CN116316078A - 一种半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体激光器，包括合束单元、聚焦镜和光纤；合束单元包括第一、第二激光芯片、慢轴准直镜和空间合束组件，第一、第二激光芯片相对设置，以第一方向射出不同波长的光束；空间合束组件用于将沿第一方向射入的光束转换成以第二方向射出，进行波长合束，空间合束组件具有相交的第一、第二平面，第一、第二平面的正面和反面具有适应不同波长的高透膜和/或高反膜；慢轴准直镜用于将经过空间合束组件的光束准直；聚焦镜用于将经过慢轴准直镜射出的光束耦合进入光纤。本发明的空间合束组件采用两个相交的镀膜平面，对不同波长的光束进行选择性的透过或反射，减少反射镜的数量，半导体激光器的结构更加紧凑。

Description

一种半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器。

背景技术

光纤激光器具备体积小、增益介质长、高效节能、可靠性高，寿命长、多波段、结构紧凑等诸多优点。近年来，光纤激光器在超高的光电转换效率、优越的光束质量、高功率高亮度方面得到快速发展，大大提升了激光加工效率。作为光纤激光器最核心的器件，泵浦源设计上朝着更高功率、更高亮度方面不断探索和突破，泵浦源通常采用半导体激光器。

半导体激光芯片的快、慢轴方向光束特性不同，光束质量差别大，半导体激光器的输出功率限制了光纤激光器输出功率水平。现有技术利用光学元件对输入光束进行反射及折射等光学变换将各个半导体激光芯片输出的光束完成合束，提高输出功率密度。其中波长合束技术是实现高功率、高光束质量、高亮度激光的有效途径之一，在保持光束质量不变的情况下，将多波长泵浦光通过空间耦合到一起，实现多波长光束叠加，达到能量提高的目的。图1示出了现有技术中的使用波长合束技术的半导体激光器，图1中，01为半导体激光芯片，02为第一反射镜，03为慢轴准直镜，04为第二反射镜。该半导体激光器将多个半导体激光器芯片01排成两排，将两排半导体激光芯片01对向设置，同一排的半导体激光芯片01发出的光束经过慢轴准直镜03、第一反射镜02或者第二反射镜04，经过第一、第二反射镜改变光束方向后，与同一排其他半导体激光芯片01形成一维光束或二维光束阵列，形成空间合束。

在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：图1所示的半导体激光器中，对向排布的两排半导体激光器芯片需要两组慢轴准直镜、两组反射镜，透镜数量较多，占据半导体激光器较大的空间。现有的半导体激光器在体积和轻量化方面存在改进空间。

发明内容

本发明旨至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种半导体激光器，能够减小体积和重量。

为达到上述目的，本发明提出的一种半导体激光器，包括：合束单元、聚焦镜和光纤；

所述合束单元包括第一激光芯片、第二激光芯片、慢轴准直镜和空间合束组件，所述第一激光芯片和第二激光芯片相对设置，以第一方向射出不同波长的光束；

所述空间合束组件用于将沿所述第一方向射入的光束转换成以第二方向射出，进行波长合束，所述空间合束组件具有相交的第一平面和第二平面，在两个平面的交线的一侧沿所述第一方向的正方向看去，所述第一平面的正面具有波长一高透膜，反面具有波长二高反膜或者波长一高透及波长二高反膜，所述第二平面的正面具有波长一高反膜或者波长二高透及波长一高反膜，反面具有波长二高透膜，所述交线的另一侧沿所述第一方向的正方向看去，所述第二平面的正面具有波长一高反膜，所述第一平面的反面具有波长二高反膜；

所述慢轴准直镜用于将经过所述空间合束组件的光束准直；

所述聚焦镜用于将经过所述慢轴准直镜射出的光束耦合进入所述光纤。

根据本发明的半导体激光器，通过合束单元的两个激光芯片共用一个空间合束组件和慢轴准直镜，与现有技术中每一个激光芯片配置一个反射镜及一个慢轴准直镜的方案相比，减小了反射镜和慢轴准直镜的数量及占用空间，因此能够减小半导体激光器在激光芯片出光方向上的尺寸。本发明的空间合束组件采用两个相交的镀膜平面，对不同波长的光束进行选择性的透过或反射，与现有技术中每一个激光芯片配置一个反射镜的方案相比，减少了反射镜的数量及占用空间，本发明半导体激光器的结构更加紧凑，可减少装调工序，满足高功率高亮度的激光输出同时实现轻量化。

