專利名稱：一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半導(dǎo)體激光光束復(fù)合裝置，采用空間復(fù)合的方法設(shè) 計(jì)出一種新型的激光光束復(fù)合裝置，此裝置能將四種波長的八個(gè)半導(dǎo)體激光 陣列發(fā)出的光合成一束輸出，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
近年來，半導(dǎo)體激光器由于體積小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換率高及壽命長等優(yōu) 點(diǎn)而廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。尤其是大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于材料加工、 醫(yī)療以及泵浦固體激光已經(jīng)成為目前國際上研究的熱點(diǎn)。如何進(jìn)一步增加半 導(dǎo)體激光功率、提高光束質(zhì)量以及能量密度，已成為目前半導(dǎo)體激光領(lǐng)域急
需解決的問題。對于一個(gè)大功率半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，通常我們采用先將多個(gè)Bar 疊加在一起，形成堆棧，然后采用空間復(fù)合的方法將多個(gè)堆棧發(fā)出的光耦合 成一束，從而增加了功率也提高了能量密度。目前國內(nèi)外為了實(shí)現(xiàn)大功率半 導(dǎo)體激光系統(tǒng)，大多采用空間合束的方法，而且主要針對兩種波長或者三種 波長經(jīng)過波長耦合和偏振耦合來實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都比較簡易，而且合束 前的各光束光程不同。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型主要是克服上述缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置， 采用偏振復(fù)合和波長復(fù)合相結(jié)合的方法將四種波長的八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列進(jìn) 行空間組合，實(shí)現(xiàn)高功率、高能量密度的單光束輸出，并使每各束光在合束 前所經(jīng)過的光程相同，而且每束光的束腰重合在同一位置。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型釆取了如下技術(shù)方案。本裝置包括第一 半導(dǎo)體激光陣列、第二半導(dǎo)體激光陣列、第三半導(dǎo)體激光陣列、第四半導(dǎo)體 激光陣列、第五半導(dǎo)體激光陣列、第六半導(dǎo)體激光陣列、第七半導(dǎo)體激光陣 列、第八半導(dǎo)體激光陣列、第一波長耦合器、第二波長耦合器、第三波長耦 合器、第四波長耦合器、第五波長耦合器、第六波長耦合器、偏振耦合器、 波片和光束整形裝置A。所述的八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列均輸出P態(tài)光或S態(tài)光。其中第一半導(dǎo)體激光陣列和第二半導(dǎo)體激光陣列的波長為A，第三半導(dǎo)體激 光陣列和第四半導(dǎo)體激光陣列的波長為^ ，第五半導(dǎo)體激光陣列和第六半導(dǎo)
體激光陣列的波長為;i3，第七半導(dǎo)體激光陣列和第八半導(dǎo)體激光陣列的波長
