CN105680295B - 一种激光合束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光合束装置，该装置包括：水冷板、合束器和两个激光器阵列；每个激光器阵列包括N个激光器，N为大于1的正整数；两个激光器阵列分别固定于水冷板的上表面和下表面；合束器对两个激光器阵列输出的激光光束进行空间合束、偏振合束或波长合束。可见，本发明提供的技术方案在水冷板的上下两面进行激光器的排布，在对相同数量的激光光束进行合束的前提下，通过高效利用水冷板缩小了激光合束装置的体积，减轻了激光合束装置的重量，节省了激光合束装置所用的水冷板材料，降低了激光合束装置的成本，符合激光合束装置的生产加工需求，能够推进激光合束技术的不断发展和进步。

Description

一种激光合束装置
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种激光合束装置。
背景技术
激光合束技术是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程，常用的激光合束方法有空间合束、偏振合束和波长合束，其应用场景如下：
半导体激光器单管具有效率高、结构紧凑、成本低和高可靠性的优点，但是单个的半导体激光器单光输出功率较低，对多个半导体激光器单管的光束进行激光合束而获得高功率。图1示出了现有技术中的激光合束装置的示意图。如图1所示，3个半导体激光器单管2分别放置于水冷板1上的不同阶上，各个半导体激光器2发出的激光光束经过快轴准直透镜3的准直后输出，该方案中，仅在水冷板的一面排布半导体激光器单管，空间利用不够充分，可以进行激光合束的激光器数量有限，进而合束后得到的功率有限，不能满足一般需求。
发明内容
鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种空间合束装置和***。
依据本发明的一个方面，提供了一种激光合束装置，该装置包括：水冷板、合束器和两个激光器阵列；
每个激光器阵列包括N个激光器，N为大于1的正整数；
两个激光器阵列分别固定于水冷板的上表面和下表面；
合束器对两个激光器阵列输出的激光光束进行空间合束、偏振合束或波长合束。
可选地，该装置进一步包括：分别与两个激光器阵列对应的两个准直器；
每个准直器放置于相应的激光器阵列与所述合束器之间；
在所述合束器对两个激光器阵列输出的激光光束进行空间合束、偏振合束或波长合束之前，
每个准直器对相应的激光器阵列发出的激光光束进行准直。
可选地，所述水冷板包括：上层板、中层板和下层板；
中层板内设置有一条进水通道和一条出水通道，以供冷却水的流入和流出；
上层板内设置有多条水冷通道，当上层板的下表面与中层板的上表面对接时，上层板内的每条水冷通道的两端与中层板内的所述进水通道和所述出水通道分别连通；
下层板内设置有多条水冷通道，当下层板的上表面与中层板的下表面对接时，下层板内的每条水冷通道的两端与中层板内的所述进水通道和所述出水通道分别连通；
两个激光器阵列分别固定在上层板的上表面和下层板的下表面上。
可选地，上层板和下层板在分别与激光器阵列固定后再与中层板对接形成水冷板；
其中，两个激光器阵列通过相同温度的烧结工艺分别烧结在上层板和下层板上；上层板、中层板和下层板通过螺丝连接固定。
可选地，所述水冷板包括：上层板和下层板；
上层板的下表面设置有多条凹槽；
下层板的上表面设置有多条凹槽；
当上层板的下表面与下层板的上表面对接时，上层板的下表面上的多条凹槽与下层板的上表面上的多条凹槽拼接形成多条水冷通道；
两个激光器阵列分别固定在上层板的上表面和下层板的下表面上。
可选地，上层板和下层板焊接形成水冷板；
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在上层板上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在下层板上；
或者，
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在下层板上，另一个激光器阵列通过温度较高的较低的烧结工艺烧结在上层板上。
可选地，所述水冷板通过3D打印技术成型，所述水冷板内部具有水冷通道；
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在所述水冷板的上表面上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在所述水冷板的下表面上。
可选地，每个激光器阵列包括N个半导体激光器单管，或者，每个激光器阵列包括N个半导体激光器bar条。
