CN103944066A - 一种高功率半导体激光合束方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高功率半导体激光合束方法，通过该方法可以得到均匀性好，能量密度大，光束直径缩小一半的激光合束光源。该高功率半导体激光合束方法，包括：将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直；将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。

Description

一种高功率半导体激光合束方法

技术领域

本发明专利属于激光应用领域，具体涉及一种高功率半导体激光合束方法。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，但是当前半导体激光器的推广应用受到其光束质量的制约，所以提高半导体激光器的光束质量、亮度和功率为当下重要的研究方向。激光合束技术近年来发展迅速，它是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程。激光合束技术在激光加工和高功率光纤耦合产品中已得到广泛应用。

目前常用的激光合束方法有偏振合束，波长合束和空间合束。常见的偏振合束装置由1/2玻片和偏振分光棱镜(PBS)组成，一部分激光通过1/2玻片将偏振态由TE变为TM(或TM变为TE)，再与另一部分激光进行合束。由于半导体激光器的激光光源偏振度约为90％，比如半导体激光器发出的偏振态为TE的偏振光一般包含90％的TE偏振光和10％的TM偏振光，因此若采用偏振合束，光能损失较大，仅适用于快轴方向的合束，且输出光为混合偏振光，不能再次与其他光源进行偏振合束；当使用半导体激光叠阵作为光源时，输出光斑仍保留bar与bar之间的发光死区，均匀度较差。波长合束是不同波长的激光进行合束，但是在要求激光具有单一波长的场合无法应用，使其在应用领域具有局限性。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高功率半导体激光合束方法，通过该方法可以得到均匀性好，能量密度大，光束直径缩小一半的激光合束光源。方案如下：

该高功率半导体激光合束方法，包括：

将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直；

将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。

基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和具体实现结构的举例：

上述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

上述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，其中，快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直透镜为单阵列柱面透镜。

第一种实现结构：

合束装置包括一个反射间隔膜层镜和一个全反射镜，所述反射间隔膜层镜是在平板透镜的下表面间隔镀反射膜，反射膜的数量为半导体激光单元的一半，反射膜的间距与其自身宽度相等；反射间隔膜层镜和全反射镜与半导体激光器叠阵出光方向均呈45°放置，并且分别对应于半导体激光器叠阵的堆叠高度的上半部分和下半部分，各个半导体激光单元发出的光经过准直透镜组分别准直后仍保持等间距，上半部分的光经反射间隔膜层镜两次折射后平行透射，下半部分依次经全反射镜、反射间隔膜层镜反射膜进行两次反射后与上半部分的透射光插空合束。

该合束装置的位置最好满足以下坐标关系：

以半导体激光器叠阵上半部分的最下端的半导体激光单元出光光轴为X轴，X轴与反射间隔膜层镜的交汇点为坐标原点O，Y轴方向为半导体激光器叠阵堆叠高度方向，由此确定出二维坐标系；则半导体激光器叠阵下半部分最下端的半导体激光单元出光光轴与全反射镜的镜面交汇点坐标为

其中g为反射间隔膜层镜厚度，n为透镜材料的折射率，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光单元准直后的光束直径，m为所用到的半导体激光单元个数。

上述反射膜的间隙可以镀增透膜，镀膜宽度满足以下关系：

$\sqrt{2}d\≤a\≤\sqrt{2}w$

且a＝b，w>d

其中，d为半导体激光单元准直后的光束直径，a增透膜区宽度，b为反射膜区宽度。

第二种实现结构：

合束装置采用棱镜组合实现，所述棱镜组合为N个等高等厚的平行六面棱镜相互平行等间距放置，并且放置位置依次在竖直方向上有固定的向上位移。

该合束装置具体包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135°；

合束装置中平行六面棱镜的个数N与半导体激光单元个数m满足关系：

当m为偶数时，N＝m/2；

当m为奇数时，N＝m/2-1；

且N个平行六面棱镜厚度、高度均相等且满足以下关系：

厚度满足关系：d≤a≤w+d

高度满足关系：h＝(m-1)(w+d)

位置关系需满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上部侧面的最下端为原点O，则第N片平行六面棱镜的上部侧面的最下端M点的坐标值满足

y＝(N-1)(w+d)

x≥a

其中，m为半导体激光器叠阵中半导体激光单元个数，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为每个平行六面棱镜的厚度，h为每个平行六面棱镜的高度。

