CN114883908A - 一种小体积多单管光谱合束结构装置 - Google Patents

一种小体积多单管光谱合束结构装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种小体积多单管光谱合束结构装置，包括带有输出口的热沉壳体、若干单管半导体激光器件、若干快轴压缩透镜、若干慢轴压缩透镜、若干反射镜、慢轴压缩总透镜和衍射光栅，衍射光栅和输出镜安装在热沉壳体的输出口处，热沉壳体内设有若干台阶，台阶高度自壳体边缘向输出口处逐渐降低，每层台阶上按照水平方向依次设置单管半导体激光器件、快轴压缩透镜、慢轴压缩透镜和反射镜，相邻台阶之间的高度差大于单管半导体激光器件所出准直光斑的宽度。在慢轴压缩透镜和反射镜之间的台阶上设置有晶体块，晶体块使得每路单管半导体激光器件激光到达衍射光栅的光程距离相等，以减少单管半导体激光器件布局面积，从而减少热沉壳体长度、体积和重量。

Description

一种小体积多单管光谱合束结构装置
技术领域
本发明涉及半导体激光器光束整形技术领域，尤其涉及一种小体积多单管光谱合束结构装置。
背景技术
半导体激光器具备质量轻、体积小、功率高，以及电光效率高等优点，广泛应用于工业加工、医疗美容、通信传感以及军事等领域，但半导体激光器相比于其他气体以及固体激光器，其发散角偏大(快轴40°-60°，慢轴7°-12°)，因此半导体激光器的光束整形合束变得尤为重要。
现在行业内常用的合束方案有：空间合束、偏振合束、波长合束以及光谱合束，空间合束主要是采取空间的紧密排布叠加方法来进行合束；偏振合束是利用半导体激光器的高偏振度(>97％)，采用专业的波片和偏振复合镜来进行合束；波长合束主要是采用专业镀膜的镜片，利用其对不同波长不同透过率的特性进行合束；光谱合束是一种全新的合束方法，其原理是：半导体激光器前腔面镀制高增透膜(<2％)，通过排列的每个半导体激光发光点与外部光学***整体构成谐振腔，通过传输透镜将各个光点光束以不同的入射角汇聚到光栅上，然后利用色散元件(衍射光栅)的分光特性将各个入射角不同、波长不同的光束沿同一方向衍射，每个激光单元振荡波长均与外部光栅色散和外腔反馈匹配，通过外腔反馈确保将排列的半导体发光单元分别锁定在不同的波长，由此可以获得单个发光单元的光束输出，从机理上可获得单个发光单元高光束质量输出，是改善组合大功率半导体激光器单元光束质量、提高整体亮度的有效方法。
由于光谱合束的高光束质量(高亮度)优点，行业内均在研究将其产业化和工程化，目前传统的光谱合束中采用半导体激光器均是采取半导体激光器列阵器件，也就是激光bar器件，一般均为国际上通用的1厘米bar，bar内含多个发光单元，由于bar体积小，故光谱合束时要求的各光点光路等光程容易实现，但一般多单管光谱合束结构装置中，为了实现每只单管半导体激光器件发出的激光到达光栅的光程相等，相邻单管半导体激光器件的垂直距离和水平距离必须相等，单管半导体激光器件的排列如图3所示，斜形依次摆开，这样导致图中最右侧的单管半导体激光器件离反射镜的距离较远，所以热沉壳体的设计体积偏大、重量偏重，而且随着光谱合束所使用的单管半导体激光器件数量的增多，这个弊端会越来越严重。最右端的单管半导体激光器件离反射镜的距离会是最左侧单管半导体激光器件离反射镜距离值a的数十倍、甚至数百倍，由此带来的热沉壳体的体积大质量大问题在光纤耦合模块领域以及光束整形领域是不允许的。
发明内容
本发明旨在提供一种小体积多单管光谱合束结构装置，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种小体积多单管光谱合束结构装置，包括带有输出口的热沉壳体、若干单管半导体激光器件、若干快轴压缩透镜、若干慢轴压缩透镜、若干反射镜、慢轴压缩总透镜以及衍射光栅，其中，衍射光栅和输出镜安装在热沉壳体的输出口处，热沉壳体内设置有若干层台阶，台阶高度自壳体的边缘向输出口处逐渐降低，每层台阶上按照水平方向依次设置单管半导体激光器件、快轴压缩透镜、慢轴压缩透镜以及反射镜，在慢轴压缩透镜和反射镜之间的台阶上设置有晶体块，所述晶体块用于使得每路单管半导体激光器件激光到达衍射光栅的光程距离相等，越靠近衍射光栅的晶体块的长度越长。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，相邻台阶之间的高度差大于单管半导体激光器件的宽度。