可选地，所述水冷板的上表面为平面或阶梯状结构，所述水冷板的下表面为平面或阶梯状结构；
所述合束器包括：一个半波片和一个偏振侧移分光棱镜。
可选地，当每个激光器阵列包括N个半导体激光器单管时，
每个准直器包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和N个慢轴准直透镜；
每个准直镜包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和1个慢轴准直透镜；
或者，
每个准直镜包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个慢轴准直透镜和1个快轴准直透镜。
由上述可知，在本发明提供的技术方案中，在水冷板的上下两面进行激光器的排布，在对相同数量的激光光束进行合束的前提下，通过高效利用水冷板缩小了激光合束装置的体积，减轻了激光合束装置的重量，节省了激光合束装置所用的水冷板材料，降低了激光合束装置的成本，符合激光合束装置的生产加工需求，能够推进激光合束技术的不断发展和进步。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1示出了现有技术中的激光合束装置的示意图；
图2示出了根据本发明的实施例一的一种激光合束装置的示意图；
图3A示出了根据本发明的实施例二的一种激光合束装置的示意图；
图3B示出了根据本发明实施例二的激光合束装置输出的激光光束阵列的光强分布示意图；
图4A示出了根据本发明一个实施例的水冷板的立体图；
图4B示出了根据本发明一个实施例的水冷板的俯视图；
图4C示出了根据本发明一个实施例的水冷板的正视图；
图4D示出了根据本发明一个实施例的水冷板的侧视图；
图5A示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的立体图；
图5B示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的俯视图；
图5C示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的正视图；
图5D示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的侧视图；
图6A示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的立体图；
图6B示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的俯视图；
图6C示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的正视图；
图6D示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的侧视图；
图7A示出了根据本发明的实施例三示出的一种激光合束装置的示意图；
图7B示出了根据本发明实施例三的激光合束装置输出的激光光束阵列的光强分布示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
建立x轴、y轴和z轴，x轴为横轴，z轴为纵轴，y轴为竖轴，构成右手空间直角坐标系x-y-z，依据该右手空间直角坐标系对本发明提供的空间合束装置及***进行说明，在以下的实施例中，纵轴对应于激光光束的快轴方向，横轴对应于激光光束的慢轴方向。
图2示出了根据本发明的实施例一的一种激光合束装置的示意图，示出了激光合束装置在y-z平面上的分布示意图。该装置包括：两个激光器阵列、两个准直器和一个水冷板1；如图2所示，每个激光器阵列中包括3个激光器2，每个准直器与一个激光器阵列相对应，包括对应于激光器阵列中的3个激光器2的3个快轴准直透镜3(对激光光束在快轴方向上的发散情况进行准直)。其中，两个激光器阵列分别固定于水冷板1的上表面和下表面，水冷板1的上表面和下表面均呈阶梯状，每个阶梯上固定一个激光器2，对于每个激光器阵列，3个激光器2均为半导体激光器单管，3个激光器2在y-z平面上呈阶梯状分布。在本实施例中，通过快轴准直透镜3对激光光束的准直作用和水冷板1的上表面/下表面的阶梯状结构对激光光束的空间分布作用，使得每个激光器阵列中的3个激光器2输出的3条激光光束实现了空间合束；进一步地，该激光合束装置还包括一个合束器(图中未画出)，对于两个激光器阵列输出的6条激光光束进行进一步的合束处理，该合束处理可以是空间合束、波长合束或偏振合束等。