第三种实现结构：

合束装置为一个平行六面棱镜和若干三棱镜的组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵，其下半部分的侧面与激光光束的光轴垂直，上半部分的侧面与激光光束的光轴成45°夹角，三棱镜个数为半导体激光器叠阵中激光单元个数的一半，出光面均紧密贴合于所述平行六面棱镜上部的侧面上，入光面均与激光光束的光轴垂直，单个棱镜在高度方向上分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分的单个半导体激光单元发出的激光光束直径。

半导体激光器叠阵由偶数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{\sqrt{2}}{4}(m+1)(w+d),\left(\frac{2m-1}{4}\right)(w+d)\≤L\≤\frac{m+3}{2}(w+d);$

或者

半导体激光器叠阵由奇数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度满足：

$t=\frac{\sqrt{2}}{4}\mathrm{mw};\frac{m}{2}(w+d)\≤L\≤\frac{2m+5}{4}(w+d);$

其中，m为半导体激光器单元数量，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距，t为平行六面棱镜的厚度，L为平行六面棱镜的宽度。

本发明具有以下优点：

1)合束光源具有单偏振特性，合束***的光能损失低，提高了效率；

2)合束光斑均匀性好，且可以降低光积参BPP(发光面乘以发散角)的目的，可以提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用；

3)本发明中的激光合束方法在快慢轴均可适用；

4)结合该方法设计的合束装置加工原材料简单，成本较低。

附图说明

图1为一种高功率激光合束方法示意图。

图2a实施例一原理图。

图2b实施例一中坐标关系图。

图3a实施例二原理图。

图3b实施例二中坐标关系图。

图4为实施例二的优化设计。

图5为实施例三的原理图。

附图标号说明：1为半导体激光器叠阵，2为快轴准直透镜，3为慢轴准直透镜，4为增透反射间隔膜层镜，5为全反射镜，6为合束***,7为实施例二中的平行六面棱镜，8为三棱镜，9为实施例三中的平行六面棱镜,10准直透镜组。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明的方案做进一步说明。

实施例一

图2a为结合本发明中的方法的一种高功率半导体激光合束装置光路示意图。一种高功率半导体激光合束装置包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵1、准直透镜组10和合束***6，所述半导体激光器叠阵1由4组半导体激光单元堆叠组成，所述合束***6包括一个反射间隔膜层镜4和一个全反射镜5，所述反射间隔膜层镜4是在平板透镜的下表面间隔镀反射膜，反射膜的数量为2，反射膜的间距与其自身宽度相等；反射间隔膜层镜4和全反射镜5与半导体激光器叠阵1出光方向均呈45°之间放置，并且分别对应于半导体激光器叠阵1的堆叠高度的上半部分和下半部分，各个半导体激光单元发出的光经过准直透镜组10分别准直后仍保持等间距，上半部分的光经反射间隔膜层镜4两次折射后平行透射，下半部分依次经全反射镜5、反射间隔膜层镜4反射膜进行两次反射后与上半部分的透射光插空合束。

如图2b所示，所述合束***的位置满足以下坐标关系：以半导体激光器叠阵上半部分的最下端的半导体激光单元出光光轴为X轴，X轴与反射间隔膜层镜的交汇点为坐标原点O，Y轴方向为半导体激光器叠阵堆叠高度方向，由此确定出二维坐标系；则半导体激光器叠阵下半部分最下端的半导体激光单元出光光轴与全反射镜的镜面交汇点Q坐标为

其中g为反射间隔膜层镜厚度，n为透镜材料的折射率，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光单元准直后的光束直径。

上述反射间隔膜层镜的材料为玻璃，在透镜的下表面镀增透膜和反射膜，增透膜和反射膜等宽度间隔排列且数量相等，增透膜或者反射膜的镀膜数量为m/2。镀膜宽度a和b满足以下关系：

$\sqrt{2}d\≤a\≤\sqrt{2}w$

且a＝b，w>d

其中，a为增透膜区宽度，b为反射膜区宽度；

激光光束进入反射间隔膜层镜会发生2次折射，出射光与入射光的垂直位移为

$w\≈g\×(1-\frac{1}{n})\×\mathrm{\θ}$

其中，θ为入射角度弧度，n为透镜折射率。

所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，其中，快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直透镜为单阵列柱面透镜。