為義4 。由第一半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為4的光束和第三半導(dǎo)體激光陣列整 形后波長為^的光束通過第一波長耦合器后得到波長為& ^的合束光，第五半 導(dǎo)體激光陣列整形后波長為&的光束和第七半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為義4 的光束通過第二波長耦合器后得到波長為^A的合束光。兩束合束光4^和 ^A再次經(jīng)過第五波長耦合器合束為第一光束a。依此類推，由第二半導(dǎo)體激 光陣列整形后波長為&的光束和第四半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為^的光束 通過第三波長耦合器后得到波長為4^的合束光，同時(shí)第六半導(dǎo)體激光陣列整 形后波長為^的光束和第八半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為義4的光束通過第四 波長耦合器后得到波長為^ A的合束光，上述兩束合束光4 ^和A義4再次經(jīng)過
第六波長耦合器合束為第二光束b，第一光束a和第二光束b最后通過偏振耦 合器進(jìn)行合束，但由于本方案中的八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列均輸出P態(tài)光或者S 態(tài)光，所以合束前其中的一束光要先經(jīng)過波片來改變其原有的偏振態(tài)，然后 再進(jìn)行偏振合束。其中的第一波長耦合器和第三波長耦合器對波長^透射而對 波長^反射，第二波長耦合器和第四波長耦合器對波長4透射而對波長義4反 射，第五波長耦合器和第六波長耦合器對波長4 4透射而對波長4人反射。其 中的波長耦合器可以是一種格蘭-泰勒棱鏡、薄膜式偏振片、具有偏振作用的 膜層或者天然雙折射晶體。光束整形裝置是一種透鏡組合或者一種能夠均勻 快慢軸光束質(zhì)量的陣列。
本實(shí)用新型的另一技術(shù)方案如下包括輸出P態(tài)光的第一半導(dǎo)體激光陣
列、第三半導(dǎo)體激光陣列、第五半導(dǎo)體激光陣列和第七半導(dǎo)體激光陣列、輸
出s態(tài)光的第二半導(dǎo)體激光陣列、第四半導(dǎo)體激光陣列、第六半導(dǎo)體激光陣
列和第八半導(dǎo)體激光陣列、以及第一波長耦合器、第二波長耦合器、第三波 長耦合器、第四波長耦合器、第五波長耦合器、第六波長耦合器、偏振耦合
器和光束整形裝置A。其中第一半導(dǎo)體激光陣列和第二半導(dǎo)體激光陣列的波
長為4，第三半導(dǎo)體激光陣列和第四半導(dǎo)體激光陣列的波長為4，第五半導(dǎo)體激光陣列和第六半導(dǎo)體激光陣列的波長為^，第七半導(dǎo)體激光陣列和第八半 導(dǎo)體激光陣列的波長為A。
由第一半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為^的光束和第三半導(dǎo)體激光陣列整 形后波長為&的光束通過第一波長耦合器合束為光束& & ，第五半導(dǎo)體激光陣 列整形后波長為&的光束和第七半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為&的光束通過 第二波長耦合器合束為光束^ A4 ，兩束合束光^ 4和^人再次經(jīng)過第五波長耦
合器合束為第一光束a。由第二半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為4的光束和第四 半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為^的光束通過第三波長耦合器合束為光束A ^ ， 同時(shí)第六半導(dǎo)體激光陣列整形后波長為&的光束和第八半導(dǎo)體激光陣列整形 后波長為義4的光束通過第四波長耦合器合束為光束^ A ，合束光^ ^和^義4再
次經(jīng)過第六波長耦合器合束為第二光束；第一光束和第二光束通過偏振耦合 器合為第三光束C輸出。
本實(shí)用新型通過將八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列接光束整形進(jìn)行對稱排列放置， 同時(shí)利用波長耦合器和偏振耦合器實(shí)現(xiàn)了將多束不同波長的半導(dǎo)體激光陣列 輸出的光合成為一束高光束質(zhì)量、高功率密度的光束。此合成光束經(jīng)過透鏡 聚焦后可得到一個(gè)高亮度的對稱型光斑。

