CN106887786A - 一种基于非对称光束整形的半导体激光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于非对称光束整形的半导体激光模块，包括半导体激光器叠阵(2个)、半波片、偏振片、切割镜片、整形镜片、水冷底板、水冷挡板、壳底热沉、保护罩和上盖板。通过对半导体激光叠阵先进行偏振合束合为一束光，再对合束的光束进行非对称光束整形，最后实现输出功率大于2kW，快慢轴光束质量之和小于60mm·mrad的半导体激光模块。

Description

一种基于非对称光束整形的半导体激光模块

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于非对称光束整形的半导体激光模块。

背景技术

半导体激光器具有重量轻、体积小、效率高、可靠性好、寿命长等优点，已广泛应用于各个不同领域，比如：作为光纤激光器或固体激光器的泵浦源，用于医疗领域、工业加工、军事领域和科学研究等。

在激光熔覆、激光焊接、激光切割等行业使用半导体激光器时，对其光束质量有很高的要求。

由于半导体激光器快慢轴方向的光束质量相差较大，表现在快轴方向的光束质量接近衍射极限，而慢轴方向的光束质量是衍射极限的几百倍以上，将激光光束耦合进标准光纤需要通过光束整形技术来匀化快慢轴方向的光束质量。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为解决半导体激光叠阵快慢轴方向光束质量相差较大，提供一种基于非对称光束整形的半导体激光模块来匀化快慢轴方向的光束质量。

(二)技术方案

一种基于非对称光束整形的半导体激光模块，包括：光源、偏振合束组件、非对称光束整形组件；

光源发出的光经过偏振合束组件，偏振合束后的合束光经非对称光束整形组件进行光束切割和光束重排，得到非对称光束整形后的输出光。

优选地，所述非对称光束整形组件包括：切割镜片；所述合束光的一部分光束经过切割镜片并沿快轴方向平移，作为C光；另一部分光束不经过切割镜片，无损耗直接通过，作为D光。

优选地，所述非对称光束整形组件还包括：整形镜片；所述C光入射至整形镜片，沿慢轴方向平移并与D光合束，得到非对称光束整形后的输出光。

优选地，所述光源包括：第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵和半波片；所述第一半导体激光器叠阵和第二半导体激光器叠阵平行放置，所述半波片位于第一半导体激光器叠阵发光面的前端，所述第一半导体激光器叠阵发出的激光经过半波片后由P光转变为S光。

优选地，所述偏振合束组件包括：第一偏振片和第二偏振片；

经过半波片后的S光经第一偏振片反射，反射后的光与第二半导体激光器叠阵发出的激光经第二偏振片实现偏振合束。

优选地，所述切割镜片包括与快轴方向倾斜放置的长方体棱镜。

优选地，所述整形镜片包括多个平行平板沿快轴方向叠加而成的棱镜阵列。

优选地，还包括：温湿度电路板和/或漏水检测线；所述温湿度电路板用于检测半导体激光模块内部的温度和湿度。

优选地，还包括：水冷底板、水冷挡板、壳底热沉、保护罩和上盖板；

所述第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、水冷底板和保护罩设置于壳底热沉上；

所述半波片、第一偏振片、第二偏振片、切割镜片和整形镜片设置于水冷底板上；

所述水冷挡板固定在水冷底板上；

所述上盖板设置在保护罩上。

优选地，所述保护罩上设置通气孔，用于使半导体激光模块内部保持干燥；和/或，

所述保护罩上下表面设置凹槽，所述凹槽内设置密封圈，用于对半导体激光模块进行密封；和/或，

所述保护罩上设置正极接线柱和负极接线柱，用于连接电源和第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵。

(三)有益效果

(1)本发明采用模块化设计，一种基于非对称光束整形的半导体激光模块集成度高；

(2)光束切割部分采用一块长方体棱镜来对光束进行切割，经过棱镜的光束实现向上平移，未经过棱镜的光束直接通过，不会发生功率损耗；

(3)模块内设置温度与湿度检测、漏水检测线和通气孔可以对模块内部环境条件做到实时检测与控制；

(4)保护罩上下表面均设置密封槽，可使一种采用非对称光束整形技术的半导体激光模块防水、防尘，能够胜任在恶劣的环境条件下连续稳定工作；

(5)模块结构简单、紧凑，成本低。

附图说明

图1是本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块示意图。

图2为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块内部结构俯视图。

图3为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块外部结构第一角度侧视图。

图4为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块外部结构第二角度侧视图。

图5为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块的水冷挡板示意图。

图6(a)为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块的光路示意正视图。

图6(b)为本发明实施例的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块的光路示意俯视图。

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，对本发明作进一步的详细说明。

本发明提出了一种基于非对称光束整形的半导体激光模块，通过对半导体激光叠阵先进行偏振合束合为一束光，再对合束后的光束进行非对称光束整形，最后实现输出功率大于2kW，快、慢轴光束质量之和小于60mm·mrad的半导体激光模块。

