一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型提供一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可實現(xiàn)大倍率的擴束，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，成本較低。其中一種擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的n個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當，n個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第1個分光鏡的透射光與其余n-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束；n個分光鏡的光透過率不同，使得第1個分光鏡的透射光能量與其余n-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等。
【專利說明】一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝 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，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng) 濟的各個領(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，激光檢測和激光照明等，需要使用較大直徑的激光光束，這就需要擴束系統(tǒng)來實 現(xiàn)。在激光加工應(yīng)用中，為了提高加工效率，需要利用擴束系統(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，需要擴束系統(tǒng)擴展光斑直徑，再作為光源使用。激光 擴束系統(tǒng)不但可以擴展激光束的直徑，而且改善激光束的空間發(fā)散角，使光束的準直性得 到進一步改善。
[0003] 目前常用的激光擴束系統(tǒng)為倒伽利略結(jié)構(gòu)。倒伽利略結(jié)構(gòu)包括一個輸入的凹透鏡 和一個輸出的凸透鏡，凹透鏡進行發(fā)散，凸透鏡進行準直。這種擴束方法中激光器發(fā)出的激 光可以先加凸透鏡進行準直，再用擴束系統(tǒng)進行擴束，也可以直接通過擴束系統(tǒng)進行準直， 在小倍率的擴束需求中，可以改善發(fā)散角和增大光斑。但是在這種方法中擴束的光斑大小 與透鏡的口徑有直接關(guān)系，擴束光斑越大，所需要的透鏡口徑越大；并且擴束光束大小與透 鏡組間距有關(guān)，間距越大，擴束光斑越大。如果需求較大面積的光斑，會使得擴束系統(tǒng)鏡筒 長度較長，體積較大。由于以上因素的制約，這種擴束系統(tǒng)不適用于大倍率的擴束，會造成 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，制作大倍率擴束的透鏡成本 較聞。 實用新型內(nèi)容
[0004] 為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供了高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝 置，可實現(xiàn)大倍率的擴束，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，成本較低。根據(jù)半導(dǎo)體激光器疊陣的安裝 位置提出了如下兩種技術(shù)方案：
[0005] 第一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊 陣、準直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所 述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置 的一個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當，η個分光鏡以及全 反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第1個分光鏡的透 射光與其余η-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束；
[0006] η個分光鏡的光透過率不同，第1個分光鏡的透射光能量與其余η-1個分光鏡以及 全反射鏡的反射光能量相等：
[0007] 第1個分光鏡的透過率為?Λη+l)，反射率為iV(n+l);
[0008] 第m個分光鏡的透過率為（n-m+1) An-m+2)，反射率為lAn-m+2);
[0009] 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，l〈m<n，排列序號按照激光依次 通過的順序進行排號。
[0010] 第二種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊 陣、準直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所 述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置的一 個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當，η個分光鏡以及全反射 鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；η個分光鏡以及全反射 鏡的反射光共同形成激光擴束；
[0011] η個分光鏡的光透過率不同，使得η個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等：
[0012] 第m個分光鏡的反射率為lAn-m+2)，透過率為（n-m+1) An-m+2);
[0013] 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，1 < m < n，排列序號按照激光依 次通過的順序進行排號。
[0014] 基于上述基本方案，本實用新型還做如下優(yōu)化限定和改進：
[0015] 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，所述半導(dǎo)體激光器芯 片為一個單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0016] 上述準直透鏡組包括快軸準直透鏡和慢軸準直透鏡兩者或兩者之一，其中，快軸 準直透鏡為準直D型非球面透鏡，慢軸準直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0017] 上述全反射鏡的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。
[0018] 上述分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化 鋅-氟化鎂膜系。
[0019] 上述分光鏡與全反射鏡一起安裝在帶刻度的固定架上，固定架的材料為塑料，鋁， 鋼或者銅。
[0020] 上述分光鏡的光透過率不同是采用不同規(guī)格的鍍膜實現(xiàn)。
[0021] 本實用新型具有以下優(yōu)點：
[0022] 1)可以進行大倍率的擴束；
[0023] 2)擴束光斑均勻，尺寸可根據(jù)需求自由調(diào)整；