全反射镜的基体材料为玻璃或金属，全反射镜的材料为金属时，可选用金属铜、金属铝、金属铝合金或不锈钢材料，表面镀高反膜，高反膜的材料为金属银或金属金，或者其他具有高发射作用的反射膜；或者高反膜采用多层介质反射膜，多层介质反射膜材料为可选用依次镀TiO₂和SiO₂或者其他多层介质反射膜材料。

合束***根据坐标关系安装在固定架上，固定架的材料可以为塑料，铝，钢或者铜。

实施例二

图3a为结合本发明的合束方法设计的半导体激光器合束***的一个实施例。该激光合束***主要由半导体激光器叠阵1、准直透镜组10和合束***6组成，所述的半导体激光器叠阵1由4个半导体激光单元组成；所述的准直透镜组放置于半导体激光器激光出射处，包括快轴准直透镜2和慢轴准直阵列3，其中快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜；所述合束***6放置于准直后的激光光束出射方向，由2个平行六面棱镜7组成，2个平行六面棱镜7相互平行等间距放置，并且放置位置依次在竖直方向上有固定的向上位移。平行六面棱镜7有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵，上侧面与激光光轴成45°夹角，另一侧面为竖直放置且与上侧面的夹角为135°。半导体激光器叠阵发出的激光光束通过该合束装置后，光束直径为原直径的一半，能量密度为入射光能量密度的2倍。

所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

所述合束***中平行六面棱镜的个数为2个，且2个平行六面棱镜厚度相等，同时高度彼此相等，满足以下关系：

厚度满足关系：d≤a≤w+d

高度满足关系：h＝3(w+d)

如图3b所示2个平行六面棱镜位置关系需满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上反射面的最下端为原点O，则第2片平行六面棱镜的上反射面的最下端M点的坐标值满足

y＝w+d

x≥a

其中，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为单片平行六面棱镜厚度，h为单片平行六面棱镜高度。

平行六面棱镜的入射面和出射面最好加镀增透膜。

所述的2个平行六面棱镜可以通过固定架固定,固定架的材料可以为塑料，铝，钢或者铜。

图4为结合本实施例中的半导体激光器合束装置做出的优化设计，N个相同平行六面棱镜的组合，N个平行六面棱镜依次紧密贴合，并依次向上位移w+d，每片平行六面棱镜的厚度为w+d；或者这样的N个相同平行六面棱镜的组合为一体件。图4采用三片平行六面棱镜组合作为合束装置，三片平行六面棱镜在出光方向上相互紧密贴合，可做成一体件，缩小了合束装置的体积，节省了材料和成本。

实施例三

图5为结合本发明的合束方法设计的一种半导体激光器合束***的实施例，一种高功率半导体激光器合束***包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵1、准直透镜组10和合束装置6，所述准直透镜组10包括快轴准直透镜2和慢轴准直阵列3，其中，快轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直阵列为单阵列柱面透镜。所述的合束装置6中的棱镜组合中的小棱镜选用以三棱镜8，平行六面棱镜9的相邻两个侧面的锐角的夹角为45°。半导体激光器叠阵等分为上下两部分，例如半导体激光器叠阵1包括4个半导体激光器单元，将上部2个半导体激光器单元作为半导体激光器叠阵1的上部分，下部的2个半导体激光器单元作为半导体激光器叠阵1的下部分，棱镜组合中的小棱镜为2个三棱镜8，半导体激光器叠阵上部分激光光束垂直入射棱镜组合8中的2个三棱镜8的入射面，即半导体激光器叠阵1上部的2个半导体激光器单元发出的激光分别入射至2个三棱镜的入射面，因为激光光束入射方向与三棱镜入射面垂直，所以在三棱镜内部不会发生折射，激光光束入射至三棱镜8入射面后水平从平行六面棱镜9的出射面出射，即出射方向与入射方向一致，半导体激光器叠阵1下部分激光光束垂直入射平行六面棱镜9后经过平行六面棱镜9两个相对的面进行两次全反射后与上部分出射的激光光束插空合束水平出射。合束光束的能量密度为入射光能量密度的2倍且合束光束的直径为半导体激光器叠阵发出的激光直径的一半。

