CN114006269A - 一种高功率半导体激光器直接输出系统及其偏振合束结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高功率半导体激光器直接输出系统及其偏振合束结构，通过将一个偏振合束器和两个三菱镜通过空间立体摆放，使得其中一激光模块输出的激光入射至一个三菱镜的入光面，通过反射再入射至另一三菱镜的入光面，再次反射入射至偏振合束器的合束面，另一激光模块输出的激光直接入射至偏振合束器的合束面，合束面上镀设有透射S偏振光且反射P偏振光或透射P偏振光且反射S偏振光的膜层，通过两三菱镜两次反射后的激光为S或P偏振光，另一直接入射至激光偏振合束器的合束面的激光为P或S偏振光，两束激光的偏振方向由偏振合束器和两个三菱镜具体的空间立体摆放位置确定，通过偏振合束器合束后输出为包含两种偏振方向的偏振合束光。

Description

一种高功率半导体激光器直接输出系统及其偏振合束结构

技术领域

本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种高功率半导体激光器直接输出系统及其偏振合束结构。

背景技术

激光器是一种能发射激光的装置，其常见的半导体激光器由于具有效率高、寿命长等优势在工业加工、军事、医疗、安防等领域中得到广泛地应用。随着光纤激光器的蓬勃发展，大功率、高光束质量的半导体激光器的需求日益增长。

目前在激光器领域中将普遍是采用偏振合束器加半波片的形式来进行激光合束，合束光耦合进入光纤然后输出，该合束方式光能损失大，能承受的最大功率密度低，这样制约了半导体激光器往更高功率发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种高功率半导体激光器直接输出系统及其偏振合束结构，该偏振合束结构无半波片，通过将一个偏振合束器和两个三棱镜通过空间立体摆放实现偏振合束，系统输出包含S、P两种偏振方向的偏振合束光。

第一方面，发明提供一种偏振合束结构，所采用的的技术方案为：

一种偏振合束结构，包括：偏振合束器、第一三棱镜和第二三棱镜；

所述偏振合束器包括第一入光面、第二入光面、合束面和出光面，所述第一入光面与所述出光面相平行，所述第一入光面与所述出光面垂直于Y轴方向，所述第二入光面与所述第一入光面垂直设置，所述第二入光面垂直于X轴方向，所述合束面位于所述偏振合束器内部并与所述第一入光面和所述第二入光面呈四十五度角设置，所述合束面平行于Z轴并与X轴的夹角为四十五度；

所述第一三棱镜包括第三入光面，所述第三入光面与Y轴相平行并与X轴之间的夹角是四十五度；

所述第二三棱镜包括第四入光面，所述第四入光面1131a与X轴相平行并与Z轴之间的夹角是四十五度；

一光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光射向所述第三入光面，射向所述第三入光面的第一激光为P偏振光，所述第一激光经所述第三入光面转向九十度变为沿Z轴方向传播且偏振方向为X轴方向，经所述第三入光面转向九十度的所述第一激光射向所述第四入光面，沿Z轴方向传播且偏振方向为X轴方向的所述第一激光经所述第四入光面转向九十度变为沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴，沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴的所述第一激光通过所述第一入光面射向所述合束面，射向所述合束面的第一激光为S偏振光；

另一光路沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第二激光通过所述第二入光面射向所述合束面，射向所述合束面的所述第二激光为P偏振光；

所述合束面上镀设有透射S偏振光且反射P偏振光的膜层，沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴的所述第一激光和沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第二激光射向所述合束面的同一区域，经所述合束面合束后得到光路为X轴方向且包含S偏振和P偏振的合束激光，所述合束激光从所述偏振合束器的出光面处射出。

第二方面，本发明提供另一种偏振合束结构，所采用的的技术方案为：

一种偏振合束结构，包括：偏振合束器、第一三棱镜和第二三棱镜；

所述偏振合束器包括第一入光面、第二入光面、合束面和出光面，所述第一入光面与所述出光面相平行，所述第一入光面与所述出光面平行于Y轴方向，所述第二入光面与所述第一入光面垂直设置，所述第二入光面垂直于X轴方向，所述合束面位于所述偏振合束器内部并与所述第一入光面和所述第二入光面呈四十五度角设置，所述合束面平行于Y轴并与X轴的夹角为四十五度；

所述第一三棱镜包括第三入光面，所述第三入光面与Y轴相平行并与X轴之间的夹角是四十五度；

所述第二三棱镜包括第四入光面，所述第四入光面与X轴相平行并与Z轴之间的夹角是四十五度；

一光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光射向所述第三入光面，射向所述第三入光面的第一激光为S偏振光，所述第一激光经所述第三入光面转向九十度变为沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴方向，经所述第三入光面转向九十度的所述第一激光射向所述第四入光面，沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第一激光经所述第四入光面转向九十度变为沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴，沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴的所述第一激光通过所述第一入光面射向所述合束面，射向所述合束面的第一激光为P偏振光；

另一光路沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第二激光通过所述第二入光面射向所述合束面，射向所述合束面的所述第二激光为S偏振光；

所述合束面上镀设有透射P偏振光且反射S偏振光的膜层，沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴的所述第一激光和沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第二激光射向所述合束面的同一区域，经所述合束面合束后得到光路为Z轴方向且包含S偏振和P偏振的合束激光，所述合束激光从所述偏振合束器的出光面处射出。

