CN111799655A - 高功率半导体激光器 - Google Patents

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CN111799655A
CN111799655A CN202010514522.9A CN202010514522A CN111799655A CN 111799655 A CN111799655 A CN 111799655A CN 202010514522 A CN202010514522 A CN 202010514522A CN 111799655 A CN111799655 A CN 111799655A
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刘佳敏
蔡万绍
孙帅
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Abstract

本发明公开了一种高功率半导体激光器，包括激光源、第一光学装置以及合束装置，激光源包括多个激光线阵，每一个激光线阵上设置有多个发光点；第一光学装置将激光源发出的激光束在快轴方向准直，以使得每一个激光线阵发出的多个激光束组合形成一个片状的第一激光面；合束装置将第一光学装置射出的多个第一激光面叠加形成一个片状的叠加激光面。多个激光线阵发出的激光通过合束装置叠加，可以输出高功率的激光，可以用于激光加工、激光雕刻等。叠加激光面的光强度随加工件远近距离的变化很小，可以对异形面进行加工，而且可以远距离加工。

Description

高功率半导体激光器
技术领域
本发明涉及光学系统技术领域，特别是涉及一种高功率半导体激光器。
背景技术
激光加工相比传统的加工方法而言，有许多显著的优点。使用激光对工件进行加工时，不需要跟工件接触，没有“刀具”磨损，加工速度快，对工件的热影响小，加工方式灵活，可加工多种材料，加工质量好。因此，激光加工技术被称为“未来制造业的共同加工手段”。
近些年来，高功率半导体激光器发展迅速，其应用在焊接、表面处理等方面已经很成熟。目前，高功率半导体激光器发出的激光照射到工件表面后是一个聚焦点或聚焦线，受焦深影响，在激光加工方面一直无法实现对工件的曲折异形面(曲折异形面上前后两个加工位置相对于高功率半导体激光器的距离不同)的加工。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种高功率半导体激光器，其发出的激光照射到工件表面为非聚焦线光斑，从而可以对曲折异形面加工。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种高功率半导体激光器，包括：
激光源，所述激光源包括在第一方向排布的多个激光线阵，其中，每一个所述激光线阵上设置有在第二方向排布的多个发光点，每一个所述发光点用于发出一激光束，所述第二方向垂直于所述第一方向，另外，每一个所述激光束的快轴方向与所述第一方向一致，每一个所述激光束的慢轴方向与所述第二方向一致；
第一光学装置，设置于所述激光源的出光侧，用于将所述激光源发出的每一个所述激光束在快轴方向准直，以使得每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束组合形成一个片状的第一激光面；
合束装置，设置于所述第一光学装置的出光侧，用于将所述第一光学装置射出的多个所述第一激光面叠加形成一个片状的叠加激光面。
进一步地，每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束波长均相同，多个所述激光线阵发出的所述激光束的波长在所述第一方向递减或递增；
所述合束装置包括多个光学元件，多个所述光学元件设置于所述第一光学装置的出光侧，且与多个所述第一激光面一一对应；
每一个所述光学元件均用于反射其所对应的所述第一激光面，并且在存在具有更大波长的其它所述第一激光面时，透射其它所述第一激光面，或者，
每一个所述光学元件均用于反射其所对应的所述第一激光面，并且在存在具有更小波长的其它所述第一激光面时，透射其它所述第一激光面。
进一步地，在所述合束装置出光的反方向，位于末端的所述光学元件为反射镜，其余所述光学元件为光栅，所述光栅具有在预定波段反射和透射的光谱特性。
进一步地，所述光栅的光束透过率和反射率均大于等于90％。
进一步地，还包括：
多个体布拉格光栅，设置于所述第一光学装置和所述合束装置之间，且多个所述体布拉格光栅与多个所述第一激光面一一对应，每一个所述体布拉格光栅均用于将其所对应的所述第一激光面的波长进行锁定，形成第二激光面；