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，晶体块为长方形块体，晶体块的折射率大于2。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，晶体块沿其光路的两平行面镀有单管半导体激光器件所发射激光波长的高透膜，晶体块对单管半导体激光器件发射激光的透过率>99.5％。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，所述单管半导体激光器件为数量为10-100pcs，单管半导体激光器件发射激光的波长为780-1064nm，单管半导体激光器件的输出功率不小于8W。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，所述快轴压缩透镜的弧面焦距为300μm-1200μm，慢轴压缩透镜的弧面焦距为12mm-40mm。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，所述反射镜对单管半导体激光器件所发射激光波长在入射角45°下反射率>99.5％。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，所述输出镜对808nm的激光的反射率为5％-10％。
作为本发明的一种小体积多单管光谱合束结构装置的改进，所述衍射光栅为高效透过型光栅。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：晶体块放置在慢轴压缩透镜和反射镜之间，就可保证每路单管半导体激光器件的光路光程相等，所有的单管半导体激光器件离反射镜的距离均为固定值，减少了多数单管半导体激光器件的光路光程，从而减少了热沉壳体的长度，最终减少了热沉壳体的体积和重量；通过设置台阶使得相邻单管半导体激光器件存在高度差，且相邻台阶之间的高度差大于单管半导体激光器件所出准直光斑的宽度，以保证相邻单管半导体激光器件准直且经反射镜反射出来的光斑互相无交叉，边界清晰。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的结构示意图一；
图2为本发明的结构示意图二：
图3为现有技术的结构示意图三。
其中，图1和图3中的箭头代表光路和光程。
附图标记
1、热沉壳体；2、单管半导体激光器件；3、快轴压缩透镜；4、慢轴压缩透镜；5、反射镜；6、慢轴压缩总透镜；7、衍射光栅；8、输出镜；9、台阶；10、晶体块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，一种小体积多单管光谱合束结构装置，包括带有输出口的热沉壳体1、若干单管半导体激光器件2、若干快轴压缩透镜3、若干慢轴压缩透镜4、若干反射镜5、慢轴压缩总透镜6、衍射光栅7以及输出镜8，其中，衍射光栅7和输出镜安装在热沉壳体1的输出口处，热沉壳体1内设置有若干层台阶9，台阶9高度自壳体的边缘向输出口处逐渐降低，每层台阶9上按照水平方向依次设置单管半导体激光器件2、快轴压缩透镜3、慢轴压缩透镜4以及反射镜5，在慢轴压缩透镜4和反射镜5之间的台阶9上设置有晶体块10，所述晶体块10用于使得每路单管半导体激光器件2激光到达衍射光栅7的光程距离相等，越靠近衍射光栅7的晶体块10的长度越长。
其中，相邻台阶9之间的高度差大于单管半导体激光器件2的宽度，保证相邻单管半导体激光器件2准直且经反射镜5反射出来的光斑互相无交叉，边界清晰。
每路单管半导体激光器件2的光路中加入一种高折射率的晶体块10，晶体块10为长方形块体，晶体块10的折射率大于2，晶体块10沿着光路方向长度(设为x)从左到右依次递增，以补偿右边单管半导体激光器件2光程的缺失。下面详细描述各路晶体块10长度x的计算选择。按图1所示，一共有20个光路，从左到右，设为第1路，第2路，......第20路，从左到右的晶体块10长度分别设为x1，x2，x3，......x20。晶体块10折射率设为n，n＝1.52，则：
第1路光程为：a-x1+b+nx1＝a+(n-1)x1+b；
第2路光程为：a-x2+(b-h)+nx2＝a+(n-1)x2+b-h；
第3路光程为：a-x3+(b-2h)+nx3＝a+(n-1)x3+b-2h；
........
