專利名稱：大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體激光器，特別是一種通過對(duì)兩路半導(dǎo)體激光光 源的光束耦合以實(shí)現(xiàn)的大功率激光器。
背景技術(shù)：
相對(duì)于其它類型的激光器，半導(dǎo)體激光器(LD)具有體積小、重量輕、 效率高、壽命長、可以直接電流調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)、軍事、核能、通 信等眾多領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對(duì)半導(dǎo)體激光器輸出功率和亮度的要求也 越來越高。通過將半導(dǎo)體激光發(fā)光單元集成為一維線陣(LD Bar)和堆疊多 個(gè)LDBar的二維面陣(LD Stack)，可以有效地提高半導(dǎo)體激光器的輸出功 率，但是由于受到散熱的限制，二維面陣不可以對(duì)LDBar無限制的堆疊，國 際上可以做到25個(gè)Bar的疊層，連續(xù)輸出功率2500w，這樣的功率仍然不能 滿足工業(yè)對(duì)金屬切割、焊接等加工的需要。這就要求采用適當(dāng)?shù)墓馐詈戏?法，將多個(gè)半導(dǎo)體激光列陣的光束耦合到同一光學(xué)路徑，以提高輸出功率和 亮度。采用偏振耦合技術(shù)將光束進(jìn)行耦合并且最終耦合進(jìn)光纖輸出。由于半 導(dǎo)體激光列陣是高度的線偏振光，偏振耦合棱鏡能夠?qū)砂雽?dǎo)體激光列陣光 束耦合輸出再經(jīng)光束整形裝置將光束耦合至光纖輸出。
圖4是一種靠半波片實(shí)現(xiàn)將其中一束半導(dǎo)體激光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。以獲 得與半導(dǎo)體激光列陣不同方向的偏振光，然后用立方體偏振耦合棱鏡耦合光 束以實(shí)現(xiàn)輸出大功率半導(dǎo)體激光，現(xiàn)在國際上有偏振耦合技術(shù)(H J Baker,J F Monjardin,P Kneip,D R Hall, 1.8kW diode laser system for fibre-delivery using brightness-enhanced diode stacks and a novel final beam-shaper[J].SPIE Proc，2008， Vol.6876),如圖4所示該裝置是將同一波長相同偏振態(tài)的兩半導(dǎo)體激 光器21、 22成90。放置，其中一個(gè)半導(dǎo)體激光42經(jīng)過半波片43將其偏振方向 旋轉(zhuǎn)90°，使之與另一個(gè)半導(dǎo)體激光器41偏振方向垂直，然后用立方體偏振耦 合棱鏡44與半導(dǎo)體激光41進(jìn)行耦合成一束輸出，再經(jīng)過平凸柱面鏡25、 26、 27、 29、反射鏡28及平凹柱面鏡30、 31的組合，被會(huì)聚到光纖32的輸入端面 上，經(jīng)光纖32輸出。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)合束，缺點(diǎn)是(1)兩激光器垂直成 90°放置，調(diào)節(jié)復(fù)雜；(2)采用立方體偏振耦合棱鏡，中間膠合面在長時(shí)間 高功率使用中使膠熔化，使效率降低；(3)由于半導(dǎo)體激光器本身發(fā)散角較 大未經(jīng)過準(zhǔn)直而直接放置半波片旋轉(zhuǎn)偏振方向效率降低。(4)立方體偏振耦 合棱鏡與半波片之間的距離大，耦合效率低，不易調(diào)節(jié)。(5)采用立方體偏 振耦合棱鏡作為耦合，價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、元件容易加工的大功率光束耦合半 導(dǎo)體激光器，以克服上述目前己有技術(shù)的缺限，實(shí)現(xiàn)更高的功率和亮度輸出。
本發(fā)明大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，包括同一波長相同偏振態(tài)的兩個(gè) 半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束聚焦器件，所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在同一光軸上相對(duì) 放置，在兩半導(dǎo)體激光器間的光路上設(shè)置一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振 耦合棱鏡，在該直角偏振耦合棱鏡的一側(cè)直角面上貼置一四分之一波片，該 四分之一波片的外端面上鍍有高反射膜； 一個(gè)激光器的出射光束經(jīng)該直角偏 振耦合棱鏡的斜面反射使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度后傳輸至擴(kuò)束聚焦器件，另一個(gè) 激光器的出射光束通過該直角偏振耦合棱鏡的另一側(cè)直角面后經(jīng)斜面內(nèi)反射 至所述的的四分之一波片，再經(jīng)過該四分之一波片的反射實(shí)現(xiàn)偏振方向的90 度旋轉(zhuǎn)后，透射過該直角偏振耦合棱鏡的斜面與前述的反射光束耦合成一束 傳輸至擴(kuò)束聚焦器件。
在所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的出射端還分別設(shè)有快軸準(zhǔn)直鏡，以降低快
軸發(fā)散角。