图3A示出了根据本发明的实施例二的一种激光合束装置的示意图，示出了激光合束装置在y-z平面上的分布示意图。该装置包括：两个激光器阵列、两个准直器和一个水冷板1；如图3A所示，每个激光器阵列中包括3个激光器2，每个准直器与一个激光器阵列相对应，包括对应于激光器阵列中的3个激光器2的3个快轴准直透镜3(对激光光束在快轴方向上的发散情况进行准直)和3个慢轴准直透镜4(对激光光束在慢轴方向上的发散情况进行准直)。其中，两个激光器阵列分别固定于水冷板1的上表面和下表面，水冷板1的上表面和下表面均呈阶梯状，每个阶梯上固定一个激光器2，对于每个激光器阵列，3个激光器2均为半导体激光器单管，3个激光器2在y-z平面上呈阶梯状分布。在本实施例中，通过快轴准直透镜3和慢轴准直透镜对激光光束的准直作用和水冷板的上表面/下表面的阶梯状结构对激光光束的空间分布作用，使得每个激光器阵列中的3个激光器2输出的3条激光光束实现了空间合束；进一步地，该激光合束装置还包括一个合束器(图中未画出)，对于两个激光器阵列输出的6条激光光束进行进一步的合束处理，该合束处理可以是空间合束、波长合束或偏振合束等；本实施例采用空间合束。
图3B示出了根据本发明实施例二的激光合束装置输出的激光光束阵列的光强分布示意图。如图3B所示，本实施例得到的激光光束阵列中的各激光光束的光强均呈高斯分布，上面的3个光斑是位于水冷板1的上表面的3个激光器2发出的激光光束经空间合束形成的，下面的3个光斑是位于水冷板1的下表面的3个激光器2发出的激光光束经空间合束形成的，6条激光光束的光斑沿快轴方向排成一列。
相应地，在其他实施例中，输出的激光光束阵列中的各激光光束的光斑也可以是沿慢轴方向排成一列，可以根据实际需求设置，在此不做限制。
可见，本发明提供的技术方案在水冷板的上下两面进行激光器的排布，在对相同数量的激光光束进行合束的前提下，通过高效利用水冷板缩小了激光合束装置的体积，减轻了激光合束装置的重量，节省了激光合束装置所用的水冷板材料，降低了激光合束装置的成本，符合激光合束装置的生产加工需求，能够推进激光合束技术的不断发展和进步。
在本发明的实施例中，上述激光合束装置中的水冷板1可以有如下实施方式：
方式1：参见图4A-图4D，图4A示出了根据本发明一个实施例的水冷板的立体图，图4B示出了根据本发明一个实施例的水冷板的俯视图，图4C示出了根据本发明一个实施例的水冷板的正视图，图4D示出了根据本发明一个实施例的水冷板的侧视图。由图中可知，在本实施例中，所述水冷板1包括：上层板1-1-1、中层板1-1-2和下层板1-1-3；中层板1-1-2内设置有一条进水通道和一条出水通道，以供冷却水的流入和流出；上层板1-1-1内设置有多条水冷通道，当上层板1-1-1的下表面与中层板1-1-2的上表面对接时，上层板1-1-1内的每条水冷通道的两端与中层板1-1-2内的所述进水通道和所述出水通道分别连通；下层板1-1-3内设置有多条水冷通道，当下层板1-1-3的上表面与中层板1-1-2的下表面对接时，下层板1-1-3内的每条水冷通道的两端与中层板1-1-2内的所述进水通道和所述出水通道分别连通。
两个激光器阵列分别固定在上层板1-1-1的上表面和下层板1-1-3的下表面上；在具体的实施过程中，上层板1-1-1和下层板1-1-3在分别与激光器阵列固定后再与中层板1-1-2对接形成水冷板1；其中，两个激光器阵列通过相同温度的烧结工艺分别烧结在上层板1-1-1和下层板1-1-3上；上层板1-1-1、中层板1-1-2和下层板1-1-3通过螺丝连接固定。
方式2：参见图5A-图5D，图5A示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的立体图，图5B示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的俯视图，图5C示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的正视图，图5D示出了根据本发明另一个实施例的水冷板的侧视图。由图中可知，在本实施例中，所述水冷板1包括：上层板1-2-1和下层板1-2-2；上层板1-2-1的下表面设置有多条凹槽；下层板1-2-2的上表面设置有多条凹槽；当上层板1-2-1的下表面与下层板1-2-2的上表面对接时，上层板1-2-1的下表面上的多条凹槽与下层板1-2-2的上表面上的多条凹槽拼接形成多条水冷通道。
两个激光器阵列分别固定在上层板1-2-1的上表面和下层板1-2-2的下表面上；在具体实施过程中，先将上层板1-2-1和下层板1-2-2焊接形成水冷板1；再将一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在上层板1-2-1上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在下层板1-2-2上；或者，再将一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在下层板1-2-2上，另一个激光器阵列通过温度较高的较低的烧结工艺烧结在上层板1-2-1上。
