高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種合束激光器，尤其是一種高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，屬于激光的【技術(shù)領(lǐng)域】。按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，包括若干激光二極管陣列；在每個激光二極管陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在激光二極管陣列的光路上均設(shè)置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設(shè)置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位于光束分光器的兩側(cè)；在輸出耦合鏡陣列的外側(cè)設(shè)置有匯聚透鏡。本實用新型結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)多個激光二極管陣列的高功率高光束質(zhì)量輸出，安全可靠。
【專利說明】高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種合束激光器，尤其是一種高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，屬于激光的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]高功率激光二極管陣列具有各種各樣的優(yōu)點:如使用壽命長，操作簡單，效率高等。因此，高功率激光二極管陣列在材料加工、泵浦固態(tài)或光纖激光器、軍事等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而激光二極管陣列的輸出光的光束質(zhì)量很差，限制了很多領(lǐng)域的應(yīng)用。激光二極管陣列光束質(zhì)量差的原因就是每個發(fā)光單元在慢軸方向?qū)挾却蠹s為80微米，而在快軸方向?qū)挾燃s為I微米，因此慢軸方向有多個空間模，導致光束質(zhì)量變差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其結(jié)構(gòu)簡單，能實現(xiàn)多個激光二極管陣列的高功率高光束質(zhì)量輸出，安全可靠。
[0004]按照本實用新型提供的技術(shù)方案，所述高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，包括若干激光二極管陣列；在每個激光二極管陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在激光二極管陣列的光路上均設(shè)置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設(shè)置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位于光束分光器的兩側(cè)；在輸出耦合鏡陣列的外側(cè)設(shè)置有匯聚透鏡。
[0005]每個激光二極管陣列內(nèi)包括19或49個發(fā)光單元。所述快軸準直鏡為焦距小于Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在激光二極管陣列的輸出端面上。
[0006]所述光束分光器包括六面體棱鏡，所述六面體棱鏡的側(cè)面均鍍有高反膜；激光二極管陣列對稱分布在六面體棱鏡的外側(cè)，六面體棱鏡能將每個激光二極管陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。
[0007]所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。所述平面反射器的傾角為-10°?10°。
[0008]本實用新型的優(yōu)點:采用了棱鏡分束與平面反射器選模的方式使激光二極管陣列輸出激光的光束質(zhì)量可以提高，很容易擴展成多個激光二極管陣列同時輸出光束質(zhì)量很好的激光，而且多束激光通過輸出耦合鏡陣列容易進行合束，形成高功率高光束質(zhì)量的激光，采用普通的光學元器件，價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，很容易推廣到二維的激光二極管陣列，安全可靠。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型的實施結(jié)構(gòu)圖。
[0010]附圖標記說明:1-第一激光二極管陣列、2-第一快軸準直透鏡、3-第二快軸準直透鏡、4-第二激光二極管陣列、5-第三激光二極管陣列、6-第三快軸準直透鏡、7-第四快軸準直透鏡、8-第四激光二極管陣列、9-第五激光二極管陣列、10-第五快軸準直透鏡、11-第六快軸準直透鏡、12-第六激光二極管陣列、13-第一光束分光器、14-第二光束分光器、15-第三光束分光器、16-第一平面反射器、17-第二平面反射器、18-第三平面反射器、19-第一輸出I禹合平面反射鏡、20-第二輸出I禹合平面反射鏡、21-第三輸出I禹合平面反射鏡、22-弟四輸出f禹合平面反射鏡以及23-匯聚透鏡。

【具體實施方式】