[0024] 3)擴束系統(tǒng)的長度僅與單個分光鏡的直徑有關(guān)，并且此長度不受擴束光斑大小的 影響，這樣在大倍率擴束系統(tǒng)中大大縮短了鏡筒的長度，減小了系統(tǒng)體積；
[0025] 4)分光鏡鍍膜生產(chǎn)工藝成熟，降低了系統(tǒng)的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置原理圖（方案一）；
[0027] 圖2為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置原理圖（方案二）；
[0028] 圖3為使用本實用新型方案一所制備的高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置實 施案例示意圖；
[0029] 圖4為使用本實用新型方案二所制備的高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置實 施案例示意圖；
[0030] 圖5為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置的一個實施例示意圖（基于方案一）。
[0031] 圖6為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置的一個實施例示意圖（基于方案二）。
[0032] 附圖標號說明：1為半導(dǎo)體激光器疊陣；2為快軸準直鏡；3為慢軸準直鏡；4為分 光系統(tǒng)；5為分光鏡；6為全反射鏡；7為固定架；8為準直透鏡組。

【具體實施方式】
[0033] 方案一：
[0034] 一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，包括半導(dǎo)體激光器疊陣，準直透鏡組 和分光系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元組成；準直透鏡組包括快軸 準直鏡和慢軸準直鏡，其中，快軸準直鏡可為準直D型非球面透鏡；慢軸準直鏡為單陣列柱 面透鏡。所述的準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)放置于準直后 的激光光束出射方向，包括η個分光鏡和一個反射鏡，所述的η個分光鏡依次平行等間隔排 列，除第一個分光鏡外其余η-1個分光鏡所反射出的光能量相同且與第一個分光鏡透射出 的光能量相同，在最后一個分光鏡的光透射處設(shè)置全反射鏡，全反射鏡所反射出的光與除 第一個分光鏡外其余分光鏡所反射出的光能量相同；上述η+1束等能量的平行光束最終合 為一束均勻的激光光束。
[0035] η個分光鏡的光透過率不同，可采用在η個分光鏡上鍍不同規(guī)格的反射膜來實現(xiàn) 如下：
[0036] 第1片分光鏡的透過率為V(n+1)，反射率為iV(n+l);
[0037] 第m片（l〈m彡η)分光鏡的透過率為（n-m+1) An-m+2)，反射率為lAn-m+2);
[0038] 其中，η為使用的分光鏡總數(shù)，m為需計算的分光鏡序號（l〈m < η)。排列序號按 照激光依次通過的順序進行排號。
[0039] 如圖1所示，共有η片分光鏡5,1片全反射鏡6，η值取決于所需要的擴束光斑的尺 寸。半導(dǎo)體激光器疊陣1發(fā)出的激光有一定的發(fā)散角，先由準直透鏡組8進行準直，準直透 鏡組8可以包括快軸準直鏡2和慢軸準直鏡3兩者或兩者之一再經(jīng)過分光系統(tǒng)4進行擴束。 η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣1出光方向成30-60° 設(shè)置，激光光束經(jīng)分光鏡5后，一部分進行直射透射，另一部分光束反射偏轉(zhuǎn)90°后進入全 反鏡6或者第二片分光鏡5,若光束進入全反射鏡5,則再次偏轉(zhuǎn)90°，與第一片分光鏡5的 透射光平行出射合成一束出射光，擴束后的光束直徑為原尺寸的2倍，此時分光鏡5的透過 率為50%，反射率為50% ;若上述第一片分光鏡5的反射光束進入第二片分光鏡5,則再次 進行分光，一部分反射偏轉(zhuǎn)90°與第一片分光鏡透射光平行出射，另一部分垂直透射，進入 第三片分光鏡或者進入全反射鏡完成擴束，同以上原理可以實現(xiàn)多倍擴束。
[0040] 如圖1所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣 出光方向成45°設(shè)置。
[0041] 如圖5所示高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置示意圖，η個分光鏡5以及全反 射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成55°設(shè)置；此外，η個分光鏡5以 及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置，優(yōu)選30°、 35。、45。、55。和 60°。
[0042] 半導(dǎo)體激光器疊陣1由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成半導(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單管芯片、微型巴條或者巴 條，或者為多個單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0043] 準直透鏡組8包括快軸準直透鏡2和慢軸準直透鏡3兩者或兩者之一，其中，快軸 準直透鏡2為準直D型非球面透鏡，慢軸準直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0044] 全反射鏡6的基體材料為玻璃或金屬，全反射鏡的材料為金屬時，可選用金屬銅、 金屬鋁、金屬鋁合金或不銹鋼材料，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或金屬金，或者 其他具有高發(fā)射作用的反射膜；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜，多層介質(zhì)反射膜材料為 可選用依次鍍Ti02和Si02或者其他多層介質(zhì)反射膜材料。
[0045] 分光鏡5的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化 鎂膜系。
[0046] 如圖3所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架 7上，分光鏡5與全反射鏡6 -起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼 或者銅。
[0047] 方案二：
[0048] 一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，包括半導(dǎo)體激光器疊陣，準直透鏡組 和分光系統(tǒng)組成；所述的半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元組成；準直透鏡組包 括快軸準直鏡和慢軸準直鏡，其中，快軸準直鏡可為準直D型非球面透鏡；慢軸準直鏡為單 陣列柱面透鏡。所述的準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 準直后的激光光束出射方向，包括η個分光鏡和一個反射鏡，所述的η個分光鏡依次平行 等間隔排列，η個分光鏡所反射出的光能量相同，在最后一個分光鏡的光透射處設(shè)置全反射 鏡，全反射鏡所反射出的光與分光鏡所反射出的光能量相同；上述η+1束反射光束最終合 為一束均勻的激光光束。
[0049] η個分光鏡的光透過率不同，可采用在η個分光鏡上鍍不同規(guī)格的反射膜來實現(xiàn) 如下：
[0050] 反射率為：1/(n_m+2);透過率為（n-m+1) / (n_m+2);