根据本发明的一个实施例，所述第一激光芯片和第二激光芯片的出光面的前方设置有快轴准直镜。

根据本发明的一个实施例，所述空间合束组件包括四个直角三棱镜，分别为第一至第四棱镜，所述第一至第四棱镜组成一个长方体，所述长方体的四个侧面分别为四个所述直角三棱镜的斜面，所述第一平面和所述第二平面与所述长方体的对角面重合。

根据本发明的一个实施例，所述第一棱镜的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透膜和波长一高反膜，所述第二棱镜的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透及波长二高反膜和波长二高透及波长一高反膜，所述第三棱镜的两个直角面的外表面分别镀有波长二高透膜和波长二高反膜。

根据本发明的一个实施例，所述慢轴准直镜具有一个柱面和一个平面，所述平面与所述第二棱镜的斜面连接，所述慢轴准直镜与所述第一激光芯片之间的光程与所述慢轴准直镜与所述第二激光芯片之间的光程相等。

根据本发明的一个实施例，所述空间合束组件包括四个平面镜，分别为第一至第四平面镜，所述第一至第四平面镜各有一个侧边相交，所述第一平面镜和所述第三平面镜的表面与所述第一平面共面，所述第二平面镜和所述第四平面镜的表面与所述第二平面共面。

根据本发明的一个实施例，所述第一平面镜的两个内表面分别镀有波长一高透膜和波长二高反膜，所述第二平面镜的一个内表面镀有波长一高反膜，所述第三平面镜的一个内表面镀有波长二高反膜，所述第四平面镜的两个内表面分别镀有波长一高反膜和波长二高透膜。

根据本发明的一个实施例，所述空间合束组件还包括底板和支柱，所述支柱安装在所述底板的上方，所述第一至第四平面镜竖直地安装在所述底板上，所述第二平面镜和所述第三平面镜的相交处与所述支柱固定。

根据本发明的一个实施例，还包括防反片，所述防反片设置在所述慢轴准直镜和所述聚焦镜之间，用于阻挡激光工作物质表面的返回光。

根据本发明的一个实施例，所述合束单元的数量为多个，第N+1个所述合束单元发出的光束沿所述第二方向从第N个所述合束单元的上方掠过，其中N为大于1的正整数。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中：

图1是现有技术使用波长合束的半导体激光器的结构示意图。

图2是本发明实施例一提出的半导体激光器的结构示意图。

图3是图2中的半导体激光器的慢轴准直镜和空间合束组件的结构示意图。

图4是图2中半导体激光器的空间合束组件的分解结构示意图。

图5是图2中半导体激光器的空间合束组件的立体示意图。

图6是本发明实施例二提出的半导体激光器的慢轴准直镜和空间合束组件的结构示意图。

图7是图6中的空间合束组件的结构示意图。

附图标记说明：

1-合束单元，2-慢轴准直镜，3-快轴准直镜，4-空间合束组件，5-防反片，6-聚焦镜，7-光纤，8-壳体，9-底板，10-支柱，11-第一激光芯片，12-第二激光芯片，41-第一棱镜，42-第二棱镜，43-第三棱镜，44-第四棱镜，91-第一平面镜，92-第二平面镜，93-第三平面镜，94-第四平面镜，111-波长一光束，112-波长二光束，401-波长一高透膜，402-波长一高透及波长二高反膜，403-波长二高透及波长一高反膜，404-波长二高透膜，405-波长一高反膜，406-波长二高反膜。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

实施例一

图2是本发明实施例一提出的半导体激光器的结构示意图。

结合图2至图5所示，本发明实施例公开一种半导体激光器，包括：合束单元1、聚焦镜6和光纤7。该半导体激光器具有壳体8，合束单元1、聚焦镜6和光纤7都安装在壳体8内。

