一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置及方法
【专利摘要】本发明是一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置及方法，涉及半导体激光合束领域。该装置：n组激光单元和一个合束单元；所述激光单元包括：激光器和依次设置在所述激光器发射光束光轴上的传输光纤和准直器；所述合束单元包括：设置在所述激光单元输出光束光轴上的合束镜组，由所述合束镜组输出合束光束依次穿过所述合束光轴上的耦合器、合束传输光纤和合束输出准直器。该方法：由不同激光器发射出的不同波长光束经传输光纤传输，由准直器准直输出，再经合束镜组合束、耦合器耦合和合束传输光纤传输，最后由合束输出准直器准直输出形成合束。本发明解决了现有半导体激光光纤耦合输出装置在维持光纤芯径不变时无法做到高功率耦合输出的问题。
【专利说明】
一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体激光合束领域，尤其涉及一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置及方法。
【背景技术】
[0002]半导体激光的高效率、长寿命、小体积和轻量等优点使其具有广泛的应用前景。但受光束质量的限制，半导体激光很难作为直接光源应用在对功率、光束质量和亮度均有高要求的领域。针对该问题，国际上开展了一系列关于如何提高半导体激光器功率、功率密度和光束质量的研宄，激光合束技术应运而生。但是现有半导体激光合束光纤耦合输出技术存在一个最大弊端，即无法做到在芯径不变的前提下做到高功率的耦合输出。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于提供一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置及方法，从而解决现有技术中存在的前述问题。
[0004]为了实现上述目的，本发明是一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，采用的技术方案如下:
[0005]该装置包括:n组激光单元和一个合束单元，所述η大于等于2 ;所述激光单元包括:激光器和依次设置在所述激光器发射的激光光束光轴上的传输光纤和准直器；所述合束单元包括:设置在所述激光单元输出的光束光轴上的合束镜组，由所述合束镜组输出的激光合束依次穿过所述激光合束光轴上的耦合器、合束传输光纤和合束输出准直器；所述合束镜组中合束镜的最少数量比所述激光器的数量少I。
[0006]优选地，任意两个所述激光单元中的激光器发射的激光光束的波长不一致。
[0007]优选地，所述准直器上均有与其相对应的激光器发射的激光光束波长一致的增透膜。
[0008]优选地，所述合束传输光纤的芯径与所述传输光纤的芯径相同。
[0009]优选地，所述合束镜组包括:ρ个具有反射功能的45°合束镜、m个具有反射、透射功能的45°合束镜，所述P大于等于0，所述m大于等于I且所述p+m大于等于I。
[0010]更优选地，所述具有反射功能的45°合束镜的迎束面上镀有用于反射入射激光光束的全反射膜。
[0011]更优选地，所述具有反射、透射功能的45°合束镜的迎束面上镀有用于反射入射激光光束的全反射膜，同时，两个镜面上均镀有需透射激光光束的增透膜。
[0012]本发明是一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，该方法具体为:
[0013]由不同激光器发射出的不同波长的光束经传输光纤传输后，由准直器准直输出，再经过合束镜组合束后，经親合器親合进入合束传输光纤，然后由合束输出准直器准直输出，形成激光合束。
[0014]优选地，所述合束镜组中合束镜上镀有的反射膜和/或透射膜的适用波长与入射激光光束的波长一致。
[0015]优选地，所述合束镜组中合束镜的最少数量比所述激光器的数量少I。
[0016]本发明的有益效果是:
[0017]本发明解决了半导体激光器耦合光纤输出能量的限制，提高半导体光纤偶和输出的最大能量值。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是实施例1中所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置的结构示意图；其中，I表不激光器I，2表不激光器2，3表不激光器3，4表不传输光纤一号，5表不传输光纤二号，6表不传输光纤三号，7表不合束传输光纤，8表不准直器1，9表不准直器2，10表不准直器3，11表不親合器，12表不合束输出准直器，13表不反射光束I的45°反射镜，14表示反射光束2的45°反射镜，15表示镀有反射光束I全反射膜和镀有透射光束3增透膜的45°镜，16表示镀有反射光束2全反射膜和镀有透射合束1&3增透膜的45°镜；
