CN201368940Y - 一种大功率半导体激光光束复合装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种大功率半导体激光系统中的多光束复合装置，该装置采用空间复合的方法将八组半导体激光阵列发出的四种波长的光束合成一束。属于激光技术领域。本装置将第一半导体激光阵列、第二半导体激光阵列、第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列、第五半导体激光阵列、第六半导体激光阵列、第七半导体激光阵列及第八半导体激光阵列发出的八束四种波长的光首先利用偏振合束器进行偏振耦合，得到四束四种波长的自然光；此四束光再利用第一波长合束器和第二波长合束器进行两两合束，最后将得到的两束合束光通过第三波长合束器进行最后的合束。本装置的结构更加合理、体积更小、成本更低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种大功率半导体激光系统中的多光束复合装置，该装置采用空间复合的方法将八组半导体激光阵列发出的四种波长的光束合成一束。属于激光技术领域。
背景技术
众所周知，大功率半导体激光器因其体积小、光电转换率高及寿命长等优点而广泛应用于各个领域。尤其是高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激光器，不但能直接应用于材料加工而且在泵浦固体激光器以及在军事、医疗等领域，都有着广泛的应用和较大的发展前景。
目前国际上为了实现大功率的半导体激光输出，大多采用较为简单的空间复合方式，如德国JENOP(S)TIK laserdiode公司，利用反射镜、波长合束器和偏振合束器来实现两种波长四个半导体激光阵列的光束复合。此种方法虽然能够得到高功率的激光输出，但是由于没有加光束整形装置而且各光程不同，结果严重影响输出光束的光束质量。
专利号为ZL200820079777.1的实用新型专利中提供了一种光束复合装置，很好的解决了上述问题。装置首先将不同波长的光两两进行一次合束，得到四束合束光，然后将此合束光再进行第二次两两合束，得到两束不同偏振态的光。最后通过偏振合束器将这两束光耦合成一束。但是，这种方法仍然存在一定的缺点，由于采用先波长合束再偏振合束的方法，这使得能量都集中到最后一步的偏振合束器中，从而对偏振合束器的损伤能量阈值要求比较高，相应的就提高了成本。特别是在实际系统中，最后一步合束会因能量过高而直接损坏偏振合束器。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有合束装置的上述缺陷，提供了一种结构更加合理的激光光束复合系统。与现有的系统相比，本实用新型的结构更加合理、体积更小、成本更低。
本实用新型将八个半导体激光阵列发出的八束四种波长的光首先利用偏振合束器进行偏振耦合，得到四束四种波长的自然光；此四束光再利用两个波长合束器进行两两合束，得到两束合束光，最后将得到的两束合束光通过波长合束器进行最后的合束。
本实用新型采用如下技术方案：本光束复合装置包括第一半导体激光阵列、第二半导体激光阵列、第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列、第五半导体激光阵列、第六半导体激光阵列、第七半导体激光阵列和第八半导体激光阵列以及第一波长耦合器、第二波长耦合器、第三波长耦合器、第一偏振合束器、第二偏振合束器、第三偏振合束器、第四偏振合束器、第一波片、第二波片、第三波片、第四波片和光束整形装置。所述的八个半导体激光阵列均输出P态光或S态光。其中第一半导体激光阵列和第二半导体激光阵列的波长为λ1，第三半导体激光阵列和第四半导体激光阵列的波长为λ2，第五半导体激光阵列和第六半导体激光阵列的波长为λ3，第七半导体激光阵列和第八半导体激光阵列的波长为λ4。
第一半导体激光阵列发出的光经过第一波片后与第二半导体激光阵列发出的光通过第一偏振合束器进行偏振耦合得到波长为λ1的自然光，同时第三半导体激光阵列发出的光经第二波片后与第四半导体激光阵列发出的光通过第二偏振合束器进行偏振耦合得到波长为λ2的自然光，然后将波长为λ1和波长为λ2的两束光通过第一波长合束器进行合束，得到合束光λ1λ2。与此同时，第五半导体激光阵列发出的光经第三波片后与第六半导体激光阵列发出的光通过第三偏振合束器进行偏振耦合得到波长为λ3的自然光，第七半导体激光阵列发出的光经第四波片后与第八半导体激光阵列发出的光通过第四偏振合束器进行偏振耦合得到波长为λ4的自然光，然后将波长为λ3和波长为λ4的两束光通过第二波长合束器进行合束得到合束光λ3λ4；最后合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过第三波长合束器进行合束。其中第一波长合束器是将波长λ1的光透射而波长λ2的光反射；第二波长合束器是将波长λ3的光透射而波长λ4的光反射；第三波长合束器是将波长λ1λ2的光透射而波长λ3λ4的光反射。