合束单元1包括第一激光芯片11、第二激光芯片12、慢轴准直镜2和空间合束组件4，第一激光芯片11和第二激光芯片12相对设置，安装在热沉上，以第一方向射出不同波长的光束。在一个实施方式中，第一方向为壳体8的宽度方向。第一激光芯片11和第二激光芯片12相对设置既可以是第一、第二激光芯片(11、12)的轴线重合，也可以是第一、第二激光芯片(11、12)的轴线不重合。第一激光芯片11射出的光束波长为波长一，第二激光芯片12射出的波长光束为波长二。

空间合束组件4用于将沿第一方向射入的光束转换成以第二方向射出，进行波长合束。波长合束原理本质上就是将第一、第二激光芯片的输出光束合成为一个单一的输出光束，不仅仅是单纯的成倍的增加输出功率，还要使得输出光束保持光束质量。第二方向为壳体8的长度方向。第一方向空间合束组件4具有相交的第一平面和第二平面，在两个平面的交线的一侧沿第一方向的正方向看去，第一平面的正面具有波长一高透膜401，反面具有波长二高反膜406或者波长一高透及波长二高反膜402，第二平面的正面具有波长一高反膜405或者波长二高透及波长一高反膜403，反面具有波长二高透膜404，交线的另一侧沿第一方向的正方向看去，第二平面的正面具有波长一高反膜405，第一平面的反面具有波长二高反膜406。可以理解的是，波长一高透及波长二高反膜402、波长二高透及波长一高反膜403是多层膜，并不是对全波段的光进行增透和增返的，而是只对波长一范围和波长二范围的光束具有增透或增返作用。空间合束组件4的第一平面和第二平面相交叉，不需要使用分别独立的两个反射镜反射光束，结构更紧凑。

慢轴准直镜2用于将经过空间合束组件4的光束准直。慢轴准直镜2位于空间合束组件4反射出的光束的下游方向。聚焦镜6用于将经过慢轴准直镜2射出的光束耦合进入光纤7。被慢轴准直镜准直后的组合光束经由聚焦镜6耦合进入光纤7，聚焦镜6为球面镜，或非球面镜，或自聚焦透镜。光纤7用于光线传输，光纤7的耦合端与聚焦镜6的焦点重合。

在一个实施方式中，参照图3，第一激光芯片11射出的波长一光束111在交线的左侧部分通过波长一高透膜401和波长一高透及波长二高反膜402后，被波长二高透及波长一高反膜403反射，沿第二方向射出。波长一光束111在交线的右侧部分被波长一高反膜405反射，沿第二方向射出。第二激光芯片12射出的波长二光束112在交线的左侧部分通过波长二高透膜404和波长二高透及波长一高反膜403后，被波长一高透及波长二高反膜402反射，沿第二方向射出。波长二光束112在交线的右侧部分被波长二高反膜406反射，沿第二方向射出。

根据本发明实施例的半导体激光器，通过合束单元的两个激光芯片共用一个空间合束组件和一个慢轴准直镜，与现有技术中每一个激光芯片配置一个反射镜及一个慢轴准直镜的方案相比，减小了反射镜和慢轴准直镜的数量及占用空间，因此能够减小半导体激光器在激光芯片出光方向上的尺寸。本发明实施例的空间合束组件采用两个相交的镀膜平面，对不同波长的光束进行选择性的透过或反射，与现有技术中每一个激光芯片配置一个反射镜的方案相比，减少了反射镜的数量及占用空间，本发明半导体激光器的结构更加紧凑，可减少装调工序，满足高功率高亮度的激光输出同时实现轻量化。

在一个实施方式中，第一激光芯片11和第二激光芯片12的出光面的前方设置有快轴准直镜3。快轴准直透镜用于对激光芯片输出的原始光束进行快轴方向上的准直，输出快轴准直光束。快轴准直透镜3可以采用微柱透镜或柱面镜。