[0019]图2是实施例2中两束激光合束的不意图；7表不合束传输光纤，11表不親合器，12表示合束输出准直器，1-1表示光束1，2-1表示光束2，22表示合束1&2，20表示镀有反射光束2全反射膜和镀有透射光束I增透膜的45°镜；
[0020]图3是实施例3中三束激光合束的示意图；3_1表示光束3，23表示镀有反射光束3全反射膜和镀有透射合束1&2增透膜的45°镜，24表示合束1&2&3 ；
[0021]图4是实施例3中三束激光合束的示意图；25表示镀有反射合束2&3全反射膜和镀有透射光束I增透膜的45°镜，26表示镀有反射光束3全反射膜和镀有透射光束2增透膜的45°镜，27表示合束2&3，28表示合束1&2&3 ；
[0022]图5是实施例4中四束激光合束的示意图；4_1表示光束4，31表示镀有反射光束4全反射膜和镀有透射合束1&2&3增透膜的45°镜，35表示合束1&2&3&4 ；
[0023]图6是实施例4中四束激光合束的示意图；50表示镀有反射光束2全反射膜和镀有透射光束I增透膜的45°镜，51表示镀有反射光束4全反射膜和镀有透射光束3增透膜的45°镜；52表示镀有反射合束3&4全反射膜和镀有透射合束1&2增透膜的45°镜；53表示合束1&2，54表示合束3&4，55表示合束1&2&3&4 ；
[0024]图7是实施例5中五束激光合束的不意图；5_1表不光束5，60表不镀有反射合束2&5全反射膜和镀有透射光束I增透膜的45°镜，61表示镀有反射合束3&4全反射膜和镀有透射合束1&2&5增透膜的45°镜；62表示镀有反射合束3&4全反射膜和镀有透射合束1&2增透膜的45°镜；63表示镀有反射光束5全反射膜和镀有透射光束2增透膜的45°镜；64表不合束2&5，65表不合束3&4，66表不合束1&2&5，67表不1&2&3&4&5。
【具体实施方式】
[0025]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[0026]实施例1
[0027]参照图1，本实施例是一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，该装置包括:3组激光单元和一个合束单元；所述激光单元包括:激光器和依次设置在所述激光器发射的激光光束光轴上的传输光纤和准直器；所述合束单元包括:设置在所述激光单元输出的光束光轴上的合束镜组，由所述合束镜组输出的激光合束依次穿过所述激光合束光轴上的親合器、合束传输光纤和合束输出准直器。
[0028]在本实施例中，任意两个所述激光单元中的激光器发射的激光光束的波长不一致，即激光器I输出的是915nm的激光光束I，在激光器I发射的激光光束I光轴上设置镀有915nm激光45°入射全反射膜的45°反射镜13 ;激光器2输出的是351nm的激光光束2，在激光器2发射的激光光束2光轴上设置镀有351nm激光45°入射全反射膜的45°反射镜14 ;激光器3输出的是976nm的激光光束3，在激光器3发射的激光光束3光轴上设置镀有976nm增透膜和迎光束I的镜面上镀有351nm激光45°入射全反射膜的45°合束镜15，在激光器3发射的激光光束3光轴上设置镀有351nm、976nm增透膜和迎光束2的镜面上镀有915nm、976nm增透膜和351nm激光45°入射全反射膜的45°合束镜16。
[0029]在本实施例中，所述准直器上均有与其相对应的激光器发射的激光波长相同的增透膜。即准直输出激光器I发出的波长的准直器上镀有351nm增透膜，准直输出激光器2发出的波长的准直器上镀有915nm增透膜，准直输出激光器3发出的波长的准直器上镀有976nm增透膜。
[0030]在本实施例中，所述耦合器前设置的合束镜，所述合束镜镀有反射光束2的915nm全反射膜，镀有透射光束I和光束3的351nm增透膜和976nm增透膜。
[0031]在本实施例中，所述激光单元中的传输光纤与所述合束传输光纤的芯径相同；其中，所述激光器I和所述准直器8之间设置的传输光纤是传输光纤一号，所述激光器2和所述准直器9之间设置传输光纤二号，所述激光器3和所述准直器10之间设置传输光纤三号，即所述传输光纤一号、所述传输光纤二号和所述传输光纤三号与所述合束传输光纤的芯径相同。
[0032]实施例2
[0033]本实施例是一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，该方法具体为:
[0034]由不同激光器发射出的不同波长的光束经传输光纤传输后，由准直器准直输出，再经过合束镜组合束后，经親合器親合进入合束传输光纤，然后由合束输出准直器准直输出，形成激光合束。
[0035]本实施例中所述方法用到的高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置与实施例1的不同之处在于，所述激光单元的个数为2个，第一激光单元输出的激光光轴与第二激光单元输出的激光光轴垂直，所述合束镜组中有两个具有反射光束1、透射光束2的合束镜，即为高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置。
[0036]参照图2，两束激光光束合束的示意图，高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法是:对于两台输出激光波长不同的激光器，标号为激光器I和激光器2，如图2所示，输出标号为光束I和光束2，第一激光单元输出的激光光轴与第二激光单元输出的激光光轴垂直，在光束I和光束2相交的位置放置一片两面镀有对光束I为45°高透过率、迎光束2 —面镀有对激光光束2为45°高反射膜层的镜片，标号为镜片1&2，两束激光入射到镜片1&2的角度皆为45°，通过调节与激光器2相对设置的准直器的方位、角度以及镜片1&2的角度，即可以将两束激光合成一束激光，标记为光束1&2。
[0037]实施例3
[0038]本实施例与实施例2的不同之处在于，所述激光单元的个数为3个，所述合束镜组中包括两个不同的具有反射、透射的合束镜，即为高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置。
[0039]其中，所述合束镜的设置为以下两种方式:
[0040]采用如图3所述的方法一，所述合束镜包括:反射光束2、透射光束I的45°合束镜20，反射光束3、透射合束1&2的45°合束镜23。其中，光束3的波长不同于激光光束I和光束2，如图3所示，在光束3和合束1&2相交的位置放置一片两面镀有对光束1&2为45°高透过率、迎光束3 —面镀有对光束3为45°高反射膜层的镜片23，两束激光入射到镜片1&2&3的角度皆为45°，通过调节与激光器3相对应的准直器的方位、角度，以及镜片1&2&3的角度，即可以将两束激光合成一束激光，即为合束光束1&2&3。
[0041]或采用如图4所示的方法二，所述合束镜包括:反射合束2&3、透射光束I的45°合束镜25，反射光束3、透射光束2的45°合束镜26。采用实施例2中所述光束I和光束2合束的方法，将光束1&2和光束3合束成为光束1&2&3，即依照光束I和光束2合束的方法将光束3与两束光合束结构中的任意一束光进行合束，这样即得到光束1&2&3。
[0042]在本实施例中合束的先后顺序依照各光束的波长和镜片膜层参数而定。
[0043]实施例4
[0044]本实施例与实施例2的不同之处在于，所述激光单元为4个，所述合束镜组中包括三个不同的具有反射、透射的合束镜，即为高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置。
[0045]其中，三个所述合束镜的设置为以下两种方式:
[0046]采用如图5所示的方法一，所述合束镜包括:反射合束2&3、透射光束I的45°合束镜25，反射光束3、透射光束2的45°合束镜26，反射光束4、透射合束1&2&3的45°合束镜31。可用光束I和光束2合束的方法将光束1&2&3和光束4合束成为光束1&2&3&4，即依照光束I和光束2合束的方法将光束4同三束光合束结构中任意一束光进行合束，这样即可得到光束1&2&3&4。
[0047]或米用如图6所不的方法二，所述合束镜包括:反射光束2、透射光束I的45°合束镜50，反射光束4、透射合束3&4的45°合束镜51，反射合束3&4、透射合束1&2的45°合束镜52。可以依照光束I和光束2合束的方法先将光束3和光束4合束，合束后的光束标号为光束3&4，再重复光束I和光束2合束的方法将光束1&2和光束3&4合成一束光，标号为光束1&2&3&4。
[0048]在本实施例中合束的先后顺序依照各光束的波长和镜片膜层参数而定。
[0049]实施例5
[0050]实施例与实施例2的不同之处在于，所述激光单元为5个，所述合束镜组中包括四个不同的具有反射、透射的合束镜，即为高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置。
[0051]其中，4个所述45°透射镜和合束镜的设置可按照以下方式:
[0052]参照图7，所述合束镜包括:反射合束2&5、透射光束I的45°合束镜60，反射合束3&4、透射合束1&2&5的45°合束镜61，反射光束4、透射光束3的45°合束镜62，反射光束
5、透射光束2的45°合束镜63。依照光束I和光束2合束的方法将光束5同四束光合束结构中任意一束光进行合束，这样即可得到光束1&2&3&4&5，如本领域技术人员知，本领域的技术人员可按照上述合束方法将任意数量的光束合成一束光。
[0053]在本实施例中合束的先后顺序依照各光束的波长和镜片膜层参数而定。
[0054]如本领域技术人员知，通过实施例2到实施例5所述的合束方法完成合束操作后，将合束后的激光通过耦合装置耦合到光纤中再通过准直器输出。实施例2到实施例5中所述所有的镜片镀有膜层种类数量与经其透射或反射的激光波长数量相同。
[0055]通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果:
[0056]本发明解决了半导体激光器耦合光纤输出能量的限制，提高半导体光纤偶和输出的最大能量值。
[0057]以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本发明的保护范围。
【权利要求】
1.一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，该装置包括m组激光单元和一个合束单元，所述η大于等于2 ; 所述激光单元包括:激光器和依次设置在所述激光器发射的激光光束光轴上的传输光纤和准直器； 所述合束单元包括:设置在所述激光单元输出的光束光轴上的合束镜组，由所述合束镜组输出的激光合束依次穿过所述激光合束光轴上的耦合器、合束传输光纤和合束输出准直器； 所述合束镜组中合束镜的最少数量比所述激光器的数量少I。
2.根据权利要求1所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，任意两个所述激光单元中的激光器发射的激光光束的波长不一致。
3.根据权利要求1所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，所述准直器上均有与其相对应的激光器发射的激光光束波长一致的增透膜。
4.根据权利要求1所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，所述合束传输光纤的芯径与所述传输光纤的芯径相同。
5.根据权利要求1所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，所述合束镜组包括Φ个具有反射功能的45°合束镜、m个具有反射、透射功能的45°合束镜，所述P大于等于O，所述m大于等于I且所述p+m大于等于I。
6.根据权利要求5所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，所述具有反射功能的45°合束镜的迎束面上镀有用于反射入射激光光束的全反射膜。
7.根据权利要求5所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置，其特征在于，所述具有反射、透射功能的45°合束镜的迎束面上镀有用于反射入射激光光束的全反射膜，同时，两个镜面上均镀有需透射激光光束的增透膜。
8.一种高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，其特征在于，基于如权利要求1-7任意一项权利要求所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出装置的高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，该方法具体为: 由不同激光器发射出的不同波长的光束经传输光纤传输后，由准直器准直输出，再经过合束镜组合束后，经親合器親合进入合束传输光纤，然后由合束输出准直器准直输出，形成激光合束。
9.根据权利要求8所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，其特征在于，所述合束镜组中合束镜上镀有的反射膜和/或透射膜的适用波长与入射激光光束的波长一致。
10.根据权利要求8所述高功率半导体激光合束光纤耦合输出方法，其特征在于，所述合束镜组中合束镜的最少数量比所述激光器的数量少I。
【文档编号】H01S5/06GK104505707SQ201510004681
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月6日 优先权日:2015年1月6日
【发明者】张放 申请人:北京镭宝光电技术有限公司