一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大倍率的擴(kuò)束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，成本較低。本發(fā)明的原理是：激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)第一組分光模塊的分光鏡后，一半的光直接透射，另一半光反射后進(jìn)入反射器，進(jìn)入反射器的光再次反射，與另一半透射光并行出射完成一次2倍擴(kuò)束后入射至第二組分光模塊再次進(jìn)行擴(kuò)束，以此方式進(jìn)行多次擴(kuò)束。
【專利說(shuō)明】一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種激光擴(kuò)束裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]激光具有單色性好，方向性好，相干性好，亮度高的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。激光器發(fā)出的光束直徑很小，通常為1_2_，在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)域中，比如激光加工，激光檢測(cè)和激光照明等，需要使用較大直徑的激光光束，這就需要擴(kuò)束系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在激光加工應(yīng)用中，為了提高加工效率，需要利用擴(kuò)束系統(tǒng)增大激光光斑；在激光照明應(yīng)用中，要求激光光斑較大并且均勻，需要擴(kuò)束系統(tǒng)擴(kuò)展光斑直徑，再作為光源使用。激光擴(kuò)束系統(tǒng)不但可以擴(kuò)展激光束的直徑，而且改善激光束的空間發(fā)散角，使光束的準(zhǔn)直性得到進(jìn)一步改善。
[0003]目前常用的激光擴(kuò)束系統(tǒng)為倒伽利略結(jié)構(gòu)。倒伽利略結(jié)構(gòu)包括一個(gè)輸入的凹透鏡和一個(gè)輸出的凸透鏡，凹透鏡進(jìn)行發(fā)散，凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直。這種擴(kuò)束方法中激光器發(fā)出的激光可以先加凸透鏡進(jìn)行準(zhǔn)直，再用擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，也可以直接通過(guò)擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)直，在小倍率的擴(kuò)束需求中，可以改善發(fā)散角和增大光斑。但是在這種方法中擴(kuò)束的光斑大小與透鏡的口徑有直接關(guān)系，擴(kuò)束光斑越大，所需要的透鏡口徑越大；并且擴(kuò)束光束大小與透鏡組間距有關(guān)，間距越大，擴(kuò)束光斑越大。如果需求較大面積的光斑，會(huì)使得擴(kuò)束系統(tǒng)鏡筒長(zhǎng)度較長(zhǎng)，體積較大。由于以上因素的制約，這種擴(kuò)束系統(tǒng)不適用于大倍率的擴(kuò)束，會(huì)造成系統(tǒng)體積大，使用不方便，并且透鏡的加工材料一般使用玻璃，制作大倍率擴(kuò)束的透鏡成本較聞。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)大倍率的擴(kuò)束，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，體積小，成本較低。
[0005]本發(fā)明的原理是:激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)第一組分光模塊的分光鏡后，一半的光直接透射，另一半光反射后進(jìn)入反射器，進(jìn)入反射器的光再次反射，與另一半透射光并行出射完成一次2倍擴(kuò)束后入射至第二組分光模塊再次進(jìn)行擴(kuò)束，以此方式進(jìn)行多次擴(kuò)束。
[0006]實(shí)現(xiàn)方案如下:
[0007]該高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述分光系統(tǒng)包括沿激光出光方向依次設(shè)置的η組分光模塊，每組分光模塊包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角；激光光束經(jīng)過(guò)分光器后，一半能量的光直接透射，另一半能量的光反射至反射器后再次反射，與分光器直接透射的光平行出射；
[0008]第一組分光模塊的分光器與半導(dǎo)體激光器疊陣的堆疊高度相當(dāng)；各組分光模塊尺寸依次成倍增大，第m組分光模塊出光光束入射至第m+Ι組分光模塊的分光器上，I ( m<n,m為分光模塊的排列序號(hào)，排列序號(hào)按照激光依次通過(guò)的順序進(jìn)行排號(hào)。
[0009]基于上述基本方案，本發(fā)明還進(jìn)一步作如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0010]分光模塊可以有以下兩類實(shí)現(xiàn)方式。
[0011]第一類..[0012]分光模塊中，反射器可以采用全反射平面鏡或者全反射棱鏡。全反射平面鏡的材料可以采用玻璃或金屬，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或者鋁；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜。
[0013]分光模塊中，反射器也可以采用偏振器件；半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TE光，則偏振器件對(duì)TE光全反射；或者半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TM光,則偏振器件對(duì)TM光全反射。偏振器件具體可以是偏振片、偏振鏡或者偏振合束器。
[0014]分光模塊中，分光器可以米用分光鏡，分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半透半反膜，半透半反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
[0015]第二類:
[0016]分光模塊也可以采用棱鏡組合整體實(shí)現(xiàn)分光器和反射器的功能，棱鏡組合中各個(gè)棱鏡之間緊密貼合，使得整體上具有一個(gè)側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，具有另一個(gè)側(cè)面與所述入光面平行作為分光模塊的出光面(按照上述基本方案，第一組分光模塊的入光面和出光面均與半導(dǎo)體激光器疊陣的堆疊高度相當(dāng)，各組分光模塊的入光面和出光面尺寸依次成倍增大)；棱鏡組合內(nèi)部存在一個(gè)貼合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與分光面平行且所述入光面相鄰的一個(gè)側(cè)面作為反射器的反射面。