所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面的快軸(y 軸)方向上的位置差為半導(dǎo)體激光列陣間距d的1/2。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于采用四分之一波片使其中一個(gè)半導(dǎo)體激光列陣光束的 偏振方向旋轉(zhuǎn)90度與另一半導(dǎo)體激光列陣的偏振方向相互垂直從而在直角 偏振耦合棱鏡中耦合輸出，實(shí)現(xiàn)兩光束的耦合，將此四分之一波片與直角偏 振耦合棱鏡貼放可以降低器件調(diào)節(jié)難度，并且可以提高耦合效率，采用直角 偏振耦合棱鏡無需考慮耦合面的損傷閾值，結(jié)構(gòu)緊湊，且在不改變光束質(zhì)量 的條件下，將輸出功率和亮度提高為原來的2倍，而且由于兩個(gè)相對(duì)放置的 半導(dǎo)體激光器在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面的y軸方向上的位置差為 半導(dǎo)體激光列陣間距d的1/2，互為填充了半導(dǎo)體激光列陣LD Bar間的發(fā)光 空隙；通過與之匹配的四分之一波片及偏振耦合棱鏡來實(shí)現(xiàn)合束；最終采用 擴(kuò)束聚焦裝置耦合后進(jìn)入光纖輸出，得到更大的輸出功率和亮度。


圖1是本發(fā)明大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2是圖1中所示兩半導(dǎo)體激光列陣位置高度關(guān)系示意圖； 圖3是兩激光光束耦合、聚焦示意圖4是現(xiàn)有技術(shù)以半波片及立方體偏振耦合棱鏡的光束耦合實(shí)現(xiàn)輸出大 功率半導(dǎo)體激光的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 參照?qǐng)Dl，包括同一波長相同偏振態(tài)的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器l、 l'、擴(kuò)束聚 焦器件，其特征在于所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器1、 l，在同一光軸上相對(duì)放置，
在兩半導(dǎo)體激光器i、 r間的光路上設(shè)置一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦
合棱鏡4，在該直角偏振耦合棱鏡4的一側(cè)直角面上貼置一四分之一波片5,
該四分之一波片5的外端面上鍍有高反射膜， 一個(gè)激光器l'的出射光束經(jīng)該
直角偏振耦合棱鏡4的斜面反射使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度后傳輸至擴(kuò)束聚焦器 件，另一個(gè)激光器1的出射光束通過該直角偏振耦合棱鏡4的另一側(cè)直角面 后經(jīng)斜面內(nèi)反射至所述的的四分之一波片5，再經(jīng)過四分之一波片5的反射 實(shí)現(xiàn)偏振方向的90度旋轉(zhuǎn)后，透射過該直角偏振耦合棱鏡4的斜面與前述的 反射光束耦合成一束傳輸至擴(kuò)束聚焦器件。
所述的擴(kuò)束聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的柱透鏡6、球透 鏡7、彎月透鏡8組成。
所述的四分之一波片5與直角偏振耦合棱鏡4相貼的內(nèi)端面上還鍍有高透 射膜。
在所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器l、 l'的出射端還分別設(shè)有快軸準(zhǔn)直鏡3、 3'，
以降低快軸發(fā)散角。
所述的快軸準(zhǔn)直鏡3、 3'采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。 參照?qǐng)D2，所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器l、 l'在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)
平面的快軸(y)方向上的位置差為半導(dǎo)體激光列陣間距d的1/2。使兩激光器
中每個(gè)激光器的光束都處于另一激光器的發(fā)光空隙中，更有利于聚焦得到小光斑。
本發(fā)明關(guān)鍵的耦合器件是直角耦合棱鏡4及四分之一波片5。直角耦合棱 鏡4是用來將半導(dǎo)體激光器r的光束反射是傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度輸出，而半導(dǎo)體 激光l經(jīng)過直角耦合棱鏡4反射-z方向至四分之一波片5，直角耦合棱鏡與四分 之一波片緊緊貼在一起放置，在四分之一波片5內(nèi)端鍍高透射膜，外端面鍍高 反射膜，使半導(dǎo)體激光器l反射光在四分之一波片內(nèi)往返傳輸兩次，從而使光 的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。，實(shí)現(xiàn)了偏振方向的轉(zhuǎn)換。偏轉(zhuǎn)后光束經(jīng)直角耦合棱鏡后
發(fā)生全透射與半導(dǎo)體激光r反射光耦合成一束，通過擴(kuò)束聚焦后進(jìn)入光纖輸
出，得到更大的輸出功率和亮度。 對(duì)于半導(dǎo)體激光器，我們普遍規(guī)定垂直于P-n結(jié)平面方向?yàn)榭燧Sy方向， 平行于P-n結(jié)平面方向?yàn)槁S光束傳播方向?yàn)閦軸，如圖1所示兩激光器的 Xl、 Zl、 X2、 Z2軸方向，合束后光束的快慢軸方向?qū)?yīng)的x、 z軸方向，垂直 于紙面的方向?yàn)閥軸。