所述的第一波片、第二波片、第三波片、第四波片为二分之一波片，它能改变线偏振光的方向，产生与原来的偏振方向相垂直的线偏振光。第一偏振合束器、第二偏振合束器、第三偏振合束器和第四偏振合束器是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振片、具有偏占作用的膜层或者天然双折射晶体。
各半导体激光阵列发出的光束必须用光束整形装置A进行光束整形，光束整形装置A是一种将半导体激光阵列发出的光进行均匀化的装置。整形装置可以放在偏振合束器之前，也可以放在偏振合束器之后。如果整形装置放于偏振合束器之前，则需要整形装置的数量为八个；若整形装置放于偏振合束器之后，则需要整形装置的数量仅为四个。
本实用新型的另一种技术方案如下：包括输出S态光的第一半导体激光阵列、第三半导体激光阵列、第五半导体激光阵列和第七半导体激光阵列、输出P态光的第二半导体激光阵列、第四半导体激光阵列、第六半导体激光阵列和第八半导体激光阵列、以及第一波长耦合器、第二波长耦合器、第三波长耦合器、第一偏振合束器、第二偏振合束器、第三偏振合束器、第四偏振合束器和光束整形装置。其中：第一半导体激光阵列和第二半导体激光阵列的波长为λ1，第三半导体激光阵列和第四半导体激光阵列的波长为λ2，第五半导体激光阵列和第六半导体激光阵列的波长为λ3，第七半导体激光阵列和第八半导体激光阵列的波长为λ4。
第一半导体激光阵列发出的S态光与第二半导体激光阵列发出的P态光通过第一偏振合束器进行偏振耦合输出波长为λ1的自然光，同时第三半导体激光阵列发出的S态光与第四半导体激光阵列发出的P态光通过第二偏振合束器进行偏振耦合输出波长为λ2的自然光，然后将波长为λ1和波长为λ2的两束光通过第一波长合束器进行合束，得到合束光λ1λ2。与此同时，第五半导体激光阵列发出的S态光与第六半导体激光阵列发出的P态光通过第三偏振合束器进行偏振耦合输出波长为λ3的自然光，第七半导体激光阵列发出的S态光与第八半导体激光阵列发出的P态光通过第四偏振合束器进行偏振耦合输出波长为λ4的自然光，然后将波长为λ3和波长为λ4的两束光通过第二波长合束器进行合束得到合束光λ3λ4；最后合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过第三波长合束器进行合束。其中第一波长合束器是将波长λ1的光透射而波长λ2的光反射；第二波长合束器是将波长λ3的光透射而波长λ4的光反射；第三波长合束器是将波长λ1λ2的光透射而波长λ3λ4的光反射。
所述的第一偏振合束器、第二偏振合束器、第三偏振合束器和第四偏振合束器是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振片、具有偏占作用的膜层或者天然双折射晶体。
各半导体激光阵列发出的光束必须用光束整形装置A进行光束整形，光束整形装置A是一种将半导体激光阵列发出的光进行均匀化的装置。整形装置可以放在偏振合束器之前，也可以放在偏振合束器之后。如果整形装置放于偏振合束器之前，则需要数量为八个；若整形装置放于偏振合束器之后，则需要数量仅为四个。
本实用新型所设计的装置，不但能够解决背景技术中所述的方法存在的缺陷，即避免了高能量光束通过偏振合束器，而且还能有效的减小系统的体积和重量，同时降低了成本。
附图说明
图1本实用新型第一种实施方式的光路原理图；
图2本实用新型第二种实施方式的光路原理图；
图3本实用新型第三种实施方式的光路原理图；
图4本实用新型第四种实施方式的光路原理图；
图中：1、第一半导体激光阵列，2、第二半导体激光阵列，3、第三半导体激光阵列，4、第四半导体激光阵列，5、第五半导体激光阵列，6、第六半导体激光阵列，7、第七半导体激光阵列，8、第八半导体激光阵列，9、第一波长合束器，10、第二波长合束器，11、第三波长合束器，12、第一偏振合束器，13、第二偏振合束器，14、第三偏振合束器，15、第四偏振合束器，16、第一波片，17、第二波片，18、第三波片，19、第四波片，A、光束整形装置A。
具体实施方式：
下面结合图1、图2、图3、图4对本实用新型作进一步说明：
实施例1：
本实施例结构如图1所示，包括第一半导体激光阵列1、第二半导体激光阵列2、第三半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4、第五半导体激光阵列5、第六半导体激光阵列6、第七半导体激光阵列7、第八半导体激光阵列8、以及第一波长合束器9、第二波长合束器10、第三波长合束器11、第一偏振合束器12、第二偏振合束器13、第三偏振合束器14、第四偏振合束器15、第一波片16、第二波片17、第三波片18、第四波片19和八个整形装置A。本实施例中的八个半导体激光阵列均输出P态光或S态光。
