CN107037595A - 一种激光合束光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光合束光学系统，包括激光合束组件，激光合束组件包括N个激光器和合束镜；N个激光器并行排列，分别用于产生不同波长光；合束镜包括相互平行的第一镜面和第二镜面，各激光器产生的光平行传播，并斜入射至合束镜的第一镜面，在合束镜的第一镜面和第二镜面上由各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜；第i激光器产生的光从第一镜面透射入合束镜，并经合束镜各镜面依序多次反射后，从第N激光器产生的光在第二镜面上的照射位置处透射出。本发明激光合束光学系统采用波长合束方法，采用一个波长合束元件，实现多波长光合束。本激光合束光学系统对合束单元的数量不限制，能够有效提高激光输出功率。

Description

一种激光合束光学系统

技术领域

本发明涉及光学应用技术领域，特别是涉及一种激光合束光学系统。

背景技术

半导体激光器具有电光转换效率高、体积小、质量轻以及可靠性强等优点，备受业界关注，主要应用于工业、医疗、国防等领域。

但目前，激光加工领域中使用到的大功率激光器大部分仍为CO₂激光器和光纤激光器，主要是由于半导体激光器的输出功率水平，达不到工业要求。但CO₂激光器和光纤激光器的电光转换效率较低，导致其耗电量大，使用成本偏高，因此如何提高半导体激光器的输出功率以达到工业应用要求，已迫在眉睫。

近年来，为提高半导体激光器的输出功率水平，空间合束、偏振合束及波长合束等相关技术逐渐应用到半导体激光器中，但现有技术中，对于空间合束和偏振合束，会限制合束光源的数量。

发明内容

鉴于此，本发明提供一种激光合束光学系统，克服了现有技术对合束单元数量限制的问题，可有效提高激光输出功率。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光合束光学系统，包括激光合束组件，所述激光合束组件包括N个激光器和合束镜，其中N为大于等于2的正整数；

N个所述激光器并行排列，分别用于产生不同波长光；

所述合束镜包括相互平行的第一镜面和第二镜面，各所述激光器产生的光平行传播，并斜入射至所述合束镜的第一镜面，在所述合束镜的所述第一镜面和所述第二镜面上由各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜；

第i激光器产生的光从所述第一镜面透射入所述合束镜，并经所述合束镜各镜面依序多次反射后，从第N激光器产生的光在所述第二镜面上的照射位置处透射出，1≤i≤N，i为正整数。

可选地，在所述合束镜的所述第一镜面上第i激光器产生光的照射位置处设置用于增透第i激光器产生光的增透膜以及用于反射第1激光器至第i-1激光器所产生光的反射膜，1≤i≤N；

在所述合束镜的第二镜面上第j激光器产生光的照射位置处设置用于反射第1激光器至第j激光器所产生光的反射膜，1≤j≤N-1；

在所述合束镜的第二镜面上第N激光器产生光的照射位置处设置用于增透所有光的增透膜。

可选地，所述增透膜的光透过率大于等于99％，所述反射膜的反射率大于等于99％。

可选地，每两个激光器产生光束的间距l与所述合束镜的折射率n、厚度d、所述激光器产生光照射到所述合束镜的入射角θ具有如下关系：

可选地，在每一所述激光器与所述合束镜之间光路上设置反射元件，所述激光器产生光入射至所述反射元件，所述反射元件将光反射至所述合束镜的所述第一镜面。

可选地，所述反射元件的反射率大于等于99％。

可选地，还包括汇聚镜和光纤，所述汇聚镜用于将由所述合束镜输出的合束光汇聚，耦合入所述光纤。

可选地，所述汇聚镜包括球面透镜或者非球面透镜，或者所述汇聚镜包括两个可分离的柱面镜。

可选地，所述光纤为多模光纤，所述光纤的纤芯直径的范围为50μm～1000μm，包括端点值，数值孔径的范围为0.1～0.3，包括端点值。

可选地，至少包括第一激光合束组件和第二激光合束组件，还包括偏振合束器；

由所述第一激光合束组件输出的合束光、由所述第二激光合束组件输出的合束光分别入射至所述偏振合束器，所述偏振合束器将两路光汇合为一束光出射。

由上述技术方案可知，本发明所提供的激光合束光学系统，包括N个激光器和合束镜，其中，N个激光器并行排列，用于产生不同波长光；合束镜包括相互平行的第一镜面和第二镜面。各激光器产生的光平行传播，斜入射至合束镜的第一镜面，在合束镜的第一镜面和第二镜面上各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜，使得第i激光器产生的光从第一镜面透射入合束镜，经过合束镜各镜面依序多次反射后，由第N激光器产生的光在第二镜面的照射位置处透射出，各激光器产生的不同波长光由合束镜该位置处透射出，形成合束光出射。

本发明激光合束光学系统采用波长合束方法，采用一个波长合束元件，实现多波长光合束。本激光合束光学系统对合束单元的数量不限制，克服了现有技术存在的缺点，能够有效提高激光输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种激光合束光学系统的示意图；

