CN112260064A - 一种光束缩束装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种光束缩束装置，包括：N个单管半导体激光器，用于产生N个激光束，其中，N‑1个单管半导体激光器构成正多边形阵列，另外1个单管半导体激光器位于正多边形阵列的中心位置；N组准直镜，分别对应于N个平行的激光束，每组准直镜包括快轴准直镜及慢轴准直镜，分别用于在快轴及慢轴上对激光束进行准直，得到N个平行的激光束；N‑1个平板玻璃，分别对应于正多边形阵列中的N‑1个平行激光束，用于对N‑1个平行激光束进行折射，以使该N‑1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。本公开还提供一种光束缩束方法。
Description
技术领域
本公开涉及半导体激光器技术领域，具体涉及到一种光束缩束装置及其方法。
背景技术
半导体激光器相对于其他激光器具有体积小、电光转化效率高、寿命长、稳定性强等优点，如今光纤耦合半导体激光模块已经广泛应用于光纤通信、激光医疗、泵浦固体激光器，尤其是在工业加工领域，被称为***光源。在材料加工领域，由于近红外激光对有色金属材料的加工困难，短波长的蓝绿光半导体激光因材料的高吸收率成为解决这些技术困难的有效手段。例如，铜基材料对450nm蓝光的吸收率是1μm激光(固体、半导体激光)吸收率的5-10倍以上，但是相对于近红外波段的半导体激光器，蓝光半导体激光器的输出功率偏低，还达不到工业加工的要求。
通过合束的方法提升输出功率是有效的解决方式之一。目前，一般的空间合束方法将多个半导体激光器(LD)发射单元组合为矩形的阵列发射单元进行光纤耦合，其优点是结构简单，容易消除单元之间的暗区，缺点是矩形阵列与圆形的光纤端面不匹配，在矩形四周存在合束的空间浪费。平面最密堆积结构可以有效利用空间，进一步提升合束单元的数量，提高输出功率，其难点在于不改变光束发射角的条件下消除发光单元之间的暗区。
发明内容
为了解决现有技术中上述问题，本公开提供了一种光束缩束装置及其方法，其能保持光束发散角不变的情况下消除TO单管之间的发光暗区，提高合束光束的光束质量。
本公开提供了一种光束缩束装置，该包括：
N个单管半导体激光器，用于产生N个激光束，其中，N-1个单管半导体激光器构成正多边形阵列，另外1个单管半导体激光器位于正多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；N组准直镜，分别对应于N个平行的激光束，每组准直镜包括快轴准直镜及慢轴准直镜，分别用于在快轴及慢轴上对激光束进行准直，得到N个平行的激光束；N-1个平板玻璃，分别对应于正多边形阵列中的N-1个平行激光束，用于对N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
进一步地，N个激光束首先经过快轴准直镜在其快轴上进行准直，再经过慢轴准直镜在其慢轴上进行准直，使得激光束在其快轴和慢轴方向上的发散角减小，提升了激光束的均匀性，得到N个平行的激光束。
进一步地，N等于7，六个单管半导体激光器构成的正多边形阵列为正六边形阵列，另外1个单管半导体激光器位于正多边形阵列的中心位置，其构成平面最密堆积分布。
进一步地，N个单管半导体激光器均为TO封装的单管半导体激光器，其任意两者的光轴距离为12～20mm。
进一步地，N-1个平板玻璃呈六面体形状，其用于激光束射入和射出的二个端面平行。
进一步地，N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚的距离D满足如下条件：
其中，L为二平行端面间的距离，n为平板玻璃的折射率，θ为激光束与二平行端面之间的夹角。
进一步地，N-1个平板玻璃由对波长400～500nm高透的材料构成，其为石英材料或k9玻璃材料。
进一步地，N-1个平板玻璃中二平行端面的距离L范围为5～50mm，激光束与二平行端面之间的夹角θ为30°～60°。
进一步地，该光束缩束装置还包括铜块夹具，N个单管半导体激光器设置铜块夹具中，其与N个单管半导体激光器的接触面涂导热硅脂，用于对N个单管半导体激光器的散热。
