CN111613969B - 半导体激光合束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光合束装置，包括：阶梯热沉，为高度依序升高的多个台阶面；该阶梯热沉的各个台阶面上设置有：过渡热沉，焊接在该阶梯热沉上；激光器管芯，焊接在过渡热沉上；快轴准直透镜，设置于激光器管芯前方；慢轴准直透镜，设置于快轴准直透镜前方；直角等腰反射棱镜，设置于慢轴准直透镜前方，改变激光光路方向；聚焦透镜，设置于阶梯热沉前方。本发明提供的半导体激光合束装置采用直角等腰反射棱镜，减少了反射镜的数量，降低了系统的复杂度。

Description

半导体激光合束装置

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种半导体激光合束装置。

背景技术

半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等领域获得了较为广泛的应用，但在高功率光纤输出激光加工应用领域发展相对不尽如人意，其主要原因是半导体激光器的输出功率不够、光束质量较差，所以提高半导体激光器的光束质量和功率为当下重要研究方向，单管半导体激光器作为半导体激光器的一种封装形式，相较于半导体激光Bar条，具有散热特性更优、寿命更长、发光条宽窄等优势，由于单管半导体激光器将半导体激光器的每个发光单元独立封装，若想实现大功率的激光输出，必须采用多个单管进行合束。激光合束是一种能改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的技术，常用的合束方法有偏振合束、波长合束、空间合束，其主要合束处理流程大致如下，快轴准直→慢轴准直→平面镜或棱镜反射→凸透镜聚焦→光纤耦合，由于半导体激光器的光束质量差，且在快轴与慢轴方向上光束质量不匹配，将半导体激光耦合聚焦入光纤，通过光纤柔性传输可以有效改善半导体激光光束质量。

本来半导体激光器体积较小，但这些镜片及其调节装置占了很大的空间，使设备体积增加较大，而且由于镜片较多，导致调节装置也变得非常复杂，也让整个装置的可调性和工作稳定性变差，以至于好多方案目前也只是在实验室阶段，要想转为商品化成果很难，所以简化半导体激光器合束装置非常重要。

发明内容

(一)要解决的技术问题

针对现有技术中多单管半导体激光合束装置难以实现高功率输出的缺陷，提供一种简易的多单管半导体激光合束装置，实现较大功率输出。

(二)技术方案

本发明解决其技术问题所采用的的技术方案是提供了一种半导体激光合束装置，该装置包括两种结构，其一，包括：

阶梯热沉，该阶梯热沉为高度依序升高的多个台阶面，焊接在一制冷器上；

进一步的，该阶梯热沉各个台阶高度为1-3mm，材料为导热性金属材料；

且，该阶梯热沉的各个台阶面上设置有：过渡热沉、焊接在该过渡热沉上的激光器管芯、快轴准直透镜、慢轴准直透镜和直角等腰反射棱镜。其中：

过渡热沉，焊接在阶梯热沉台阶面上，其材料为氮化铝；

快轴准直透镜，设置于激光器管芯前方，接收其发射的激光，进行一次准直；

进一步的，该快轴准直透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的纵轴方向(Y方向)有曲率，该快轴准直透镜的焦距与平行于上述激光光束的发散角有关。

慢轴准直透镜，设置于快轴准直透镜前方，接收其一次准直后的激光，进行二次准直；

进一步的，该慢轴准直透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的横轴方向(X方向)有曲率，该慢轴准直透镜的焦距与垂直于上述激光光束的发散角有关。

直角等腰反射棱镜，设置于慢轴准直透镜前方，该直角等腰反射棱镜的斜边与二次准直后的激光光束平行，该直角等腰反射棱镜的两个直角边作为反射边接收二次准直后的激光并进行反射，改变激光光路方向；

进一步的，该直角等腰反射棱镜的两个直角边镀有增反膜，该增反膜的反射率为99％以上，且该直角等腰反射棱镜的各个直角边的尺寸大于上述慢轴准直透镜长度的

倍。以及聚焦透镜，设置于上述阶梯热沉前方，接收该阶梯热沉各个台阶面上的直角等腰反射棱镜的反射激光，实现激光光束聚焦。

进一步的，该聚焦透镜高度大于上述阶梯热沉的总高度，长度大于上述直角等腰反射棱镜的斜边长度，该聚焦透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7。

