶体115沿反馈光入射路径出射，反馈e光沿第四光路124在经第二双折射晶体115后沿与原非单一方向偏振激光出射路径逆路径出射。

反馈o光与反馈e光经二分之一波片114后，沿第三光路123的反馈o光与沿第四光路的反射e光的偏振方向均逆时针旋转45°。

两束反馈光继续穿过偏振旋转器113，沿第三光路123的反馈光与沿第四光路的反馈光经偏振旋转器113后均顺时针旋转45°，即保持经第二双折射晶体115后的偏振方向，沿第三光路123的依然为反馈o光，沿第四路124的依然为反馈e光。

沿第三光路123的反馈o光经第一双折射晶体112直接透射沿入射路径射出，向上偏离了半导体激光装置111输出的原非单一方向偏振激光的输出路径预定距离，沿第四路124的反馈e光经第一双折射晶体112发生折射，沿平行于原非单一方向偏振激光输出路径逆路径且向下偏离预定距离的路径射出，亦偏离了半导体激光装置111输出原非单一方向偏振激光的输出路径，第三光路123与第四光路124经第一双折射晶体112后，均与原非单一方向偏振激光的输出路径平行，且位于其两侧，与原非单一方向偏振激光的输出路径的距离相同。

第三光路123在入射至第一双折射晶体112之前与第一光路121重叠，第四光路124在入射至第一双折射晶体112之前与第二光路122重叠。

半导体激光装置111两侧分别设置第一收光装置116、第二收光装置117，分别回收沿第三光路123的反馈o光和第四光路124的反馈e光。

综上所述，如图1所示，半导体激光装置111输出的非单一方向偏振激光经第一双折射晶体112分为平行o光和e光，经偏振旋转器113和半波片114后，o光变为e光，e光变为o光，两束光经第二双折射晶体115后还原为非单一方向偏振激光，输出方向与原非单一方向偏振激光平行但间隔预定距离，经第二双折射晶体115输出的非单一方向偏振激光经被加工件118反射后反馈至第二双折射晶体115，再次分为平行的o光和e光，经二分之一波片114、偏振旋转器113、第一双折射晶体112后分开出射，均不会射回半导体激光装置111减少了激光器内部损伤，进而提高了半导体激光器的使用寿命。

实施例2：

如图2所示，实施例2与实施例1采用的高功率半导体激光加工系统完全一致，包括半导体激光装置211及在其出光方向依次设置的第一双折射晶体112、偏振旋转器113、二分之一波片114及第二双折射晶体115。实施例2与实施例1的区别在于半导体激光装置211输出为单一偏振方向偏振激光，且其为相对于第一双折射晶体112和第二双折射晶体115的e光。

具体的半导体激光装置211输出为单一方向偏振激光，其为相对于第一双折射晶体112的e光，第一双折射晶体112与实施例中第一双折射晶体112位置相同，上述e光沿第一光路221在经第一双折射晶体112后沿与原单一方向偏振激光出射路径平行且向上偏离预定距离的方向出射。

偏振旋转器113优选为法拉第旋光器，设置与实施例1中相同，将入射到偏振旋转器113上沿第一光路221的e光的偏振态顺时针旋转45°。

二分之一波片114旋转至合适角度，设置与实施例1中相同，使得入射到二分之一波片114的沿第一光路221的光的偏振态再顺时针旋转45°。

经过偏振旋转器113和二分之一波片114后，e光的偏振态顺时针旋转90°，沿第一光路221的光变为了o光。

第二双折射晶体115设置与第1实施例相同，将沿第一光路221的o光直接透射沿入射方向射出，进而进行激光加工，该用于激光加工的单一方向偏振激光的出射路径与原单一方向偏振激光的出射路径平行，且向上偏离预定距离。

上述进行激光加工的单一方向偏振激光经被加工件118反射，形成反馈光，偏振方向未发生改变，依然为o光，该反馈光沿与进行激光加工的单一方向偏振激光出射路径逆路径入射至第二双折射晶体115，反馈o光沿第三光路223经第二双折射晶体115沿反馈光入射方向出射。