[0017]這一類的分光模塊優(yōu)選平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，平行六面棱鏡具有唯一側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，與該側(cè)面夾角為銳角的相鄰側(cè)面上緊密貼合所述三棱鏡，貼合面上鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與該側(cè)面夾角為鈍角的相鄰側(cè)面作為反射器的反光面；三棱鏡還具有一個(gè)與所述激光出光方向垂直的外側(cè)面，作為分光模塊的出光面。
[0018]上述分光器的分光面和反射器的反射面最好均與激光出光方向成45°角設(shè)置。對(duì)于上述平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，相當(dāng)于是采用內(nèi)夾角為45°和135°的平行六面棱鏡來(lái)保證了分光面和反射面均與激光出光方向成45°角。
[0019]上述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡的組合或兩者之一，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡為準(zhǔn)直D型非球面透鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0020]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0021]I)可以進(jìn)行大倍率的擴(kuò)束；
[0022]2)擴(kuò)束光斑均勻，尺寸可根據(jù)需求自由調(diào)整；
[0023]3)擴(kuò)束系統(tǒng)的長(zhǎng)度僅與單個(gè)分光鏡的直徑有關(guān)，并且此長(zhǎng)度不受擴(kuò)束光斑大小的影響，這樣在大倍率擴(kuò)束系統(tǒng)中大大縮短了鏡筒的長(zhǎng)度，減小了系統(tǒng)體積；
[0024]4)分光面鍍膜生產(chǎn)工藝成熟，降低了系統(tǒng)的成本。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1為實(shí)施例一的示意圖。[0026]圖2為實(shí)施例二的示意圖。
[0027]圖3為實(shí)施例三的示意圖。
[0028]圖4為實(shí)施例四的示意圖。
[0029]圖5為實(shí)施例五的示意圖。
[0030]圖6為實(shí)施例六的示意圖。
[0031]附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明I為半導(dǎo)體激光器；2為準(zhǔn)直透鏡組；3為分光系統(tǒng)；4為快軸準(zhǔn)直鏡；5慢軸準(zhǔn)直鏡；6為分光器；7為反射器；8為分光面；9為出光面；10為反射面；11為入光面
【具體實(shí)施方式】:
[0032]一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束裝置:包括半導(dǎo)體激光器疊陣，準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)組成。所述的半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述的準(zhǔn)直透鏡組放置于半導(dǎo)體激光器激光出射處；所述分光系統(tǒng)放置于準(zhǔn)直后的激光光束出射方向，包括n組分光模塊，每組分光模 塊包括一個(gè)分光器和一個(gè)反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角，第m((l<m〈n)組分光模塊出光光束入射至第m+Ι組分光模塊的分光器上，各組分光模塊尺寸依次成倍增大
[0033]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。
[0034]所述的分光器的透射率為50%，反射率為50% ;所述的反射器的反射率為100%，反射器可以是全反射鏡，全反射棱鏡，也可以是偏振器件，具體可以是偏振片、偏振鏡或者偏振合束器。
[0035]最終，在第η組分光模塊處將光束光斑擴(kuò)大至η+1倍。
[0036]如圖1和圖2所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束裝置:包括半導(dǎo)體激光器疊陣1，準(zhǔn)直透鏡組2和分光系統(tǒng)3組成。所述的半導(dǎo)體激光器疊陣I由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述的準(zhǔn)直透鏡組2放置于半導(dǎo)體激光器疊陣I激光出射處；所述分光系統(tǒng)放置于準(zhǔn)直后的激光光束出射方向，包括η組分光模塊3，每組分光模塊3包括一個(gè)分光器6和一個(gè)反射器7，第m((l≤m<n)組分光模塊3出光光束入射至第m+Ι組分光模塊3的分光器上。
[0037]如圖1所示分光器6的透射率為50%，反射率為50% ;所述的反射器7的反射率為100%，反射器7可以是全反射鏡，也可以是偏振器件，具體可以是偏振片、偏振鏡或者偏振合束器。
[0038]所述分光器6采用分光鏡，基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半透半反膜，半透半反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
[0039]反射器7為全反射平面鏡或者全反射棱鏡，基體材料為玻璃或金屬，表面鍍高反膜；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜。
[0040]反射器7還可為偏振器件；半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TE光，則偏振器件對(duì)TE光全反射；或者半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TM光，則偏振器件對(duì)TM光全反射。
[0041]如圖2所示，分光器6的透射率為50%，反射率為50%;所述的反射器7的反射率為100%，反射器7可以是全反射棱鏡。[0042]圖5中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成60°夾角
[0043]圖6中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成35°夾角
[0044]分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角，優(yōu)選35°、45°、55°、60°夾角設(shè)置。
[0045]如圖3、圖4所示分光模塊采用棱鏡組合整體實(shí)現(xiàn)分光器6和反射器7的功能，棱鏡組合中各個(gè)棱鏡之間緊密貼合，使得整體上具有一個(gè)側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣I且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面11，具有另一個(gè)側(cè)面與所述入光面平行作為分光模塊的出光面9 ;第一組分光模塊的入光面11和出光面9均與半導(dǎo)體激光器疊陣I的堆疊高度相當(dāng)，各組分光模塊的入光面11和出光面9尺寸依次成倍增大；棱鏡組合內(nèi)部存在一個(gè)貼合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面8，與分光面8平行且所述入光面相鄰的一個(gè)側(cè)面作為反射器的反射面10。
