一种激光合束装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光合束装置，该装置包括：激光器阵列、转向光学元件、转换透镜、色散元件和外腔镜；激光器阵列包括M排激光器，每排激光器包括N个激光器；激光器阵列输出的M×N束激光经过转向光学元件后平行出射，每排激光器对应的N束激光构成一个共面的激光阵列，M个激光阵列所在的平面相互平行且相邻间隔为指定距离；每个激光阵列中的N束激光经过转换透镜的会聚后分别以不同的角度入射到色散元件上；每个激光阵列中的N束激光经过色散元件后合为一束输出光，M个激光阵列对应的M束输出光经过外腔镜后平行输出。本方案由于采用了转向结构，使得激光器阵列输出的多束激光紧密排列，在提高激光器阵列的散热性能的同时实现了更高效率的激光合束。
【专利说明】
一种激光合束装置
技术领域
[0001 ]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】
[0002]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光谱合束、空间合束和偏振合束，这些激光合束方法可以单独使用，在一些场景下也可以使用多种不同的激光合束方法的结合。
[0003]其中，在现有的激光合束技术中，需要进行合束的多束激光的发光单元即多个激光器是放置于基座上的，通常情况下，由于微通道结构的局限、光学准直系统结构的限制等因素，能够实现的激光器阵列中的激光器之间的间距较大，相邻的激光器不能很接近，导致最终输出的合成光束中的间隙无法避免，使得输出功率密度难以进一步提高。
【发明内容】
[0004]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激光合束装置。
[0005]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:激光器阵列、转向光学元件、转换透镜、色散元件和外腔镜；
[0006]所述激光器阵列包括M排激光器，每排激光器包括N个激光器;其中肩和~均为大于I的正整数；
[0007]所述激光器阵列输出的MXN束激光经过所述转向光学元件后平行出射，其中每排激光器对应的N束激光构成一个共面的激光阵列，M个激光阵列所在的平面相互平行，相邻两个激光阵列所在的平面之间相隔指定距离；
[0008]M个激光阵列入射到所述转换透镜上，每个激光阵列中的N束激光经过所述转换透镜的会聚后分别以不同的角度入射到所述色散元件上；
[0009]每个激光阵列中的N束激光经过所述色散元件后合为一束输出光，M个激光阵列对应的M束输出光经过所述外腔镜后平行输出。
[0010]可选地，所述外腔镜为部分反射部分透射光学元件；
[0011]M个激光阵列对应的M束输出光被所述外腔镜透射后平行输出，以及，每束输出光中的N束激光被所述外腔镜反射后分别沿原光路返回对应激光器中。
[0012]可选地，所述激光器阵列中的各激光器输出的激光传输到所述转换透镜所经历的光程相同。
[0013]可选地，该装置进一步包括:基座；
[0014]所述基座呈阶梯状结构，所述激光器阵列放置于所述基座上，具体地，所述基座具有M级台阶，每级台阶上放置N个激光器，所述N个激光器沿平行于台阶长边的方向排成一排。
[0015]可选地，所述基座内设置有水冷通道，以供冷却水在水冷通道中流通。
[0016]可选地，所述激光器阵列中的各激光器为半导体激光器单管。
[0017]可选地，该装置进一步包括:对应于所述激光器阵列中的M X N个激光器的M X N个快轴准直透镜和M X N个慢轴准直透镜；
[0018]每个激光器输出的激光经过对应的快轴准直透镜和慢轴准直透镜后，入射到所述转向光学元件上。
[0019]可选地，该装置进一步包括:扩束器或者缩束器；
[0020]所述扩束器或缩束器位于所述慢轴准直透镜和所述转向光学元件之间，或者，所述扩束器或缩束器位于所述转向光学元件和所述转换透镜之间。
[0021 ]可选地，所述色散元件包括:反射光栅或透射光栅。
[0022 ]可选地，所述转向光学元件包括:反射平面镜，和/或，反射棱镜。
[0023]由上述可知，在本发明提供的技术方案中，激光器阵列输出的MXN束激光经过所述转向光学元件后平行出射到转换透镜上，经过转换透镜的聚焦后每排激光器对应的N束激光分别以不同的角度入射到色散元件上，依据色散元件的色散作用，从每束激光的波长范围内选择相应波长的激光，使得从每排激光器输出的N束激光中选出N束不同波长的激光，将该N束不同波长的激光以相同的角度合为一束输出光出射到外腔镜上，M排激光器对应的M束输出光经由外腔镜平行输出，完成了对激光器阵列输出的M X N束激光在激光的慢轴方向的光谱合束以及在激光的快轴方向上的空间合束;本方案原理简单、配置合理、可实施性强，由于采用了转向结构，使得激光器阵列中的各激光器无需紧密排布就可以克服现有合束技术中合束后光斑中暗隙较多的缺点，在提高激光器阵列的散热性能的同时实现了更高效率的激光合束。