快轴方向为沿激光叠阵发光面的短边方向，慢轴方向为沿激光叠阵发光面的长边方向。

如图1为本发明实施例提供的半导体激光模块示意图，图2、3、4为本发明实施例提供的半导体激光模块不同方向的结构图，图5为本发明实施例提供的半导体激光模块中的水冷挡板结构图。图6为本发明实施例提供的半导体激光模块的光路示意图，如图1～图5所示，本发明实施例提供的一种基于非对称光束整形的半导体激光模块，包括第一半导体激光器叠阵A1和第二半导体激光器叠阵B2、半波片3、第一偏振片4和第二偏振片5、切割镜片6及第一垫块7、整形镜片8(也可称为重排镜片)及第二垫块9、水冷底板10、水冷挡板11、壳底热沉12、保护罩13、上盖板14、正极接线柱15、负极接线柱16、控制线接头17、通气孔18、水冷挡板通光孔19、保护罩通光孔20、窗口镜21、漏水检测线槽22、漏水检测线、温湿度电路板24、凹槽25、安装孔(26、27)、壳底热沉进水口28、壳底热沉出水口29、水冷底板进出水口30和水冷挡板进出水口31。

第一半导体激光器叠阵A1和第二半导体激光器叠阵B2、水冷底板10和保护罩13设置于壳底热沉12上；半波片3、第一偏振片4、第二偏振片5、切割镜片6和整形镜片8设置于水冷底板10上；水冷挡板11设置于水冷底板10和保护罩13之间，水冷挡板11上开有安装孔，用于固定在水冷底板10上。第一半导体激光器叠阵A1和第二半导体激光器叠阵B2平行放置，半波片3位于第一半导体激光器叠阵A1发光面的前端，第一偏振片4与光束传播方向呈56.5°角用紫外胶固定于半波片3的前端，第二偏振片5与光束传播方向呈56.5°角用紫外胶固定于第二半导体激光叠阵B2发光面的前端，用于实现A1和B2偏振合束。

切割镜片6放置于第一垫块7上，整形镜片8放置于第二垫块9上，切割镜片6位于光宽的一半处，整形镜片8与光束传播方向呈45°角放置，镜片均用紫外胶和第一、第二垫块7和9相固定；

第一垫块7设置有22.5°的倾角，第一垫块7还设置安装孔，用于固定在水冷底板10上；

第二垫块9为金属块，厚度为3.5mm；第二垫块9设置安装孔，用于固定在水冷底板10上。

水冷挡板11设置一通光孔19(如图5所示)，允许激光光束通过，同时滤掉杂散光，水冷挡板11内侧设置一温湿度电路板24，可以对模块内部进行温度、湿度检测，并与控制线接头17相连。

保护罩13上设置有正极接线柱15和负极接线柱16，正极接线柱15的一端连接第一半导体激光器叠阵A1的正极，另一端连接外接电源的正极，负极接线柱16的一端连接第二半导体激光器叠阵B2的负极，另一端连接外接电源的负极，第一半导体激光器叠阵A1的负极与第一半导体激光器叠阵B2的正极相连，保护罩13上设置有通光孔20，通光孔20设置一窗口镜21，该窗口镜21为高透镜，窗口镜21的前后面各设置一硅胶垫圈，硅胶垫圈起到对模块密封的作用，窗口镜21镀有增透膜，用于增加指定波长范围激光的透射，保护罩上下表面均设置有凹槽25，通过在凹槽设置硅胶密封圈来对整个模块起到密封的作用，保护罩上设置控制线接头17，一端与内部控制线相连，另一端与外部控制线相连，保护罩上还设置有通气孔18，用来使模块内部保持干燥。

壳底热沉12上设置漏水检测线，漏水检测线固定在漏水检测线槽22中，漏水检测线与控制线接头17相连，壳底热沉12上开有进水口28和出水口29，用于与外部的水箱相连接，壳底热沉12开有安装孔26，用于固定第一、第二半导体激光器叠阵A1和B2、水冷底板10和保护罩13，上盖板14开有安装孔27，用于与保护罩13相固定，壳底热沉12为不锈钢，保护罩13和上盖板14材料为铝合金。

第一、第二半导体激光器叠阵A1和B2快慢轴方向的发散角分别为3.5mrad和26.25mrad，快慢轴方向的光宽分别为13.5mm和10mm，由光束质量的定义，第一、第二半导体激光器叠阵快慢轴方向的光束质量分别为：12mm·mrad和66mm·mrad。