圖l為本實(shí)用新型第一種實(shí)施方式的光路原理圖
圖2為本實(shí)用新型第二種實(shí)施方式的光路原理圖
圖中1、第一半導(dǎo)體激光陣列，2、第二半導(dǎo)體激光陣列，3、第三半導(dǎo)
體激光陣列，4、第四半導(dǎo)體激光陣列，5、第五半導(dǎo)體激光陣列，6、第六半 導(dǎo)體激光陣列，7、第七半導(dǎo)體激光陣列，8、第八半導(dǎo)體激光陣列，9、第一 波長耦合器，A、光束整形裝置，10、第二波長耦合器，11、第三波長耦合器， 12、第四波長耦合器，13、第五波長耦合器，14、第六波長耦合器，15、偏 振耦合器，16、波片。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明 實(shí)施例l:本實(shí)施例所采用的技術(shù)方案如圖1所示:包括有波長為A的第一半導(dǎo)體激 光陣列1和第二半導(dǎo)體激光陣列2、波長為^的第三半導(dǎo)體激光陣列3和第四 半導(dǎo)體激光陣列4 、波長為々的第五半導(dǎo)體激光陣列5和第六半導(dǎo)體激光陣 列6 、波長為人的第七半導(dǎo)體激光陣列7和第八半導(dǎo)體激光陣列8、光束整 形裝置A、第一波長耦合器9、第二波長耦合器IO、第三波長耦合器ll、第 四波長耦合器12、第五波長耦合器13、第六波長耦合器14、偏振耦合器15 以及波片16。本實(shí)施例中的八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列均輸出P態(tài)光或S態(tài)光。
如圖1所示，第一半導(dǎo)體激光陣列l(wèi)、第二半導(dǎo)體激光陣列2、第七半導(dǎo) 體激光陣列7及第八半導(dǎo)體激光陣列8均平行布置；第三半導(dǎo)體激光陣列3、 第四半導(dǎo)體激光陣列4、第五半導(dǎo)體激光陣列5及第六半導(dǎo)體激光陣列6也均 平行布置。第一半導(dǎo)體激光陣列1與第三半導(dǎo)體激光陣列3垂直布置，其中 從第一半導(dǎo)體激光陣列1和第三半導(dǎo)體激光陣列3發(fā)出的相互垂直的兩束光 與第一波長耦合器9之間的夾角均為45度。第五半導(dǎo)體激光陣列5與第七半 導(dǎo)體激光陣列7垂直布置，其中從第五半導(dǎo)體激光陣列5和第七半導(dǎo)體激光 陣列7發(fā)出的相互垂直的兩束光與第二波長耦合器10之間的夾角均為45度。 第二半導(dǎo)體激光陣列2和第四半導(dǎo)體激光陣列4垂直布置，從第二半導(dǎo)體激 光陣列2和第四半導(dǎo)體激光陣列4發(fā)出的相互垂直的兩束光與第三波長耦合 器11之間的夾角均為45度。第六半導(dǎo)體激光陣列6與第八半導(dǎo)體激光陣列8 垂直布置，從第六半導(dǎo)體激光陣列6和第八半導(dǎo)體激光陣列8發(fā)出的相互垂 直的兩束光與第四波長耦合器12之間的夾角也均為45度。偏振耦合器15放 置在第五波長耦合器13和第六波長耦合器14之間，讓合束光a 、 b分別垂 直入射其中。波片16緊貼著波長耦合器放置，使波片的表面與a、 b中的任 何一束光相垂直。
光束整形裝置A是一種透鏡組合或者一種能夠均勻快慢軸光束質(zhì)量的陣 列。波長耦合器能將兩束不同波長的光合成一束，并沿著其中一束入射光的 方向繼續(xù)傳播。波長耦合器緊接在兩個(gè)相互垂直的光束整形裝置之后，并且 放置在從兩個(gè)光束整形器中發(fā)出的互相垂直的兩束光束之間，與每束光的夾 角為45度。本實(shí)施例的光的傳播過程為由第一半導(dǎo)體激光陣列1整形后波長為4的 光束和第三半導(dǎo)體激光陣列3整形后波長為^的光束通過第一波長耦合器9合