[0046]分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角，優(yōu)選35°、45°、55°、60°夾角設(shè)置。
[0047]如圖3所不分光模塊米用棱鏡組合,平行六面棱鏡(內(nèi)夾角45°和135° )和三棱鏡組合使用實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束；平行六面棱鏡半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜，三棱鏡的半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜；平行六面棱鏡的反射面10鍍有反射膜，三棱鏡的透射面即出光面9鍍有透射膜。圖3中分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成45°夾角
[0048]如圖3所示，分光模塊只要實(shí)現(xiàn)激光光束通過(guò)半透半反面即分光面8后一半的光透射至透射面即出光面9進(jìn)行透射，另一半的光射至反射面10進(jìn)行全反射，然后合束出射，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)束；平行六面棱鏡和三棱鏡不能為一體件，如為一體件則半透半反面將不能實(shí)現(xiàn)半透半反的作用。
[0049]如圖3所示，除使用三棱鏡外，還可以使用其他不規(guī)則器件，只要半透半反面即分光面8可實(shí)現(xiàn)一半的光透射，一半的光反射且其半透半反面即分光面8可以直接垂直透射光即可。
[0050]如圖4所示光模塊采用棱鏡組合，八面體棱鏡和三棱鏡組合使用實(shí)現(xiàn)激光擴(kuò)束；八面體棱鏡半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜，三棱鏡的半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜，八面體棱鏡的反射面10鍍有反射膜，三棱鏡的透射面即出光面9鍍有透射膜，分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成60°夾角。除可用八面體棱鏡外也可把反射面10延伸與出光面9相交后使用七面體棱鏡。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述的半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個(gè)半導(dǎo)體激光單元組成；所述分光系統(tǒng)包括沿激光出光方向依次設(shè)置的η組分光模塊，每組分光模塊包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向設(shè)置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角；激光光束經(jīng)過(guò)分光器后,一半能量的光直接透射,另一半能量的光反射至反射器后再次反射，與分光器直接透射的光平行出射； 第一組分光模塊的分光器與半導(dǎo)體激光器疊陣的堆疊高度相當(dāng)；各組分光模塊尺寸依次成倍增大，第m組分光模塊出光光束入射至第m+Ι組分光模塊的分光器上，I ^ m < n, m為分光模塊的排列序號(hào)，排列序號(hào)按照激光依次通過(guò)的順序進(jìn)行排號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述反射器為全反射平面鏡或者全反射棱鏡。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述全反射平面鏡的材料為玻璃或金屬，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或者鋁；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述反射器為偏振器件；半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TE光，則偏振器件對(duì)TE光全反射；或者半導(dǎo)體激光器疊陣的偏振特性為TM光，則偏振器件對(duì)TM光全反射。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述偏振器件米用偏振片、偏振鏡或者 偏振合束器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2至5任一所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述分光器采用分光鏡，分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半透半反膜，半透半反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述分光模塊采用棱鏡組合整體實(shí)現(xiàn)分光器和反射器的功能，棱鏡組合中各個(gè)棱鏡之間緊密貼合，使得整體上具有一個(gè)側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，具有另一個(gè)側(cè)面與所述入光面平行作為分光模塊的出光面；棱鏡組合內(nèi)部存在一個(gè)貼合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與分光面平行且所述入光面相鄰的一個(gè)側(cè)面作為反射器的反射面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于: 所述分光模塊采用平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，平行六面棱鏡具有唯一側(cè)面面向半導(dǎo)體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，與該側(cè)面夾角為銳角的相鄰側(cè)面上緊密貼合所述三棱鏡，貼合面上鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與該側(cè)面夾角為鈍角的相鄰側(cè)面作為反射器的反光面；三棱鏡還具有一個(gè)與所述激光出光方向垂直的外側(cè)面，作為分光模塊的出光面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:分光器的分光面和反射器的反射面均與激光出光方向成45°角設(shè)置。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率半導(dǎo)體激光器擴(kuò)束系統(tǒng)，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡的組合或兩者之一，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡為準(zhǔn)直D型非球面透鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK103944059SQ201410195568
【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 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司