方式3：参见图6A-图6D，图6A示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的立体图，图6B示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的俯视图，图6C示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的正视图，图6D示出了根据本发明再一个实施例的水冷板的侧视图。在本实施例中，所述水冷板1通过3D打印技术成型，所述水冷板1内部具有水冷通道。一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在所述水冷板1的上表面上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在所述水冷板1的下表面上。
可见，本发明提供的激光合束装置中的双面可用的水冷板1可以根据实际需求灵活地选择进行加工的具体实施方式，并相应地选择激光器阵列在水冷板1的表面上进行固定的具体实施方式。
图7A示出了根据本发明的实施例三示出的一种激光合束装置的示意图，示出了激光合束装置在y-z平面上的分布示意图。该装置包括：两个激光器阵列、两个准直器、一个水冷板1一个半波片5和一个偏振侧移分光棱镜6；如图7A所示，每个激光器阵列中包括3个激光器2，每个准直器与一个激光器阵列相对应，包括对应于激光器阵列中的3个激光器2的3个快轴准直透镜3(对激光光束在快轴方向上的发散情况进行准直)和3个慢轴准直透镜4(对激光光束在慢轴方向上的发散情况进行准直)。其中，两个激光器阵列分别固定于水冷板1的上表面和下表面，水冷板1的上表面和下表面均呈阶梯状，每个阶梯上固定一个激光器2，对于每个激光器阵列，3个激光器2均为半导体激光器单管，3个激光器2在y-z平面上呈阶梯状分布。在本实施例中，通过快轴准直透镜3和慢轴准直透镜对激光光束的准直作用和水冷板的上表面/下表面的阶梯状结构对激光光束的空间分布作用，使得每个激光器阵列中的3个激光器2输出的3条激光光束实现了空间合束；进一步地，半波片5和偏振侧移分光棱镜6对两个激光器阵列输出的6条激光光束进行进一步的偏振合束，具体地，位于水冷板1的下表面的3个激光器2发出的3条激光光束被偏振侧移分光棱镜6反射到偏振侧移分光棱镜6的偏振分光面上，在该偏振分光面上发生了反射，而位于水冷板1的上表面的3个激光器2发出的3条激光光束经过半波片5后偏振方向发生变化，然后在偏振侧移分光棱镜6的偏振分光面上发生透射，使得位于水冷板1的上下表面的两个激光器阵列发出的激光光束光路重合，得到3束激光光束输出。
图7B示出了根据本发明实施例三的激光合束装置输出的激光光束阵列的光强分布示意图。如图7B所示，本实施例得到的激光光束阵列中的各激光光束的光强均呈高斯分布，位于水冷板1的上下表面的6个激光器2发出的6条激光光束经过半波片5和偏振侧移分光棱镜6被合为3条激光光束，形成相应的3个光斑，3个光斑沿快轴方向排成一列。
相应地，在其他实施例中，输出的激光光束阵列中的各激光光束的光斑也可以是沿慢轴方向排成一列，可以根据实际需求设置，在此不做限制。
在本发明的实施例中，每个激光器阵列还可以包括N个半导体激光器bar条。
在本发明的实施例中，确定输出的激光光束阵列所在的平面位置后，可以将准直器中的快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3进行灵活使用，当每个激光器阵列包括N个半导体激光器单管时，每个准直器可以包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和N个慢轴准直透镜；每个准直镜可以包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和1个慢轴准直透镜；或者，每个准直镜可以包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个慢轴准直透镜和1个快轴准直透镜。
在其他实施例中，多个如实施例一至实施例三所述的空间合束装置输出的激光光束阵列可以再通过偏振合束或波长合束等方式进行处理，其中，波长合束的方式包括密集波分复用、宽带波分复用等。
