一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法，通過(guò)該方法可以得到均勻性好，能量密度大，光束直徑縮小一半的激光合束光源。該高功率半導(dǎo)體激光合束方法，包括：將半導(dǎo)體激光器疊陣的各個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的激光光束分別進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直；將準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)合束裝置，使得一部分激光光束沿入射光軸水平出射或者發(fā)生雙折射后水平出射并具有豎直方向上的位移，另一部分激光光束發(fā)生兩次全反射后與所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明專(zhuān)利屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法。
【背景技術(shù)】
[0002]半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、可靠性高、使用壽命長(zhǎng)、功耗低的優(yōu)點(diǎn)，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，但是當(dāng)前半導(dǎo)體激光器的推廣應(yīng)用受到其光束質(zhì)量的制約，所以提高半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量、亮度和功率為當(dāng)下重要的研究方向。激光合束技術(shù)近年來(lái)發(fā)展迅速，它是一個(gè)改善光束質(zhì)量、增加輸出功率、提高功率密度的過(guò)程。激光合束技術(shù)在激光加工和高功率光纖耦合產(chǎn)品中已得到廣泛應(yīng)用。
[0003]目前常用的激光合束方法有偏振合束，波長(zhǎng)合束和空間合束。常見(jiàn)的偏振合束裝置由1/2玻片和偏振分光棱鏡(PBS)組成，一部分激光通過(guò)1/2玻片將偏振態(tài)由TE變?yōu)門(mén)M(或TM變?yōu)門(mén)E)，再與另一部分激光進(jìn)行合束。由于半導(dǎo)體激光器的激光光源偏振度約為90%,比如半導(dǎo)體激光器發(fā)出的偏振態(tài)為T(mén)E的偏振光一般包含90%的TE偏振光和10%的TM偏振光，因此若米用偏振合束,光能損失較大，僅適用于快軸方向的合束，且輸出光為混合偏振光，不能再次與其他光源進(jìn)行偏振合束；當(dāng)使用半導(dǎo)體激光疊陣作為光源時(shí)，輸出光斑仍保留bar與bar之間的發(fā)光死區(qū)，均勻度較差。波長(zhǎng)合束是不同波長(zhǎng)的激光進(jìn)行合束，但是在要求激光具有單一波長(zhǎng)的場(chǎng)合無(wú)法應(yīng)用，使其在應(yīng)用領(lǐng)域具有局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法，通過(guò)該方法可以得到均勻性好，能量密度大，光束直徑縮小一半的激光合束光源。方案如下:
[0005]該高功率半導(dǎo)體激光合束方法，包括:
[0006]將半導(dǎo)體激光器疊陣的各個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的激光光束分別進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直；
[0007]將準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)合束裝置，使得一部分激光光束沿入射光軸水平出射或者發(fā)生雙折射后水平出射并具有豎直方向上的位移，另一部分激光光束發(fā)生兩次全反射后與所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
[0008]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定和具體實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的舉例:
[0009]上述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述的半導(dǎo)體激光器芯片為一個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0010]上述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直透鏡為單陣列柱面透鏡。
[0011]第一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu):
[0012] 合束裝置包括一個(gè)反射間隔膜層鏡和一個(gè)全反射鏡，所述反射間隔膜層鏡是在平板透鏡的下表面間隔鍍反射膜，反射膜的數(shù)量為半導(dǎo)體激光單元的一半，反射膜的間距與其自身寬度相等；反射間隔膜層鏡和全反射鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向均呈45°放置，并且分別對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體激光器疊陣的堆疊高度的上半部分和下半部分，各個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡組分別準(zhǔn)直后仍保持等間距，上半部分的光經(jīng)反射間隔膜層鏡兩次折射后平行透射，下半部分依次經(jīng)全反射鏡、反射間隔膜層鏡反射膜進(jìn)行兩次反射后與上半部分的透射光插空合束。
[0013]該合束裝置的位置最好滿(mǎn)足以下坐標(biāo)關(guān)系:
[0014]以半導(dǎo)體激光器疊陣上半部分的最下端的半導(dǎo)體激光單元出光光軸為X軸，X軸與反射間隔膜層鏡的交匯點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)0，Y軸方向?yàn)榘雽?dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向，由此確定出二維坐標(biāo)系；則半導(dǎo)體激光器疊陣下半部分最下端的半導(dǎo)體激光單元出光光軸與全反射鏡的鏡面交匯點(diǎn)坐標(biāo)為
[0015]
【權(quán)利要求】