[0024]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】
[0025]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:
[0026]图1A示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的示意图；
[0027]图1B示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的侧视图；
[0028]图1C示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的俯视图；
[0029]图2A示出了根据本发明实施例一的激光器阵列输出的激光在转换透镜上的光斑示意图；
[0030]图2B示出了根据本发明实施例一的激光器阵列输出的激光经外腔镜输出后的光斑示意图；
[0031]图3A示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的示意图；
[0032]图3B示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的侧视图；
[0033]图3C示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的俯视图；
[0034]图4示出了根据本发明实施例二的一种激光合束装置的示意图。
【具体实施方式】
[0035]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。
[0036]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系统进行说明，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。
[0037]图1A示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的示意图，如图1A所示，该装置包括:基座100、激光器阵列、快轴准直透镜154、慢轴准直透镜158、转向光学元件162、转换透镜166、色散元件170和外腔镜174，其中，激光器阵列包括4排激光器，每排激光器置于基座100的一级台阶上，每排激光器包括4个激光器120，每排激光器中的4个激光器120沿基座100台阶长边的方向(X轴方向)排成一排，每个激光器120对应于一个快轴准直透镜154和一个慢轴准直透镜158，每排激光器对应于一个转向光学元件162。
[0038]在本实施例中，基座100为热沉基座，对各激光器120进行降温，激光器120为半导体激光器单管，转向光学元件162为反射平面镜，转换透镜166为柱透镜，色散元件170为透射光栅;每个激光器120输出的激光依次经过与该激光器120对应的快轴准直透镜154和慢轴准直透镜158，由快轴准直透镜154对输出激光的快轴方向进行准直，由慢轴准直透镜158对输出激光的慢轴方向进行准直，经快慢轴准直后的激光入射到相应的转向光学元件162上，由转向光学元件162对其进行转向，具体地，激光器阵列中的每排激光器输出的4束激光入射到与该排激光器对应的转向光学元件162上，由该转向光学元件162对4束激光进行转向，激光器阵列输出的16束激光经转向光学元件的转向后传播方向相互平行，且每排激光器对应的4束激光平行且共面，构成一个激光阵列，4排激光器对应的4个激光阵列所在的4个平面相互平行，且相邻激光阵列所在的平面之间的间距可以通过转向光学元件162进行调整。
[0039]图1B示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的侧视图，即激光合束装置在y-z平面上的示意图。如图1A-1B所示，每排激光器输出的激光经转向光学元件162转向后相互平行且共面构成一个激光阵列，4排激光器对应的4个激光阵列所在的4个平面相互平行，且相邻激光阵列所在的平面之间的间隔为Ah2，位于基座100的最上层台阶上的一排激光器从慢轴准直透镜158输出到入射到该排激光器对应的转向光学元件162上所传播的距离是LI，每排激光器对应的激光阵列从转向光学元件162转向输出到入射到转换透镜166上所传播的距离是L2，基座100的每级台阶高度(y轴方向)是AL，也就是位于基座100上的相邻排激光器之间在y轴方向上的距离是AL，基座100每级台阶宽度(z轴方向)是Ahl，也就是位于基座100上的相邻排激光器之间在z轴方向上的距离是Ahl，在本实施例中，Ah2 =Imm，LI = 20mm，L2 = 20mm，Ahl = 3mm，AL = 4mm，3mm X 4mm 的台阶侧面形状为基座 100 内部设置水冷通道留出了足够多的空间。
