CN203871653U - 一种高功率半导体激光器合束系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种高功率半导体激光器合束系统，可以得到均匀性好，单偏振特性的激光光源。该高功率半导体激光器合束系统，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束装置；所述合束装置包括一个平行六面棱镜和棱镜组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵出光方向，高度方向上分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分、下半部分，使得半导体激光器叠阵上半部分发出的激光光束依次通过棱镜组合和平行六面棱镜后沿原光轴出射，半导体激光器叠阵下半部分发出的激光光束依次经过平行六面棱镜的下端面、上端面进行两次全反射后与半导体激光器叠阵上半部分出射的激光光束相互平行形成插空合束。

Description

一种高功率半导体激光器合束系统

技术领域

本实用新型属于激光应用领域，具体涉及一种高功率半导体激光器合束系统。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，但是当前半导体激光器的推广应用受到其光束质量的制约，所以提高半导体激光器的光束质量、亮度和功率为当下重要的研究方向。激光合束技术近年来发展迅速，它是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程。激光合束技术在激光加工和高功率光纤耦合产品中已得到广泛应用。

目前常用的激光合束方法有偏振合束，波长合束和空间合束。常见的偏振合束装置由1/2玻片和偏振分光棱镜(PBS)组成，一部分激光通过1/2玻片将偏振态由TE变为TM(或TM变为TE)，再与另一部分激光进行合束。由于半导体激光器的激光光源偏振度约为90％，若采用偏振合束，光能损失较大，仅适用于快轴方向的合束，且输出光为混合偏振光，不能再次与其他光源进行偏振合束；当使用半导体激光叠阵作为光源时，输出光斑仍保留bar与bar之间的发光死区，均匀度较差。波长合束是不同波长的激光进行合束，但是在要求激光具有单一波长的场合无法应用，使其在应用领域具有局限性。

实用新型内容

为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种高功率半导体激光器合束系统，可以得到均匀性好，单偏振特性的激光光源。方案如下：

该高功率半导体激光器合束系统，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束装置，所述的半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元堆叠组成，根据堆叠高度等分为上半部分和下半部分；所述合束装置包括一个平行六面棱镜和棱镜组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵出光方向，高度方向上分别对应于所述半导体激光器叠阵的上半部分、下半部分，其中平行六面棱镜下半部分的侧面与所述出光方向垂直；所述棱镜组合包括若干个小棱镜，小棱镜数量为半导体激光器叠阵的激光单元数量的一半，小棱镜的出光面均与平行六面棱镜上半部分的侧面紧密贴合，入光面均与所述出光方向垂直，若干个棱镜在高度方向上的位置分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分的各个半导体激光单元，使得半导体激光器叠阵上半部分发出的激光光束依次通过棱镜组合和平行六面棱镜后沿原光轴出射，半导体激光器叠阵下半部分发出的激光光束依次经过平行六面棱镜的下端面、上端面进行两次全反射后与半导体激光器叠阵上半部分出射的激光光束相互平行形成插空合束。

基于上述基本方案，本实用新型还做如下优化限定和改进：

平行六面棱镜相邻两个侧面的锐角夹角

若半导体激光器叠阵由偶数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{(m+1)(w+d)\sin \mathrm{\α}}{2},$ $\left(\frac{2m-1}{4}\right)(w+d)\tan \mathrm{\α}\≤L\≤\frac{m+3}{2}(w+d)\tan \mathrm{\α};$

若半导体激光器叠阵由奇数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度满足：

$t=\frac{m(w+d)\sin \mathrm{\α}}{2};$ $\frac{m}{2}(w+d)\tan \mathrm{\α}\≤L\≤\frac{2m+5}{4}(w+d)\tan \mathrm{\α};$

其中，m为半导体激光器单元数量；w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距；t为平行六面棱镜的厚度；L为平行六面棱镜的宽度，n为平行六面棱镜材料的折射率。

上述棱镜组合中的小棱镜优选三棱镜，各个小棱镜等间距放置，满足以下关系：

$\sqrt{2}d\≤a\≤\sqrt{2}w,$ a＝b，w>d，d≤x≤w；

其中d为单个半导体激光单元准直后的光束直径，a为三棱镜出光面宽度，b为三棱镜的间距，x为三棱镜的入射面高度，w为相邻两半导体激光器单元之间的间距。

上述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

上述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。

上述平行六面棱镜的材料为玻璃，入射面和出射面均镀增透膜。

本实用新型具有以下优点：

1)该半导体激光合束系统发出的激光光束具有单偏振特性，因此系统光能损失率低；

2)该半导体激光合束系统采用插空合束方法，出射光斑的均匀度非常高，且降低光积参BPP(发光面乘以发散角)的目的，可以提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用；

