CN109638649B - 一种高功率半导体叠阵空间合束的方法及装置 - Google Patents

一种高功率半导体叠阵空间合束的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率半导体叠阵空间合束的方法及装置，采用填充二极管阵列之间的发光空隙，对单个半导体叠阵进行空间合束，因此将半导体叠阵发光区域总体分为上下两部分。将b个半导体阵列中的x个和y个，由y个阵列激光直接通过条纹镜透射区透射，而由x个阵列对应的激光通过条纹镜和反射镜反射后，再次透过条纹镜最下方透射区透射，与y个阵列产生的激光进行位置交换，并整体向下偏移，而a个阵列产生的激光通过反射镜和条纹镜反射区反射后，穿插在透射光间隔之中。通过移动阵列的个数，可增加条纹镜厚度，而空间合束的激光功率密度可成倍提高，对条纹镜的厚度无限制。本方法克服了半导体叠阵数量及功率的限制，从而实现高功率合束。

Description

一种高功率半导体叠阵空间合束的方法及装置
技术领域
本发明涉及激光光学应用领域，使用一种新型的高功率半导体叠阵空间合束装置，获得更高的功率密度，特别是涉及一种激光合束光学系统。
背景技术
随着大功率半导体激光技术迅速发展，因其具有宽输出波长、结构紧凑、转换效率高、重量轻、寿命长的优点，可以直接应用于工业加工、军事国防、激光通讯等领域，同时也可作为固体激光器的泵浦源，在高功率军事武器方面发挥着重要作用。
但是由于半导体激光器结构特点，存在发散角较大，光束质量差，功率密度低等缺点，极大的限制了其应用。同时作为激光武器的泵浦源，半导体激光器的功率密度达不到泵浦标准。因此，研究高功率、高功率密度的半导体激光器成为了半导体激光技术研究中的重点。
近年来，为了提高半导体激光器的输出功率密度，在半导体叠阵中采用了非相干合束和相干合束等技术。但是现有技术中，相干合束结构复杂，且对半导体叠阵要求较高，而非相干合束中，传统的空间合束对半导体叠阵的数量和功率有很大限制，难以满足高功率、高功率密度的应用需要。
在非相干合束中，单波长合束应用最广泛的为条纹镜空间合束技术，即在半导体叠阵的阵列之间插入阵列，通过条纹镜空间合束，增加半导体叠阵输出的功率或功率密度。现有的条纹镜合束中有两类应用，一是两半导体叠阵条纹镜空间合束，二是单半导体叠阵条纹镜空间合束。对于两半导体叠阵条纹镜空间合束，可实现半导体叠阵输出的功率和功率密度的提升，但从应用的角度，采用两半导体叠阵，体积相对增大，不利于实现小型化泵浦等应用。对于单半导体叠阵条纹镜空间合束，可实现半导体叠阵输出的功率密度的提升，而体积没有明显增大，有利于应用；但此结构对条纹镜的厚度有严格要求，这是由于半导体叠阵中各半导体阵列间距较小(通常为1.8mm或者0.43mm)，单个叠阵产生的激光被条纹镜分为上下两个部分，其中下部分激光由于光的折射，在透射过条纹镜后会向上偏移，且偏移量与条纹镜厚度成正比，使在上下部分交界位置的两个阵列间距进一步减小，这就很容易导致两个阵列产生的激光在远场产生交叠，造成光线紊乱，无法进行光线合束和光路调节，因此条纹镜厚度限制在一定范围(通常为 2mm)之内，厚度较小。而由于条纹镜材料本身和光学镀膜都会对叠阵产生的激光部分吸收，吸收光产生的热会使厚度相对较小的条纹镜表面发生变形，甚至断裂，因此该种方法仅适合与低功率合束，无法实现高功率合束方面的应用。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种新型的高功率半导体叠阵空间合束装置，此合束装置采用填充二极管阵列之间的发光空隙的方法，对单个半导体叠阵进行空间合束，因此需将半导体叠阵发光区域总体分为上下两部分，其中上部分包含a个半导体阵列，下部分包含b个半导体阵列。将上部分阵列产生的激光穿插至下部分激光之间的间隔中，以此成倍提高输出功率密度。同时将b 个半导体阵列中的x个和y个，其中由y个阵列激光直接通过条纹镜透射区透射，而由x个阵列(一般二到三个阵列)对应的激光通过条纹镜和反射镜反射后，再次透过条纹镜最下方透射区透射，与y个阵列产生的激光进行位置交换，并整体向下偏移，而a个阵列产生的激光通过反射镜和条纹镜反射区反射后，穿插在透射光间隔之中。通过移动阵列的个数，可增加条纹镜厚度，而空间合束的激光功率密度可成倍提高，这样，对条纹镜的厚度无限制。这种方法克服了现有技术对半导体叠阵数量及功率的限制，从而实现高功率合束。