第三方面，本发明提供一种高功率半导体激光器直接输出系统，包括至少一合束单元；每一所述合束单元包括：上述偏振合束结构、第一激光模块和第二激光模块；

所述第一激光模块出射所述第一激光；

所述第二激光模块出射第二激光；

所述第一激光与所述第二激光通过所述偏振合束结构合束后从系统的出光口处射出。

进一步地，所述第一激光模块与所述第二激光模块左右设置或上下设置。

进一步地，每一所述合束单元还包括第三激光模块和第四激光模块；

所述第三激光模块设于所述第一激光模块和所述第二激光模块之间，所述第三激光的出射的第三激光经分别经第三入光面和第四入光面转向后射向第一入光面，之后，所述第三激光通过第一入光面射向合束面；

所述第四激光模块设于所述第二激光模块的下方，所述第四激光模块的出射的第四激光射向第二入光面，之后，所述第四激光通过第二入光面射向合束面，所述第三激光与所述第四激光均射向合束面上的同一区域，所述合束面对射向其的所述第三激光和所述第四激光进行合束得到合束激光，所述合束激光从出光面射出。

进一步地，每一所述合束单元还包括第一转向元件和第二转向元件；

所述第一转向元件呈四十五度角倾斜设于所述第四激光的出光方向上；

所述第二转向元件与所述第一转向元件相平行且正对所述第二入光面；

所述第四激光经所述第一转向元件转向后射向所述第二转向元件，再经所述第二转向元件转向后射向所述第二入光面。

进一步地，本发明高功率半导体激光器直接输出系统包括第一合束单元和第二合束单元；

所述第一合束单元设于所述出光口上方，所述第一合束单元包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

所述第二合束单元设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构设于所述第一偏振合束结构与所述出光口之间，所述第二偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光射向所述出光口；

所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且共一平面。

进一步地，本发明高功率半导体激光器直接输出系统包括第一合束单元、第二合束单元、第三转向元件和第四转向元件；

所述第一合束单元包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

所述第二合束单元设于所述第一合束单元左侧，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构的出光面出射的激光为第二合束激光；

所述第三转向元件呈四十五度角设于所述第二合束激光的光路方向上，所述第三转向元件位于第一偏振合束器的出光面左下方，经所述第三转向元件转向后的所述第二合束激光射向所述第四转向元件；

所述第四转向元件与第二转向元件相平行，所述第四转向元件位于第一偏振合束器的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第四转向元件转向后的所述第二合束激光从所述出光口射出；

从所述出光口射出的所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且空间异面。

进一步地，本发明高功率半导体激光器直接输出系统包括：

第一合束单元，包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

第二合束单元，设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构设于所述第一偏振合束结构与所述出光口之间，所述第二偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光射向所述出光口，所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且共一平面；

第三合束单元，设于所述第二合束单元左方，所述第三合束单元包括第三偏振合束结构，从所述第三偏振合束结构的出光面出射的激光为第三合束激光；

第四合束单元，设于所述第三合束单元的上方，所述第四合束单元包括第四偏振合束结构，所述第四偏振合束结构的出光面出射的激光为第四合束激光，所述第三偏振合束结构与所述第四偏振合束结构呈阶梯设置，所述第四偏振合束结构所处台阶高于所述第三偏振合束结构的所处台阶，所述第四合束激光与所述第三合束激光平行且共一平面；

第五转向元件，呈四十五度角设于所述第三合束激光和所述第四合束激光的光路方向上，所述第五转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面左下方，经所述第五转向元件转向后的所述第三合束激光和所述第四合束激光射向第六转向元件；

第六转向元件，与所述第五转向元件相平行，所述第六转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第六转向元件转向后的所述第三合束激光和所述第四合束激光从所述出光口射出。

进一步地，本发明高功率半导体激光器直接输出系统包括：

第一合束单元，包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

第二合束单元，设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光与所述第一合束激光平行且共一平面；

第三合束单元，设于所述第二合束单元的左下方，所述第三合束单元包括第三偏振合束结构，所述第三偏振合束结构的出光面的出射激光为第三合束激光，所述第三偏振合束结构所处台阶高度位于所述第一偏振合束结构所处台阶高度与所述第二偏振合束结构所处台阶高度之间；

第七转向元件，呈四十五度角设于所述第三合束激光的光路方向上，所述第七转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面左下方，经所述第七转向元件转向后的所述第三合束激光射向第八转向元件；

第八转向元件，与所述第七转向元件相平行，所述第七转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第八转向元件转向后的所述第三合束激光从所述出光口射出；

第四合束单元，设于所述第二合束单元的右下方，所述第四合束单元包括第四偏振合束结构，所述第四偏振合束结构的出光面的出射激光为第四合束激光，所述第四偏振合束结构所处台阶高度位于所述第一偏振合束结构所处台阶高度与所述第二偏振合束结构所处台阶高度之间；

第九转向元件，呈四十五度角设于所述第四合束激光的光路方向上，所述第九转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方，经所述第九转向元件转向后的所述第四合束激光射向第十转向元件；

第十转向元件，与所述第九转向元件相平行，所述第十转向元件位于第二偏振合束器的出光面左下方且位于所述出光口的上方，经所述第十转向元件转向后的所述第四合束激光从所述出光口射出。