光束整形后的第一半导体激光阵列1发出的光经第一波片16后与经过光束整形后的第二半导体激光阵列2发出的光通过第一偏振合束器12进行偏振耦合后得到波长为λ1的自然光，同时光束整形后的第三半导体激光阵列3发出的光经第二波片17后与经过光束整形后的第四半导体激光阵列4发出的光通过第二偏振合束器13进行偏振耦合后得到波长为λ2的自然光，然后将波长为λ1和波长为λ2的两束光通过第一波长合束器9进行合束，得到合束光λ1λ2。与此同时，光束整形后的第五半导体激光阵列5发出的光经第三波片18与经过光束整形后的第六半导体激光阵列6发出的光通过第三偏振合束器14进行偏振耦合后得到波长为λ3的自然光，光束整形后的第七半导体激光阵列7发出的光经第四波片19后与经过光束整形后的第八半导体激光阵列8发出的光通过第四偏振合束器15进行偏振耦合后得到波长为λ4的自然光，然后将波长为λ3和波长为λ4的两束光通过第二波长合束器10进行合束得到合束光λ3λ4；最后合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过第三波长合束器11进行合束。
实施例2：
本实施例如图2所示，它与实施例1的区别在于第一半导体激光阵列1、第三半导体激光阵列3、第五半导体激光阵列5和第七半导体激光阵列7输出S态光，第二半导体激光阵列2、第四半导体激光阵列4、第六半导体激光阵列6和第八半导体激光阵列8输出P态光，所以本实施例中不需要第一波片、第二波片17、第三波片18和第四波片19来改变偏振态。其它结构与实施例1相同。
实施例3：
本实施例结构如图3所示，包括第一半导体激光阵列1、第二半导体激光阵列2、第三半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4、第五半导体激光阵列5、第六半导体激光阵列6、第七半导体激光阵列7、第八半导体激光阵列8、以及第一波长合束器9、第二波长合束器10、第三波长合束器11、第一偏振合束器12、第二偏振合束器13、第三偏振合束器14、第四偏振合束器、第一波片16、第二波片17、第三波片18、第四波片19和四个整形装置A。本实施例中的八个半导体激光阵列均输出P态光或S态光。
本实施例与实施例1的不同仅在于：本实施例中半导体激光阵列发出的光先进行偏振合束，然后再加光束整形，这样只需要四个光束整形装置，其结构如图3所示：第一半导体激光阵列1输出的光束加波片16后与第二半导体激光阵列2输出的光束先通第一偏振合束器12进行偏振合束，然后再进行光束整形，得到波长为λ1的自然光。第三半导体激光阵列3输出的光束加波片17后与第四半导体激光阵列4输出的光束先通第二偏振合束器13进行偏振合束，然后再进行光束整形，得到波长为λ2的自然光然。然后将此波长为λ1和λ2的两束光通过第一波长合束器9进行合束。与此同时，第五半导体激光阵列5输出的光束加波片18后与第六半导体激光阵列6输出的光束先通第三偏振合束器14进行偏振合束，然后再进行光束整形，得到波长为λ3的自然光，同时第七半导体激光阵列7输出的光束加波片19后与第八半导体激光阵列8输出的光束先通第四偏振合束器15进行偏振合束，然后再进行光束整形，得到波长为λ4的自然光，然后将此波长为λ3和λ4的两束光通过波长合束器10进行合束；最后将合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过波长合束器11进行合束。
实施例4：
本实施例与实施例3的区别在于第一半导体激光阵列1、第三半导体激光阵列3、第五半导体激光阵列5和第七半导体激光阵列7输出S态光，第二半导体激光阵列2、第四半导体激光阵列4、第六半导体激光阵列6和第八半导体激光阵列8输出P态光，所以本实施例中不需要第一波片、第二波片17、第三波片18和第四波片19来改变偏振态。其它结构与实施例3相同。
Claims (5)
1、一种大功率半导体激光光束复合装置，其特征在于：包括第一半导体激光阵列(1)、第二半导体激光阵列(2)、第三半导体激光阵列(3)、第四半导体激光阵列(4)、第五半导体激光阵列(5)、第六半导体激光阵列(6)、第七半导体激光阵列(7)、第八半导体激光阵列(8)、以及第一波长耦合器(9)、第二波长耦合器(10)、第三波长耦合器(11)、第一偏振合束器(12)、第二偏振合束器(13)、第三偏振合束器(14)、第四偏振合束器(15)、第一波片(16)、第二波片(17)、第三波片(18)、第四波片(19)和光束整形装置A；所述的八个半导体激光阵列均输出P态光或S态光；其中第一半导体激光阵列(1)和第二半导体激光阵列(2)的波长为λ1，第三半导体激光阵列(3)和第四半导体激光阵列(4)的波长为λ2，第五半导体激光阵列(5)和第六半导体激光阵列(6)的波长为λ3，第七半导体激光阵列(7)和第八半导体激光阵列(8)的波长为λ4；