束，同時(shí)第五半導(dǎo)體激光陣列5整形后波長為^的光束和第七半導(dǎo)體激光陣列 7整形后波長為人的光束通過第二波長耦合器10合束，上述兩束合束光4A和 4義4再次經(jīng)過第五波長耦合器13的作用，輸出合束光束a;與此同時(shí)，由第二 半導(dǎo)體激光陣列2整形后波長為&的光束和第四半導(dǎo)體激光陣列4整形后波長 為^的光束通過第三波長耦合器ll合束，同時(shí)第六半導(dǎo)體激光陣列6整形后波 長為4的光束和第八半導(dǎo)體激光陣列8整形后波長為^的光束通過第四波長 耦合器12合束，上述兩束合束光^ A和^ 24再次經(jīng)過第六波長耦合器14的作 用，輸出合束光束b。然后合束光b經(jīng)過波片16的作用后改變了偏振態(tài)，并與 合束光a相互垂直入射到偏振耦合器15中，偏振耦合器15將這兩種偏振態(tài)的光 束合為一束，得到輸出光束c。
實(shí)施例2:
本實(shí)施例與實(shí)施例1的區(qū)別在于第一半導(dǎo)體激光陣列1、第三半導(dǎo)體激
光陣列3、第五半導(dǎo)體激光陣列5和第七半導(dǎo)體激光陣列7輸出P態(tài)光，第 二半導(dǎo)體激光陣列2、第四半導(dǎo)體激光陣列4、第六半導(dǎo)體激光陣列6和第八 半導(dǎo)體激光陣列8輸出S態(tài)光，所以本實(shí)施例中不需要波片16來改變第一光 束a或第二光束b的偏振態(tài)，而是兩束光直接通過偏振耦合器合束輸出。其 它結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同。
權(quán)利要求1、一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于包括第一半導(dǎo)體激光陣列(1)、第二半導(dǎo)體激光陣列(2)、第三半導(dǎo)體激光陣列(3)、第四半導(dǎo)體激光陣列(4)、第五半導(dǎo)體激光陣列(5)、第六半導(dǎo)體激光陣列(6)、第七半導(dǎo)體激光陣列(7)、第八半導(dǎo)體激光陣列(8)、第一波長耦合器(9)、第二波長耦合器(10)、第三波長耦合器(11)、第四波長耦合器(12)、第五波長耦合器(13)、第六波長耦合器(14)、偏振耦合器(15)、波片(16)和光束整形裝置(A)；所述的八個(gè)半導(dǎo)體激光陣列均輸出P態(tài)光或S態(tài)光；其中第一半導(dǎo)體激光陣列(1)和第二半導(dǎo)體激光陣列(2)的波長為λ1，第三半導(dǎo)體激光陣列(3)和第四半導(dǎo)體激光陣列(4)的波長為λ2，第五半導(dǎo)體激光陣列(5)和第六半導(dǎo)體激光陣列(6)的波長為λ3，第七半導(dǎo)體激光陣列(7)和第八半導(dǎo)體激光陣列(8)的波長為λ4；由第一半導(dǎo)體激光陣列(1)整形后波長為λ1的光束和第三半導(dǎo)體激光陣列(3)整形后波長為λ2的光束通過第一波長耦合器(9)合束為光束λ1λ2，第五半導(dǎo)體激光陣列(5)整形后波長為λ3的光束和第七半導(dǎo)體激光陣列(7)整形后波長為λ4的光束通過第二波長耦合器(10)合束為光束λ3λ4，兩束合束光λ1λ2和λ3λ4再次經(jīng)過第五波長耦合器(13)合束為第一光束(a)；由第二半導(dǎo)體激光陣列(2)整形后波長為λ1的光束和第四半導(dǎo)體激光陣列(4)整形后波長為λ2的光束通過第三波長耦合器(11)合束為光束λ1λ2，同時(shí)第六半導(dǎo)體激光陣列(6)整形后波長為λ3的光束和第八半導(dǎo)體激光陣列(8)整形后波長為λ4的光束通過第四波長耦合器(12)合束為光束λ3λ4，合束光λ1λ2和λ3λ4再次經(jīng)過第六波長耦合器(14)合束為第二光束(b)；第一光束(a)和第二光束(b)中的任何一束通過波片(13)改變偏振態(tài)后再經(jīng)過偏振耦合器(15)合為第三光束(c)輸出。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于所 述的偏振耦合器(15)是一種格蘭-泰勒棱鏡、薄膜式偏振片、具有偏振作用 的膜層或者天然雙折射晶體。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于所 述的光束整形裝置(A)是一種透鏡組合或者一種能夠均勻快慢軸光束質(zhì)量的 陣列。