所述合束装置用于将多个所述体布拉格光栅射出的多个所述第二激光面叠加，形成一个片状的所述叠加激光面。
进一步地，每一个所述光学元件与其所对应的所述第一激光面的夹角均为45度±10度。
进一步地，每一个所述光学元件与其所对应的所述第一激光面的夹角均为45度。
进一步地，所述第一光学装置包括多个快轴准直透镜，多个所述快轴准直透镜设置于多个所述激光线阵的出光侧，且与多个所述激光线阵一一对应，每一个所述快轴准直透镜均用于将其所对应的所述激光线阵发出的多个所述激光束在快轴方向准直，以使得每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束组合形成一个片状的第一激光面。
进一步地，还包括：
第二光学装置，设置于所述第一光学装置和所述合束装置之间，用于改变所述第一光学装置射出的每一个所述第一激光面中每一个所述激光束在慢轴方向的发散角。
进一步地，还包括：
第三光学装置，设置于所述合束装置的出光侧，用于将所述合束装置射出的所述叠加激光面在快轴方向汇聚。
本发明的有益效果是：
区别于现有技术的情况，本发明中设置了多个激光线阵，每一个激光线阵发出的多个激光束经第一光学装置在快轴准直后组合形成片状的第一激光面，合束装置将第一光学装置射出的多个第一激光面叠加形成一个片状的叠加激光面，叠加激光面射到待加工表面形成非聚焦线光斑，叠加激光面的光强度随加工件远近距离的变化很小，可以对异形面进行加工，而且可以远距离加工。
多个激光线阵发出的激光通过合束装置叠加，可以输出高功率的激光，功率可达千瓦。与一般激光打标线不同，本申请高功率半导体激光器发出的叠加激光面功率极高，可以用于激光加工、激光雕刻等。叠加激光面的强度(激光刀片的锋利程度)可通过激光线阵所加电压调节，功率越大，叠加激光面的强度越强(激光刀片越锋利)。
利用第一光学装置对每个激光线阵发出的多个激光束的快轴进行准直，不需要对慢轴进行准直，使光斑不需要整形。
多个激光线阵在第一方向排布，每一个激光线阵发出的多个激光束在第二方向排布，且第二方向垂直于第一方向，可以使得激光源结构紧凑。
另外，多个激光线阵发出的激光的中心波长不同，经合束装置叠加后，叠加后的激光(叠加激光面)为混频光，不需要经过其它色散光学件。这减少了光学件数量，使得光路更简单。
附图说明
图1是本申请实施例一提供的高功率半导体激光器的结构示意图；
图2是图1中高功率半导体激光器的俯视图；
图3是本申请实施例二提供的高功率半导体激光器的结构示意图；
图4是本申请实施例三提供的高功率半导体激光器的结构示意图；
图5是图4中高功率半导体激光器的俯视图；
图6是本申请实施例四提供的高功率半导体激光器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本申请作进一步的详细描述。特别指出的是，以下实施例仅用于说明本申请，但不对本申请的范围进行限定。同样的，以下实施例仅为本申请的部分实施例而非全部实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例，例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
图1是本申请实施例一提供的高功率半导体激光器的结构示意图，
图2是图1中高功率半导体激光器的俯视图。
如图1和图2所示，本申请实施例一提供的高功率半导体激光器1000包括激光源100、第一光学装置200和合束装置300。
激光源100包括在X向排布的A个激光线阵(巴条)101-1…101-A，A为大于1的整数。每个激光线阵101-1…101-A上设置有在Z向排布的B个发光点102-1…102-B，B为大于1的整数。每个发光点102-1…102-B用于发出一激光束L0。X向垂直于Z向。
本实施例中，每个激光线阵101-1…101-A中的B个发光点102-1…102-B在Z向等间距排布，在别的实施例中也可以不等间距排布，本申请不对此限制。每个激光线阵101-1…101-A中的B个发光点102-1…102-B在Y向位于同一平面，Y向垂直于X向和Z向，在别的实施例中也可以不位于同一平面，本申请不对此限制。激光源100中的A个激光线阵101-1…101-A在X向相互叠加，以使得激光源100结构更紧凑，在别的实施例中，激光源100中的A个激光线阵101-1…101-A也可以间隔设置，本申请不对此限制。
