专利名称：一种多波长高功率半导体激光器耦合系统及其制备方法
技术领域：
本发明属于半导体激光器领域，涉及一种半导体激光器耦合系统，尤其是一种多 波长高功率半导体激光器耦合系统及其制备方法。
背景技术：
半导体激光二极管(LD)由于具有体积小、重量轻、寿命长、电光转换效率高等优 点，被广泛地应用在民用和军用各领域，如医疗、印刷、激光测距、激光制导、材料处理和加 工等各个方面，特别是LD抽运的固体激光器(DPL)和光纤激光器已经成为重点的发展方 向，得到了广泛的重视和研究。近年来追求更高功率激光器已成为激光器的发展目标，功率 扩展技术是高功率激光器的技术趋势之一。尤其是高功率半导体激光器及其泵浦固体激 光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、性能稳定、可靠性高、和寿命长等优点，已经成 为光电行业中最有发展前途的产品，可广泛应用于工业、军事、医疗和直接的材料处理等领 域。为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯 片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的 光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下 降。另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致快轴的光束质量 接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很 大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质量。 因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一 个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种多波长高功率半导体激光 器耦合系统及其制备方法，这种多波长高功率半导体激光器耦合系统可以实现多波长高功 率输出的输出，并且光斑形状可控。本发明的目的是通过以下技术方案解决的这种多波长高功率半导体激光器耦合系统，包括一个或多个半导体激光器偏振合 束模块、滤波模块和聚焦透镜；所述半导体激光器偏振合束模块包括半导体激光器叠阵准 直模块、半导体激光器叠阵准直偏振模块、PBS棱镜；所述半导体激光器叠阵准直模块向 PBS棱镜发射出偏振态为P波长为λ的激光；所述半导体激光器叠阵准直偏振模块向PBS 棱镜发射出偏振态为S波长为λ的激光；所述PBS棱镜对射入的两束激光进行偏振合束后 输出至滤波模块；所述滤波模块接收来自所述半导体激光器偏振合束模块的PBS棱镜的出 射光并进行滤波和合束处理，形成一束功率增加的激光输出至所述聚焦透镜；所述聚焦透 镜输出多波长激光。上述半导体激光器叠阵准直模块由依次排列的半导体激光器叠阵、快轴准直微透镜、慢轴准直微透镜组成；所述半导体激光器叠阵的出射激光依次经快、慢轴准直微透镜 后，发射出偏振态为P波长为λ的激光。上述半导体激光器叠阵准直偏振模块由依次排列的半导体激光器叠阵、快轴准直 微透镜、慢轴准直微透镜和波片组成；所述半导体激光器叠阵的出射激光依次经快、慢轴准 直微透镜和旋转偏振波片后，发射出偏振态为S波长为λ的激光。上述半导体激光器叠阵由一个或多个半导体激光器组成。在本发明的较佳实施例中，在滤波模块旁侧平行排列有三个所述半导体激光器偏 振合束模块，所述滤波模块包括多个全反射镜和滤波镜；三个半导体激光器偏振合束模块 出射的激光分别经滤波模块的多个全反射镜和滤波镜处理后合束为一束出射激光。上述聚焦透镜由一个或多个凸-凹球面透镜、双凸透镜、双凹透镜或曲面-平面透 镜组成。上述多波长高功率半导体激光器耦合系统中设有温度探测器和功率探测器以控 制系统的温度和功率。本发明提出的第一种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方法包括以下 步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜和慢轴准直微透镜；2)将多个半导体激光器垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵；3)在半导体激光器叠阵前端安装快轴准直微透镜、慢轴准直微透镜制成半导体激 光器叠阵准直模块；4)在另一半导体激光器叠阵前端安装快轴准直微透镜、慢轴准直微透镜和旋转偏 振波片制成半导体激光器叠阵准直偏振模块；5)将半导体激光器叠阵准直模块置于PBS棱镜的前端，将半导体激光器叠阵准直 偏振模块置于PBS棱镜的上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块；6)将多个反射镜和滤波镜组成滤波模块；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块置于滤波模块前端，将聚光透镜置于滤 波模块后端的激光出射处，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。