[0040]可以知道，位于基座100的最上层台阶上的一排激光器发出的激光从准直输出到入射到转换透镜166上所经历的光程为:Ll+L2 = 40mm，位于基座100的最下层台阶上的一排激光器输出的激光从准直输出到入射到转换透镜166上所经历的光程为:
[0041](L1+3X Δ L-3 X Δ h2) + (L2~3 X Δ hi) = (20mm+3 X 4mm_3 X lmm) + (20mm-3 X 3mm)= 40mm
[0042]同理，可以计算出位于基座100的中间两级台阶上的两排激光器从准直输出到入射到转换透镜166上所经历的光程分别为40_。
[0043]可见，本实施例所提供的激光合束装置的结构保持激光器阵列中的不同激光器120输出的激光在到达转换透镜166时经历相同的光程，使得入射到转换透镜166上的各激光的光斑大小相近，有利于提高激光合束效率，最大程度地通过合束得到较高的功率密度，并且每排激光器对应的激光阵列在到达转换透镜166时相邻激光阵列所在的平面之间的间隔仅为1_，使得不同排激光器输出的激光更加紧密，4排激光器输出的激光总体在y轴上的距离为4mm左右。
[0044]图1C示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的俯视图，即激光合束装置在x-z平面上的示意图。如图1A-1C所示，经过转向光学元件162后，每排激光器对应的激光阵列入射到转换透镜166上，通过对转换透镜166的焦距和位置的设置，转换透镜166分别对每排激光器对应的4束激光进行会聚，可使每个激光器120输出的激光经过转换透镜166后成为发散角较小的光束，每排激光器中在X轴上不同位置的激光器120输出的激光经过转换透镜166后以不同的角度照射在色散元件170上，不同排激光器中的在X轴上位置相同的激光器120输出的激光经过转换透镜166后以相同的角度照射在色散元件170上;色散元件170和外腔镜174结合构成外腔，色散元件170对于入射到其上的每束激光，依据色散原理以及该束激光的入射角度，从该束激光的波长范围内选择相应的波长的激光，以一个指定角度输出，由于每排激光器对应的4束激光入射到色散元件170上的角度各不相同，色散元件170在对这4束激光进行色散时，分别从4束激光中选择各自对应的波长的激光，4束激光对应的选择波长各不相同，将4束激光对应的4种波长激光均以指定角度输出。
[0045]可见，每排激光器对应的4束激光经过色散元件170后合为一束输出光，该束输出光是4束激光的光谱合束结果，每排激光器对应的4束激光经过色散元件170后均合为一束输出光，则色散元件170输出4束光谱合束得到的输出光，该4束输出光经过外腔镜174后输出，由于前文中已经通过转向光学元件162对不同排激光器对应的激光阵列在y轴方向上的距离进行调整，使得不同排激光器输出的激光阵列之间更加紧密，则此时输出的4束输出光的排列也十分紧密，达到了不同排激光器对应的激光在y轴方向上的空间合束;进一步地，外腔镜174为部分反射部分透射光学元件，对应于每排激光器输出的激光的光谱合束结果的每束输出光入射到外腔镜174上时，一部分被外腔镜174透射输出，另一部分被外腔镜174反射，在本实施例中，对于包含4种波长激光的输出光，外腔镜174的反射使得该输出光中的每种波长激光沿原光路返回至对应的激光器120中，即使满足条件的波长的部分功率反馈回对应的激光器120中，从而可起到波长选择的作用，使每排激光器中位于X轴上不同位置上的激光器120输出的激光的波长稍有区别。可见，外腔镜174与色散元件170构成的外腔具有一定的波长选择性，锁定了各激光器120输出的波长范围中的相应波长，压窄了光谱宽度，使得各激光器120能够输出较为不同的波长，提高了激光合束过程的稳定性。
[0046]图2A示出了根据本发明实施例一的激光器阵列输出的激光在转换透镜上的光斑示意图。如图2A所示，激光器阵列输出的激光经转向光学元件162转向后，相邻排激光器对应的激光阵列在y轴方向上的排布较为紧密，相邻间距为Ah2，如前文所述，Ah2仅为Imm左右，达到了不同排激光器对应的激光在y轴方向上较为理想的空间合束。图2B示出了根据本发明实施例一的激光器阵列输出的激光经外腔镜输出后的光斑示意图。如图2B所示，每排激光器对应的4束激光经光谱合束后合为一束输出光，相邻排激光器对应的输出光在y轴方向上的排布较为紧密，相邻输出光在y轴上的距离为Ah2，如前文所述，Ah2仅为Imm左右，达到了不同排激光器对应的激光在y轴方向上较为理想的空间合束。
[0047]可见，本实施例提供的激光合束装置对于激光器阵列中的每排激光器输出的激光进行光谱合束，且对于不同排激光器输出的激光进行空间合束，以实现较为理想的激光合束效果，获得高功率的输出结果。