其二，包括：

上述台阶面上具有过渡热沉、焊接在该过渡热沉上的激光器管芯、快轴准直透镜、慢轴准直透镜和直角等腰反射棱镜的阶梯热沉为两个，该两个阶梯热沉呈不同朝向放置，该两个不同朝向的阶梯热沉上的直角等腰反射棱镜反射出不同方向的激光；

半波片，设置于上述两个阶梯热沉中第一阶梯热沉前方，接收该第一阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光，使该反射激光的偏振态旋转；

进一步的，该半波片长度大于直角等腰反射棱镜的斜边长度，该半波片为双折射晶体，使反射激光的偏振态旋转90°。

偏振合束镜，设置于半波片和第二阶梯热沉前方，实现来自不同方向的该半波片的偏振态旋转激光和该第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光的合束；

进一步的，该偏振合束镜镀有不同折射率的介质膜材料，该偏振合束镜：

一边增透，接收半波片的偏振态旋转激光或第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光；

另一边增反，接收第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光或半波片的偏振态旋转激光。

以及聚焦透镜，设置于偏振合束镜前方，接收合束后的激光。

(三)有益效果

本发明提供的半导体激光合束装置，具有以下有益效果：

(1)采用直角等腰反射棱镜，减少了反射镜的数量，简化了半导体激光器合束系统；

(2)可增加激光单管光路模块的数量，容易实现高功率输出；

(3)空间合束和偏振合束的结合，提高了合束后的输出功率。

附图说明

图1是本发明一实施例提供的两排半导体激光单管空间合束结构示意图；

图2是本发明另一实施例提供的表示激光单管空间偏振合束结构示意图。

图中：

阶梯热沉1 过渡热沉2 激光单管3 快轴准直透镜4

慢轴准直透镜5 直角等腰反射棱镜6 聚焦透镜7

光纤8 半波片9 偏振合束镜10

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。

基于本发明提出的半导体激光合束装置，本发明一实施例提供了一种半导体激光单管空间合束装置，请参照图1，表示本实施例提供的空间合束结构示意图，包括：

阶梯热沉1，该阶梯热沉1为高度依序升高的多个台阶面，焊接在一制冷器上；

一些实施例中，该阶梯热沉1各个台阶高度为1-3mm，材料为导热性金属材料；

图1进一步显示，在该阶梯热沉1的各个台阶面上设置有：过渡热沉2、焊接在该过渡热沉2上的激光单管3、快轴准直透镜4、慢轴准直透镜5和直角等腰反射棱镜6。

本实施例中，该阶梯热沉1上存在五个不同高度的平面，分别用于承载半导体激光器和光学元件，其中，半导体激光器即为上述激光单管3，光学元件包括上述快轴准直透镜4、慢轴准直透镜5和直角等腰反射棱镜6，该阶梯热沉的材料为镍或铜等导热性良好的金属材料。

更进一步的，上述激光单管3作为发射光源激光的激光器管芯，可以是由衬底及衬底上生长的外延结构通过光刻、刻蚀和镀膜等工艺制备而成。

一些实施例中，该激光器管芯，焊接在一过渡热沉上，用于发射激光，其中，该过渡热沉采用金锡焊工艺焊接在阶梯热沉台阶面上，由此实现该激光器管芯在阶梯热沉上的固定，该过渡热沉的材料可以为氮化铝。

上述快轴准直透镜4，设置于该激光器管芯前方，接收其发射出的激光，进行第一次激光准直；

一些实施例中，该快轴准直透镜4为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的纵轴方向(Y方向)有曲率，该快轴准直透镜的焦距与平行于上述激光器管芯发射出的激光光束的发散角有关。

上述慢轴准直透镜5，设置于快轴准直透镜4前方，接收其一次准直后的激光，对其进行二次准直；

一些实施例中，该慢轴准直透镜5为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的横轴方向(X方向)有曲率，该慢轴准直透镜的焦距与垂直于上述激光器管芯发射出的激光光束的发散角有关。

上树直角等腰反射棱镜6，设置于慢轴准直透镜5前方，该直角等腰反射棱镜6的斜边与二次准直后的激光光束平行，该直角等腰反射棱镜6的两个直角边作为反射边接收二次准直后的激光并进行反射，改变激光光路方向；

