CN204088875U - 高功率高光束质量的多阵列合束激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种合束激光器，尤其是一种高功率高光束质量的多阵列合束激光器，属于激光的技术领域。按照本实用新型提供的技术方案，所述高功率高光束质量的多阵列合束激光器，包括若干激光二极管阵列；在每个激光二极管阵列的输出端面上均安装有快轴准直镜，在激光二极管阵列的光路上均设置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分别设置有平面反射器以及输出耦合镜阵列，所述输出耦合镜阵列与平面反射器分别位于光束分光器的两侧；在输出耦合镜阵列的外侧设置有汇聚透镜。本实用新型结构简单，能实现多个激光二极管阵列的高功率高光束质量输出，安全可靠。

Description

高功率高光束质量的多阵列合束激光器

技术领域

本实用新型涉及一种合束激光器，尤其是一种高功率高光束质量的多阵列合束激光器，属于激光的技术领域。

背景技术

高功率激光二极管阵列具有各种各样的优点：如使用寿命长，操作简单，效率高等。因此，高功率激光二极管阵列在材料加工、泵浦固态或光纤激光器、军事等领域应用广泛。然而激光二极管阵列的输出光的光束质量很差，限制了很多领域的应用。激光二极管阵列光束质量差的原因就是每个发光单元在慢轴方向宽度大约为80微米，而在快轴方向宽度约为1微米，因此慢轴方向有多个空间模，导致光束质量变差。

发明内容

本实用新型的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其结构简单，能实现多个激光二极管阵列的高功率高光束质量输出，安全可靠。

按照本实用新型提供的技术方案，所述高功率高光束质量的多阵列合束激光器，包括若干激光二极管阵列；在每个激光二极管阵列的输出端面上均安装有快轴准直镜，在激光二极管阵列的光路上均设置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分别设置有平面反射器以及输出耦合镜阵列，所述输出耦合镜阵列与平面反射器分别位于光束分光器的两侧；在输出耦合镜阵列的外侧设置有汇聚透镜。

每个激光二极管阵列内包括19或49个发光单元。所述快轴准直镜为焦距小于1mm的柱面镜、非球面透镜或梯度折射率透镜，快轴准直透镜固定在激光二极管阵列的输出端面上。

所述光束分光器包括六面体棱镜，所述六面体棱镜的侧面均镀有高反膜；激光二极管阵列对称分布在六面体棱镜的外侧，六面体棱镜能将每个激光二极管阵列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到输出耦合镜阵列的下支路光束。

所述平面反射器包括平面反射镜、平面闪耀光栅或体光栅。所述平面反射器的倾角为-10°～10°。

本实用新型的优点：采用了棱镜分束与平面反射器选模的方式使激光二极管阵列输出激光的光束质量可以提高，很容易扩展成多个激光二极管阵列同时输出光束质量很好的激光，而且多束激光通过输出耦合镜阵列容易进行合束，形成高功率高光束质量的激光，采用普通的光学元器件，价格低廉，结构简单，很容易推广到二维的激光二极管阵列，安全可靠。

附图说明

图1为本实用新型的实施结构图。

附图标记说明：1-第一激光二极管阵列、2-第一快轴准直透镜、3-第二快轴准直透镜、4-第二激光二极管阵列、5-第三激光二极管阵列、6-第三快轴准直透镜、7-第四快轴准直透镜、8-第四激光二极管阵列、9-第五激光二极管阵列、10-第五快轴准直透镜、11-第六快轴准直透镜、12-第六激光二极管阵列、13-第一光束分光器、14-第二光束分光器、15-第三光束分光器、16-第一平面反射器、17-第二平面反射器、18-第三平面反射器、19-第一输出耦合平面反射镜、20-第二输出耦合平面反射镜、21-第三输出耦合平面反射镜、22-第四输出耦合平面反射镜以及23-汇聚透镜。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

为了能实现多个激光二极管阵列的高功率高光束质量输出，本实用新型包括若干激光二极管阵列；在每个激光二极管阵列的输出端面上均安装有快轴准直镜，在激光二极管阵列的光路上均设置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分别设置有平面反射器以及输出耦合镜阵列，所述输出耦合镜阵列与平面反射器分别位于光束分光器的两侧；在输出耦合镜阵列的外侧设置有汇聚透镜。

具体地，每个激光二极管阵列内包括19或49个发光单元。所述快轴准直镜为焦距小于1mm的柱面镜、非球面透镜或梯度折射率透镜，快轴准直透镜固定在激光二极管阵列的输出端面上。