本发明提出的第二种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方法包括以下 步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜和慢轴准直微透镜；2)在每个半导体激光器前端安装快轴准直微透镜、慢轴准直微透镜制成半导体激 光器准直模块；3)将多个半导体激光器准直模块垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵准 直模块；4)在另一半导体激光器叠阵前端安装快轴准直微透镜、慢轴准直微透镜和波片制 成半导体激光器叠阵准直偏振模块；5)将半导体激光器叠阵准直模块置于PBS棱镜前端，将半导体激光器叠阵准直偏 振模块置于PBS棱镜上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块；6)将多个反射镜和滤波镜组成滤波模块；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块置于滤波模块前端，将聚光透镜置于滤波模块后端的激光出射处，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。本发明相对于现有技术具有以下有益效果(1)光功率密度高，一般叠阵耦合亮度较低，本发明的多波长高功率半导体激光器 叠阵耦合系统输出光功率密度高。(2)功率高，本发明的多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统输出功率高。(3)本发明通过设置多个半导体激光器偏振合束模块以及为其滤波合束处理的滤 波模块和聚焦透镜，实现了多波长输出。(4)本发明由聚焦透镜输出的光斑的大小和形状可控，使用方便。
图1为本发明的多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统组成图；图2为本发明的工作原理图。其中1为半导体激光器偏振合束模块；2为滤波模块；3为聚焦透镜；4为半导体 激光器叠阵准直模块；5为半导体激光器叠阵准直偏振模块；6为PBS棱镜；7为半导体激光 器叠阵；8为快轴准直微透镜；9为慢轴准直微透镜；10为旋转偏振波片；11为反射镜；12、 13 为滤波镜；14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25 为激光。
具体实施例方式本发明的该种多波长高功率半导体激光器耦合系统，包括一个或多个半导体激光 器偏振合束模块1、滤波模块2和聚焦透镜3。其中半导体激光器偏振合束模块1包括半导 体激光器叠阵准直模块4、半导体激光器叠阵准直偏振模块5、PBS棱镜6。半导体激光器叠 阵准直模块4由依次排列的半导体激光器叠阵7、快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9组 成；半导体激光器叠阵7的出射激光依次经快、慢轴准直微透镜8、9后，发射出偏振态为P 波长为λ的激光。半导体激光器叠阵准直偏振模块5由依次排列的半导体激光器叠阵7、 快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9和旋转偏振波片10组成；半导体激光器叠阵7的出 射激光依次经快、慢轴准直微透镜8、9和旋转偏振波片10后，发射出偏振态为S波长为λ 的激光。本发明中，半导体激光器叠阵7由多个(如1-20个)半导体激光器组成。聚焦透 镜3由一个或多个凸-凹球面透镜、双凸透镜、双凹透镜或曲面-平面透镜组成。在本发明中，当包括多个半导体激光器偏振合束模块时，可以并联、可以串联、可 以串并联结合或者可以分别单独控制。同时多波长高功率半导体激光器耦合系统还可以加 温度探测器和功率探测器以控制系统的温度和功率。在以上组成中，半导体激光器叠阵准直模块4向PBS棱镜6发射出偏振态为P波 长为λ的激光；半导体激光器叠阵准直偏振模块5向PBS棱镜6发射出偏振态为S波长为 λ的激光；PBS棱镜6对射入的两束激光进行偏振合束后输出至滤波模块2 ；滤波模块2接 收来自所述半导体激光器偏振合束模块1的PBS棱镜6的出射光并进行滤波和合束处理， 形成一束功率增加的激光输出至所述聚焦透镜3 ；聚焦透镜3输出多波长激光。下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细描述实施例参照图1所示，本实施例包括半导体激光器偏振合束模块1、滤波模块2、聚焦透镜3。其中半导体叠阵偏振合束模块1置于滤波模块2前端，聚焦透镜3置于滤波模块2后端。 本实施例中，平行排列有三个半导体激光器偏振合束模块1，滤波模块2包括4个全反射镜 11和2个滤波镜12，该处的全反射镜11和滤波镜12的个数是根据半导体激光器偏振合束 模块1的需要添加或删减。三个半导体激光器偏振合束模块1出射的激光分别经滤波模块 2的多个全反射镜和滤波镜处理后合束为一束出射激光。该多波长高功率半导体激光器耦合系统得工作原理如下对于半导体激光叠阵偏振合束模块1，置于PBS棱镜6前端的半导体激光器叠阵准 直模块4发射出快、慢轴的微透镜8、9准直后的偏振态为P波长为λ的激光，置于PBS棱 镜6上端的半导体激光器叠阵准直偏振模块5发射出经快、慢轴的微透镜8、9准直后再经 过旋转偏振波片10后偏振态为S波长为λ的激光，PBS棱镜6对偏振态为P的光全透射， 对偏振态为S的光全反射，这两束激光经过PBS棱镜6后，进行偏振合束，其功率增加一倍。同样原理，对于多个半导体激光叠阵偏振合束模块1，进行偏振合束后，每个半导 体激光叠阵偏振合束模块1输出的波长不同，在经过滤波模块2的反射镜和滤光镜，多个波 长的激光合束后从聚焦镜3输出。可根据需要进行波长、功率及光斑的调节。