在一个实施方式中，空间合束组件4包括四个直角三棱镜，分别为第一至第四棱镜(41-44)，第一至第四棱镜(41-44)组成一个长方体，长方体的四个侧面分别为四个直角三棱镜的斜面，第一平面和第二平面与长方体的两个对角面重合。可选地，第一至第四棱镜(41-44)使用光胶工艺贴合在一起，光胶工艺是依靠光学零件抛光表面的分子间引力使两个光学表面紧密地贴合在一起的胶合工艺。光胶工艺的优点是胶合后形变小，机械强度较高。

具体地，第一至第四棱镜(41-44)的横截面为等腰直角三角形，具有全反射的特性。第一棱镜41的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透膜401和波长一高反膜405，第二棱镜42的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透及波长二高反膜402和波长二高透及波长一高反膜403，第三棱镜43的两个直角面的外表面分别镀有波长二高透膜404和波长二高反膜406。第四棱镜44不镀膜。镀高反膜层的四个棱镜将快轴准直光束的光轴折转，并利用全反射棱镜能量损耗为零的特点减小界面损耗。

在一个实施方式中，慢轴准直镜2具有一个柱面和一个平面，该平面与第二棱镜42的斜面连接，这样可以使慢轴准直镜2与空间合束组件4组合为一体，缩短慢轴准直镜2和空间合束组件4的光路距离，有利于缩短产品的结构机械尺寸，结构更加紧凑。可选地，慢轴准直镜2的侧面采用光胶工艺与第二棱镜42的斜面胶合。慢轴准直镜2与第一激光芯片11之间的光程与慢轴准直镜2与第二激光芯片12之间的光程相等。

在一个实施方式中，本实施例中的合束单元1的数量为6个。壳体8的两侧设置有沿第二方向由高到低逐步降低的台阶底座。每一个台阶面上安装一个激光芯片。第N+1个合束单元1发出的光束沿第二方向从第N个合束单元1的上方掠过，N为大于1的正整数，激光芯片在高度方向错落设置，使得前后的光束不会被遮挡，恰好掠过前一个光束上边缘。

另外，本实施例的半导体激光器还包括防反片5，防反片5设置在慢轴准直镜2和聚焦镜6之间，用于阻挡激光工作物质表面的返回光。

本发明实施例的半导体激光器，壳体内两侧激光芯片分别发出两组不同波长泵浦光，用以进行空间光合束，两组准直泵浦光经过空间合束组件后空间耦合到一起，实现多波长光束叠加，达到提高输出功率的目的。

实施例二

其中与实施例一相同或相应的零部件采用与实施例一相应的附图标记。为简便起见，仅描述实施例二与实施例一的区别点。

结合图6、图7所示，本发明实施例的半导体激光器的空间合束组件4包括四个平面镜，分别为第一至第四平面镜91至94，第一至第四平面镜91至94各有一个侧边相交，第一平面镜91和第三平面镜93的表面与第一平面共面，第二平面镜92和第四平面镜94的表面与第二平面共面。

具体地，第一平面镜91的两个内表面分别镀有波长一高透膜401和波长二高反膜406，第二平面镜92的一个内表面镀有波长一高反膜405，第三平面镜93的一个内表面镀有波长二高反膜406，第四平面镜94的两个内表面分别镀有波长一高反膜405和波长二高透膜404。

在一个实施方式中，参照图6，第一激光芯片11射出的波长一光束111在交线的左侧部分通过波长一高透膜401和波长二高反膜406后，被波长一高反膜405反射，沿第二方向射出。波长一光束111在交线的右侧部分被波长一高反膜405反射，沿第二方向射出。第二激光芯片12射出的波长二光束112在交线的左侧部分通过波长二高透膜404和波长一高反膜405后，被波长二高反膜406反射，沿第二方向射出。波长二光束112在交线的右侧部分被波长二高反膜406反射，沿第二方向射出。慢轴准直透部2与空间合束组件4可以分离设置，也可以连接在一起。

在一个实施方式中，空间合束组件4还包括底板9和支柱10，支柱10安装在底板9的上方，第一至第四平面镜91至94竖直地安装在底板9上，第二平面镜92和第三平面镜93的相交处与支柱10固定。