所述光束分光器包括六面体棱镜，所述六面体棱镜的侧面均镀有高反膜；激光二极管阵列对称分布在六面体棱镜的外侧，六面体棱镜能将每个激光二极管阵列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到输出耦合镜阵列的下支路光束。输出耦合镜阵列用于将下支路光束入射到汇聚透镜23上，以便通过汇聚透镜23对光线进行合束，得到高功率高光束质量的光线。

在具体实施时，光束分光器也可以采用其他的多面体棱镜。在x轴方向上，六面体棱镜的中心轴在x方向的高度与快轴准直镜的中心高度(在x轴方向)要保持一致，六面体棱镜的棱边距离快轴准直镜在z轴方向距离大约在4-6mm。对于平面反射器，只需要保证从六面体棱镜出来的上支路光束能够完全打到平面反射器上即可。本实用新型实施例中，所述平面反射器包括平面反射镜、平面闪耀光栅或体光栅。所述平面反射器的倾角为-10°～10°，所述平面反射器的倾角是指平面反射器的轴线与z轴方向的夹角。

汇聚透镜23可以采用球面透镜、非球面透镜或透镜组，通过汇聚透镜23将输出耦合镜阵列合束之后的光进行汇聚，以产生高的能量密度用于各种加工制造。

如图1所示，在Z轴方向上，设置有第一六面体棱镜13、第二六面体棱镜14以及第三六面体棱镜15，在第一六面体棱镜13的两侧设置第一激光二极管阵列1与第二激光二极管阵列4，第一激光二极管阵列1的输出端面上固定安装有第一快轴准直镜2，在第二激光二极管阵列4的输出端面上固定安装第二快轴准直镜3，第一平面反射器16位于第一六面体棱镜13的上方，第一输出耦合平面反射镜19与第二输出耦合平面反射镜20位于第一六面体棱镜13的下方。第一六面体棱镜13的四个侧面均镀有高反膜，第一六面体棱镜13的中心轴在X轴方向的高度与第一快轴准直镜2、第二快轴准直镜3相对应的在X轴方向的中心高度保持一致。通过第一六面体棱镜13的两侧面能将第一激光二极管阵列1的输出光束分成上支路光束与下支路光束，上支路光束能入射到第一平面反射器16上，下支路光束能入射到第一输出耦合平面反射镜19与第二输出耦合平面反射镜20间，光线经过汇聚透镜23进行汇聚。

与第一六面体棱镜13相似，在第二六面体棱镜14的两侧设置第三激光二极管阵列5与第四激光二极管阵列8，第三激光二极管阵列5的输出端面上固定安装第三快轴准直镜6，在第四激光二极管阵列8的输出端面上固定安装第四快轴准直镜7，第二平面反射器17位于第二六面体棱镜14的下方。

在第三六面体棱镜15的两侧设置第五激光二极管阵列9与第六激光二极管阵列12，在第五激光二极管阵列9的输出端面上固定安装有第五快轴准直镜10，在第六激光二极管阵列12的输出端面上固定安装有第六快轴准直镜11，第三平面反射器18位于第三六面体棱镜15的上方。

在具体实施时，上述的输出耦合镜阵列是一组反射率大于98％的输出耦合平面反射镜，输出耦合平面反射镜要求来自同一六面体棱镜的两下支路光束使用的两个输出耦合平面反射镜在x轴方向高度相同，不同六面体棱镜的输出光束的输出耦合镜阵列在x轴方向的位置应该错开，沿着z轴正方向越远，输出耦合镜阵列应该越靠下。至于在z轴以及y轴方向上，最关键的就是保证来自六面体棱镜输出的光全部打到输出耦合平面反射镜，如来自第二六面体棱镜14的光，完全能够打到第一输出耦合平面反射镜19与第二输出耦合平面反射镜20，不能有光漏出。来自第三六面体棱镜15的光，完全能够打到第三输出耦合平面反射镜21与第四输出耦合平面反射镜22，用来反射不同六面体棱镜光的平面反射镜之间的位置要错开，避免遮挡，如第二输出耦合平面反射镜列20要避免遮挡第四输出耦合平面反射镜22过来的光，第三输出耦合平面反射镜21要避免遮挡第一输出耦合平面反射镜19反射下来的光。

本实用新型实施例中，第一输出耦合平面反射镜19与第二输出耦合平面反射镜20间构成一个输出耦合镜阵列，第三输出耦合平面反射镜21与第四输出耦合平面反射镜22之间构成一个输出耦合镜阵列。输出耦合镜阵列用于把光束分光器输出的下支路光束输入到汇聚透镜23。当存在多个采用六面体棱镜的光束分光器后，需要增加相应的输出耦合镜阵列，以便能将光线入射到汇聚透镜23上。在具体实施时，如果光束分光器输出的下支路光束能直接打到汇聚透镜23上，则在汇聚透镜23与所述光束分光器间则可以不需要放置输出耦合镜阵列，具体可以根据实际情况进行选择设置，此处不再赘述。