发明的有益效果在于：

（1）本发明采用了无半波片偏振合束的结构，通过将一个偏振合束器和两个三菱镜通过空间立体摆放，使得其中一激光模块输出的激光入射至一个三菱镜的入光面，通过反射再入射至另一三菱镜的入光面，再次反射入射至偏振合束器的合束面，另一激光模块输出的激光直接入射至偏振合束器的合束面，合束面上镀设有透射S偏振光且反射P偏振光或透射P偏振光且反射S偏振光的膜层，通过两三菱镜两次反射后的激光为S或P偏振光，另一直接入射至激光偏振合束器的合束面的激光为S或P偏振光，两束激光的偏振方向由偏振合束器和两个三菱镜具体的空间立体摆放位置确定，通过偏振合束器进行激光合束后输出为包含S、P两种偏振方向的偏振合束光。

（2）本发明提供的高功率半导体激光器直接输出系统，采用无光纤直接输出的方式，由于不同合束单元中偏振合束器存在高低差设置，使得各个合束单元的出射的合束激光不会干涉，按照出射激光点的垂直高度由低到高显现，异平面出射的合束激光也不会产生干涉，同高度的激光点会左右平齐显现，通过合束转向单元用于缩减若干合束单元出射的合束激光之间的间隔距离，使得系统直接输出若干合束激光组成的光斑，该光斑的光区均匀且集中，这样有效解决了高功率激光器高烧耦合光纤问题，使半导体激光器向更高输出功率发展。

附图说明

图1为本发明实施例一的系统光路结构示意图；

图2为本发明实施例一中从出光口射出的光斑形状示意图；

图3为本发明实施例一中偏振合束结构的第一种空间立体结构示意图；

图4为本发明实施例一中偏振合束结构的第二种空间立体结构示意图；

图5为本发明实施例二的系统光路结构示意图；

图6为本发明实施例二中从出光口射出的光斑形状示意图；

图7为本发明实施例三的系统光路结构示意图；

图8为本发明实施例三中从出光口射出的光斑形状示意图；

图9为本发明实施例三中两个偏振合束器的位置示意图；

图10为本发明实施例三的系统光路另一结构示意图；

图11为本发明实施例三的系统光路另一结构中从出光口射出的示意图；

图12为本发明实施例四的系统光路结构示意图；

图13为本发明实施例四的系统中从出光口射出的光斑形状示意图；

图14为本发明实施例四的系统光路另一结构示意图；

图15为本发明实施例四的系统光路另一结构中从出光口射出的光斑形状示意图；

图16为本发明实施例五的系统光路结构示意图；

图17为本发明实施例五的系统中从出光口射出的光斑形状示意图；

图18为本发明实施例五的系统光路另一结构示意图；

图19为本发明实施例五的系统光路另一结构中从出光口射出的光斑形状示意图；

图20为本发明实施例六的系统光路结构示意图；

图21为本发明实施例六的系统中从出光口射出的光斑形状示意图。

图中，

A、出光口；Ⅰ、第一转向元件；Ⅱ、第二转向元件；Ⅲ、第三转向元件；Ⅳ、第四转向元件；Ⅴ、第五转向元件；Ⅵ、第六转向元件；Ⅵ、第六转向元件；Ⅶ、第七转向元件；Ⅷ、第八转向元件；Ⅸ、第九转向元件；Ⅹ、第十转向元件；

100、合束单元；110、偏振合束结构；111a-b、偏振合束器；1111a-b、第一入光面；1112a-b、第二入光面；1113a-b、合束面；1114a-b、出光面；112a-b、第一三棱镜；1121a-b、第三入光面；113a-b、第二三棱镜；1131a-b、第四入光面；120、第一激光模块；121、130、第二激光模块；140、第一转向元件；150、第三激光模块；160、第四激光模块；170、第七转向元件；180、第八转向元件；

200、第一合束单元；210、第一偏振合束结构；220、第一合束激光；

300、第二合束单元；310、第二偏振合束结构；320、第二合束激光；

400、第三合束单元；410、第三偏振合束结构；420、第三合束激光；

500、第四合束单元；510、第四偏振合束结构；520、第四合束激光。

具体实施方式

为了使发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对发明一种高功率半导体激光器直接输出系统及偏振合束结构其进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定发明。

在发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

实施例一

请参见图1-2，一种高功率半导体激光器直接输出系统，包括一个合束单元100，该合束单元100包括偏振合束结构110、第一激光模块120和第二激光模块130。

第一激光模块120和第二激光模块130主要由COS阵列、准直透镜阵列和反射镜阵列组成，COS阵列包括至少一组COS元件和热沉，一COS元件用于出射一种单色激光，一COS元件相应安装于一热沉上，COS元件为COS封装的半导体激光器芯片，其能够产生单色激光，第一激光模块120和第二激光模块130内的COS元件数量优选相同，准直透镜阵列用于对激光快轴或慢轴方向进行准直，反射镜阵列用于将准直后的激光进行转向射向偏振合束结构110；通过偏振合束结构110将第一激光模块120和第二激光模块130的激光偏振合束后从系统的出光口A处射出。