如图2所示，对于第一个半导体激光器叠阵偏振合束模块，置于PBS棱镜6前端的 半导体激光器叠阵准直模块4发射出快、慢轴的微透镜准直后的偏振态为P波长为λ 1的 激光14，置于PBS棱镜6上端的半导体激光器叠阵准直偏振模块5发射出经快、慢轴的微透 镜准直后再经过旋转偏振波片10后偏振态为S波长为λ的激光15，PBS棱镜6对偏振态 为P的光全透射，对偏振态为S的光全反射，这两束激光经过PBS棱镜6后，进行偏振合束 后输出激光16，其功率增加一倍。对于第二个半导体激光器叠阵偏振合束模块1，置于PBS棱镜6前端的半导体激光 器叠阵准直模块4发射出快、慢轴的微透镜准直后的偏振态为P波长为λ 2的激光17，置 于PBS棱镜上端的半导体激光器叠阵准直偏振模块5发射出经快、慢轴的微透镜准直后再 经过旋转偏振波片后偏振态为S波长为λ 2的激光18，PBS棱镜6对偏振态为P的光全透 射，对偏振态为S的光全反射，这两束激光经过PBS棱镜6后，进行偏振合束后输出激光20同理，对于第三个半导体激光器置于PBS棱镜6前端的半导体激光器叠阵准直模 块4发射出快、慢轴的微透镜准直后的偏振态为P波长为λ 3的激光21，置于PBS棱镜上 端的半导体激光器叠阵准直偏振模块5发射出经快、慢轴的微透镜准直后再经过旋转偏振 波片后偏振态为S波长为λ 2的激光22，PBS棱镜对偏振态为P的光全透射，对偏振态为S 的光全反射，这两束激光经过PBS棱镜6后，进行偏振合束后输出激光23。激光16经过反射镜全反射到达滤光镜12，激光19经过反射镜全反射到达滤光镜 12，滤光镜可实现对波长为λ 1的激光全透射，对波长为λ 2的激光全反射，激光16和激光 19经过滤光镜12后合束为激光20 ；同理，激光23经过反射镜全反射后到达滤光镜13，滤 光镜13可实现波长为λ 1和波长为λ 2的激光全透射，对波长为λ 3的激光全反射，激光 20和激光23经过滤光镜沈后合束为激光Μ，激光M经过聚焦透镜3后输出多波长激光 25。基于以上结构，本发明提出这种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方 法，具体包括以下步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜8和慢轴准直微透镜9 ；
2)将多个半导体激光器垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵7，准备多块 半导体激光器叠阵7 ；3)在半导体激光器叠阵7前端安装快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9制成半 导体激光器叠阵准直模块4 ；4)在另一半导体激光器叠阵7前端安装快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9和 旋转偏振波片10制成半导体激光器叠阵准直偏振模块5 ；5)将半导体激光器叠阵准直模块4置于PBS棱镜6前端，将半导体激光器叠阵准 直偏振模块5置于PBS棱镜6上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块1 ；6)将多个反射镜11和滤波镜12组成滤波模块2 ；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块1置于滤波模块2前端，将聚光透镜3 置于滤波模块2后端，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。本发明提出另一种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方法，具体包括以 下步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜8和慢轴准直微透镜9 ；2)在每个半导体激光器前端安装快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9制成半导 体激光器准直模块；3)将多个半导体激光器准直模块垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵准 直模块4 ；4)在另一半导体激光器叠阵7前端安装快轴准直微透镜8、慢轴准直微透镜9和 波片10制成半导体激光器叠阵准直偏振模块5 ；5)将半导体激光器叠阵准直模块4置于PBS棱镜6前端，将半导体激光器叠阵准 直偏振模块5置于PBS棱镜6上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块1 ；6)将多个反射镜和滤波镜组成滤波模块2 ；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块1置于滤波模块2前端，将聚光透镜3 置于滤波模块2后端的激光出射处，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。综上所述，本发明的多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统，采用独特的光纤 耦合技术，使得耦合光功率密度高，可实现多波长高功率输出，同时，可以控制光斑的大小 和形状。
权利要求
1.一种多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，包括一个或多个半导体激 光器偏振合束模块(1)、滤波模块( 和聚焦透镜(3)；所述半导体激光器偏振合束模块 (1)包括半导体激光器叠阵准直模块G)、半导体激光器叠阵准直偏振模块(5)、PBS棱镜 (6)；所述半导体激光器叠阵准直模块向PBS棱镜(6)发射出偏振态为P波长为λ的 激光；所述半导体激光器叠阵准直偏振模块(5)向PBS棱镜(6)发射出偏振态为S波长为 λ的激光；所述PBS棱镜(6)对射入的两束激光进行偏振合束后输出至滤波模块O)；所述 滤波模块( 接收来自所述半导体激光器偏振合束模块(1)的PBS棱镜(6)的出射光并进 行滤波和合束处理，形成一束功率增加的激光输出至所述聚焦透镜(3)；所述聚焦透镜(3) 输出多波长激光。