3)该半导体激光合束系统可以同时适用于快慢轴；

4)加工简单，全反射面不需要镀膜即可实现全反射，制作成本低。

附图说明

图1为一种高功率半导体激光器合束系统示意图；

图2-1为合束系统中棱镜组合的安装位置及尺寸示意图；

图2-2为半导体激光器叠阵尺寸说明图；

图3为合束系统中平行六面棱镜的尺寸说明图。

附图标号说明：1为半导体激光器叠阵，2为快轴准直透镜，3为慢轴准直阵列，4为平行六面棱镜，5为棱镜组合，6为棱镜组合安装区域；7为全反射区,8为准直透镜组,9为合束装置。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本实用新型的方案做进一步说明，图1为一种高功率半导体激光器合束系统示意图，一种高功率半导体激光器合束系统包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵1、准直透镜组8和合束装置9，其中合束装置9中的棱镜组合5中的小棱镜选用以三棱镜，平行六面棱镜4的相邻两个侧面的锐角的夹角为45°。半导体激光器1包括4个半导体激光器单元且等分为上下两部分将上部2个半导体激光器单元作为半导体激光器叠阵的上部分，下部的2个半导体激光器单元作为半导体激光器叠阵的下部分，棱镜组合中的小棱镜为2个三棱镜，半导体激光器叠阵上部分激光光束垂直入射棱镜组合中的2个三棱镜的入射面，即半导体激光器叠阵上部的2个半导体激光器单元发出的激光分别入射至2个三棱镜的入射面，因为激光光束入射方向与三棱镜入射面垂直，所以在三棱镜内部不会发生折射，激光光束入射至三棱镜入射面后水平从平行六面棱镜的出射面出射，即出射方向与入射方向一致，半导体激光器叠阵下部分激光光束垂直入射平行六面棱镜后经过平行六面棱镜两个相对的面进行两次全反射后与上部分出射的激光光束插空合束水平出射。合束光束的能量密度为入射光能量密度的2倍且合束光束的直径为半导体激光器叠阵发出的激光直径的一半，降低了光积参BPP(发光面乘以发散角)的目的，可以提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用。

如图3所示，半导体激光器叠阵由4个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{5\sqrt{2}}{4}(w+d),$ $\frac{3}{4}(w+d)\≤L\≤\frac{7}{2}(w+d);$

w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距；t为平行六面棱镜的厚度；L为平行六面棱镜的宽度。

所述棱镜组合中的小棱镜采用三棱镜，各个小棱镜等间距放置，满足以下关系：

a＝b，w>d，d≤x≤w；

其中d为单个半导体激光单元准直后的光束直径，a为三棱镜出光面宽度，b为三棱镜的间距，x为三棱镜的入射面高度，w为相邻两半导体激光器单元之间的间距。

上述平行六面棱镜的相邻两个侧面的锐角夹角满足

$\mathrm{\α}\≥\arcsin \left(\frac{1}{n}\right)$

所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。

所述平行六面棱镜的材料为玻璃，入射面和出射面均镀增透膜。

其中棱镜组合的小棱镜可以为三棱镜，但不限于三棱镜，还可以为多棱镜。

Claims (6)

1.一种高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组和合束装置，所述的半导体激光器叠阵由若干个半导体激光单元堆叠组成，根据堆叠高度等分为上半部分和下半部分；所述合束装置包括一个平行六面棱镜和棱镜组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵出光方向，高度方向上分别对应于所述半导体激光器叠阵的上半部分、下半部分，其中平行六面棱镜下半部分的侧面与所述出光方向垂直；所述棱镜组合包括若干个小棱镜，小棱镜数量为半导体激光器叠阵的激光单元数量的一半，小棱镜的出光面均与平行六面棱镜上半部分的侧面紧密贴合，入光面均与所述出光方向垂直，若干个棱镜在高度方向上的位置分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分的各个半导体激光单元，使得半导体激光器叠阵上半部分发出的激光光束依次通过棱镜组合和平行六面棱镜后沿原光轴出射，半导体激光器叠阵下半部分发出的激光光束依次经过平行六面棱镜的下端面、上端面进行两次全反射后与半导体激光器叠阵上半部分出射的激光光束相互平行形成插空合束。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：

平行六面棱镜相邻两个侧面的锐角夹角

半导体激光器叠阵由偶数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{(m+1)(w+d)\sin \mathrm{\α}}{2},$ $\left(\frac{2m-1}{4}\right)(w+d)\tan \mathrm{\α}\≤L\≤\frac{m+3}{2}(w+d)\tan \mathrm{\α};$

或者

半导体激光器叠阵由奇数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度满足：

$t=\frac{m(w+d)\sin \mathrm{\α}}{2};$ $\frac{m}{2}(w+d)\tan \mathrm{\α}\≤L\≤\frac{2m+5}{4}(w+d)\tan \mathrm{\α};$

m为半导体激光器单元数量；w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距；t为平行六面棱镜的厚度；L为平行六面棱镜的宽度，n为平行六面棱镜材料的折射率。

3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：所述棱镜组合中的小棱镜采用三棱镜，各个小棱镜等间距放置，满足以下关系：

$\sqrt{2}d\≤a\≤\sqrt{2}w,$ a＝b，w>d，d≤x≤w；

其中d为单个半导体激光单元准直后的光束直径，a为三棱镜出光面宽度，b为三棱镜的间距，x为三棱镜的入射面高度，w为相邻两半导体激光器单元之间的间距。

4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

5.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直阵列，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。

6.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器合束系统，其特征在于：所述平行六面棱镜的材料为玻璃，入射面和出射面均镀增透膜。