进一步地，N个单管半导体激光器与其对应的N个快轴准直镜的距离为1～2mm，N个快轴准直镜与其对应的N个慢轴准直镜的距离为20～40mm，N个慢轴准直镜与其对应的平板玻璃的距离为40～100mm。
本公开还提供了一种光束缩束方法，包括：
S1，产生N个激光束，其中，N-1个激光束构成正多边形阵列，另外1个激光束位于正多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；
S2，分别在快轴及慢轴上对N个激光束进行准直，得到N个平行的激光束；
S3，分别对N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
本公开基于半导体激光器光束缩束技术的基础上，提供了一种光束缩束装置及其方法，在保持光束发散角不变的情况下消除TO单管之间的发光暗区，提高合束光束的光束质量。并在正多边形阵列为正六边形阵列的结构下，该装置因激光单元符合最密排布方式最密具有体积小、相对光轴密集度高，同时该排布方式相对于普通阵列排布更具有中心对称性，在经透镜聚焦后可减少聚焦光斑的像差，且正六边形阵列的结构相比其他正多边形阵列区，其合束光束形成的光斑阵列图可达到最紧密排布的光斑阵列图，进一步提高了单位面积内光束的占空比和输出功率。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了根据本公开一实施例的光束缩束装置结构图；
图2示意性示出了根据本公开一实施例的平板玻璃围成的结构图；
图3示意性示出了根据本公开一实施例的单个平板玻璃结构图。
图4示意性示出了根据本公开一实施例的进入平板玻璃前的光斑阵列图。
图5示意性示出了根据本公开一实施例的进入平板玻璃折射后的光斑阵列图。
附图标记说明：
1-单管半导体激光器，2-铜块夹具，3-快轴准直镜，4-慢轴准直镜，5-平板玻璃。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
本公开的实施例提供了一种光束缩束装置，该装置包括：
N个单管半导体激光器1，用于产生N个激光束，其中，N-1个单管半导体激光器1构成正多边形阵列，另外1个单管半导体激光器1位于正多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；
N组准直镜，分别对应于N个平行的激光束，每组准直镜包括快轴准直镜3及慢轴准直镜4，分别用于在快轴及慢轴上对激光束进行准直，得到N个平行的激光束；
N-1个平板玻璃5，分别对应于正多边形阵列中的N-1个平行激光束，用于对N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
优选地，N个激光束首先分别经过N个快轴准直镜在其快轴上进行准直，再经过N个慢轴准直镜在其慢轴上进行准直，使得激光束在其快轴和慢轴方向上的发散角减小，提高了激光束的均匀性，得到N个平行的激光束，进而提高光纤耦合过程中光的耦合效率。其中，快轴准直镜3均为非球面柱面透镜，慢轴准直镜4均为柱面透镜。
棒镜或凸柱面镜或凸多边棱镜等，慢轴准直镜4均为球面镜或非球面镜或柱面镜等。
优选地，N等于7，六个单管半导体激光器1构成的正多边形阵列为正六边形阵列，另外1个单管半导体激光器1位于正多边形阵列的中心位置，其构成平面最密堆积分布。其中，正六边形阵列下的激光束经过平板玻璃5折射后其可使得单位面积内光束的占空比最大化，相比其他正多边形阵列进一步减小了光束间的发光暗区，其合束光束形成的光斑阵列图可达到最紧密排布的光斑阵列图，进而提高了光的输出功率。
优选地，N个单管半导体激光器1均为TO封装的单管半导体激光器1，其任意两者的光轴距离为12～20mm。其中，TO封装的单管半导体激光器1相比其他方式封装的单管半导体激光器体积较小，其输出的激光束光斑也较大，更适用于该光束缩束装置；且该光轴距离范围下的激光束通过平板玻璃5折射后位于正多边形顶点的N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚，达到较好的汇聚效果；若光轴距离太大，其需径向移动的距离也较大，导致对平板玻璃5的结构和长度要求较高，导致制备工艺的难度增加和耗材的浪费。
