CN116667131A - 一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，属于激光技术领域。包括：由若干个巴条在快轴方向叠加组成的半导体激光器叠阵；用于光束准直的快慢轴准直阵列；对慢轴方向进行光束切割的平行玻璃板和对快轴方向填充的棱镜组合；以及将光束耦合进目标光纤的柱透镜组合；半导体激光器叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。本方案的有益结果是：提高了半导体激光器出射光束质量，简化了光束整形的装置结构，最终实现高功率光纤输出。
Description
技术领域
本发明涉及高功率半导体激光技术领域，具体涉及一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统。
背景技术
半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长等优点，广泛应用于激光加工、军事国防等领域。作为大功率半导体激光器最直接的应用就是泵浦固体和光纤激光器，但是由于其光束质量差，限制了其应用。而光束整形可以改善半导体激光器的光束质量，因此必须对半导体激光器的光束整形技术进行深入研究。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其包括：一个半导体激光器叠阵；用于光束准直的快慢轴准直阵列；对慢轴方向进行光束切割的平行玻璃板和对快轴方向光束填充的棱镜组合；以及将光束耦合进目标光纤的柱透镜组合；半导体激光器叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。
所述半导体激光器叠阵由若干个cm-bar巴条沿快轴方向叠加而成，相邻巴条间隔一定间距。
作为本方案的优选：所述半导体激光器叠阵由10个cm-bar沿快轴方向叠加而成，巴条之间的间距为1.8mm，每个cm-bar发射的半导体激光波长为808nm。
作为本方案的优选：所述用于光束准直的快慢轴准直阵列由快轴准直镜和慢轴准直镜依次排列构成，其中快轴准直镜为非球面微柱透镜，慢轴准直镜为微柱透镜阵列。
作为本方案的优选：所述平行玻璃板的宽度是慢轴光宽的一半，平行玻璃板的高度高于快轴方向光的高度，平行玻璃板对光束有偏移作用，光束折射后向下偏移，其光束偏移的原理为：
；
选用玻璃材料N-LAF21，设定底角为45°。
作为本方案的优选：所述所有光学元件的光束入射面出射面均镀有高透膜，反射面均镀有高反膜。
作为本方案的优选：所述柱透镜组合由两个柱透镜所构成，快轴、慢轴方向分别采用一个平凸柱透镜，二者采用不同焦距，并且间隔一定距离，分别对光束在快轴、慢轴方向进行聚焦，用于将光束耦合进目标光纤中。
棱镜组合中，第一个棱镜采用等腰直角三棱柱，第二个棱镜采用等腰直角棱镜组，二者贴合在一起，形成的横截面呈平行四边形；等腰直角棱镜组由若干片等腰直角棱镜沿垂直方向间隔排列固定组成。
没有经过平行玻璃板的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；被平行玻璃板向下偏移的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中。
或者，被平行玻璃板向下偏移的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；没有经过平行玻璃板的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中。
半导体激光叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。半导体激光叠阵发出的光束经快慢轴准直阵列准直后，宽度方向一半的光束射入平行玻璃板中被折射后向下偏移，依据不同厚度的平行玻璃板对光束的偏移距离程度不同，使光束在慢轴方向进行切割，变为慢轴宽度相同的两束激光；其中一束激光射入棱镜组合，在棱镜组合内部发生两次全反射后与剩余的一束直线出射的激光在快轴方向填充形成一个矩形光斑，再通过柱透镜组合分别对快轴方向和慢轴方向的光束进行聚焦，最终耦合进目标光纤。
本方案的有益结果是：提高了半导体激光器出射光束质量，简化了光束整形的装置结构，最终实现高功率光纤输出。
附图说明
图1为本发明的整体结构主视图示意图；
图2为本发明的平行玻璃板对光束偏移作用原理主视图示意图；
图3-1、图3-2依次为本发明的光束经过平行玻璃板前、后光斑示意图；
图4为本发明的棱镜组合结构立体图示意图；
图5为本发明的棱镜组合结构俯视图示意图；
图6为本发明的光束经过棱镜组合后光斑效果示意图。
图中，半导体激光叠阵1；快慢轴准直阵列2；平行玻璃板3；棱镜组合4；柱透镜组合5；光纤6。等腰直角三棱柱7，等腰直角棱镜组8，直线出射的激光束9，经过两次全反射的激光束10。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
参考图1，一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，由一个半导体激光器叠阵1；用于光束准直的快慢轴准直阵列2；对慢轴方向进行光束切割的平行玻璃板3和对快轴方向光束填充的棱镜组合4；以及将光束耦合进目标光纤6的柱透镜组合5所构成；半导体激光器叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。
所述半导体激光器叠阵1由若干个cm-bar巴条沿快轴方向叠加而成，相邻巴条间隔一定间距。
在本实施例中，所述半导体激光器叠阵由10个cm-bar沿快轴方向叠加而成，巴条之间的间距为1.8mm，每个cm-bar发射的半导体激光波长为808nm。
在本实施例中，所述用于光束准直的快慢轴准直阵列由快轴准直镜和慢轴准直镜依次排列构成，其中快轴准直镜为非球面微柱透镜，慢轴准直镜为微柱透镜阵列。