一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，包括一个半导体叠阵1(分为上半部分和下半部分)，条纹镜2，第一平面反射镜3和第二平面反射镜4；激光由水平放置的半导体叠阵发出，上部分a个半导体阵列产生的激光，直接照射到与水平成45°放置的第一平面反射镜3上，向下反射至与水平成45°放置的条纹镜2 的第二镜面，照射到设置有45°高反膜区域，进行二次反射输出。下部分b个半导体阵列产生的激光，直接照射到条纹镜2的第一镜面上，第一镜面的上部分设置有45°高反膜，下部分设置有45°增透膜，再次将b个阵列产生的激光分为x 个和y个，x个阵列产生的激光经过第一镜面设置有高反膜区域的反射，向下反射至第二平面反射镜4，再次反射至条纹镜2第一镜面设置有增透膜区域，透过条纹镜2，从第二镜面设置有增透膜区域输出；y个阵列产生的激光则照射到条纹镜2增透膜区域，直接透射过条纹镜，从第二镜面增透膜区域输出。
一种高功率半导体叠阵空间合束的方法，该方法第一步通过半导体叠阵功率，以及条纹镜材料所能承受的最大热致应力，选取不同厚度条纹镜，第二步则是根据条纹镜厚度，依据公式：
Figure BDA0001944507320000031
确定折射距离，第三步根据折射距离大小确定所要向下重组半导体阵列的数量x，进而确定条纹镜第一镜面45°高反膜区域大小，以防止由于折射所造成的光线紊乱问题，第四步根据第一反射镜3和条纹镜2之间的实际高度差确定条纹镜第二镜面相互交错的高反膜和增透膜的宽度比，使得一个高功率半导体叠阵上下两部分激光交叉输出，实现高功率空间合束。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种半导体叠阵合束装置，包括激光合束组件，所述激光合束组件至少包括 1个半导体叠阵，1个条纹镜以及两个平面反射镜；
所述的半导叠阵成水平放置，包含N个半导体阵列，每个半导体阵列具有多个发光单元(通常为19个)，半导体阵列之间间距很小(通常为1.8mm或者 0.43mm)，整个半导体叠阵用于产生相同波长的激光，并且对快轴方向进行扩束准直，慢轴不做任何处理。
两个所述的平面反射镜为两个尺寸不一的石英玻璃，相对于水平面成45°倾斜放置，其中尺寸大的第一平面反射镜用于对半导体叠阵产生的激光进行反射，而尺寸小的第二平面反射镜则用于对条纹镜反射的激光进行二次反射。两个所述平面反射镜上均设置有相应波长的45°高反膜。
所述的条纹镜为石英平板，石英平板具有第一镜面和第二镜面，第一镜面和第二镜面相互平行。分别在第一镜面和第二镜面区域各设置有光学膜。在第一镜面的上部分设置有45°高反膜，第一镜面的下部分设置有45°增透膜。在第二镜面上激光照射位置交错设置有45°高反膜和45°增透膜。
所述的45°增透膜的光透过率大于等于99.8％，45°高反膜光反射率大于等于99.8％。
每两个相邻的半导体阵列之间的间距为L，条纹镜折射率为n、厚度为d。在传统合束装置中，半导体叠阵下半部b个半导体阵列全部直接折射到条纹镜设置有45°增透膜部分进行透射，但由于光的折射原理，当光透过45°放置的条纹镜时会产生向上的折射距离d′，如图7所示，具有以下关系：
Figure BDA0001944507320000041
由于d′不能消除，且与厚度d成正比例关系，极大的限制了条纹镜厚度d，而条纹镜的断裂应力与厚度之间存在正比例关系，因此d′的存在限制了条纹镜所能承受的最高泵浦功率。
为提高泵浦光功率密度，消除d′所带来的限制，将半导体叠阵产生的激光总体分为上下两个部分，上部分的a个半导体阵列产生激光经过平面反射镜向下反射，然后照射到条纹镜上的第二镜面设置有反射膜区域，进行第二次反射，然后输出激光。下部分的b个半导体阵列产生的激光直接照射到条纹镜第一镜面上，其中b个半导体阵列中上端x个阵列产生的激光，照射到第一镜面上部分设置有 45°高反膜的区域，向下反射至第二平面反射镜，经过二次反射，然后通过条纹镜第一镜面设置有增透膜区域，并且通过第二镜面的透射区域，进行透射；b个阵列中位于下端的y个阵列则直接透过条纹镜的第一镜面，并从第二镜面设置有增透膜区域透射；其中N＝a+b，b＝x+y。
在将半导体叠阵下部分x和y个阵列进行位置交换、向下偏移，然后透射过条纹镜，进行输出；将上部分a个阵列经过第一平面反射镜和条纹镜反射后，穿插于下部分激光的间隙中。以消除d′所带来的光线交错的影响，而且根据泵浦功率要求，改变条纹镜厚度。通过改变条纹镜第一镜面反射区域大小，来改变所反射x个半导体阵列数量，以实现不同高功率下的激光合束。