需要提到的是，随着高功率半导体激光器直接输出系统功率的提升，合束单元100中第一激光模块120和第二激光模块130内的COS元件就需要设有多个，为了保证每个COS元件的出射激光不会相互干涉，第一激光模块120和第二激光模块130中的COS阵列呈阶梯结构设置，各级台阶高度依次呈等差数列设置，公差为ΔH，距离偏振合束结构110越近的台阶高度越低，距离偏振合束结构110越远的台阶高度越高。

第一激光模块120和第二激光模块130在合束单元100中的位置关系可以是左右设置或上下设置，在此不做限定，图1中采用的是上下设置。

偏振合束结构110的结构可以有以下两种：

请参阅图3，其为第一种偏振合束结构110，该偏振合束结构110包括偏振合束器111a、第一三棱镜和112a第二三棱镜113a，偏振合束器111a包括第一入光面1111a、第二入光面1112a、合束面1113a和出光面1114a，第一入光面1111a和出光面1114a相对平行设置，图3定义了一（X-Y-Z）坐标轴，第一入光面1111a和出光面1114a垂直于Y轴方向，第二入光面1112a与第一入光面1111a垂直设置，第二入光面1112a垂直于X轴方向，合束面1113a位于偏振合束器111a内部，并与第一入光面1111a和第二入光面1112a呈四十五度角设置，合束面1113a平行于Z轴，并与X轴的夹角为四十五度；第一三棱镜112a设有一第三入光面1121a，第三入光面1121a与Y轴平行，并与X轴之间的夹角是四十五度；第二三棱镜113a设有一第四入光面1131a，第四入光面1131a与X轴平行，并与Z轴之间的夹角是四十五度。

根据光的反射理论，当一束偏振光发生反射时，对于入射光线与反射光线所形成的平面，入射光线与反射光线的的偏振方向相对于该平面的空间位置关系是不变的，偏振合束器110的第一入光面1111a接收第一激光模块120发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光121，该第一激光121为P偏振的激光，第一三棱镜112a的第三入光面1121a接收第一激光模块120发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光121，并将第一激光121反射九十度射向第四入光面1131a,从而让第一激光121变为沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴，第四入光面1131a将第一激光121再次反射九十度射向第一入光面1111a，从而让第一激光121沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴；可见，通过第三入光面1121a和第四入光面1131a的两次反射，将P偏振的第一激光121转变为S偏振；转变偏振方向后的第一激光121通过第一入光面1111a射向合束面1113a。

偏振合束器110的第二入光面1112a接收第二激光模块130发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第二激光131，该第二激光131为P偏振激光，该第二激光131通过第二入光面1112a射向合束面1113a，转变偏振方向后的第一激光121与第二激光131均射向合束面1113a上的同一区域。

合束面1113可透射S偏振光并反射P偏振光，则合束面1113让经第一三棱镜112a和第二三棱镜113a转向的第一激光121直接透过合束面1113a并从出光面1114a射出，此时第一激光121沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴；合束面1113将第二激光131转向九十度，使得第二激光131沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴，通过该合束面1113实现了第一激光121和第二激光131的合束，合束激光从出光面1114a射出，整体光斑呈类矩形状（请参见图2），该合束激光具有S、P两种偏振方向。

上述通过偏振合束器111a、第一三棱镜112ab和第二三棱镜113a的空间位置设置，将沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第一激光121转变为沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴方向的激光，从而实现与第二激光131的偏振合束，该合束方式实现了无半波片偏振合束，该合束方式能量损耗小，三棱镜能承受的功率密度比半波片高，输出激光的最大功率显著提升。

请参阅图4，其为第二种结构的偏振合束结构110，该偏振合束结构110包括偏振合束器111b、第一三棱镜和112b第二三棱镜113b，偏振合束器111b包括第一入光面1111b、第二入光面1112b、合束面1113b和出光面1114b，第一入光面1111b和出光面1114相对平行设置，图4定义了一（X-Y-Z）坐标轴，第一入光面1111b和出光面1114b平行于Y轴方向，第二入光面1112b与第一入光面1111b垂直设置，第二入光面1112b垂直于X轴方向，合束面1113b位于偏振合束器111b内部，并与第一入光面1111a和第二入光面1112a呈四十五度角设置，合束面1113a平行于Y轴，并与X轴的夹角为四十五度；第一三棱镜112b设有一第三入光面1121b，第三入光面1121b与Z轴平行，并与X轴之间的夹角是四十五度；第二三棱镜113b设有一第四入光面1131b，第四入光面1131a与X轴平行，并与Z轴之间的夹角是四十五度。

偏振合束器110的第一入光面1111a接收第一激光模块120发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光121，该第一激光121为S偏振的激光，第一三棱镜112b的第三入光面1121b接收第一激光模块120发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光121，并将第一激光121转向九十度射向第四入光面1131b，从而让第一激光121变为沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴，第四入光面1131b将第一激光121再次转向九十度射向第一入光面1111b，从而让第一激光121沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴；可见，通过第三入光面1121b和第四入光面1131b的两次反射，将S偏振的第一激光121转变为P偏振，转变偏振方向后的第一激光121通过第一入光面1111b射向合束面1113b。

偏振合束器110的第二入光面1112b接收第二激光模块130发出的光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第二激光131，该第二激光131为S偏振激光，该第二激光131通过第二入光面1112b射向合束面1113b，转变偏振方向后的第一激光121与第二激光131均射向合束面1113a上的同一区域。