另外，每一个激光束L0的快轴方向与X向一致，每一个激光束L0的慢轴方向与Z向一致，以便于后续在第一光学装置200的出光侧形成片状的第一激光面L1，具体见下文第一光学装置200处的介绍。
每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0的波长均相同，A个激光线阵101-1…101-A发出的激光束L0的波长在X向递减或递增，以便于合束装置300进行合束，具体见下文合束装置300部分。
第一光学装置200设置于激光源100的出光侧，用于将激光源100发出的每一个激光束L0在快轴方向准直，以使得每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0组合形成一个片状的第一激光面L1。
具体地，第一光学装置200可以包括多个快轴准直透镜201，多个快轴准直透镜201设置于A个激光线阵101-1…101-A的出光侧，且与A个激光线阵101-1…101-A一一对应，每一个快轴准直透镜201均用于将其所对应的激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0在快轴方向准直，以使得每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0组合形成一个片状的第一激光面L1。快轴准直透镜201可以为柱面透镜。
每一个激光束L0经过快轴准直透镜201后，在快轴方向被准直，但慢轴方向还存在发散角，每个激光线阵101-1…101-A发出的相邻两个激光束L0经过快轴准直透镜201后，在慢轴方向(Z向)叠合，以使得每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0组合形成一个片状的第一激光面L1，第一激光面L1投射到物体表面形成线状光斑。由于激光源100包括在X向排布的A个激光线阵101-1…101-A，第一光学装置200会射出A个在X向间隔排布的第一激光面L1。
为提高准直效果，每一个快轴准直透镜201可以紧贴于其所对应的激光线阵101-1…101-A的发光面上。
合束装置300设置于第一光学装置200的出光侧，用于将第一光学装置200射出的A个第一激光面L1叠加形成一个片状的叠加激光面LC。
具体地，A个激光线阵101-1…101-A分别发出A个波长分别为λ1，λ2，…,λA的激光面L1。合束装置300可以包括A个光学元件300-1…300-A，A个光学元件300-1…300-A设置于第一光学装置200的出光侧，且与A个第一激光面L1一一对应(与A个激光线阵101-1…101-A一一对应)。通过A个光学元件300-1…300-A将A个第一激光面L1叠加形成一个片状的叠加激光面LC。
下面对应A个激光线阵101-1…101-A发出的激光的波长在X向递减或递增两种情况，分别介绍合束装置300进行合束的过程。
当A个激光线阵101-1…101-A发出的激光的波长在X向递减时：
每个光学元件300-1…300-A均用于反射其所对应的第一激光面L1，并且在存在具有更大波长的其它第一激光面L1时，透射其它第一激光面L1。
具体地，λ1，λ2，…,λA依次递减时，光学元件300-1反射波长为λ1的第一激光面L1；光学元件300-2反射波长为λ2的第一激光面L1，并透射波长为λ1的第一激光面L1；依次类推，光学元件300-A反射波长为λA的第一激光面L1，并透射波长为λ1，λ2，…,λA-1的第一激光面L1。最终，波长为λ1，λ2，…,λA的第一激光面L1合束形成叠加激光面LC。
当A个激光线阵101-1…101-A发出的激光的波长在X向递增时：
每个光学元件300-1…300-A均用于反射其所对应的第一激光面L1，并且在存在具有更小波长的其它第一激光面L1时，透射其它第一激光面L1。
具体地，λ1，λ2，…,λA依次递增时，光学元件300-1反射波长为λ1的第一激光面L1；光学元件300-2反射波长为λ2的第一激光面L1，并透射波长为λ1的第一激光面L1；依次类推，光学元件300-A反射波长为λA的第一激光面L1，并透射波长为λ1，λ2，…,λA-1的第一激光面L1。最终，波长为λ1，λ2，…,λA的第一激光面L1合束形成叠加激光面LC。
在合束装置300出光的反方向(X向的反向)，位于末端的光学元件300-1可以为反射镜，其余光学元件300-2…300-A为光栅，光栅具有在预定波段反射和透射的光谱特性。因为光学元件300-1不需要透射激光，所以可以为反射镜，而选用反射镜可以提高反射率。
进一步地，光学元件300-2…300-A的光束透过率和反射率均大于等于90％。