[0048]图3A示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的示意图，图3B示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的侧视图，即在y-z平面的示意图，图3C示出了根据本发明实施例一的一种激光合束装置的基座的俯视图，即在χ-ζ平面的示意图。如图3A-3C所示，本实施例中的激光合束装置中的基座100呈阶梯状结构，基座100内部设置有多条水冷通道，供冷却水在水冷通道中流通，以对放置于基座100上的激光器120进行降温，基座100内部设置的多条水冷通道中包括进水通道和出水通道，以供冷却水的流入和流出，其他各条水冷通道的两端分别与进水通道和出水通道连通。可见，本实施例中设计为阶梯状结构的基座100，能够在不影响激光放置位置的情况下在基座100内部设置水冷通道，有利于不同排激光器的紧密排布，有利于激光合束装置的整体体积的缩小，提高激光合束装置的效能。
[0049]图4示出了根据本发明实施例二的一种激光合束装置的示意图，如图4所示，该装置包括:基座100、激光器阵列、快轴准直透镜154、慢轴准直透镜158、转向光学元件162、转换透镜166、色散元件170和外腔镜174，其中，激光器阵列包括4排激光器，每排激光器置于基座100的一级台阶上，每排激光器包括4个激光器120，每排激光器中的4个激光器120沿基座100台阶长边的方向(X轴方向)排成一排，每个激光器120对应于一个快轴准直透镜154和一个慢轴准直透镜158，每排激光器对应于一个转向光学元件162。
[0050]在本实施例中，基座100为热沉基座，对各激光器120进行降温，激光器120为半导体激光器单管，转向光学元件162为反射棱镜，转换透镜166为柱透镜，色散元件170为反射光栅;每个激光器120输出的激光依次经过与该激光器120对应的快轴准直透镜154和慢轴准直透镜158，由快轴准直透镜154对输出激光的快轴方向进行准直，由慢轴准直透镜158对输出激光的慢轴方向进行准直，经快慢轴准直后的激光入射到相应的转向光学元件162上，由转向光学元件162对其进行转向，具体地，激光器阵列中的每排激光器输出的4束激光入射到与该排激光器对应的转向光学元件162上，由该转向光学元件162对4束激光进行转向，激光器阵列输出的16束激光经转向光学元件162的转向后传播方向相互平行，且每排激光器对应的4束激光平行且共面，构成一个激光阵列，4排激光器对应的4个激光阵列所在的4个平面相互平行，且相邻激光阵列所在的平面之间的间距可以通过转向光学元件162进行调整。
[0051]本实施例中，相邻激光阵列所在的平面之间的间隔为Ah2，位于基座100的最上层台阶上的一排激光器从慢轴准直透镜158输出到入射到该排激光器对应的转向光学元件162上所传播的距离是LI，每排激光器对应的激光阵列从转向光学元件162转向输出到入射到转换透镜166上所传播的距离是L2，基座100的每级台阶高度(y轴方向)是AL，也就是位于基座100上的相邻排激光器之间在y轴方向上的距离是AL，基座100每级台阶宽度(z轴方向)是Ahl，也就是位于基座100上的相邻排激光器之间在z轴方向上的距离是Ahl，具体地，Ah2 = lmm，Ll = 20mm，L2 = 20mm，Ahl = 3mm, AL = 4mm，其中3_X4mm 的台阶侧面形状为基座100内部设置水冷通道留出了足够多的空间。
[0052]能够计算得到，本实施例所提供的激光合束装置的结构保持激光器阵列中的不同激光器120输出的激光在到达转换透镜166时经历相同的光程，使得入射到转换透镜166上的各激光的光斑大小相近，有利于提高激光合束效率，最大程度地通过合束得到较高的功率密度，并且每排激光器对应的激光阵列在到达转换透镜166时相邻激光阵列所在的平面之间的间隔仅为1mm，使得不同排激光器输出的激光更加紧密，4排激光器输出的激光总体在y轴上的距离为4mm左右。
[0053]经过转向光学元件162后，每排激光器对应的激光阵列入射到转换透镜166上，通过对转换透镜166的焦距和位置的设置，转换透镜166分别对每排激光器对应的4束激光进行会聚，可使每个激光器120输出的激光经过转换透镜166后成为发散角较小的光束，每排激光器中在X轴上不同位置的激光器120输出的激光经过转换透镜166后以不同的角度照射在色散元件170上，不同排激光器中的在X轴上位置相同的激光器120输出的激光经过转换透镜166后以相同的角度照射在色散元件170上;色散元件170和外腔镜174结合构成外腔，色散元件170对于入射到其上的每束激光，依据色散原理以及该束激光的入射角度，从该束激光的波长范围内选择相应的波长的激光，以一个指定角度反射输出，由于每排激光器对应的4束激光入射到色散元件170上的角度各不相同，色散元件170在对这4束激光进行色散时，分别从4束激光中选择各自对应的波长的激光，4束激光对应的选择波长各不相同，将4束激光对应的4种波长激光均以指定角度输出。
[0054]在本实施例中，激光合束装置中的激光的光斑示意图与前文中图2A-2B所示相同，基座100内部设置水冷通道的实施例与前文中图3A-3C所示相同，前文中已经详细说明在此不再赘述。