在本实施例中，所述平行玻璃板3的宽度是慢轴光宽的一半，平行玻璃板的高度高于快轴方向光的高度，平行玻璃板对光束有偏移作用，光束折射后向下偏移，其光束偏移的原理为：
；
选用玻璃材料N-LAF21，设定底角为45°。
在本实施例中，所述所有光学元件的光束入射面出射面均镀有高透膜，反射面均镀有高反膜。
在本实施例中，所述柱透镜组合由两个柱透镜所构成，快轴、慢轴方向分别采用一个平凸柱透镜，二者采用不同焦距，并且间隔一定距离，分别对光束在快轴、慢轴方向进行聚焦，用于将光束耦合进目标光纤中。
棱镜组合4中，第一个棱镜采用等腰直角三棱柱7，第二个棱镜采用等腰直角棱镜组8，二者贴合在一起，形成的横截面呈平行四边形；等腰直角棱镜组由若干片等腰直角棱镜沿垂直方向间隔排列固定组成。
没有经过平行玻璃板3的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；被平行玻璃板3向下偏移的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中。
或者，被平行玻璃板3向下偏移的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；没有经过平行玻璃板3的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中。
半导体激光叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。半导体激光叠阵发出的光束经快慢轴准直阵列准直后，宽度方向一半的光束射入平行玻璃板中被折射后向下偏移，依据不同厚度的平行玻璃板对光束的偏移距离程度不同，使光束在慢轴方向进行切割，变为慢轴宽度相同的两束激光。其中一束激光射入棱镜组合，在棱镜组合内部发生两次全反射后与剩余的一束直线出射的激光在快轴方向填充形成一个矩形光斑，再通过柱透镜组合分别对快轴方向和慢轴方向的光束进行聚焦，最终耦合进目标光纤。
慢轴方向即水平方向，快轴方向即垂直方向。
Claims (9)
1.一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：包括一个半导体激光器叠阵（1）；用于光束准直的快慢轴准直阵列（2）；对慢轴方向进行光束切割的平行玻璃板（3）和对快轴方向光束填充的棱镜组合（4）；以及将光束耦合进目标光纤（6）的柱透镜组合（5）；半导体激光器叠阵、快慢轴准直阵列、平行玻璃板、棱镜组合、柱透镜组合、光纤沿着激光前进方向依次排列安装在机体中。
2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述半导体激光器叠阵（1）由若干个cm-bar巴条沿快轴方向叠加而成，相邻巴条间隔一定间距。
3.根据权利要求2所述的一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述半导体激光器叠阵（1），巴条之间的间距为1.8mm，每个cm-bar发射的半导体激光波长为808nm。
4.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述用于光束准直的快慢轴准直阵列（2）由快轴准直镜和慢轴准直镜依次排列构成，其中快轴准直镜为非球面微柱透镜，慢轴准直镜为微柱透镜阵列。
5.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述平行玻璃板（3）的宽度是慢轴光宽的一半，平行玻璃板的高度高于快轴方向光的高度，平行玻璃板对光束有偏移作用，光束折射后向下偏移，其光束偏移的原理为：
选用玻璃材料N-LAF21，设定底角为45°。
6.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述所有光学元件的光束入射面出射面均镀有高透膜，反射面均镀有高反膜。
7.根据权利要求1所述的基于一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：所述柱透镜组合（5）由两个柱透镜所构成，快轴、慢轴方向分别采用一个平凸柱透镜，二者采用不同焦距，并且间隔一定距离，分别对光束在快轴、慢轴方向进行聚焦，用于将光束耦合进目标光纤（6）中。
8.根据权利要求1所述的基于一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：棱镜组合（4）中，第一个棱镜采用等腰直角三棱柱，第二个棱镜采用等腰直角棱镜组，二者贴合在一起，形成的横截面呈平行四边形；等腰直角棱镜组由若干片等腰直角棱镜沿垂直方向间隔排列固定组成；
没有经过平行玻璃板（3）的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；被平行玻璃板（3）向下偏移的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中；
或者，被平行玻璃板（3）向下偏移的激光束从等腰直角棱镜组的各个空隙中穿过直线出射；没有经过平行玻璃板（3）的激光束从等腰直角三棱柱的直角边入射，经过两次斜边内侧全反射，从等腰直角棱镜组的直角边出射，填充到直线出射的激光束的快轴方向的空隙中。
9.根据权利要求1所述的基于一种高功率半导体激光叠阵光纤耦合系统，其特征在于：半导体激光叠阵发出的光束经快慢轴准直阵列准直后，宽度方向一半的光束射入平行玻璃板中被折射后向下偏移，依据不同厚度的平行玻璃板对光束的偏移距离程度不同，使光束在慢轴方向进行切割，变为慢轴宽度相同的两束激光；其中一束激光射入棱镜组合，在棱镜组合内部发生两次全反射后与剩余的一束直线出射的激光在快轴方向填充形成一个矩形光斑，再通过柱透镜组合分别对快轴方向和慢轴方向的光束进行聚焦，最终耦合进目标光纤。
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