一些实施例中，该直角等腰反射棱镜6的两个直角边镀有高反射率的增反膜，该增反膜的反射率在99％以上，且该直角等腰反射棱镜的各个直角边的尺寸大于上述慢轴准直透镜5长度的

倍。

以及聚焦透镜7，设置于上述阶梯热沉前方，接收该阶梯热沉各个台阶面上的直角等腰反射棱镜的反射激光，实现激光光束聚焦。

进一步的，该聚焦透镜高度大于所述阶梯热沉的总高度，长度大于所述直角等腰反射棱镜的斜边长度，该聚焦透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7。

本发明实施例提供的该半导体激光单管空间合束装置，在上述阶梯热沉的基础上，还包括：

一聚焦透镜，该聚焦透镜设置于上述阶梯热沉前方，接收该阶梯热沉各个台阶面上的直角等腰反射棱镜的反射激光，实现激光光束聚焦；

一些实施例中，该聚焦透镜高度大于上述阶梯热沉的总高度，长度大于上述直角等腰反射棱镜的斜边长度，且该聚焦透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7。

本实施例中，再请参照图1，在阶梯热沉1的每个台阶面上的两边通过过渡热沉2分别焊接一个激光单管3，两边的激光单管3相对放置，每个激光单管芯片前方都具有一个对应的快轴准直透镜4和一个对应的慢轴准直透镜5，该激光单管3发射出的激光依次经过该快轴准直透镜4和该慢轴准直透镜5，实现对该激光单管3发出的激光进行准直，该快轴准直透镜4和慢轴准直透镜5都可以采用紫外胶固定于该阶梯热沉1上。然后准直激光的光束再经过等腰直角反射棱镜6完成转向，在快轴方向各路激光形成等间距分布，该等腰直角反射棱镜6的两个直角边接收来自阶梯热沉两边的激光单管3所发射并经准直后的激光，完成90°转向，将两路激光转至同一方向后输出，最后通过聚焦透镜7将光束耦合到一光纤8中完成输出。

基于以上实施例，本发明另一实施例提供了一种半导体激光单管偏振合束装置，请参照图2，表示本实施例提供的空间偏振合束结构示意图，包括：

两个上述实施例中的台阶面上具有过渡热沉2、焊接在该过渡热沉2上的激光器管芯3、快轴准直透镜4、慢轴准直透镜5和直角等腰反射棱镜6的阶梯热沉1，该两个阶梯热沉1呈不同朝向放置，该两个不同朝向的阶梯热沉1上的直角等腰反射棱镜6反射出不同方向的激光。

同上述实施例所述，本实施例中承载有上述半导体激光器及光学元件的两个阶梯热沉互相垂直放置，并通过上述实施例中所述的实施方式完成激光的转向，具体过程在此不做赘述。不同的是，因本实施例中两个阶梯热沉的初始朝向不同，所以转向后的每个阶梯热沉上直角等腰反射棱镜反射出的转向激光仍为相垂直的光束，对其的进一步处理仍需包括：

半波片9，设置于上述两个阶梯热沉中第一阶梯热沉前方，接收该第一阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光，使该反射激光的偏振态旋转；

一些实施例中，该半波片长度大于直角等腰反射棱镜的斜边长度，该半波片为一定厚度的双折射晶体，使该反射激光的偏振态旋转的角度为90°。

偏振合束镜10，设置于半波片和第二阶梯热沉前方，实现来自不同方向的该半波片的偏振态旋转激光和该第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光的合束；

一些实施例中，该偏振合束镜10镀有高低不同折射率的介质膜材料，该偏振合束镜为：

一边增透，接收上述半波片的偏振态旋转激光或第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光；

另一边增反，接收第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光或半波片的偏振态旋转激光。

即，上述两相垂直的光束，其中一路放置半波片9使其偏振态发生改变，将S态偏振光变成P态偏振光，或将P态偏振光变成S态偏振光后入射到与两阶梯热沉均呈45°放置的偏振合束镜10上，实现激光合束，最终实现同一方向的激光输出。