合束面1113可透射P偏振光并反射S偏振光，则合束面1113让经第一三棱镜112b和第二三棱镜113b转向的第一激光121直接透过合束面1113b并从出光面1114b射出，此时第一激光121沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴；合束面1113b将第二激光131转向九十度，使得第二激光131沿Z轴方向传播且偏振方向为X轴，通过该合束面1113实现了第一激光121和第二激光131的合束，合束激光从出光面1114a射出，整体光斑呈类矩形状（请参见图2），该合束激光具有S、P两种偏振方向。

上述通过偏振合束器111b、第一三棱镜112b和第二三棱镜113b的空间位置设置，将沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第一激光121转变为沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴方向的激光，从而实现与第二激光131的偏振合束，该合束方式实现了无半波片偏振合束，该合束方式能量损耗小，三棱镜能承受的功率密度比半波片高，输出激光的最大功率显著提升。

实施例二

请参见图5-6，在实施例一的基础上，合束单元100还包括第三激光模块140和第四激光模块150，第三激光模块140和第四激光模块150的COS元件数量相同，且少于第一激光模块120和第二激光模块130中的COS元件数量，第三激光模块140的出射激光为第三激光141，第四激光模块150的出射激光为第四激光151，第三激光141与第四激光的初始传播方向和偏振方向与第一激光121和第二激光131相同。

具体地，第三激光模140设于第一激光模块120和第二激光模块130之间，第三激光141射向偏振合束结构110，第三激光141分别经第一三棱镜112a-b和第二三棱镜113a-b空间转向后射向偏振合束器111a-b的第一入光面1111a-b，然后通过第一入光面1111a-b射向合束面1113a-b；第四激光模块150设于第二激光模块130的下方，第四激光151射向偏振合束器111a-b的第二入光面1112a-b，然后通过第二入光面1112a-b射向合束面1113a-b，第三激光141和第四激光151均射向合束面1113a-b上的同一区域，经过合束面1113a-b合束后，第三激光141和第四激光151的合束激光从出光面1114a-b处射出，第一激光模块120和第二激光模块130的合束激光与第三激光模140和第四激光模块150的合束激光从出光口A射出时左右相邻，光斑形状呈“L”状（请参见图6）。

每一合束单元100的激光模块数量不局限设置两个，可以设置2N个，其中N为正整数，根据激光器的输出功率进行选择即可。

请参见图5，需要提到是，第四激光模块150是位于合束单元100中最下方的激光模块，在转配过程中可能会出现第四激光模块150的出射激光位于偏振合束器111a-b的出光面1114a-b下方，因此可以在合束单元100中再装配第一转向元件Ⅰ和第二转向元件Ⅱ，第一转向元件Ⅰ呈四十五度角倾斜设于第四激光模块150的出光方向上；第二转向元件Ⅱ与第一转向元件Ⅰ相平行且正对偏振合束器111a-b的第二入光面1112a-b，第四激光模块150的出射激光经第一转向元件Ⅰ转向后射向第二转向元件Ⅱ，再经第二转向元件Ⅱ转向后射向偏振合束器111的第二入光面1112a-b。

实施例三

请参见图7-图9，建立实施例一的基础上，该高功率半导体激光器直接输出系统内设有两个合束单元，分别为第一合束单元200和第二合束单元300。

具体地，第一合束单元200设于出光口A的上方，第一合束单元200包括第一偏振合束结构210，第一偏振合束结构210的出光面位于出光口A的上方，从第一偏振合束结构210的出光面出射的第一合束激光220射向出光口A。

第二合束单元300设于第一合束单元200下方，第二合束单元300包括第二偏振合束结构310，第二偏振合束结构310设于第一偏振合束结构210与出光口A之间，第二偏振合束结构310的出光面位于出光口A的上方，从第二偏振合束结构310的出光面出射的第二合束激光320射向出光口A，第一偏振合束结构210与第二偏振合束结构310呈阶梯设置（请参见图9），第一偏振合束结构210设于高台阶上，第二偏振合束结构310设于矮台阶上，第一合束激光220与第二合束激光320平行且共一平面，第一合束激光220与第二合束激光320从出光口A射出时，由于高度差关系，第一合束激光220在第二合束激光320上方，两合束激光整体光斑呈类矩形状（请参见图8）。

请参见图10-图11，需要提到的是，若第一合束单元200和第二合束单元300中按实施例二的方案均装配四个激光模块，则输出光斑呈向左旋转九十度的“凸”形状（请参见图11）。

实施例四

请参见图12-图13，建立在实施例一的基础上，该高功率半导体激光器直接输出系统内设有第一合束单元200、第二合束单元300、第三转向元件Ⅲ和第四转向元件Ⅳ。

具体地，第一合束单元200包括第一偏振合束结构210，第一偏振合束结构210的出光面位于出光口A的上方，从第一偏振合束结构210的出光面出射的第一合束激光220射向出光口A；第二合束单元300设于第一合束单元200左侧，第二合束单元300包括第二偏振合束结构310，第二偏振合束结构310的出光面出射的激光为第二合束激光320；第三转向元件Ⅲ呈四十五度角设于第一合束激光220的光路方向上，第四转向元件Ⅳ位于第二合束激光320的光路方向上，经第四转向元件Ⅳ转向后的第二合束激光320射向第三转向元件Ⅲ；第三转向元件Ⅲ与第四转向元件Ⅳ相平行，第三转向元件Ⅲ位于第一偏振合束结构210的出光面右下方且位于出光口A的上方，经第三转向元件Ⅲ转向后的第二合束激光320从出光口A射出，从出光口A射出的第一合束激光220与第二合束激光320平行且空间异面，因此两合束激光出射时左右相邻关系，整体光斑呈类矩形状（请参见图13）。