第一半导体激光阵列(1)发出的光经第一波片(16)后与第二半导体激光阵列(2)发出的光通过第一偏振合束器(12)进行偏振耦合得到波长为λ1的自然光，同时第三半导体激光阵列(3)发出的光经第二波片(17)后与第四半导体激光阵列(4)发出的光通过第二偏振合束器(13)进行偏振耦合得到波长为λ2的自然光，然后将波长为λ1和波长为λ2的两束光通过第一波长合束器(9)进行合束，得到合束光λ1λ2；与此同时，第五半导体激光阵列(5)发出的光经第三波片(18)后与第六半导体激光阵列(6)发出的光通过第三偏振合束器(14)进行偏振耦合得到波长为λ3的自然光，第七半导体激光阵列(7)发出的光经第四波片(19)后与第八半导体激光阵列(8)发出的光通过第四偏振合束器(15)进行偏振耦合得到波长为λ4的自然光，然后将波长为λ3和波长为λ4的两束光通过第二波长合束器(10)进行合束得到合束光λ3λ4；最后合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过第三波长合束器(11)进行合束；
各半导体激光阵列发出的光束用光束整形装置(A)进行光束整形，光束整形装置放置在偏振合束器(12)之前或者放在偏振合束器(12)之后。
2、根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束复合装置，其特征在于：所述的第一波片(16)、第二波片(17)、第三波片(18)和第四波片(19)为二分之一波片，它能改变线偏振光的方向，产生与原来的偏振方向相垂直的线偏振光。
3、根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束复合装置，其特征在于：所述的第一偏振合束器(12)、第二偏振合束器(13)、第三偏振合束器(14)和第四偏振合束器(15)是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振片、具有偏振作用的膜层或者天然双折射晶体。
4、一种大功率半导体激光光束复合装置，其特征在于：包括输出S态光的第一半导体激光阵列(1)、第三半导体激光阵列(3)、第五半导体激光阵列(5)和第七半导体激光阵列(7)、输出P态光的第二半导体激光阵列(2)、第四半导体激光阵列(4)、第六半导体激光阵列(6)和第八半导体激光阵列(8)、以及第一波长合束器(9)、第二波长合束器(10)、第三波长合束器(11)、第一偏振合束器(12)、第二偏振合束器(13)、第三偏振合束器(14)、第四偏振合束器(15)和光束整形装置(A)；其中第一半导体激光阵列(1)和第二半导体激光阵列(2)的波长为λ1，第三半导体激光阵列(3)和第四半导体激光阵列(4)的波长为λ2，第五半导体激光阵列(5)和第六半导体激光阵列(6)的波长为λ3，第七半导体激光阵列(7)和第八半导体激光阵列(8)的波长为λ4；
第一半导体激光阵列(1)发出的S态光与第二半导体激光阵列(2)发出的P态光通过第一偏振合束器(12)进行偏振耦合输出波长为λ1的自然光，同时第三半导体激光阵列(3)发出的S态光与第四半导体激光阵列(4)发出的P态光通过第二偏振合束器(13)进行偏振耦合输出波长为λ2的自然光，然后将波长为λ1和波长为λ2的两束光通过第一波长合束器(9)进行合束，得到合束光λ1λ2；与此同时，第五半导体激光阵列(5)发出的S态光与第六半导体激光阵列(6)发出的P态光通过第三偏振合束器(14)进行偏振耦合输出波长为λ3的自然光，第七半导体激光阵列(7)发出的S态光与第八半导体激光阵列(8)发出的P态光通过第四偏振合束器(15)进行偏振耦合输出波长为λ4的自然光，然后将波长为λ3和波长为λ4的两束光通过第二波长合束器(10)进行合束得到合束光λ3λ4；最后合束光λ1λ2与合束光λ3λ4再通过第三波长合束器(11)进行合束；
各半导体激光阵列发出的光束用光束整形装置(A)进行光束整形，光束整形装置放置在偏振合束器(12)之前或者放在偏振合束器(12)之后。
5、根据权利要求4所述的一种大功率半导体激光光束复合装置，其特征在于：所述的第一偏振合束器(12)、第二偏振合束器(13)、第三偏振合束器(14)和第四偏振合束器(15)是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振片、具有偏占作用的膜层或者天然双折射晶体。
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20091223 Effective date of abandoning: 20090109 |