本发明高功率半导体叠阵合束装置采用特殊空间合束的方法，可以不受半导体叠阵功率限制，且不受半导体叠阵数量约束，克服了现有技术存在的不足，能实现更高功率激光合束。
附图说明
图1是单个高功率半导体叠阵空间合束装置图。
图2是又一单个高功率半导体叠阵空间合束装置图。
图3是两个高功率半导体叠阵空间合束装置图。
图4是条纹镜立体图。
图5是条纹镜俯视图。
图6是条纹镜侧视图。
图7是折射距离的折射原理图。
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装置图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，本装置包括半导体叠阵1、条纹镜2、第一平面反射镜3、第二平面反射镜4。
下面以图1为例，对本发明的方法作进一步说明。
所述的半导叠阵水平放置，包含N个半导体阵列，将N个半导体阵列分为上部分a个和下部分b个，分别首先照射到设置有45°高反膜的第一平面反射镜 3和条纹镜2上。
所述第一平面反射镜3如图与水平呈45°放置，a个半导体阵列产生的激光照射到第一平面反射镜3的区域5进行反射，竖直照射到条纹镜的第二镜面上设置有45°高反膜的区域10进行第二次反射。
位于半导体叠阵下部分的b个半导体阵列，水平照射到与水平面呈45°放置的条纹镜第一镜面上，被条纹镜第一镜面分割为上端x个半导体阵列和下端y 个半导体阵列。其中x个阵列经由条纹镜第一镜面区域7反射，竖直照射到下方与水平面呈45°放置的尺寸较小的第二平面反射镜4上，通过区域6反射重新照射到条纹镜下部分设置有45°增透膜区域8进行透射，从条纹镜第二镜区域9输出激光。而其中的y个阵列直接照射到条纹镜2上第一镜面的区域8，经过透射后，同样从第二镜面的区域9输出。
这使得a个阵列发出的激光在照射到条纹镜2区域10时，完全穿插在b个阵列产生激光个间隙中，使整个半导体叠阵产生的激光得到合束，功率密度提升为原来的两倍，达到高功率激光合束的目的。
下面以图2为例，对更高功率半导体叠阵空间合束进行详细说明。此图中半导体叠阵功率较图1大幅度提高，为了防止条纹镜在高功率照射下损坏，增加了条纹镜的厚度d。
根据光的折射原理，当光透过45°放置的条纹镜时会产生向上的折射距离d′，具有以下关系：
Figure BDA0001944507320000051
d′增加使得下部分光路整体向上偏移增加，为了防止与上部分激光发生交错，因此采用图2的方法。与图1相比，图2中将半导体叠阵下部分b个阵列进行重新分配，增加上部分x个阵列数量，即x′＞x，减小下部分y个阵列数量，即y′＜y，且N＝x′+y′＝x+y。增大条纹镜第一镜面区域7的范围，使得x′个阵列产生的激光能够全部被反射到区域6，后再经过反射透过区域8后，从区域10 输出，从而实现更高功率的激光合束输出。
下面以图3为例，对于两个高功率半导体叠阵的空间合束装置进行详细说明。所述的两个半导体叠阵分别包含a个和b个半导体阵列，分别置于条纹镜2 的两侧。由于两个叠阵不同于单个叠阵的位置关系，因此不存在上述将一个半导体叠阵分成a和b两部分的问题。同时由于条纹镜自身厚度所造成的b部分半导体阵列发出的激光由于折射所产生的偏移也不会对a部分产生影响，因此对于两个高功率叠阵的空间合束装置，条纹镜第一镜面无需设置有45°高反膜，同时无需采用第二平面反射镜4对b部分中的x个阵列发出的激光进行分离反射。所述的a个半导体阵列产生的激光直接照射到条纹镜上区域9，经过反射后输出。b 个半导体阵列产生的激光直接照射到条纹镜上区域8，透射过条纹镜后从区域10 输出，最终实现光线合束。采用本空间合束装置，可是更好的实现对两个高功率半导体叠阵的光线合束，从而达到高功率密度输出的目的。
本实施例激光合束光学系统中，通过光路设计，可以灵活设置条纹镜镀膜区域，对单(双)个、高功率的半导体叠阵进行激光合束，提高激光输出功率密度，打破了传统空间合束系统的限制，实现高功率条纹镜空间合束。
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。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保护范围内。
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Claims (8)