反馈o光经二分之一波片114后，沿第三光路223的反馈o光偏振方向均逆时针旋转45°。

反馈光继续穿过偏振旋转器113，沿第三光路223的反馈光经偏振旋转器113后顺时针旋转45°，即保持经第二双折射晶体115后的偏振方向，沿第三光路223的依然为反馈o光。

沿第三光路223的反馈o光经第一双折射晶体112接透射沿入射路径射出，向上偏离了半导体激光装置211输出原单一方向偏振激光的输出路径预定距离，与原单一方向偏振激光的输出路径平行，且位于其一侧。

第三光路223在入射至第一双折射晶体112之前与第一光路221重叠。

半导体激光装置211上述一侧设置第一收光装置116，回收沿第三光路223的反馈o光。

实施例3：

如图3所示，实施例3与实施例1采用的高功率半导体激光加工系统完全一致，包括半导体激光装置311及在其出光方向依次设置的第一双折射晶体112、偏振旋转器113、二分之一波片114及第二双折射晶体115。实施例3与实施例1的区别在于半导体激光装置311输出为单一偏振方向偏振激光，且其为相对于第一双折射晶体112和第二双折射晶体115的o光。

具体的半导体激光装置311输出为单一方向偏振激光，其为相对于第一双折射晶体112的o光，第一双折射晶体112与实施例中第一双折射晶体112位置相同，上述o光沿第二光路322在经第一双折射晶体112后沿原单一方向偏振激光出射路径出射。

偏振旋转器113优选为法拉第旋光器，设置与实施例1中相同，将入射到偏振旋转器113上沿第二光路322的o光的偏振态顺时针旋转45°。

二分之一波片114旋转至合适角度，设置与实施例1中相同，使得入射到二分之一波片114的沿第二光路322的光的偏振态再顺时针旋转45°。

经过偏振旋转器113和二分之一波片114后，o光的偏振态顺时针旋转90°，沿第二光路322的光变为了e光。

第二双折射晶体115设置与第1实施例相同，将沿第二光路322的e光经第二双折射晶体115沿与原单一方向偏振激光出射路径平行且向上偏离预定距离的路径出射，进而进行激光加工，该用于激光加工的单一方向偏振激光的出射路径与原单一方向偏振激光的出射路径平行，且向上偏离预定距离。

上述进行激光加工的单一方向偏振激光经被加工件118反射，形成反馈光，偏振方向未发生改变，依然为e光，该反馈光沿与进行激光加工的单一方向偏振激光出射路径逆路径入射至第二双折射晶体115，反馈e光沿第四光路324经第二双折射晶体115沿原单一方向偏振激光出射路径逆路径出射。

反馈e光经二分之一波片114后，沿第四光路324的反馈e光偏振方向均逆时针旋转45°。

反馈光继续穿过偏振旋转器113，沿第四光路324的反馈光经偏振旋转器113后顺时针旋转45°，即保持经第二双折射晶体115后的偏振方向，沿第四光路324的依然为反馈e光。

沿第四光路324的反馈e光经第一双折射晶体124发生折射，沿原单一方向偏振激光的输出路径逆路径平行且向下间隔预定距离的路径射出，位于原单一方向偏振激光的输出路径另一侧。

第四光路324在入射至第一双折射晶体112之前与第二光路122重叠。

半导体激光装置311上述另一侧设置第二收光装置117，回收沿第四光路324的反馈e光。

上述三个实施例中半导体激光装置111、211、311为了实现高功率可以包括半导体激光叠阵及整形装置，其中半导体激光叠阵采用多个半导体激光二极管叠置，整形装置包括顺序排列的准直透镜组、光束分割器、光束重排器、扩束器、和/或聚焦透镜。

上述三个实施例中的收光装置可以采用吸光板、吸光桶等，来吸收绝大部分反馈光，避免反馈光对高功率半导体激光加工系统造成干扰。

应注意，附图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本发明实施例的内容。

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

Claims (10)

1.一种半导体激光加工系统，其特征在于，包括：

半导体激光装置(111、211、311)，其产生激光；以及

光路部分，包括：依次设置的第一双折射晶体(112)、偏振旋转器(113)、二分之一波片(114)、以及第二双折射晶体(115)；

其中，所述激光正向通过所述光路部分后，对加工件(118)进行加工，而由所述加工件(118)反射形成的反馈光逆向通过所述光路部分后，沿与所述激光平行且偏移预设距离的方向出射。