图6(a)和(b)为本发明实施例的半导体激光模块的光路示意图，如图6所示，快轴方向为沿激光叠阵发光面的短边方向(FA方向)，慢轴方向为沿激光叠阵发光面的长边方向(SA方向)。第一半导体激光器叠阵A1发出的激光先经过半波片3由P光转变为S光，并以布儒斯特角56.5°入射第一偏振片4，经第一偏振片4反射后与第二半导体激光器叠阵B2发出的激光均分别以56.5°入射第二偏振片5实现偏振合束，偏振合束后进行非对称光束整形，包括光束切割和光束重排两部分。

光束切割部分包括一个与快轴方向倾斜22.5°的长方体棱镜，即切割镜片6，棱镜入射面和出射面均镀增透膜，光束切割过程为偏振合束后的合束光一部分(C光)经过切割镜片，并沿快轴方向平移0.9mm，该部分光束作为C光，另一份光束(D光)不经过切割镜片，无损耗直接通过，该部分光束作为D光；

光束整形为经过切割镜片6后的光束(C光)以45°角入射到一个棱镜阵列，即整形镜片8，并且沿慢轴方向平移5mm与D光合为一束光，棱镜阵列为8个平行平板间隔0.9mm垂直叠加而成，平行平板入射面和出射面均镀有增透膜，平行平板的厚度为0.9mm。

经过光束整形后快慢轴方向的光束质量分别为：1/4×14.4mm×3.5mrad＝12.6mm·mrad和1/4×5mm×26.25mrad＝33mm·mrad，快慢轴方向光束质量之和为45.6mm·mrad＜60mm·mrad；所述的半导体激光叠阵(A1、B2)输出功率为1200W，经过光束整形后模块的输出功率大于2kW。

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。

Claims (10)

1.一种基于非对称光束整形的半导体激光模块，其特征在于，包括：光源、偏振合束组件、非对称光束整形组件；

光源发出的光经过偏振合束组件，偏振合束后的合束光经非对称光束整形组件进行光束切割和光束重排，得到非对称光束整形后的输出光。

2.如权利要求1所述的半导体激光模块，其特征在于，

所述非对称光束整形组件包括：切割镜片；

所述合束光的一部分光束经过切割镜片并沿快轴方向平移，作为C光；另一部分光束不经过切割镜片，无损耗直接通过，作为D光。

3.如权利要求2所述的半导体激光模块，其特征在于，

所述非对称光束整形组件还包括：整形镜片；

所述C光入射至整形镜片，沿慢轴方向平移并与D光合束，得到非对称光束整形后的输出光。

4.如权利要求1至3中任一项所述的半导体激光模块，其特征在于，所述光源包括：第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵和半波片；所述第一半导体激光器叠阵和第二半导体激光器叠阵平行放置，所述半波片位于第一半导体激光器叠阵发光面的前端，所述第一半导体激光器叠阵发出的激光经过半波片后由P光转变为S光。

5.如权利要求4所述的半导体激光模块，其特征在于，所述偏振合束组件包括：第一偏振片和第二偏振片；

经过半波片后的S光经第一偏振片反射，反射后的光与第二半导体激光器叠阵发出的激光经第二偏振片实现偏振合束。

6.如权利要求2或3所述的半导体激光模块，其特征在于，

所述切割镜片包括与快轴方向倾斜放置的长方体棱镜。

7.如权利要求3所述的半导体激光模块，其特征在于，所述整形镜片包括多个平行平板沿快轴方向叠加而成的棱镜阵列。

8.如权利要求1所述的半导体激光模块，其特征在于，还包括：

温湿度电路板和/或漏水检测线；

所述温湿度电路板用于检测半导体激光模块内部的温度和湿度。

9.如权利要求5所述的半导体激光模块，其特征在于，还包括：水冷底板、水冷挡板、壳底热沉、保护罩和上盖板；

所述第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵、水冷底板和保护罩设置于壳底热沉上；

所述半波片、第一偏振片、第二偏振片、切割镜片和整形镜片设置于水冷底板上；

所述水冷挡板固定在水冷底板上；

所述上盖板设置在保护罩上。

10.如权利要求9所述的半导体激光模块，其特征在于，

所述保护罩上设置通气孔，用于使半导体激光模块内部保持干燥；和/或，

所述保护罩上下表面设置凹槽，所述凹槽内设置密封圈，用于对半导体激光模块进行密封；和/或，

所述保护罩上设置正极接线柱和负极接线柱，用于连接电源和第一半导体激光器叠阵、第二半导体激光器叠阵。