第20路光程为：a-x20+(b-19h)+1.52x20＝a+0.52x20+b-19h。
以上光程均刨去相同的光学元件占据的光程(如快轴压缩透镜3、慢轴压缩透镜4、反射镜5、慢轴压缩总透镜6)。
由此可见，第m路光程为：a+(n-1)xm+b-(m-1)h，第(m-1)路光程为：
a+(n-1)xm-1+b-(m-2)h。
若要光程相等，则a+(n-1)xm+b-(m-1)h＝a+(n-1)xm-1+b-(m-2)h，化简得出：
xm＝xm-1+h/(n-1)
故相邻单管半导体激光器件2对应晶体块10长度差为一固定值：h/(n-1)，只要选定了第1路的晶体块10长度x1，剩下的19只晶体块10长度也随即确定。
按此长度设计的20只晶体块10放置在慢轴压缩透镜4和反射镜5之间，就可保证每路单管半导体激光器件2的光路光程相等。这样所有的单管半导体激光器件2离反射镜5的距离均为固定值a，相对于图3所示的一般多单管光谱合束结构装置，其体积和重量大幅度缩减。
晶体块10沿其光路的两平行面镀有单管半导体激光器件2所发射激光波长的高透膜，晶体块10对单管半导体激光器件2发射激光的透过率>99.5％。这样不会造成激光功率的损失。
所述单管半导体激光器件2为数量为单管半导体激光器件2为数量为10-100pcs，以20pcs为例，单管半导体激光器件2发射激光的波长为780-1064nm，单管半导体激光器件2的输出功率不小于8W，单管半导体激光器件2越多，光谱合束的优势越能体现出来。
所述快轴压缩透镜3的弧面焦距为300μm-1200μm，慢轴压缩透镜4的弧面焦距为12mm-40mm。快轴压缩透镜3和慢轴压缩透镜4焦距的选择需要根据光学设计而定，其原则是让最后到达衍射光栅7处的所有单管半导体激光器件2光斑整齐排列，相邻准直光斑不产生交叉，这样光谱合束才能高效实现。
所述反射镜对单管半导体激光器件2所发射激光波长在入射角45°下反射率>99.5％，越高激光功率损耗越小。
所述慢轴压缩总透镜6的弧面焦距为50mm，输出镜对808nm激光的反射率为5％。
所述衍射光栅7为高效透过型光栅。衍射光栅7的作用是利用其色散分光特性将各个入射角不同、波长不同的光束沿同一方向衍射，每个激光单元振荡波长均与外部光栅色散和外腔反馈匹配，通过外腔反馈确保将排列的半导体发光单元分别锁定在不同的波长，由此可以获得单个发光单元的光束输出。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (9)

1.一种小体积多单管光谱合束结构装置，包括带有输出口的热沉壳体、若干单管半导体激光器件、若干快轴压缩透镜、若干慢轴压缩透镜、若干反射镜、慢轴压缩总透镜以及衍射光栅，其中，衍射光栅和输出镜安装在热沉壳体的输出口处，其特征在于，热沉壳体内设置有若干层台阶，台阶高度自壳体的边缘向输出口处逐渐降低，每层台阶上按照水平方向依次设置单管半导体激光器件、快轴压缩透镜、慢轴压缩透镜以及反射镜，在慢轴压缩透镜和反射镜之间的台阶上设置有晶体块，所述晶体块用于使得每路单管半导体激光器件激光到达衍射光栅的光程距离相等，越靠近衍射光栅的晶体块的长度越长。
2.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，相邻台阶之间的高度差大于单管半导体激光器件所出准直光斑的宽度。
3.根据权利要求2所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，晶体块为长方形块体，晶体块的折射率大于2。
4.根据权利要求3所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，晶体块沿其光路的两平行面镀有单管半导体激光器件所发射激光波长的高透膜，晶体块对单管半导体激光器件发射激光的透过率>99.5％。
5.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，所述单管半导体激光器件为数量为10-100pcs，单管半导体激光器件发射激光的波长为780-1064nm，单管半导体激光器件的输出功率不小于8W。
6.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，所述快轴压缩透镜的弧面焦距为300μm-1200μm，慢轴压缩透镜的弧面焦距为12mm-40mm。
7.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，所述反射镜对单管半导体激光器件所发射激光波长在入射角45°下反射率>99.5％。
8.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，输出镜对808nm的激光的反射率为5％-10％。
9.根据权利要求1所述的一种小体积多单管光谱合束结构装置，其特征在于，所述衍射光栅为高效透过型光栅。
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