1.一種高功率半導(dǎo)體激光合束方法，包括: 將半導(dǎo)體激光器疊陣的各個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的激光光束分別進(jìn)行快慢軸準(zhǔn)直； 將準(zhǔn)直后的激光光束通過(guò)合束裝置，使得一部分激光光束沿入射光軸水平出射或者發(fā)生雙折射后水平出射并具有豎直方向上的位移，另一部分激光光束發(fā)生兩次全反射后與所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述的半導(dǎo)體激光器芯片為一個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個(gè)單管芯片、微型巴條或者巴條。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直透鏡為單陣列柱面透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于: 所述合束裝置包括一個(gè)反射間隔膜層鏡和一個(gè)全反射鏡，所述反射間隔膜層鏡是在平板透鏡的下表面間隔鍍反射膜，反射膜的數(shù)量為半導(dǎo)體激光單元的一半，反射膜的間距與其自身寬度相等；反射間隔膜層鏡和全反射鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向均呈45°放置，并且分別對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體激光器疊陣的堆疊高度的上半部分和下半部分，各個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡組分別準(zhǔn)直后仍保持等間距，上半部分的光經(jīng)反射間隔膜層鏡兩次折射后平行透射，下半部分依次經(jīng)全反射鏡、反射間隔膜層鏡反射膜進(jìn)行兩次反射后與上半部分的透射光插空合束。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于，所述合束裝置的位置滿(mǎn)足以下坐標(biāo)關(guān)系: 以半導(dǎo)體激光器疊陣上半部分的最下端的半導(dǎo)體激光單元出光光軸為X軸，X軸與反射間隔膜層鏡的交匯點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)O，Y軸方向?yàn)榘雽?dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向，由此確定出二維坐標(biāo)系；則半導(dǎo)體激光器疊陣下半部分最下端的半導(dǎo)體激光單元出光光軸與全反射鏡的鏡面交匯點(diǎn)坐標(biāo)為
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于，反射膜的間隙鍍?cè)鐾改?，鍍膜寬度滿(mǎn)足以下關(guān)系: √ 2d≤a≤ √2w
且 a = b, w>d 其中，d為半導(dǎo)體激光單元準(zhǔn)直后的光束直徑，a增透膜區(qū)寬度，b為反射膜區(qū)寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:所述合束裝置采用棱鏡組合實(shí)現(xiàn)，所述棱鏡組合為N個(gè)等高等厚的平行六面棱鏡相互平行等間距放置，并且放置位置依次在豎直方向上有固定的向上位移。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:所述合束裝置包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次平行等間距排布的N個(gè)平行六面棱鏡，并在半導(dǎo)體激光器堆疊高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱鏡有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣；其中上部側(cè)面與所述出光方向成45°夾角，下部側(cè)面與上部側(cè)面的夾角為135° ； 合束裝置中平行六面棱鏡的個(gè)數(shù)N與半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)m滿(mǎn)足關(guān)系: m為偶數(shù)，則N = m/2 ;或者m為奇數(shù),則N = m/2-l ； N個(gè)平行六面棱鏡厚度、高度均相等且滿(mǎn)足以下關(guān)系: 厚度滿(mǎn)足關(guān)系:d < a < w+d 高度滿(mǎn)足關(guān)系:h = (m-1) (w+d) 位置關(guān)系需滿(mǎn)足以下坐標(biāo)關(guān)系:以第一片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端為原點(diǎn)O,則第N片平行六面棱鏡的上部側(cè)面的最下端M點(diǎn)的坐標(biāo)值滿(mǎn)足y = (N-1) (w+d)x^a 其中，m為半導(dǎo)體激光器疊陣中半導(dǎo)體激光單元個(gè)數(shù)，N為平行六面棱鏡個(gè)數(shù)，w為相鄰半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的光束間距，d為半導(dǎo)體激光器單元發(fā)出的激光光束直徑，a為每個(gè)平行六面棱鏡的厚度，h為每個(gè)平行六面棱鏡的高度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所 述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:所述合束裝置為一個(gè)平行六面棱鏡和若干三棱鏡的組合，平行六面棱鏡有兩個(gè)相鄰的側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣，其下半部分的側(cè)面與激光光束的光軸垂直，上半部分的側(cè)面與激光光束的光軸成45°夾角，三棱鏡個(gè)數(shù)為半導(dǎo)體激光器疊陣中激光單元個(gè)數(shù)的一半，出光面均緊密貼合于所述平行六面棱鏡上部的側(cè)面上，入光面均與激光光束的光軸垂直，單個(gè)棱鏡在高度方向上分別對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體激光器疊陣的上半部分的單個(gè)半導(dǎo)體激光單元發(fā)出的激光光束直徑。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的高功率半導(dǎo)體激光合束方法，其特征在于:半導(dǎo)體激光器疊陣由偶數(shù)個(gè)半導(dǎo)體激光器單元組成，則平行六面棱鏡的厚度t和寬度L滿(mǎn)足:
【文檔編號(hào)】G02B27/28GK103944066SQ201410195567
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】蔡磊, 劉興勝, 楊凱, 王警衛(wèi), 李小寧 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司