综上所述，在本发明提供的技术方案中，在水冷板的上下两面进行激光器的排布，在对相同数量的激光光束进行合束的前提下，通过高效利用水冷板缩小了激光合束装置的体积，减轻了激光合束装置的重量，节省了激光合束装置所用的水冷板材料，降低了激光合束装置的成本，易于扩展激光器阵列中的激光器数量，使得激光合束后得到的高功率能够满足应用需求，符合激光合束装置的生产加工需求，能够推进激光合束技术的不断发展和进步，满足空间合束需求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种激光合束装置，其特征在于，该装置包括：水冷板、合束器和两个激光器阵列；
每个激光器阵列包括N个激光器，N为大于1的正整数；
两个激光器阵列分别固定于水冷板的上表面和下表面；
合束器对两个激光器阵列输出的激光光束进行空间合束、偏振合束或波长合束；
所述合束器包括：一个半波片和一个偏振侧移分光棱镜。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括：分别与两个激光器阵列对应的两个准直器；
每个准直器放置于相应的激光器阵列与所述合束器之间；
在所述合束器对两个激光器阵列输出的激光光束进行空间合束、偏振合束或波长合束之前，
每个准直器对相应的激光器阵列发出的激光光束进行准直。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷板包括：上层板、中层板和下层板；
中层板内设置有一条进水通道和一条出水通道，以供冷却水的流入和流出；
上层板内设置有多条水冷通道，当上层板的下表面与中层板的上表面对接时，上层板内的每条水冷通道的两端与中层板内的所述进水通道和所述出水通道分别连通；
下层板内设置有多条水冷通道，当下层板的上表面与中层板的下表面对接时，下层板内的每条水冷通道的两端与中层板内的所述进水通道和所述出水通道分别连通；
两个激光器阵列分别固定在上层板的上表面和下层板的下表面上。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，
上层板和下层板在分别与激光器阵列固定后再与中层板对接形成水冷板；
其中，两个激光器阵列通过相同温度的烧结工艺分别烧结在上层板和下层板上；上层板、中层板和下层板通过螺丝连接固定。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述水冷板包括：上层板和下层板；
上层板的下表面设置有多条凹槽；
下层板的上表面设置有多条凹槽；
当上层板的下表面与下层板的上表面对接时，上层板的下表面上的多条凹槽与下层板的上表面上的多条凹槽拼接形成多条水冷通道；
两个激光器阵列分别固定在上层板的上表面和下层板的下表面上。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，上层板和下层板焊接形成水冷板；
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在上层板上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在下层板上；
或者，
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在下层板上，另一个激光器阵列通过温度较高的较低的烧结工艺烧结在上层板上。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述水冷板通过3D打印技术成型，所述水冷板内部具有水冷通道；
一个激光器阵列通过温度较高的烧结工艺烧结在所述水冷板的上表面上，另一个激光器阵列通过温度较低的烧结工艺烧结在所述水冷板的下表面上。
8.如权利要求1或2所述的装置，其特征在于，
每个激光器阵列包括N个半导体激光器单管，或者，每个激光器阵列包括N个半导体激光器bar条。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述水冷板的上表面为平面或者阶梯状结构，所述水冷板的下表面为平面或者阶梯状结构。
10.如权利要求8所述的装置，其特征在于，当每个激光器阵列包括N个半导体激光器单管时，
每个准直器包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和N个慢轴准直透镜；
每个准直镜包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个快轴准直透镜和1个慢轴准直透镜；
或者，
每个准直镜包括：对应于所述N个半导体激光器单管的N个慢轴准直透镜和1个快轴准直透镜。
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