优选地，N-1个平板玻璃5呈六面体形状，其中，激光束射入和射出的二个端面平行。其二个端面平行的作用是使得光从一端面射入经过折射，再从与其平行的对面端面射出后，经过二次折射的平行激光束依旧为平行激光束，其仅发生了径向距离的偏移，不改变激光束的方向。
另外，N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚的距离D满足如下条件：
其中，L为二平行端面间的距离，n为平板玻璃的折射率，θ为激光束与二平行端面之间的夹角。
优选地，N-1个平板玻璃5由对波长400～500nm高透的材料构成，其为石英材料或k9玻璃材料。
优选地，二平行端面的距离L范围为5～50mm，激光束与二平行端面之间的夹角θ为30°～60°。其中，平板玻璃5的平行端面的长度L为5-50mm且其与水平面之间的夹角θ为30°～60°时，通过N组准直镜准直后的平行激光束经过平板玻璃5折射才能保证平行激光束从平行端面的对面折射出来，而不是其长度较小或较长或角度设置不合理的情况下，激光束通过平板玻璃5的其他面折射出来，这样折射后的激光束无法保持相互平行。
优选地，该光束缩束装置还包括铜块夹具2，N个单管半导体激光器1设置铜块夹具2中，该铜块夹具2与N个单管半导体激光器1的接触面涂导热硅脂，用于对N个单管半导体激光器1的散热。
优选地，为了达到较佳的光束缩束效果，N个单管半导体激光器1与其对应的N个快轴准直镜3的距离为1～2mm，N个快轴准直镜3与其对应的N个慢轴准直镜4的距离为20～40mm，N个慢轴准直镜4与其对应的平板玻璃5的距离为40～100mm。
如图1至3所示，本公开的一些实施例中该光束缩束装置包括7个单管半导体激光器1设置铜块夹具2中，其构成正六边形及中心(共七点)的平面最密堆积结构。7个单管半导体激光器1用于产生7个激光束；7个激光束分别经过快轴准直镜3及慢轴准直镜4在其快轴及慢轴上进行准直，得到相互平行的7个激光束；7个平行激光束经过六个平板玻璃5进行折射，以使位于正六边形阵列顶点的六个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
其中，为达到更好的散热效果，该铜块夹具2材料优选紫铜。
本公开的一些实施例中六个平板玻璃5用于激光束射入和射出的二个平行端面为等腰梯形，六个平板玻璃5通过紫外胶粘贴连接，其相互围成一空心正六棱柱，位于正六边形顶点的六个***光束分别通过六个平板玻璃5均向中心光束径向平移，位于正六边形中心的光束通过正六棱柱的空心部分。其中，经过实验验证，根据
公式1计算可得，平板玻璃5材料为k9玻璃，其折射率n为1.516，当平行激光束需径向平移的距离D为5mm时，若激光束与平板玻璃5中二平行端面之间的夹角成45°，则所需平板玻璃5的长度为21.17mm；若激光束与平板玻璃5中二平行端面之间的夹角成60°时，则所述平板玻璃5的长度为29.24mm；当平行激光束需径向平移的距离D为10mm时，若激光束与平板玻璃5中二平行端面之间的夹角成45°时，则需平板玻璃5的长度为24.34mm。该结构下的平板玻璃5均可使得平行激光束经过径向平移后达到平面最密堆积结构。
如图4为本公开一些实施例中进入平板玻璃5前的激光束光斑阵列图，所示光斑之间因机械结构等原因存在较大的空隙，其单位面积内光束的占空比较小。
如图5为本公开一些本实施例中进入平板玻璃5发生径向移动后的激光束光斑阵列图，光斑之间的空隙明显变小，其单位面积内光束的占空比增大，光斑结构为效果最佳的平面最密堆积结构。
本公开实现了将***光束向着中心光束平移，消除或者减小了光斑之间的空隙，在保持合束光束的发散角不变的情况下而其直径缩小，提高了光束质量，可以为进一步的处理，例如光纤耦合，提供更高的耦合效率。
本领域技术人员可以理解，图2和图3中示出的平板玻璃5的实施例并不构成对平板玻璃5具体构成的限定，在其他实施例中，平板玻璃5还可以为平行平板玻璃等其他结构，或者相同结构平板玻璃不同的摆放布置，均落入本公开的保护范围。