[0055]相比之下，现有技术中采用侧面(y-z平面)呈方波形的基座放置激光器阵列的方案，每排激光器放置于基座上的一个凹下的平台上，相邻两排激光器之间相隔一个凸起的平台，由于基座中每个凸起的平台中需要给水冷通道留出空间，即使采用微通道，每个凸起平台的高度也难以小于1.8mm。相应地，不同排激光器输出的激光之间的间隔也就难以小于1.8mm，且现有技术中未采用转向光学元件进行转向，使得4排半导体激光器单管发出的光束的总体高度不小于7.2 mm，最终输出的光斑中在y轴方向上的间距较大，难以实现理想的合束效果。由此可见，上述实施例一与实施例二提供的激光合束装置相比现有技术中的激光合束方案可提供总体尺寸更小、总体亮度更高的光斑。
[0056]综上所述，在本发明提供的技术方案中，激光器阵列输出的MXN束激光经过所述转向光学元件后平行出射到转换透镜上，经过转换透镜的聚焦后每排激光器对应的N束激光分别以不同的角度入射到色散元件上，依据色散元件的色散作用，从每束激光的波长范围内选择相应波长的激光，使得从每排激光器输出的N束激光中选出N束不同波长的激光，将该N束不同波长的激光以相同的角度合为一束输出光出射到外腔镜上，M排激光器对应的M束输出光经由外腔镜平行输出，完成了对激光器阵列输出的M XN束激光在激光的慢轴方向的光谱合束以及在激光的快轴方向上的空间合束;本方案原理简单、配置合理、可实施性强，由于采用了转向结构，使得激光器阵列中的各激光器无需紧密排布就可以克服现有合束技术中合束后光斑中暗隙较多的缺点，在提高激光器阵列的散热性能的同时实现了更高效率的激光合束。
[0057]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。
【主权项】
1.一种激光合束装置，其特征在于，该装置包括:激光器阵列、转向光学元件、转换透镜、色散元件和外腔镜； 所述激光器阵列包括M排激光器，每排激光器包括N个激光器;其中，M和N均为大于I的正整数； 所述激光器阵列输出的M X N束激光经过所述转向光学元件后平行出射，其中每排激光器对应的N束激光构成一个共面的激光阵列，M个激光阵列所在的平面相互平行，相邻两个激光阵列所在的平面之间相隔指定距离； M个激光阵列入射到所述转换透镜上，每个激光阵列中的N束激光经过所述转换透镜的会聚后分别以不同的角度入射到所述色散元件上； 每个激光阵列中的N束激光经过所述色散元件后合为一束输出光，M个激光阵列对应的M束输出光经过所述外腔镜后平行输出。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述外腔镜为部分反射部分透射光学元件； M个激光阵列对应的M束输出光被所述外腔镜透射后平行输出，以及，每束输出光中的N束激光被所述外腔镜反射后分别沿原光路返回对应激光器中。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述激光器阵列中的各激光器输出的激光传输到所述转换透镜所经历的光程相同。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括:基座； 所述基座呈阶梯状结构，所述激光器阵列放置于所述基座上，具体地，所述基座具有M级台阶，每级台阶上放置N个激光器，所述N个激光器沿平行于台阶长边的方向排成一排。5.如权利要求4所述的装置，其特征在于， 所述基座内设置有水冷通道，以供冷却水在水冷通道中流通。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于， 所述激光器阵列中的各激光器为半导体激光器单管。7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括:对应于所述激光器阵列中的M X N个激光器的M X N个快轴准直透镜和M X N个慢轴准直透镜； 每个激光器输出的激光经过对应的快轴准直透镜和慢轴准直透镜后，入射到所述转向光学元件上。8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置进一步包括:扩束器或者缩束器； 所述扩束器或缩束器位于所述慢轴准直透镜和所述转向光学元件之间，或者，所述扩束器或缩束器位于所述转向光学元件和所述转换透镜之间。9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述色散元件包括:反射光栅或透射光栅。10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转向光学元件包括:反射平面镜，和/或，反射棱镜。
【文档编号】H01S3/23GK105977771SQ201610556293
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年7月14日
【发明人】郭渭荣, 王宝华, 郭志婕, 徐丹, 徐磊, 陈晓华
【申请人】北京凯普林光电科技股份有限公司