以第一激光二极管阵列1、第一快轴准直镜2以及第一六面体棱镜13为例进行进一步说明。第一快轴准直镜2对第一激光二极管阵列1的快轴方向发出的光进行准直；其中，图中x轴方向为慢轴方向，y轴方向为快轴方向。第一快轴准直镜2将快轴方向可以准直到大约为0.5度左右的发散角。第一激光二极管阵列1是由19或49个发光二极管单元构成，19或49个独立的二极管沿着x轴方向排列形成一维阵列；所述第一快轴准直镜2固定于激光二极管阵列1的输出端。对于第一激光二极管阵列1内的每一个发光单元，在自由运转条件下，二极管的慢轴方向(y方向)一般都会有几十个空间模在振荡。每个模的远场分布都是一个双瓣结构(用两个支路表示)，不同阶数的侧向空间模，其空间辐射角不同，式(1)表示第m阶模的空间辐射角，其中，x₀表示发光单元在慢轴方向上的宽度，k₀表示波数。

${\mathrm{\θ}}_m=\±\frac{\mathrm{m\π}}{2x_0{k}_0}---\left(1\right)$

由于不同阶数的空间模，辐射角不同，因此可以通过调节第一平面反射器16的倾角，来选定某个空间模的一个瓣，将其反馈到第一激光二极管阵列1的各发光单元的有源区内，使其继续振荡放大，另一瓣作激光输出。根据模式竞争的理论，得到反馈的模式振荡被加强了，其它的模式被有效地抑制了，这样输出激光的空间模式数量就减少了很多，输出激光的光束质量就改善了很多。

第一六面体棱镜13的作用主要是将同一个模式的光两个支路分开，上支路光束入射到第一平面反射器16之后，某个模式的上支路光束与第一平面反射器16垂直，该模式的光被原路反馈回到谐振腔(所述谐振腔由指激光二极管的前后两个输出端面构成的，为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。)内进一步放大增强，从下支路光束输出。第二激光二极管阵列4的工作原理相同与第一激光二极管阵列1的工作原理一样。第一激光二极管阵列1、第二激光二极管阵列4共用一个第一六面体棱镜13，这两个激光二极管阵列的下支路光束的光束合成一束光。

在具体实施时，为了获得更高的功率输出，可以沿着z轴方向扩展，使多个激光二极管阵列的光束质量被改善，多个激光二极管阵列输出的光束，通过输出耦合镜阵列多个输出光束进行合束。

本实用新型采用了棱镜分束与平面反射器选模的方式使激光二极管阵列输出激光的光束质量可以提高，很容易扩展成多个激光二极管阵列同时输出光束质量很好的激光，而且多束激光通过输出耦合镜阵列容易进行合束，形成高功率高光束质量的激光，采用普通的光学元器件，价格低廉，结构简单，很容易推广到二维的激光二极管阵列，安全可靠。

Claims (6)

1.一种高功率高光束质量的多阵列合束激光器，包括若干激光二极管阵列；其特征是：在每个激光二极管阵列的输出端面上均安装有快轴准直镜，在激光二极管阵列的光路上均设置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分别设置有平面反射器以及输出耦合镜阵列，所述输出耦合镜阵列与平面反射器分别位于光束分光器的两侧；在输出耦合镜阵列的外侧设置有汇聚透镜。

2.根据权利要求1所述的高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其特征是：每个激光二极管阵列内包括19或49个发光单元。

3.根据权利要求1所述的高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其特征是：所述快轴准直镜为焦距小于1mm的柱面镜、非球面透镜或梯度折射率透镜，快轴准直透镜固定在激光二极管阵列的输出端面上。

4.根据权利要求1所述的高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其特征是：所述光束分光器包括六面体棱镜，所述六面体棱镜的侧面均镀有高反膜；激光二极管阵列对称分布在六面体棱镜的外侧，六面体棱镜能将每个激光二极管阵列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到输出耦合镜阵列的下支路光束。

5.根据权利要求1所述的高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其特征是：所述平面反射器包括平面反射镜、平面闪耀光栅或体光栅。

6.根据权利要求1所述的高功率高光束质量的多阵列合束激光器，其特征是：所述平面反射器的倾角为-10°~10°。