实施例二的空间合束组件采用四个平面镜制作，与实施例一的空间合束组件采用四个棱镜相比，加工制作难度相对较低，更容易切割成形，成本能够降低。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“前”、“后”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，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，因此不能理解为对本发明的限制。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种半导体激光器，其特征在于，包括：合束单元(1)、聚焦镜(6)和光纤(7)；

所述合束单元(1)包括第一激光芯片(11)、第二激光芯片(12)、慢轴准直镜(2)和空间合束组件(4)，所述第一激光芯片(11)和第二激光芯片(12)相对设置，以第一方向射出不同波长的光束；

所述空间合束组件(4)用于将沿所述第一方向射入的光束转换成以第二方向射出，进行波长合束，所述空间合束组件(4)具有相交的第一平面和第二平面，在两个平面的交线的一侧沿所述第一方向的正方向看去，所述第一平面的正面具有波长一高透膜(401)，反面具有波长二高反膜(406)或者波长一高透及波长二高反膜(402)，所述第二平面的正面具有波长一高反膜(405)或者波长二高透及波长一高反膜(403)，反面具有波长二高透膜(404)，所述交线的另一侧沿所述第一方向的正方向看去，所述第二平面的正面具有波长一高反膜(405)，所述第一平面的反面具有波长二高反膜(406)；

所述慢轴准直镜(2)用于将经过所述空间合束组件(4)的光束准直；

所述聚焦镜(6)用于将经过所述慢轴准直镜(2)射出的光束耦合进入所述光纤(7)。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一激光芯片(11)和第二激光芯片(12)的出光面的前方设置有快轴准直镜(3)。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述空间合束组件(4)包括四个直角三棱镜，分别为第一至第四棱镜(41-44)，所述第一至第四棱镜(41-44)组成一个长方体，所述长方体的四个侧面分别为四个所述直角三棱镜的斜面，所述第一平面和所述第二平面与所述长方体的对角面重合。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一棱镜(41)的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透膜(401)和波长一高反膜(405)，所述第二棱镜(42)的两个直角面的外表面分别镀有波长一高透及波长二高反膜(402)和波长二高透及波长一高反膜(403)，所述第三棱镜(43)的两个直角面的外表面分别镀有波长二高透膜(404)和波长二高反膜(406)。

5.根据权利要求3所述的半导体激光器，其特征在于，所述慢轴准直镜(2)具有一个柱面和一个平面，所述平面与所述第二棱镜(42)的斜面连接，所述慢轴准直镜(2)与所述第一激光芯片(11)之间的光程与所述慢轴准直镜(2)与所述第二激光芯片(12)之间的光程相等。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述空间合束组件(4)包括四个平面镜，分别为第一至第四平面镜(91至94)，所述第一至第四平面镜(91至94)各有一个侧边相交，所述第一平面镜(91)和所述第三平面镜(93)的表面与所述第一平面共面，所述第二平面镜(92)和所述第四平面镜(94)的表面与所述第二平面共面。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一平面镜(91)的两个内表面分别镀有波长一高透膜(401)和波长二高反膜(406)，所述第二平面镜(92)的一个内表面镀有波长一高反膜(405)，所述第三平面镜(93)的一个内表面镀有波长二高反膜(406)，所述第四平面镜(94)的两个内表面分别镀有波长一高反膜(405)和波长二高透膜(404)。

8.根据权利要求6所述的半导体激光器，其特征在于，所述空间合束组件(4)还包括底板(9)和支柱(10)，所述支柱(10)安装在所述底板(9)的上方，所述第一至第四平面镜(91至94)竖直地安装在所述底板(9)上，所述第二平面镜(92)和所述第三平面镜(93)的相交处与所述支柱(10)固定。

9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，还包括防反片(5)，所述防反片(5)设置在所述慢轴准直镜(2)和所述聚焦镜(6)之间，用于阻挡激光工作物质表面的返回光。

10.根据权利要求1至9任意一项所述的波长合束的半导体激光器，其特征在于，所述合束单元(1)的数量为多个，第N+1个所述合束单元(1)发出的光束沿所述第二方向从第N个所述合束单元(1)的上方掠过，其中N为大于1的正整数。

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