另外，本公开的一些本实施例中的平板玻璃5结构尺寸大小并不仅限于上述提到的数值大小才能实现光斑结构为效果最佳的平面最密堆积结构，在上述范围下通过公式1计算出的尺寸数值均可实现这一效果。
本公开还提供了一种光束缩束方法，包括：
S1，产生N个激光束，其中，N-1个激光束构成正多边形阵列，另外1个激光束位于正多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；
S2，分别在快轴及慢轴上对N个激光束进行准直，得到N个平行的激光束；
S3，分别对N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
优选地，S1步骤中采用N个单管半导体激光器1构成正多边形阵列，并产生N个激光束，其中N-1个激光束位于正多边形阵列的顶点，另外1个激光束位于正多边形阵列的中心位置。
优选地，S2步骤中N个激光束首先经过N个快轴准直镜3在其快轴上进行准直，再经过N个慢轴准直镜4在其慢轴上进行准直，使得激光束在其快轴和慢轴方向上的发散角减小，提高了激光束的均匀性，得到N个平行的激光束，进而提高光纤耦合过程中光的耦合效率。其中，快轴准直镜3均为为非球面柱透镜，慢轴准直镜4均为柱面透镜。
优选地，S3中N-1个平行激光束通过N-1个平板玻璃5或圆柱型玻璃5或六棱柱型玻璃5等其他形状的玻璃进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。其中，平板玻璃5或圆柱型玻璃5或六棱柱型玻璃5等其他形状的玻璃为石英材料或k9玻璃材料，其用于激光束射入和射出的二个端面平行，其二个端面平行的作用是使得光从一端面射入经过折射，再从与其平行的对面端面射出后，经过二次折射的平行激光束依旧为平行激光束，其仅发生了径向距离的偏移，不改变激光束的方向。
优选地，该光束缩束方法还包括：
S4，将经过平板玻璃5或圆柱型玻璃5或棱柱型玻璃5进行折射后的激光束射在石英平板玻璃或k9玻璃上，并利用CCD相机观察该激光束的光斑阵列图；当其光斑阵列图显示每个光斑间距较大时，并根据公式1改变所述平板玻璃5或圆柱型玻璃5或六棱柱型玻璃5的折射率n、二平行端面的距离L及平行激光束与二平行端面的夹角θ，使N-1平行激光束向处于中心位置的激光束径向平移后输出平面最密排布的光斑阵列图。
优选地，N个单管半导体激光器1设置铜块夹具2中，该铜块夹具2与N个单管半导体激光器1的接触面涂导热硅脂，用于对N个单管半导体激光器1的散热。
优选地，为了达到较佳的光束缩束效果，N个单管半导体激光器1与其对应的N个快轴准直镜3的距离为1～2mm，N个快轴准直镜3与其对应的N个慢轴准直镜4的距离为20～40mm，N个慢轴准直镜4与其对应的平板玻璃的距离为40～100mm。
如图1至3所示，本公开的一些实施例中，N等于7，采用7个TO封装的单管半导体激光器1构成正六边形阵列，另外1个TO封装的单管半导体激光器1位于正多边形阵列的中心位置，其构成平面最密堆积分布，该7个单管半导体激光器1输出7个激光束，其中6个激光束构成正多边形阵列，另外1个激光束位于正多边形阵列的中心位置，其任意两者TO封装的单管半导体激光器1的光轴距离为12～20mm。7个TO封装的单管半导体激光器1产生7个激光束先后分别经过7个快轴准直镜3和7个慢轴准直镜4进行准直，得到7个平行激光束。然后，7个平行激光束中6个平行激光束通过6个平板玻璃5进行折射，以使位于正六边形阵列顶点的六个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
本公开的一些实施例中，根据公式1计算可得，并经过实验验证，当二平行端面的距离L范围为5～50mm，激光束与二平行端面之间的夹角θ为30°～60°，其可实现径向距离D为4mm～13mm范围内的激光束经过径向平移后达到向中心位置的激光束汇聚的效果最好，也就是达到最佳的光束缩束效果，从而也降低了用于折射激光束的玻璃的工艺制备要求。其中，平板玻璃5的平行端面的长度L为5-50mm且其与水平面之间的夹角θ为30°～60°时，通过N组准直镜准直后的平行激光束经过平板玻璃5折射才能保证平行激光束从平行端面的对面折射出来，而不是其长度较小或较长或角度设置不合理的情况下，激光束通过平板玻璃5的其他面折射出来，这样折射后的激光束无法保持相互平行。