请参见图14-图15，需要提到的是，若合束单元中按实施例二的方案均装配四个激光模块，则输出光斑呈“凸”形状（请参见图15）。

实施例五

请参见图16-图17，建立在实施例一的基础上，该高功率半导体激光器直接输出系统内设有第五转向元件Ⅴ、第六转向元件Ⅵ以及呈“田”字型排布的四个合束单元，四个合束单元分别为第一合束单元200、第二合束单元300、第三合束单元400、第四合束单元500；具体地，第一合束单元200包括第一偏振合束结构210，第一偏振合束结构210的出光面位于出光口A的上方，从第一偏振合束结构210的出光面出射的第一合束激光220射向出光口A；第二合束单元300设于第一合束单元200下方，第二合束单元300包括第二偏振合束结构310，第二偏振合束结构310设于第一偏振合束结构210与出光口A之间，第二偏振合束结构310的出光面位于出光口A的上方，从第二偏振合束结构310的出光面出射的第二合束激光320射向出光口A，第一偏振合束结构310与和第二偏振合束结构210呈阶梯设置，第一偏振合束结构310设于高台阶上，第二偏振合束结构210设于低台阶上，第一合束激光220与第二合束激光320平行且共一平面；第三合束单元400设于第二合束单元300左方，第三合束单元400包括第三偏振合束结构410，从第三偏振合束结构410的出光面出射的激光为第三合束激光420；第四合束单元500设于第三合束单元400的上方，第四合束单元500包括第四偏振合束结构510，第四偏振合束结构510的出光面出射的激光为第四合束激光520，第三偏振合束结构410与第四偏振合束结构510呈阶梯设置，第四偏振合束结构510设于高台阶上，第三偏振合束结构410设于低台阶上，第四合束激光520与第三合束激光420平行且共一平面；第五转向元件Ⅴ呈四十五度角设于第三合束激光420和第四合束激光520的光路方向上，第五转向元件Ⅴ位于第二偏振合束结构310的出光面左下方，经第五转向元件Ⅴ转向后的第三合束激光420和第四合束激光520射向第六转向元件Ⅵ；第六转向元件Ⅵ与第五转向元件Ⅴ相平行，第六转向元件Ⅵ位于第二偏振合束结构310的出光面右下方且位于出光口A的上方，经第六转向元件Ⅵ转向后的第三合束激光420和第四合束激光520从出光口A射出；从出光口A射出的四束合束激光中，第一合束激光220和第二合束激光320在同一平面，第三合束激光420和第四合束激光520在同一平面，整体光斑呈类矩形状（请参见图17）。

请参见图18-图19，需要提到的是，若合束单元中按实施例二的方案均装配四个激光模块，则输出光斑呈十字形状（请参见图19）。

实施例六

请参见图20-图21，建立在实施例一的基础上，高功率半导体激光器直接输出系统包括第一合束单元200、第二合束单元300、第三合束单元400、第四合束单元500、第七转向元件Ⅶ、第八转向元件Ⅷ、第九转向元件Ⅸ、第十转向元件Ⅹ。

具体地，第一合束单元200包括第一偏振合束结构210，第一偏振合束结构210的出光面位于出光口A的上方，从第一偏振合束结构210的出光面内输出的第一合束激光220射向出光口A；第二合束单元300设于第一合束单元200下方，第二合束单元300包括第二偏振合束结构310，第一偏振合束结构210与第二偏振合束结构310呈阶梯设置，第一偏振合束结构210设于高台阶上，第二偏振合束结构310设于低台阶上，从第二偏振合束结构310的出光面内输出的第二合束激光320与第一合束激光220平行且共一平面；第三合束单元400设于第二合束单元300的左下方，第三合束单元400包括第三偏振合束结构410，第三偏振合束结构410的出光面内输出的激光为第三合束激光420，第三偏振合束结构410设置在一台阶上，第三偏振合束结构410所处台阶的高度位于第一偏振合束结构210所处台阶高度与第二偏振合束结构310所处台阶高度之间；第七转向元件Ⅶ 呈四十五度角设于第三合束激光420的光路方向上，第七转向元件Ⅶ 位于第二偏振合束结构310的出光面左下方，经第七转向元件Ⅶ 转向后的第三合束激光420射向第八转向元件Ⅷ；第八转向元件Ⅷ与第七转向元件Ⅶ相平行，第八转向元件Ⅷ位于第二偏振合束结构310的出光面右下方且位于出光口A的上方，经第八转向元件Ⅷ转向后的第三合束激光420从出光口A射出；第四合束单元500设于第二合束单元300的右下方，第四合束单元500包括第四偏振合束结构510，第四偏振合束结构510的出光面内输出的激光为第四合束激光520，第四偏振合束结构510设置在一台阶上，第四偏振合束结构510所处台阶的高度位于第一偏振合束结构210所处台阶高度与第二偏振合束结构310所处台阶高度之间；第九转向元件Ⅸ呈四十五度角设于第四合束激光520的光路方向上，第九转向元件Ⅸ位于第二偏振合束结构310的出光面右下方，经第九转向元件Ⅸ转向后的第四合束激光520射向第十转向元件Ⅹ；第十转向元件Ⅹ与第九转向元件Ⅸ相平行，第十转向元件Ⅹ位于第二偏振合束结构310的出光面左下方且位于出光口A的上方，经第十转向元件Ⅹ转向后的第四合束激光520从出光口A射出；从出光口A射出的四束合束激光中，第一合束激光220和第二合束激光320位于同一平面，第三合束激光420位于第一合束激光220右侧，第四合束激光520位于第一合束激光220左侧，整体光斑呈类十字形（请参见图21）。