[0051] 其中，η為使用的分光鏡總數(shù)，m為需計算的分光鏡序號（1 η)，排列序號按 照激光依次通過的順序進行排號。
[0052] 如圖2所示，半導(dǎo)體激光器1經(jīng)準直透鏡組8,圖2中準直透鏡組8只選用了快軸 準直透鏡2后出射的激光光束進入分光系統(tǒng)4。激光光束經(jīng)第一片分光鏡5后，一部分光束 反射出射，另一部分透射進入第二片分光鏡5,第二片分光鏡5將一部分光束反射出射，且 與第一片分光鏡5的反射光束平行，另一部分光束進入第三片分光鏡5 ;依次類推到第m片 分光鏡，最終透射進入全反射鏡6,全反射鏡6反射的光束與分光鏡的反射光束一同出射形 成擴束光斑。
[0053] 如圖2所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣 出光方向成45°設(shè)置。
[0054] 如圖6所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣 出光方向成30°設(shè)置，此外，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光 器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置，優(yōu)選30°、35°、45°、55°和60°。
[0055] 如圖4所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架 7上，分光，5與全反射鏡6 -起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或 者銅。
[0056] 半導(dǎo)體激光器疊陣1由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成半導(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單管芯片、微型巴條或者巴 條，或者為多個單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0057] 快軸準直透鏡2為準直D型非球面透鏡。
[0058] 全反射鏡6的基體材料為玻璃或金屬，全反射鏡的材料為金屬時，可選用金屬銅、 金屬鋁、金屬鋁合金或不銹鋼材料，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或金屬金，或者 其他具有高發(fā)射作用的反射膜；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜，多層介質(zhì)反射膜材料為 可選用依次鍍Ti02和Si02或者其他多層介質(zhì)反射膜材料。
[0059] 分光鏡5的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化 鎂膜系。
[0060] 如圖4所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架 7上，分光鏡5與全反射鏡6 -起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼 或者銅。
【權(quán)利要求】
1. 一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，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、準直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆 疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及 最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當，η個分光 鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第1個分 光鏡的透射光與其余η-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束； η個分光鏡的光透過率不同，使得第1個分光鏡的透射光能量與其余η-1個分光鏡以及 全反射鏡的反射光能量相等： 第1個分光鏡的透過率為?Λη+l)，反射率為rV(n+l); 第m個分光鏡的透過率為（n-m+l)An-m+2)，反射率為lAn-m+2); 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，l〈m<n，排列序號按照激光依次通過 的順序進行排號。
2. -種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，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、準直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆 疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后 設(shè)置的一個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當，η個分光鏡以 及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；η個分光鏡以 及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束； η個分光鏡的光透過率不同，使得η個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等： 第m個分光鏡的反射率為lAn-m+2)，透過率為（n-m+1) An-m+2); 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，1 < m < n，排列序號按照激光依次通 過的順序進行排號。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，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，所述半導(dǎo)體激光器芯片為一個單管芯 片、微型巴條或者巴條，或者為多個單管芯片、微型巴條或者巴條。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于：所述準 直透鏡組包括快軸準直透鏡和慢軸準直透鏡兩者或兩者之一，其中，快軸準直透鏡為準直D 型非球面透鏡，慢軸準直鏡為單陣列柱面透鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于：所述全 反射鏡的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。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于：所述分 光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于：所述分 光鏡與全反射鏡一起安裝在帶刻度的固定架上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于：分光鏡 的光透過率不同是采用不同規(guī)格的鍍膜實現(xiàn)。
【文檔編號】G02B27/09GK203871648SQ201420238015
【公開日】2014年10月8日 申請日期: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 申請人:西安炬光科技有限公司