每个光学元件300-1…300-A与其所对应的第一激光面L1的夹角均为45度±10度。优选地，每个光学元件300-1…300-A与其所对应的第一激光面L1的夹角均为45度。
本实施例中，设置了A个激光线阵101-1…101-A，每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0经第一光学装置200在快轴准直后组合形成片状的第一激光面L1，合束装置300将第一光学装置200射出的A个第一激光面L1叠加形成一个片状的叠加激光面LC，叠加激光面LC射到待加工表面形成非聚焦线光斑，叠加激光面LC的光强度随加工件远近距离的变化很小，可以对异形面进行加工，而且可以远距离加工。叠加激光面LC的强度(激光刀片的锋利程度)可通过激光线阵101-1…101-A所加电压调节，功率越大，叠加激光面LC的强度越强(激光刀片越锋利)。还可通过物面倾斜实现调制光强。
叠加激光面LC在快轴方向光束质量非常好，BPP(Beam Parameter Product，光束参数乘积)可小于0.5mm*rad。
A个激光线阵101-1…101-A发出的激光通过合束装置300叠加，可以输出高功率的激光，功率可达千瓦，以使得本申请的高功率半导体激光器1000可以用于激光加工、激光雕刻等。
利用第一光学装置200对每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0的快轴进行准直，而不需要对慢轴进行准直，光斑不需要整形。
A个激光线阵101-1…101-A在X向排布，每个激光线阵101-1…101-A发出的B个激光束L0在Z向排布，可以使得激光源100结构紧凑。
另外，A个激光线阵101-1…101-A发出的激光的中心波长不同，经合束装置300叠加后，叠加后的激光(叠加激光面LC)为混频光，不需要经过其它色散光学件，不然色散会影响激光质量。这减少了光学件数量，使得光路更简单。
图3是本申请实施例二提供的高功率半导体激光器的结构示意图。
相比于实施例一，实施例二增设了体布拉格光栅装置400。实施例二具体介绍改进部分，其余部分请参考实施例一。
如图3所示，本申请实施例二提供的高功率半导体激光器1000包括体布拉格光栅装置400,体布拉格光栅装置400包括A个体布拉格光栅400-1…400-A。A个体布拉格光栅400-1…400-A设置于第一光学装置200和合束装置300之间，且与A个激光线阵101-1…101-A发出的A个第一激光面L1一一对应，每个体布拉格光栅400-1…400-A均用于将其所对应的第一激光面L1的波长进行锁定，形成第二激光面L2。
合束装置300用于将A个体布拉格光栅400-1…400-A射出的A个第二激光面L2叠加，形成一个片状的叠加激光面LC。
每个激光线阵101-1…101-A不同，由于最后输出第二激光面L2是混频波，采用体布拉格光栅装置400进行波长锁定和光谱压缩，能增加波长合束的密集度和激光线阵101-1…101-A的数量，从而增加高功率半导体激光器1000总功率。
图4是本申请实施例三提供的高功率半导体激光器的结构示意图，图5是图4中高功率半导体激光器的俯视图。
相比于实施例一和实施例二，实施例三增设了第二光学装置500。实施例三具体介绍改进部分，其余部分请参考实施例一和实施例二。
如图4和图5所示，本申请实施例三提供的高功率半导体激光器1000包括第二光学装置500，第二光学装置500设置于第一光学装置200和合束装置300之间，用于改变第一光学装置200射出的每个第一激光面L1中每一个激光束L0在慢轴方向的发散角。
具体地，第二光学装置500包括B个慢轴透镜500-1…500-B，B个慢轴透镜500-1…500-B与B个发光点102-1…102-B一一对应，每个慢轴透镜500-1…500-B用于调节其所对应的发光点102-1…102-B发出的激光在慢轴的发散角。慢轴透镜500-1…500-B可以为会聚或发散透镜，根据具体需求来设置。慢轴透镜500-1…500-B为会聚透镜时，最终叠加激光面LC在透射到待加工表面上形成的线光斑的长度相对较短，在垂直于叠加激光面LC方向观看叠加激光面LC时，叠加激光面LC大体上呈矩形。慢轴透镜500-1…500-B为发散透镜时，最终叠加激光面LC在透射到待加工表面上形成的线光斑的长度相对较长，在垂直于叠加激光面LC方向观看叠加激光面LC时，叠加激光面LC大体上呈梯形。
图6是本申请实施例四提供的高功率半导体激光器的结构示意图。