以上所述，仅是发明的较佳实施例而已，并非对发明作任何形式上的限制，虽然发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离发明技术方案内容，依据发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种偏振合束结构，其特征在于，包括：偏振合束器、第一三棱镜和第二三棱镜；

所述偏振合束器包括第一入光面、第二入光面、合束面和出光面，所述第一入光面与所述出光面相平行，所述第一入光面与所述出光面垂直于Y轴方向，所述第二入光面与所述第一入光面垂直设置，所述第二入光面垂直于X轴方向，所述合束面位于所述偏振合束器内部并与所述第一入光面和所述第二入光面呈四十五度角设置，所述合束面平行于Z轴并与X轴的夹角为四十五度；

所述第一三棱镜包括第三入光面，所述第三入光面与Y轴相平行并与X轴之间的夹角是四十五度；

所述第二三棱镜包括第四入光面，所述第四入光面与X轴相平行并与Z轴之间的夹角是四十五度；

一光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光射向所述第三入光面，射向所述第三入光面的第一激光为P偏振光，所述第一激光经所述第三入光面转向九十度变为沿Z轴方向传播且偏振方向为X轴方向，经所述第三入光面转向九十度的所述第一激光射向所述第四入光面，沿Z轴方向传播且偏振方向为X轴方向的所述第一激光经所述第四入光面转向九十度变为沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴，沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴的所述第一激光通过所述第一入光面射向所述合束面，射向所述合束面的第一激光为S偏振光；

另一光路沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第二激光通过所述第二入光面射向所述合束面，射向所述合束面的所述第二激光为P偏振光；

所述合束面上镀设有透射S偏振光且反射P偏振光的膜层，沿Y轴方向传播且偏振方向为X轴的所述第一激光和沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第二激光射向所述合束面的同一区域，经所述合束面合束后得到光路为X轴方向且包含S偏振和P偏振的合束激光，所述合束激光从所述偏振合束器的出光面处射出。

2.一种偏振合束结构，其特征在于，包括：偏振合束器、第一三棱镜和第二三棱镜；

所述偏振合束器包括第一入光面、第二入光面、合束面和出光面，所述第一入光面与所述出光面相平行，所述第一入光面与所述出光面平行于Y轴方向，所述第二入光面与所述第一入光面垂直设置，所述第二入光面垂直于X轴方向，所述合束面位于所述偏振合束器内部并与所述第一入光面和所述第二入光面呈四十五度角设置，所述合束面平行于Y轴并与X轴的夹角为四十五度；

所述第一三棱镜包括第三入光面，所述第三入光面与Y轴相平行并与X轴之间的夹角是四十五度；

所述第二三棱镜包括第四入光面，所述第四入光面1131a与X轴相平行并与Z轴之间的夹角是四十五度；

一光路为X轴方向且偏振方向为Z轴方向的第一激光射向所述第三入光面，射向所述第三入光面的第一激光为S偏振光，所述第一激光经所述第三入光面转向九十度变为沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴方向，经所述第三入光面转向九十度的所述第一激光射向所述第四入光面，沿Y轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第一激光经所述第四入光面转向九十度变为沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴，沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴的所述第一激光通过所述第一入光面射向所述合束面，射向所述合束面的第一激光为P偏振光；

另一光路沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的第二激光通过所述第二入光面射向所述合束面，射向所述合束面的所述第二激光为S偏振光；

所述合束面上镀设有透射P偏振光且反射S偏振光的膜层，沿Z轴方向传播且偏振方向为Y轴的所述第一激光和沿X轴方向传播且偏振方向为Z轴方向的所述第二激光射向所述合束面的同一区域，经所述合束面合束后得到光路为Z轴方向且包含S偏振和P偏振的合束激光，所述合束激光从所述偏振合束器的出光面处射出。

3.一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，包括至少一合束单元；每一所述合束单元包括：权利要求1-2任一所述的偏振合束结构、第一激光模块和第二激光模块；

所述第一激光模块出射所述第一激光；

所述第二激光模块出射第二激光；

所述第一激光与所述第二激光通过所述偏振合束结构合束后从系统的出光口处射出。

4.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，所述第一激光模块与所述第二激光模块左右设置或上下设置。

5.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，每一所述合束单元还包括第三激光模块和第四激光模块；