图2为本发明又一实施例提供的一种激光合束光学系统的示意图；

图3为本发明又一实施例提供的一种激光合束光学系统的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种激光合束光学系统，包括激光合束组件，请参考图1，所述激光合束组件包括N个激光器10和合束镜11，其中N为大于等于2的正整数；

N个所述激光器10并行排列，分别用于产生不同波长光；

所述合束镜11包括相互平行的第一镜面和第二镜面，各所述激光器10产生的光平行传播，并斜入射至所述合束镜11的第一镜面，在所述合束镜11的所述第一镜面和所述第二镜面上由各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜；

第i激光器10产生的光从所述第一镜面透射入所述合束镜11，并经所述合束镜11各镜面依序多次反射后，从第N激光器10产生的光在所述第二镜面上的照射位置处透射出，1≤i≤N，i为正整数。

本光学系统中，N个激光器10并行排列，各激光器10产生不同波长光。各激光器产生的光平行传播，以相同入射角斜入射至合束镜11的第一镜面。

所述合束镜11包括相互平行的第一镜面和第二镜面，在第一镜面和第二镜面上各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜，各位置处的光学膜对不同波长光具有特定的反射作用或者增透作用，以引导各波长光在合束镜11内传播。

各激光器10产生的各波长光在合束镜11内的传播方式具体为：第i激光器10产生的光从第一镜面透射入合束镜11，并经合束镜11各镜面依序多次反射后，从第N激光器10产生的光在第二镜面上的照射位置处透射出。各激光器10产生的不同波长光由合束镜上第N激光器产生光在第二镜面上的照射位置处透射出，形成合束光出射。

可以看出，本实施例激光合束光学系统，采用波长合束方法，采用一个波长合束元件，实现多波长光合束。本激光合束光学系统对合束单元的数量不限制，克服了现有技术存在的缺点，能够有效提高激光输出功率。

下面结合具体实施方式对本实施例激光合束光学系统进行详细说明。

本实施例激光合束光学系统中，包括激光合束组件，所述激光合束组件包括N个激光器10和合束镜11，其中N为大于等于2的正整数。

N个激光器10并行排列，分别用于产生不同波长光。所述激光器10可以是单管半导体激光器、线阵半导体激光器或者叠阵半导体激光器，或者也可以是半导体激光器模块。

所述合束镜11包括相互平行的第一镜面和第二镜面，在第一镜面和第二镜面上对应各激光器产生光的照射位置处分别设置光学膜。

在一种具体实施方式中，在合束镜11的第一镜面上第i激光器产生光的照射位置处设置用于增透第i激光器产生光的增透膜以及用于反射第1激光器至第i-1激光器所产生光的反射膜，1≤i≤N；

在所述合束镜11的第二镜面上第j激光器产生光的照射位置处设置用于反射第1激光器至第j激光器所产生光的反射膜，1≤j≤N-1；

在所述合束镜11的第二镜面上第N激光器产生光的照射位置处设置用于增透所有光的增透膜。

其中，所述合束镜11的折射率n、厚度d、毎两个激光器产生光束的间距l，光束入射到合束镜第一镜面的入射角θ满足以下关系式：

合束镜11根据上述方式在第一镜面和第二镜面上进行分段镀膜，使第i激光器产生的光从第一镜面透射入合束镜，并经合束镜各镜面依序多次反射后，从第N激光器产生的光在第二镜面上的照射位置处透射出，各激光器产生的不同波长光最终都从第N激光器10产生光在第二镜面上的照射位置处透射出，使各不同波长光汇合为一束，形成合束光出射。

优选的，在合束镜11上设置的增透膜的光透过率大于等于99％，设置的反射膜的反射率大于等于99％，这样减少各波长光在传播过程中的能量损失。各光学膜可通过镀制的方式在镜面上形成。

在本光学系统中，请参考图2，还可在每一所述激光器10与所述合束镜11之间光路上设置反射元件12，所述激光器10产生光入射至所述反射元件12，所述反射元件12将光反射至所述合束镜11的所述第一镜面。由于激光器位置受空间约束的影响，在实际应用中有时需要在光路中对光传播方向进行调整，因此通过反射元件来调整激光器产生光的传播方向。

优选的，所述反射元件12的反射率大于等于99％，所述反射元件镀制有反射膜，反射膜的反射率大于等于99％，以降低光在传播过程中的能量损失，保证光通量。

进一步的，请参考图2，本光学系统还包括汇聚镜13和光纤14，所述汇聚镜13用于将由所述合束镜输出的合束光汇聚，耦合入所述光纤14。汇合后的合束光汇聚入光纤，由光纤输出高功率激光。