如图5所示为本公开一些本实施例中进入平板玻璃5发生径向移动后的激光束光斑阵列图，光斑之间的空隙明显变小，其单位面积内光束的占空比增大，光斑结构为效果最佳的平面最密堆积结构。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种范围组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种光束缩束装置，其特征在于，包括：
N个单管半导体激光器(1)，用于产生N个激光束，其中，N-1个单管半导体激光器(1)构成正多边形阵列，另外1个单管半导体激光器(1)位于所述正多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；
N组准直镜，分别对应于所述N个平行的激光束，每组准直镜包括快轴准直镜(3)及慢轴准直镜(4)，分别用于在快轴及慢轴上对所述激光束进行准直，得到N个平行的激光束；
N-1个平板玻璃(5)，分别对应于所述正多边形阵列中的N-1个平行激光束，用于对所述N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
2.根据权利要求1所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N等于7，所述正多边形阵列为正六边形阵列。
3.根据权利要求1所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N个单管半导体激光器均为TO封装的单管半导体激光器，其任意两者的光轴距离为12～20mm。
4.根据权利要求1所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N-1个平板玻璃(5)呈六面体形状，其用于激光束射入和射出的二个端面平行。
5.根据权利要求4所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚的距离D满足如下条件：
其中，L为所述二平行端面间的距离，n为所述平板玻璃(5)的折射率，θ为所述激光束与所述二平行端面之间的夹角。
6.根据权利要求1或4所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N-1个平板玻璃(5)由对波长400～500nm高透的材料构成，其为石英材料或k9玻璃材料。
7.根据权利要求6所述的光束缩束装置，其特征在于，所述二平行端面的距离L范围为5～50mm，所述激光束与所述二平行端面之间的夹角θ为30°～60°。
8.根据权利要求1所述的光束缩束装置，其特征在于，还包括：
铜块夹具(2)，所述N个单管半导体激光器(1)设置所述铜块夹具(2)中，其与所述N个单管半导体激光器的接触面涂导热硅脂，用于对所述N个单管半导体激光器的散热。
9.根据权利要求1所述的光束缩束装置，其特征在于，所述N个单管半导体激光器(1)与其对应的所述N个快轴准直镜(3)的距离为1～2mm，所述N个快轴准直镜(3)与其对应的所述N个慢轴准直镜(4)的距离为20～40mm，所述N个慢轴准直镜(4)与其对应的所述平板玻璃(5)的距离为40～100mm。
10.一种光束缩束方法，包括：
S1，产生N个激光束，其中，N-1个激光束构成正多边形阵列，另外1个激光束位于所述止多边形阵列的中心位置，N为大于等于3的整数；
S2，分别在快轴及慢轴上对所述N个激光束进行准直，得到N个平行的激光束；
S3，分别对所述N-1个平行激光束进行折射，以使该N-1个平行激光束向处于中心位置的激光束汇聚。
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