[0011]下面結(jié)合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0012]為了能實現(xiàn)多個激光二極管陣列的高功率高光束質(zhì)量輸出，本實用新型包括若干激光二極管陣列；在每個激光二極管陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在激光二極管陣列的光路上均設(shè)置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設(shè)置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位于光束分光器的兩側(cè)；在輸出耦合鏡陣列的外側(cè)設(shè)置有匯聚透鏡。
[0013]具體地，每個激光二極管陣列內(nèi)包括19或49個發(fā)光單元。所述快軸準直鏡為焦距小于Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在激光二極管陣列的輸出端面上。
[0014]所述光束分光器包括六面體棱鏡，所述六面體棱鏡的側(cè)面均鍍有高反膜；激光二極管陣列對稱分布在六面體棱鏡的外側(cè)，六面體棱鏡能將每個激光二極管陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。輸出耦合鏡陣列用于將下支路光束入射到匯聚透鏡23上，以便通過匯聚透鏡23對光線進行合束，得到高功率高光束質(zhì)量的光線。
[0015]在具體實施時，光束分光器也可以米用其他的多面體棱鏡。在X軸方向上，六面體棱鏡的中心軸在X方向的高度與快軸準直鏡的中心高度(在X軸方向)要保持一致，六面體棱鏡的棱邊距離快軸準直鏡在Z軸方向距離大約在4-6mm。對于平面反射器，只需要保證從六面體棱鏡出來的上支路光束能夠完全打到平面反射器上即可。本實用新型實施例中，所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。所述平面反射器的傾角為-10°?10°，所述平面反射器的傾角是指平面反射器的軸線與z軸方向的夾角。
[0016]匯聚透鏡23可以采用球面透鏡、非球面透鏡或透鏡組，通過匯聚透鏡23將輸出耦合鏡陣列合束之后的光進行匯聚，以產(chǎn)生高的能量密度用于各種加工制造。
[0017]如圖1所示,在Z軸方向上，設(shè)置有第一六面體棱鏡13、第二六面體棱鏡14以及第三六面體棱鏡15,在第一六面體棱鏡13的兩側(cè)設(shè)置第一激光二極管陣列I與第二激光二極管陣列4，第一激光二極管陣列I的輸出端面上固定安裝有第一快軸準直鏡2，在第二激光二極管陣列4的輸出端面上固定安裝第二快軸準直鏡3，第一平面反射器16位于第一六面體棱鏡13的上方，第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20位于第一六面體棱鏡13的下方。第一六面體棱鏡13的四個側(cè)面均鍍有高反膜，第一六面體棱鏡13的中心軸在X軸方向的高度與第一快軸準直鏡2、第二快軸準直鏡3相對應(yīng)的在X軸方向的中心高度保持一致。通過第一六面體棱鏡13的兩側(cè)面能將第一激光二極管陣列I的輸出光束分成上支路光束與下支路光束，上支路光束能入射到第一平面反射器16上，下支路光束能入射到第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20間，光線經(jīng)過匯聚透鏡23進行匯聚。
[0018]與第一六面體棱鏡13相似，在第二六面體棱鏡14的兩側(cè)設(shè)置第三激光二極管陣列5與第四激光二極管陣列8，第三激光二極管陣列5的輸出端面上固定安裝第三快軸準直鏡6，在第四激光二極管陣列8的輸出端面上固定安裝第四快軸準直鏡7，第二平面反射器17位于第二六面體棱鏡14的下方。
[0019]在第三六面體棱鏡15的兩側(cè)設(shè)置第五激光二極管陣列9與第六激光二極管陣列12，在第五激光二極管陣列9的輸出端面上固定安裝有第五快軸準直鏡10，在第六激光二極管陣列12的輸出端面上固定安裝有第六快軸準直鏡11，第三平面反射器18位于第三六面體棱鏡15的上方。
[0020]在具體實施時,上述的輸出耦合鏡陣列是一組反射率大于98%的輸出耦合平面反射鏡，輸出耦合平面反射鏡要求來自同一六面體棱鏡的兩下支路光束使用的兩個輸出耦合平面反射鏡在X軸方向高度相同，不同六面體棱鏡的輸出光束的輸出耦合鏡陣列在X軸方向的位置應(yīng)該錯開，沿著Z軸正方向越遠，輸出耦合鏡陣列應(yīng)該越靠下。至于在z軸以及y軸方向上，最關(guān)鍵的就是保證來自六面體棱鏡輸出的光全部打到輸出耦合平面反射鏡，如來自第二六面體棱鏡14的光，完全能夠打到第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20，不能有光漏出。來自第三六面體棱鏡15的光，完全能夠打到第三輸出耦合平面反射鏡21與第四輸出耦合平面反射鏡22，用來反射不同六面體棱鏡光的平面反射鏡之間的位置要錯開，避免遮擋，如第二輸出耦合平面反射鏡列20要避免遮擋第四輸出耦合平面反射鏡22過來的光，第三輸出耦合平面反射鏡21要避免遮擋第一輸出耦合平面反射鏡19反射下來的光。