本發(fā)明是對(duì)于經(jīng)過快軸準(zhǔn)直鏡3、 3'后的兩個(gè)半導(dǎo)體激光列陣1、 l',在x-z 平面內(nèi)成180。放置，如圖2所示，并使兩個(gè)激光器在y軸方向位置不同，位 置的差等于半導(dǎo)體激光列陣中LD Bar 2的間距d的一半，而LD Bar在快軸 準(zhǔn)直后的光束尺寸小于d/2，這樣兩激光器中每個(gè)激光器的光束都處于另一激 光器的發(fā)光空隙中。
如圖3所示光束耦合前后的光束形狀變化，圖中11、 ll'分別為激光器1、 l，的光斑，12為合束后的光斑?？梢钥吹胶鲜蟮墓馐S尺寸加寬了，由 幾何光學(xué)知識(shí)我們知道，棱鏡對(duì)光束擴(kuò)束的同時(shí)，光束的發(fā)散角也會(huì)降低相 同的倍數(shù)。對(duì)慢軸光束的準(zhǔn)直有利于聚焦得到小的光斑，可用一柱透鏡6、 球透鏡7和彎月透鏡8聚焦。
權(quán)利要求
1.一種大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，包括同一波長相同偏振態(tài)的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、1’)、擴(kuò)束聚焦器件，其特征在于所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、1’)在同一光軸上相對(duì)放置，在兩半導(dǎo)體激光器(1、1’)間的光路上設(shè)置一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦合棱鏡(4)，在該直角偏振耦合棱鏡(4)的一側(cè)直角面上貼置一與半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長相對(duì)應(yīng)的四分之一波片(5)，該四分之一波片(5)的外端面上鍍有高反射膜，一個(gè)激光器(1’)的出射光束經(jīng)該直角偏振耦合棱鏡(4)的斜面反射使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度后傳輸至擴(kuò)束聚焦器件，另一個(gè)激光器(1)的出射光束通過該直角偏振耦合棱鏡(4)的另一側(cè)直角面后經(jīng)斜面內(nèi)反射至所述的的四分之一波片(5)，再經(jīng)過該四分之一波片(5)的反射實(shí)現(xiàn)偏振方向的90度旋轉(zhuǎn)后，透射過該直角偏振耦合棱鏡4的斜面與前述的反射光束耦合成一束傳輸至擴(kuò)束聚焦器件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，其特征在于所 述的擴(kuò)束聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的柱透鏡(6)、球透鏡(7)、彎月透鏡(8)組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 所述的四分之一波片(5)與直角偏振耦合棱鏡(4)相貼的內(nèi)端面上還鍍有 高透射膜。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，其特征在于， 在所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(l、 1，)的出射端還分別設(shè)有快軸準(zhǔn)直鏡G、 3，)， 以降低快軸發(fā)散角。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，其特征在于所 述的快軸準(zhǔn)直鏡(3、 3')采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，其特征在于，所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、 1，)在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面的快 軸(y)方向上的位置差為半導(dǎo)體激光列陣間距d的1/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體激光器，特別是一種大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器，包括同一波長相同偏振態(tài)的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器、擴(kuò)束聚焦器件，所述的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在同一光軸上相對(duì)放置，在兩半導(dǎo)體激光器間的光路上設(shè)置一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦合棱鏡，在該直角偏振耦合棱鏡的一側(cè)直角面上貼置一四分之一波片，一個(gè)激光器的出射光束經(jīng)直角偏振耦合棱鏡反射后傳輸至擴(kuò)束聚焦器件，另一個(gè)激光器的出射光束通過四分之一波片的反射實(shí)現(xiàn)偏振方向的90度旋轉(zhuǎn)后與前述的反射光束耦合成一束傳輸。將此四分之一波片與直角偏振耦合棱鏡貼放降低了器件調(diào)節(jié)難度，并且提高了耦合效率，在不改變光束質(zhì)量的條件下，將輸出功率和亮度提高為原來的2倍。
文檔編號(hào)H01S5/40GK101369716SQ200810051210
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者云 劉, 單肖楠, 彭航宇, 王祥鵬, 王立軍, 顧媛媛 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所