相比于实施例一、实施例二和实施例三，实施例四增设了第三光学装置600。实施例三具体介绍改进部分，其余部分请参考实施例一、实施例二和实施例三。
如图6所示，本申请实施例四提供的高功率半导体激光器1000包括第三光学装置600，第三光学装置600设置于合束装置300的出光侧，用于将合束装置300射出的叠加激光面LC在快轴方向汇聚。
通过第三光学装置600，提高了叠加激光面LC的功率密度。
以上所述仅为本申请的实施方式，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器，其特征在于，包括：
激光源，所述激光源包括在第一方向排布的多个激光线阵，其中，每一个所述激光线阵上设置有在第二方向排布的多个发光点，每一个所述发光点用于发出一激光束，所述第二方向垂直于所述第一方向，另外，每一个所述激光束的快轴方向与所述第一方向一致，每一个所述激光束的慢轴方向与所述第二方向一致；
第一光学装置，设置于所述激光源的出光侧，用于将所述激光源发出的每一个所述激光束在快轴方向准直，以使得每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束组合形成一个片状的第一激光面；
合束装置，设置于所述第一光学装置的出光侧，用于将所述第一光学装置射出的多个所述第一激光面叠加形成一个片状的叠加激光面。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于，
每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束波长均相同，多个所述激光线阵发出的所述激光束的波长在所述第一方向递减或递增；
所述合束装置包括多个光学元件，多个所述光学元件设置于所述第一光学装置的出光侧，且与多个所述第一激光面一一对应；
每一个所述光学元件均用于反射其所对应的所述第一激光面，并且在存在具有更大波长的其它所述第一激光面时，透射其它所述第一激光面，或者，
每一个所述光学元件均用于反射其所对应的所述第一激光面，并且在存在具有更小波长的其它所述第一激光面时，透射其它所述第一激光面。
3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器，其特征在于，在所述合束装置出光的反方向，位于末端的所述光学元件为反射镜，其余所述光学元件为光栅，所述光栅具有在预定波段反射和透射的光谱特性。
4.根据权利要求3所述的高功率半导体激光器，其特征在于，所述光栅的光束透过率和反射率均大于等于90％。
5.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器，其特征在于，还包括：
多个体布拉格光栅，设置于所述第一光学装置和所述合束装置之间，且多个所述体布拉格光栅与多个所述第一激光面一一对应，每一个所述体布拉格光栅均用于将其所对应的所述第一激光面的波长进行锁定，形成第二激光面；
所述合束装置用于将多个所述体布拉格光栅射出的多个所述第二激光面叠加，形成一个片状的所述叠加激光面。
6.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器，其特征在于，每一个所述光学元件与其所对应的所述第一激光面的夹角均为45度±10度。
7.根据权利要求6所述的高功率半导体激光器，其特征在于，所述夹角均为45度。
8.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于，所述第一光学装置包括多个快轴准直透镜，多个所述快轴准直透镜设置于多个所述激光线阵的出光侧，且与多个所述激光线阵一一对应，每一个所述快轴准直透镜均用于将其所对应的所述激光线阵发出的多个所述激光束在快轴方向准直，以使得每一个所述激光线阵发出的多个所述激光束组合形成一个片状的第一激光面。
9.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于，还包括：
第二光学装置，设置于所述第一光学装置和所述合束装置之间，用于改变所述第一光学装置射出的每一个所述第一激光面中每一个所述激光束在慢轴方向的发散角。
10.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器，其特征在于，还包括：
第三光学装置，设置于所述合束装置的出光侧，用于将所述合束装置射出的所述叠加激光面在快轴方向汇聚。
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