所述第三激光模块设于所述第一激光模块和所述第二激光模块之间，所述第三激光的出射的第三激光经分别经第三入光面和第四入光面转向后射向第一入光面，之后，所述第三激光通过第一入光面射向合束面；

所述第四激光模块设于所述第二激光模块的下方，所述第四激光模块的出射的第四激光射向第二入光面，之后，所述第四激光通过第二入光面射向合束面，所述第三激光与所述第四激光均射向合束面上的同一区域，所述合束面对射向其的所述第三激光和所述第四激光进行合束得到合束激光，所述合束激光从出光面射出。

6.根据权利要求5所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，每一所述合束单元还包括第一转向元件和第二转向元件；

所述第一转向元件呈四十五度角倾斜设于所述第四激光的出光方向上；

所述第二转向元件与所述第一转向元件相平行且正对所述第二入光面；

所述第四激光经所述第一转向元件转向后射向所述第二转向元件，再经所述第二转向元件转向后射向所述第二入光面。

7.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，包括第一合束单元和第二合束单元；

所述第一合束单元设于所述出光口上方，所述第一合束单元包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

所述第二合束单元设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构设于所述第一偏振合束结构与所述出光口之间，所述第二偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光射向所述出光口；

所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且共一平面。

8.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，包括第一合束单元、第二合束单元、第三转向元件和第四转向元件；

所述第一合束单元包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

所述第二合束单元设于所述第一合束单元左侧，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构的出光面出射的激光为第二合束激光；

所述第三转向元件呈四十五度角设于所述第二合束激光的光路方向上，所述第三转向元件位于第一偏振合束器的出光面左下方，经所述第三转向元件转向后的所述第二合束激光射向所述第四转向元件；

所述第四转向元件与第二转向元件相平行，所述第四转向元件位于第一偏振合束器的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第四转向元件转向后的所述第二合束激光从所述出光口射出；

从所述出光口射出的所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且空间异面。

9.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，包括：

第一合束单元，包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

第二合束单元，设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第二偏振合束结构设于所述第一偏振合束结构与所述出光口之间，所述第二偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光射向所述出光口，所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，所述第一合束激光与所述第二合束激光平行且共一平面；

第三合束单元，设于所述第二合束单元左方，所述第三合束单元包括第三偏振合束结构，从所述第三偏振合束结构的出光面出射的激光为第三合束激光；

第四合束单元，设于所述第三合束单元的上方，所述第四合束单元包括第四偏振合束结构，所述第四偏振合束结构的出光面出射的激光为第四合束激光，所述第三偏振合束结构与所述第四偏振合束结构呈阶梯设置，所述第四偏振合束结构所处台阶高于所述第三偏振合束结构的所处台阶，所述第四合束激光与所述第三合束激光平行且共一平面；

第五转向元件，呈四十五度角设于所述第三合束激光和所述第四合束激光的光路方向上，所述第五转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面左下方，经所述第五转向元件转向后的所述第三合束激光和所述第四合束激光射向第六转向元件；

第六转向元件，与所述第五转向元件相平行，所述第六转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第六转向元件转向后的所述第三合束激光和所述第四合束激光从所述出光口射出。

10.根据权利要求3所述的一种高功率半导体激光器直接输出系统，其特征在于，包括：

第一合束单元，包括第一偏振合束结构，所述第一偏振合束结构的出光面位于所述出光口的上方，从所述第一偏振合束结构的出光面出射的第一合束激光射向所述出光口；

第二合束单元，设于所述第一合束单元下方，所述第二合束单元包括第二偏振合束结构，所述第一偏振合束结构与所述第二偏振合束结构呈阶梯设置，所述第一偏振合束结构所处台阶高于所述第二偏振合束结构的所处台阶，从所述第二偏振合束结构的出光面出射的第二合束激光与所述第一合束激光平行且共一平面；

第三合束单元，设于所述第二合束单元的左下方，所述第三合束单元包括第三偏振合束结构，所述第三偏振合束结构的出光面的出射激光为第三合束激光，所述第三偏振合束结构所处台阶高度位于所述第一偏振合束结构所处台阶高度与所述第二偏振合束结构所处台阶高度之间；

第七转向元件，呈四十五度角设于所述第三合束激光的光路方向上，所述第七转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面左下方，经所述第七转向元件转向后的所述第三合束激光射向第八转向元件；

第八转向元件，与所述第七转向元件相平行，所述第七转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方且位于所述出光口的上方，经所述第八转向元件转向后的所述第三合束激光从所述出光口射出；

第四合束单元，设于所述第二合束单元的右下方，所述第四合束单元包括第四偏振合束结构，所述第四偏振合束结构的出光面的出射激光为第四合束激光，所述第四偏振合束结构所处台阶高度位于所述第一偏振合束结构所处台阶高度与所述第二偏振合束结构所处台阶高度之间；

第九转向元件，呈四十五度角设于所述第四合束激光的光路方向上，所述第九转向元件位于所述第二偏振合束结构的出光面右下方，经所述第九转向元件转向后的所述第四合束激光射向第十转向元件；

第十转向元件，与所述第九转向元件相平行，所述第十转向元件位于第二偏振合束器的出光面左下方且位于所述出光口的上方，经所述第十转向元件转向后的所述第四合束激光从所述出光口射出。

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