所述汇聚镜13可以是球面透镜或者非球面透镜，或者汇聚镜可以是由两个可分离的柱面镜构成，或者也可以是其它类型的对光具有汇聚作用的光学镜。

可选的，所述光纤14可采用多模光纤，示例性的，所述光纤的纤芯直径的范围为50μm～1000μm，包括端点值，数值孔径的范围为0.1～0.3，包括端点值。

本实施例激光合束光学系统采用波长合束方法，采用一个分段镀膜的波长合束元件，实现多波长光合束。本激光合束光学系统解决了空间合束和偏振合束技术中对合束单元数量的限制问题，采用激光器并行排列方式节省更多空间，能够大幅度提高激光输出功率。另外，使散热系统安排更集中方便。

在本发明激光合束光学系统的另一实施例中，所述激光合束光学系统至少包括第一激光合束组件和第二激光合束组件，还包括偏振合束器；由所述第一激光合束组件输出的合束光、由所述第二激光合束组件输出的合束光分别入射至所述偏振合束器，所述偏振合束器将两路光汇合为一束光出射。

可参考图3，为本实施例提供的一种激光合束光学系统的示意图，在图3所示光学系统中，包括第一激光合束组件20和第二激光合束组件21，由第一激光合束组件20和第二激光合束组件21分别输出一路合束光，分别输入偏振合束器22，偏振合束器22将两路合束光汇合为一束光出射。

本实施例激光合束光学系统中，激光合束组件采用波长合束方法，实现将不同波长光汇合为一束光，并结合偏振合束方法，采用偏振合束器对光进行合束，更有益于提高输出功率及光束质量。

具体本实施例中，由第一激光合束组件20和第二激光合束组件21输出相同偏振态光，偏振合束器22将由第一激光合束组件20输入的合束光透射出，将由第二激光合束组件21输入的合束光反射出，两路光汇合为一束光出射。

进一步的，本实施例激光合束光学系统还包括汇聚镜23和光纤24，所述汇聚镜23用于将由所述偏振合束器输出的合束光汇聚，耦合入所述光纤24，由光纤24输出高功率激光。

本实施例激光合束光学系统中，通过光路设计，可以灵活设置更多数量的激光合束组件和偏振合束元件，实现激光合束，提高激光输出功率。

以上对本发明所提供的一种激光合束光学系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光合束光学系统，其特征在于，包括激光合束组件，所述激光合束组件包括N个激光器和合束镜，其中N为大于等于2的正整数；

N个所述激光器并行排列，分别用于产生不同波长光；

所述合束镜包括相互平行的第一镜面和第二镜面，各所述激光器产生的光平行传播，并斜入射至所述合束镜的第一镜面，在所述合束镜的所述第一镜面和所述第二镜面上由各激光器产生光的照射位置处分别设置有光学膜；

第i激光器产生的光从所述第一镜面透射入所述合束镜，并经所述合束镜各镜面依序多次反射后，从第N激光器产生的光在所述第二镜面上的照射位置处透射出，1≤i≤N，i为正整数。

2.根据权利要求1所述的激光合束光学系统，其特征在于，在所述合束镜的所述第一镜面上第i激光器产生光的照射位置处设置用于增透第i激光器产生光的增透膜以及用于反射第1激光器至第i-1激光器所产生光的反射膜，1≤i≤N；

在所述合束镜的第二镜面上第j激光器产生光的照射位置处设置用于反射第1激光器至第j激光器所产生光的反射膜，1≤j≤N-1；

在所述合束镜的第二镜面上第N激光器产生光的照射位置处设置用于增透所有光的增透膜。

3.根据权利要求2所述的激光合束光学系统，其特征在于，所述增透膜的光透过率大于等于99％，所述反射膜的反射率大于等于99％。

4.根据权利要求1所述的激光合束光学系统，其特征在于，每两个激光器产生光束的间距l与所述合束镜的折射率n、厚度d、所述激光器产生光照射到所述合束镜的入射角θ具有如下关系：

5.根据权利要求1所述的激光合束光学系统，其特征在于，在每一所述激光器与所述合束镜之间光路上设置反射元件，所述激光器产生光入射至所述反射元件，所述反射元件将光反射至所述合束镜的所述第一镜面。

6.根据权利要求5所述的激光合束光学系统，其特征在于，所述反射元件的反射率大于等于99％。

7.根据权利要求1-6任一项所述的激光合束光学系统，其特征在于，还包括汇聚镜和光纤，所述汇聚镜用于将由所述合束镜输出的合束光汇聚，耦合入所述光纤。

8.根据权利要求7所述的激光合束光学系统，其特征在于，所述汇聚镜包括球面透镜或者非球面透镜，或者所述汇聚镜包括两个可分离的柱面镜。

9.根据权利要求7所述的激光合束光学系统，其特征在于，所述光纤为多模光纤，所述光纤的纤芯直径的范围为50μm～1000μm，包括端点值，数值孔径的范围为0.1～0.3，包括端点值。

10.根据权利要求1所述的激光合束光学系统，其特征在于，至少包括第一激光合束组件和第二激光合束组件，还包括偏振合束器；

由所述第一激光合束组件输出的合束光、由所述第二激光合束组件输出的合束光分别入射至所述偏振合束器，所述偏振合束器将两路光汇合为一束光出射。