1.一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：包括一个半导体叠阵(1)，条纹镜(2)，第一平面反射镜(3)和第二平面反射镜(4)；半导体叠阵(1)分为上部分和下部分；激光由水平放置的半导体叠阵发出，上部分a个半导体阵列产生的激光，直接照射到与水平成45°放置的第一平面反射镜(3)上，向下反射至与水平成45°放置的条纹镜(2)的第二镜面，照射到设置有45°高反膜区域，进行二次反射输出；下部分b个半导体阵列产生的激光，直接照射到条纹镜(2)的第一镜面上，第一镜面的上部分设置有45°高反膜，下部分设置有45°增透膜，再次将b个阵列产生的激光分为x个和y个，x个阵列产生的激光经过第一镜面设置有高反膜区域的反射，向下反射至第二平面反射镜(4)，再次反射至条纹镜(2)第一镜面设置有增透膜区域，透过条纹镜(2)，从第二镜面设置有增透膜区域输出；y个阵列产生的激光则照射到条纹镜(2)增透膜区域，直接透射过条纹镜，从第二镜面增透膜区域输出。
2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：所述的半导叠阵成水平放置，包含N个半导体阵列，每个半导体阵列具有多个发光单元，整个半导体叠阵用于产生相同波长的激光，并且对快轴方向进行扩束准直，慢轴不做任何处理。
3.根据权利要求1所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：两个所述的平面反射镜为两个尺寸不一的石英玻璃，相对于水平面成45°倾斜放置，其中尺寸大的第一平面反射镜用于对半导体叠阵产生的激光进行反射，而尺寸小的第二平面反射镜则用于对条纹镜反射的激光进行二次反射；两个所述平面反射镜上均设置有相应波长的45°高反膜。
4.根据权利要求1所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：所述的条纹镜为石英平板，石英平板具有第一镜面和第二镜面，第一镜面和第二镜面相互平行；分别在第一镜面和第二镜面区域各设置有光学膜；在第一镜面的上部分设置有45°高反膜，第一镜面的下部分设置有45°增透膜；在第二镜面上激光照射位置交错设置有45°高反膜和45°增透膜。
5.根据权利要求4所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：所述的45°增透膜的光透过率大于等于99.8％，45°高反膜光反射率大于等于99.8％。
6.根据权利要求2所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：上部分的a个半导体阵列产生激光经过平面反射镜向下反射，然后照射到条纹镜上的第二镜面设置有反射膜区域，进行第二次反射，然后输出激光；下部分的b个半导体阵列产生的激光直接照射到条纹镜第一镜面上，其中b个半导体阵列中上端x个阵列产生的激光，照射到第一镜面上部分设置有45°高反膜的区域，向下反射至第二平面反射镜，经过二次反射，然后通过条纹镜第一镜面设置有增透膜区域，并且通过第二镜面的透射区域，进行透射；b个阵列中位于下端的y个阵列则直接透过条纹镜的第一镜面，并从第二镜面设置有增透膜区域透射；其中N＝a+b，b＝x+y。
7.根据权利要求1所述的一种高功率半导体叠阵空间合束的装置，其特征在于：在将半导体叠阵下部分x和y个阵列进行位置交换、向下偏移，然后透射过条纹镜，进行输出；将上部分a个阵列经过第一平面反射镜和条纹镜反射后，穿插于下部分激光的间隙中；通过改变条纹镜第一镜面反射区域大小，来改变所反射x个半导体阵列数量，以实现不同高功率下的激光合束。
8.利用权利要求1所述装置的进行的一种高功率半导体叠阵空间合束的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：第一步通过半导体叠阵功率，以及条纹镜材料所能承受的最大热致应力，选取不同厚度条纹镜，第二步则是根据条纹镜厚度，依据公式：
Figure FDA0002645668730000021
确定折射距离，d'指的是折射距离，d指的是条纹镜厚度，n指的是折射率；第三步根据折射距离大小确定所要向下重组半导体阵列的数量x，进而确定条纹镜第一镜面45°高反膜区域大小，以防止由于折射所造成的光线紊乱问题，第四步根据第一平面反射镜(3)和条纹镜(2)之间的实际高度差确定条纹镜第二镜面相互交错的高反膜和增透膜的宽度比，使得一个高功率半导体叠阵上下两部分激光交叉输出，实现高功率空间合束。
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