[0021]本實用新型實施例中，第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20間構(gòu)成一個輸出耦合鏡陣列，第三輸出耦合平面反射鏡21與第四輸出耦合平面反射鏡22之間構(gòu)成一個輸出I禹合鏡陣列。輸出I禹合鏡陣列用于把光束分光器輸出的下支路光束輸入到匯聚透鏡23。當存在多個采用六面體棱鏡的光束分光器后，需要增加相應(yīng)的輸出耦合鏡陣列，以便能將光線入射到匯聚透鏡23上。在具體實施時，如果光束分光器輸出的下支路光束能直接打到匯聚透鏡23上，則在匯聚透鏡23與所述光束分光器間則可以不需要放置輸出耦合鏡陣列，具體可以根據(jù)實際情況進行選擇設(shè)置，此處不再贅述。
[0022]以第一激光二極管陣列1、第一快軸準直鏡2以及第一六面體棱鏡13為例進行進一步說明。第一快軸準直鏡2對第一激光二極管陣列I的快軸方向發(fā)出的光進行準直；其中，圖中X軸方向為慢軸方向，y軸方向為快軸方向。第一快軸準直鏡2將快軸方向可以準直到大約為0.5度左右的發(fā)散角。第一激光二極管陣列I是由19或49個發(fā)光二極管單元構(gòu)成，19或49個獨立的二極管沿著X軸方向排列形成一維陣列；所述第一快軸準直鏡2固定于激光二極管陣列I的輸出端。對于第一激光二極管陣列I內(nèi)的每一個發(fā)光單元，在自由運轉(zhuǎn)條件下，二極管的慢軸方向(y方向)一般都會有幾十個空間模在振蕩。每個模的遠場分布都是一個雙瓣結(jié)構(gòu)(用兩個支路表示)，不同階數(shù)的側(cè)向空間模，其空間輻射角不同，式(I)表示第m階模的空間輻射角，其中，Xtl表示發(fā)光單元在慢軸方向上的寬度，1?表示波數(shù)。
[0023]=±y^-(I)

Z X0/C0
[0024]由于不同階數(shù)的空間模，輻射角不同，因此可以通過調(diào)節(jié)第一平面反射器16的傾角，來選定某個空間模的一個瓣，將其反饋到第一激光二極管陣列I的各發(fā)光單元的有源區(qū)內(nèi)，使其繼續(xù)振蕩放大，另一瓣作激光輸出。根據(jù)模式競爭的理論，得到反饋的模式振蕩被加強了，其它的模式被有效地抑制了，這樣輸出激光的空間模式數(shù)量就減少了很多，輸出激光的光束質(zhì)量就改善了很多。
[0025]第一六面體棱鏡13的作用主要是將同一個模式的光兩個支路分開，上支路光束入射到第一平面反射器16之后，某個模式的上支路光束與第一平面反射器16垂直，該模式的光被原路反饋回到諧振腔(所述諧振腔由指激光二極管的前后兩個輸出端面構(gòu)成的，為本【技術(shù)領(lǐng)域】人員所熟知，此處不再贅述。)內(nèi)進一步放大增強，從下支路光束輸出。第二激光二極管陣列4的工作原理相同與第一激光二極管陣列I的工作原理一樣。第一激光二極管陣列1、第二激光二極管陣列4共用一個第一六面體棱鏡13，這兩個激光二極管陣列的下支路光束的光束合成一束光。
[0026]在具體實施時，為了獲得更高的功率輸出，可以沿著z軸方向擴展，使多個激光二極管陣列的光束質(zhì)量被改善，多個激光二極管陣列輸出的光束，通過輸出耦合鏡陣列多個輸出光束進行合束。
[0027]本實用新型采用了棱鏡分束與平面反射器選模的方式使激光二極管陣列輸出激光的光束質(zhì)量可以提高，很容易擴展成多個激光二極管陣列同時輸出光束質(zhì)量很好的激光，而且多束激光通過輸出耦合鏡陣列容易進行合束，形成高功率高光束質(zhì)量的激光，采用普通的光學元器件，價格低廉，結(jié)構(gòu)簡單，很容易推廣到二維的激光二極管陣列，安全可靠。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，包括若干激光二極管陣列；其特征是:在每個激光二極管陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在激光二極管陣列的光路上均設(shè)置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設(shè)置有平面反射器以及輸出率禹合鏡陣列，所述輸出I禹合鏡陣列與平面反射器分別位于光束分光器的兩側(cè)；在輸出I禹合鏡陣列的外側(cè)設(shè)置有匯聚透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其特征是:每個激光二極管陣列內(nèi)包括19或49個發(fā)光單元。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其特征是:所述快軸準直鏡為焦距小于Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在激光二極管陣列的輸出端面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其特征是:所述光束分光器包括六面體棱鏡，所述六面體棱鏡的側(cè)面均鍍有高反膜；激光二極管陣列對稱分布在六面體棱鏡的外側(cè)，六面體棱鏡能將每個激光二極管陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其特征是:所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高功率高光束質(zhì)量的多陣列合束激光器，其特征是:所述平面反射器的傾角為-10° ^lO0。
【文檔編號】H01S5/40GK204088875SQ201420585448
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月10日
【發(fā)明者】蘇宙平, 張秀梅, 朱焯煒, 闕立志 申請人:江南大學