平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{5\sqrt{2}}{4}(w+d),\frac{3}{4}(w+d)\≤L\≤\frac{7}{2}(w+d);$

w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距；t为平行六面棱镜的厚度；L为平行六面棱镜的宽度。

棱镜组合中的小棱镜采用三棱镜，各个小棱镜等间距放置，满足以下关系：

a＝b，w>d，d≤x≤w；

其中d为单个半导体激光单元准直后的光束直径，a为三棱镜出光面宽度，b为三棱镜的间距，x为三棱镜的入射面高度，w为相邻两半导体激光器单元之间的间距。

半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

平行六面棱镜的材料可以采用玻璃，入射面和出射面均可以镀增透膜。

本发明实施方式中均可以降低光积参BPP(发光面乘以发散角)的目的，可以提高光束质量，提高其输出功率密度,使其更利于应用。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光合束方法，包括：

将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直；

将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。

3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，其中，快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直透镜为单阵列柱面透镜。

4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：

所述合束装置包括一个反射间隔膜层镜和一个全反射镜，所述反射间隔膜层镜是在平板透镜的下表面间隔镀反射膜，反射膜的数量为半导体激光单元的一半，反射膜的间距与其自身宽度相等；反射间隔膜层镜和全反射镜与半导体激光器叠阵出光方向均呈45°放置，并且分别对应于半导体激光器叠阵的堆叠高度的上半部分和下半部分，各个半导体激光单元发出的光经过准直透镜组分别准直后仍保持等间距，上半部分的光经反射间隔膜层镜两次折射后平行透射，下半部分依次经全反射镜、反射间隔膜层镜反射膜进行两次反射后与上半部分的透射光插空合束。

5.根据权利要求4所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于，所述合束装置的位置满足以下坐标关系：

以半导体激光器叠阵上半部分的最下端的半导体激光单元出光光轴为X轴，X轴与反射间隔膜层镜的交汇点为坐标原点O，Y轴方向为半导体激光器叠阵堆叠高度方向，由此确定出二维坐标系；则半导体激光器叠阵下半部分最下端的半导体激光单元出光光轴与全反射镜的镜面交汇点坐标为

其中g为反射间隔膜层镜厚度，n为透镜材料的折射率，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光单元准直后的光束直径，m为所用到的半导体激光单元个数。

6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于，反射膜的间隙镀增透膜，镀膜宽度满足以下关系：

$\sqrt{2}d\≤a\≤\sqrt{2}w$

且a＝b，w>d

其中，d为半导体激光单元准直后的光束直径，a增透膜区宽度，b为反射膜区宽度。

7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：所述合束装置采用棱镜组合实现，所述棱镜组合为N个等高等厚的平行六面棱镜相互平行等间距放置，并且放置位置依次在竖直方向上有固定的向上位移。

8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：所述合束装置包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135°；

合束装置中平行六面棱镜的个数N与半导体激光单元个数m满足关系：

m为偶数，则N＝m/2；或者m为奇数，则N＝m/2-1；

N个平行六面棱镜厚度、高度均相等且满足以下关系：

厚度满足关系：d≤a≤w+d

高度满足关系：h＝(m-1)(w+d)

位置关系需满足以下坐标关系：以第一片平行六面棱镜的上部侧面的最下端为原点O，则第N片平行六面棱镜的上部侧面的最下端M点的坐标值满足

y＝(N-1)(w+d)

x≥a

其中，m为半导体激光器叠阵中半导体激光单元个数，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为每个平行六面棱镜的厚度，h为每个平行六面棱镜的高度。

9.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：所述合束装置为一个平行六面棱镜和若干三棱镜的组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵，其下半部分的侧面与激光光束的光轴垂直，上半部分的侧面与激光光束的光轴成45°夹角，三棱镜个数为半导体激光器叠阵中激光单元个数的一半，出光面均紧密贴合于所述平行六面棱镜上部的侧面上，入光面均与激光光束的光轴垂直，单个棱镜在高度方向上分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分的单个半导体激光单元发出的激光光束直径。

10.根据权利要求9所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于：半导体激光器叠阵由偶数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足：

$t=\frac{\sqrt{2}}{4}(m+1)(w+d),\left(\frac{2m-1}{4}\right)(w+d)\≤L\≤\frac{m+3}{2}(w+d);$

或者

半导体激光器叠阵由奇数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度满足：

$t=\frac{\sqrt{2}}{4}\mathrm{mw};\frac{m}{2}(w+d)\≤L\≤\frac{2m+5}{4}(w+d);$

其中，m为半导体激光器单元数量，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，w为相邻两个半导体激光器单元之间的间距，t为平行六面棱镜的厚度，L为平行六面棱镜的宽度。