2.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述半 导体激光器叠阵准直模块由依次排列的半导体激光器叠阵(7)、快轴准直微透镜(8)、 慢轴准直微透镜(9)组成；所述半导体激光器叠阵(7)的出射激光依次经快、慢轴准直微透 镜(8、9)后，发射出偏振态为P波长为λ的激光。
3.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述半 导体激光器叠阵准直偏振模块(5)由依次排列的半导体激光器叠阵(7)、快轴准直微透镜 (8)、慢轴准直微透镜(9)和波片(10)组成；所述半导体激光器叠阵(7)的出射激光依次经 快、慢轴准直微透镜(8、9)和旋转偏振波片(10)后，发射出偏振态为S波长为λ的激光。
4.根据权利要求2或3所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述 半导体激光器叠阵(7)由一个或多个半导体激光器组成。
5.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述半 导体激光器偏振合束模块(1)有一个或多个，所述滤波模块( 包括多个全反射镜和滤波 镜；半导体激光器偏振合束模块(1)出射的激光分别经滤波模块O)的多个全反射镜和滤 波镜处理后合束为一束出射激光。
6.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述聚 焦透镜(3)由一个或多个凸-凹球面透镜、双凸透镜、双凹透镜或曲面-平面透镜组成。
7.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器耦合系统，其特征在于，所述多 波长高功率半导体激光器耦合系统中设有温度探测器和功率探测器以控制系统的温度和 功率。
8.一种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜(8)和慢轴准直微透镜(9)；2)将多个半导体激光器垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵(7)；3)在半导体激光器叠阵(7)前端安装快轴准直微透镜(8)、慢轴准直微透镜(9)制成 半导体激光器叠阵准直模块；4)在另一半导体激光器叠阵(7)前端安装快轴准直微透镜(8)、慢轴准直微透镜(9) 和旋转偏振波片(10)制成半导体激光器叠阵准直偏振模块(5)；5)将半导体激光器叠阵准直模块(4)置于PBS棱镜(6)的前端，将半导体激光器叠阵 准直偏振模块( 置于PBS棱镜(6)的上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块(1)；6)将多个反射镜和滤波镜组成滤波模块O)；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块(1)置于滤波模块( 前端，将聚光透镜 (3)置于滤波模块(2)后端的激光出射处，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。
9. 一种多波长高功率半导体激光器耦合系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)首先准备半导体激光器，快轴准直微透镜(8)和慢轴准直微透镜(9)；2)在每个半导体激光器前端安装快轴准直微透镜(8)、慢轴准直微透镜(9)制成半导 体激光器准直模块；3)将多个半导体激光器准直模块垂直叠放为一维叠阵组成半导体激光器叠阵准直模 块⑷；4)在另一半导体激光器叠阵(7)前端安装快轴准直微透镜(8)、慢轴准直微透镜(9) 和波片(10)制成半导体激光器叠阵准直偏振模块(5)；5)将半导体激光器叠阵准直模块(4)置于PBS棱镜(6)前端，将半导体激光器叠阵准 直偏振模块( 置于PBS棱镜(6)上端制成半导体激光器叠阵偏振合束模块(1)；6)将多个反射镜和滤波镜组成滤波模块O)；7)将多个半导体激光器叠阵偏振合束模块(1)置于滤波模块( 前端，将聚光透镜 (3)置于滤波模块(2)后端的激光出射处，制成多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统。
全文摘要
本发明公开了一种多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统及其制备方法，这种多波长高功率半导体激光器耦合系统包括半导体激光器偏振合束模块、滤波模块、和聚焦透镜，所述的半导体叠阵偏振合束模块置于滤波模块前端，所述的聚焦透镜置于滤波模块后端。本发明的多波长高功率半导体激光器叠阵耦合系统，采用独特的光纤耦合技术，可以实现多波长高功率输出的输出，光功率密度高，同时光斑形状和大小可控。
文档编号H01S5/40GK102082395SQ20101058941
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者刘兴胜, 杨凯, 栾凯, 王敏, 王晓飚, 郑艳芳 申请人:西安炬光科技有限公司