2.根据权利要求1所述的半导体激光加工系统，其特征在于：

所述激光为非单一方向偏振激光；

所述非单一方向偏振激光经所述第一双折射晶体(112)后分束为平行出射且偏振方向相互垂直的第一偏振光和第二偏振光，所述第一偏振光和第二偏振光经所述偏振旋转器(113)、二分之一波片(114)偏振方向互换，经所述第二双折射晶体(115)合束后投射到加工件(118)上；

所述反馈光反向通过所述第二双折射晶体(115)后分为平行出射且偏振方向相互垂直的第一偏振反馈光和第二偏振反馈光，所述第一偏振反馈光和第二偏振反馈光反向经所述二分之一波片(114)、偏振旋转器(113)后偏振方向保持不变，反向经所述第一双折射晶体(112)后，分别沿与所述非单一方向偏振激光出射路径逆路径平行且在第一方向、第二方向偏移预定距离的路径出射。

3.根据权利要求1所述的半导体激光加工系统，其特征在于：

所述激光为第一偏振光，所述第一偏振光相对于所述第一双折射晶体(112)为e光；

所述第一偏振光经所述第一双折射晶体(112)后平行于第一偏振光出射路径出射，经所述偏振旋转器(113)、二分之一波片(114)偏振方向偏转90°，经第二所述双折射晶体(115)投射到加工件(118)上；

所述反馈光为第一偏振反馈光，反向通过所述第二双折射晶体(115)，反向经所述二分之一波片(114)、偏振旋转器(113)后偏振方向保持不变，反向经所述第一双折射晶体(112)后，沿与所述第一偏振光出射路径逆路径平行且在第一方向偏移预定距离的路径出射。

4.根据权利要求1所述的半导体激光加工系统，其特征在于：

所述激光为第二偏振光，所述第二偏振光相对于所述第一双折射晶体(112)为o光；

所述第二偏振光经所述第一双折射晶体(112)后沿第二偏振光出射路径出射，经所述偏振旋转器(113)、二分之一波片(114)偏振方向偏转90°，经所述第二双折射晶体(115)沿平行于第二偏振光出射路径出射投射到加工件(118)上；

所述反馈光为第二偏振反馈光，反向通过所述第二双折射晶体(115)，沿所述第二偏振光出射路径逆路径出射，经反向经所述二分之一波片(114)、偏振旋转器(113)后偏振方向保持不变，反向经第一双折射晶体(112)后，沿与所述第二偏振光出射路径逆路径平行且在第二方向偏移预定距离的路径出射。

5.根据权利要求2至4中任一所述的半导体激光加工系统，其特征在于：

所述偏振旋转器(113)为法拉第旋光器，将正向入射的所述第一偏振光和/或第二偏振光与反向入射的所述第一偏振反馈光和/或第二偏振反馈光均顺时针或逆时针偏移45°；

所述二分之一波片(114)将正向入射的所述第一偏振光和/或所述第二偏振光顺时针或逆时针偏移45°，将反向入射的所述第一偏振反馈光和/或所述第二偏振反馈光相应逆时针或顺时针偏移45°。

6.根据权利要求2所述的半导体激光加工系统，其特征在于，所述第一方向和所述第二方向的方向相反，所述在第一方向偏移预定距离和第二方向偏移预定距离相等。

7.根据权利要求1至4任一所述的半导体激光加工系统，其特征在于：所述半导体激光装置至少一侧设置收光装置(116、117)，用于回收所述反馈光。

8.根据权利要求7所述的半导体激光加工系统，其特征在于，所述收光装置(116、117)包括：吸光板和/或吸光桶。

9.根据权利要求1至4中任一所述的半导体激光加工系统，所述半导体激光装置(111、211、311)包括：

半导体激光叠阵，用于产生激光；以及

整形装置，用于对所述半导体激光叠阵产生的激光进行整形。

10.根据权利要求9所述的半导体激光加工系统，其中：

所述半导体激光叠阵采用多个半导体激光二极管叠置；和/或，

所述整形装置包括顺序排列的准直透镜组、光束分割器、光束重排器、扩束器、和/或聚焦透镜。