本实施例中，对该偏振合束镜10的选择，满足：

对该偏振合束镜，寻找合适的高低折射率介质膜材料，使之对于45°入射的情况下，两种不同折射率材料的界面满足布儒斯特角条件，这样p光的反射完全消失，p光完全透射的条件：

s光的高反射率可以通过叠加光学厚度为1/4波长的多层膜实现。

最后输出光束通过一设置于偏振合束镜10前方的聚焦透镜7耦合到一光纤8中完成输出，本实施例中合束的激光单管是图1实施例的两倍，输出的功率更大。

综上所述，本发明提出的一种半导体激光合束装置，通过设计新的合束结构，在空间合束结构中，每个单管输出的光束经过快轴准直镜、慢轴准直镜整形后，再通过镀有高反膜的直角等腰反射镜改变光束的方向，最后通过聚焦透镜耦合到光纤中输出；在偏振合束结构中，光束需通过半波片，改变其偏振方向，从而两束不同偏振的光通过偏振合束镜合成一束，最后光束通过聚焦透镜耦合到光纤中输出。本发明提供的该半导体激光合束装置，其激光单管的数量可以更容易增加，且容易实现高功率输出。

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 (6)

1.一种半导体激光合束装置，其特征在于，包括：第一子合束装置和第二子合束装置，第一子合束装置和第二子合束装置中的每一个包括：

阶梯热沉，所述阶梯热沉为高度依序升高的多个台阶面，所述各个台阶面的两边相对设置有：过渡热沉、焊接在所述过渡热沉上的激光器管芯、快轴准直透镜和慢轴准直透镜，所述各个台阶面上还设置有一个直角等腰反射棱镜；

所述过渡热沉，焊接在所述阶梯热沉台阶面上；

所述快轴准直透镜，设置于所述激光器管芯前方，接收所述激光器管芯发射的激光，进行一次准直；

所述慢轴准直透镜，设置于所述快轴准直透镜前方，接收所述一次准直后的激光，进行二次准直；

所述直角等腰反射棱镜，设置于所述各个台阶面的两边相对设置的两个慢轴准直透镜之间，所述直角等腰反射棱镜的斜边与所述二次准直后的激光光束平行，所述直角等腰反射棱镜的两个直角边作为反射边分别接收来自所述各个台阶面的两边相对设置的激光器管芯所发射并经所述二次准直后的激光并进行反射，改变激光光路方向，以将所述各个台阶面的两边相对设置的激光器管芯所发射的激光转至同一方向后输出，所述直角等腰反射棱镜的两个直角边镀有增反膜，所述增反膜的反射率为99％以上，所述各个直角边的尺寸大于所述慢轴准直透镜长度的

倍；

其中，所述第一子合束装置的第一阶梯热沉和第二子合束装置的第二阶梯热沉呈不同朝向放置，所述第一阶梯热沉和第二阶梯热沉上的直角等腰反射棱镜反射出不同方向的激光，

所述半导体激光合束装置还包括：

半波片，设置于第一阶梯热沉前方，接收所述第一阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光，使所述反射激光的偏振态旋转；

偏振合束镜，设置于所述半波片和第二阶梯热沉前方，实现来自不同方向的所述半波片的偏振态旋转激光和所述第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光的合束，其中，所述偏振合束镜镀有不同折射率的介质膜材料，所述偏振合束镜：一边增透，接收所述半波片的偏振态旋转激光或所述第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光；另一边增反，接收所述第二阶梯热沉上直角等腰反射棱镜的反射激光或所述半波片的偏振态旋转激光；聚焦透镜，设置于所述偏振合束镜前方，接收所述合束后的激光；

所述半波片长度大于所述直角等腰反射棱镜的斜边长度，所述半波片为双折射晶体，使所述反射激光的偏振态旋转90°。

2.根据权利要求1所述的半导体激光合束装置，其特征在于，所述阶梯热沉各个台阶高度为1-3mm，材料为导热性金属材料。

3.根据权利要求1所述的半导体激光合束装置，其特征在于，所述过渡热沉材料为氮化铝。

4.根据权利要求1所述的半导体激光合束装置，其特征在于，所述快轴准直透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的纵轴方向有曲率，所述快轴准直透镜的焦距与平行于所述激光光束的发散角有关。

5.根据权利要求1所述的半导体激光合束装置，其特征在于，所述慢轴准直透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7，透镜的横轴方向有曲率，所述慢轴准直透镜的焦距与垂直于所述激光光束的发散角有关。

6.根据权利要求1所述的半导体激光合束装置，其特征在于，所述聚焦透镜高度大于所述阶梯热沉的总高度，长度大于所述直角等腰反射棱镜的斜边长度，所述聚焦透镜为平凸透镜，材料为玻璃BK7。

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