4、 一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于包括輸出P態(tài)光的第一半 導(dǎo)體激光陣列(1)、第三半導(dǎo)體激光陣列(3)、第五半導(dǎo)體激光陣列(5)和第七半導(dǎo)體激光陣列(7)、輸出S態(tài)光的第二半導(dǎo)體激光陣列(2)、第四半 導(dǎo)體激光陣列(4)、第六半導(dǎo)體激光陣列(6)和第八半導(dǎo)體激光陣列(8)、 以及第一波長耦合器(9)、第二波長耦合器(10)、第三波長耦合器(11)、 第四波長耦合器(12)、第五波長耦合器(13)、第六波長耦合器(14)、偏振 耦合器(15)和光束整形裝置(A);其中第一半導(dǎo)體激光陣列(1)和第二 半導(dǎo)體激光陣列(2)的波長為^，第三半導(dǎo)體激光陣列(3)和第四半導(dǎo)體激 光陣列(4)的波長為^，第五半導(dǎo)體激光陣列(5)和第六半導(dǎo)體激光陣列 (6)的波長為^，第七半導(dǎo)體激光陣列(7)和第八半導(dǎo)體激光陣列(8)的 波長為^;由第一半導(dǎo)體激光陣列(1)整形后波長為A的光束和第三半導(dǎo)體激光陣 列(3)整形后波長為^的光束通過第一波長耦合器(9)合束為光束4A，第 五半導(dǎo)體激光陣列(5)整形后波長為^的光束和第七半導(dǎo)體激光陣列(7) 整形后波長為^的光束通過第二波長耦合器(10)合束為光束^A，兩束合 束光A^和^A再次經(jīng)過第五波長耦合器(13)合束為第一光束(a);由第 二半導(dǎo)體激光陣列(2)整形后波長為4的光束和第四半導(dǎo)體激光陣列(4)整 形后波長為^的光束通過第三波長耦合器(11)合束為光束A^，同時(shí)第六半 導(dǎo)體激光陣列(6)整形后波長為4的光束和第八半導(dǎo)體激光陣列(8)整形 后波長為^的光束通過第四波長耦合器(12)合束為光束4A，合束光AA和 zl3義4再次經(jīng)過第六波長耦合器(14)合束為第二光束(b);第一光束(a)和 第二光束(b)通過偏振耦合器(15)合為第三光束(c)輸出。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于所 述的偏振耦合器(15)是一種格蘭-泰勒棱鏡、薄膜式偏振片、具有偏振作用 的膜層或者天然雙折射晶體。
6、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種大功率半導(dǎo)體激光復(fù)合裝置，其特征在于所 述的光束整形裝置(A)是一種透鏡組合或者一種能夠均勻快慢軸光束質(zhì)量的 陣列。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種大功率半導(dǎo)體激光光束復(fù)合裝置，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。包括八個(gè)半導(dǎo)體二維陣列即半導(dǎo)體堆棧、八個(gè)光束整形裝置、六個(gè)波長耦合器及一個(gè)偏振耦合器。該裝置首先將不同波長的光兩兩進(jìn)行一次合束，得到四束合束光，然后將此合束光再進(jìn)行第二次兩兩合束，得到兩束不同偏振態(tài)的光。最后通過偏振耦合器將這兩束光耦合成一束。本裝置的優(yōu)點(diǎn)在于每束光的傳播光程是相同的，使它在增加輸出功率的同時(shí)大大提高了功率密度及光束質(zhì)量。此裝置還具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G02B5/30GK201345006SQ20092010495
公開日2009年11月11日 申請日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者劉友強(qiáng), 曹銀花, 王智勇, 許春曉 申請人:嘉興大合激光設(shè)備有限公司