专利名称：一种大功率半导体激光光束耦合输出装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大功率半导体激光系统中的多光束耦合输出装置，该装置采用 波长耦合与偏振耦合相结合的方法将四组半导体激光阵列发出的两种波长的光束合成一 束，属于激光光电子及其应用领域。
背景技术：
大功率半导体激光器因其体积小、光电转换率高、寿命长等优点而被广泛应用 于材料加工、军事、医疗等领域，尤其是高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激 光器应用更加广泛。目前，国际上为了实现大功率的半导体激光输出，常采用的方法有空间多路耦 合方法，偏振耦合方法以及波长耦合方法。例如德国JENOPTIK Laserdiode GmbH公司 利用反射镜、波长耦合器和偏振耦合器实现了两种波长、四个半导体激光阵列的光束耦 合输出。此种方法虽然能够得到高功率的激光输出，但是由于未加光束整形装置且最终 经过偏振耦合器的两路光的光程不同，使得输出光束的光束质量受到一定影响。专利号为200910076298.3的发明专利中提供了一种光束复合装置，虽然解决了 JENOPTIK Laserdiode GmbH所采用的方法中的问题，但由于其装置中的八个半导体激光 阵列按环形(方形)排列，导致激光器的零部件的机械加工难度增加，加工精度降低，相 应地增加了激光器系统的成本，同时使得激光器装调误差增大。
发明内容
本发明的目的在于解决现有耦合输出装置的上述缺陷，提供一种结构更加合理 的激光光束耦合输出系统。本发明将四个半导体激光阵列发出的四束两种波长的光首先利用波长耦合器进 行波长耦合，得到两束包含两种波长的光；此两束光再利用一个偏振耦合器进行耦合输 出。根据半导体激光阵列输出光的偏振态类型，设计了两种技术方案当四个半导体激 光阵列均输出P偏振光束或S偏振光束，适用本发明的第一种技术方案；当第一、二半 导体激光阵列输出P偏振光束，同时第三、四半导体激光阵列输出S偏振光束时，或者当 第一、二半导体激光阵列输出S偏振光束，同时第三、四半导体激光阵列输出P偏振光束 时，适用本发明的第二种技术方案。第一种技术方案设置第一半导体激光阵列、第二半导体激光阵列、第三半 导体激光阵列、第四半导体激光阵列、第一波长耦合器、第二波长耦合器、第一直角棱 镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜，二分之一波片，偏振耦合器以及光束整形装置。其 中，第一半导体激光阵列和第四半导体激光阵列输出光的波长为第二半导体激光阵 列和第三半导体激光阵列输出光的波长为λ2。第一半导体激光阵列发出的光经过第一直角棱镜反射偏折后与第二半导体激光 阵列发出的光通过第一波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为λ工和λ2的光束I;同时第四半导体激光阵列发出的光经过第二直角棱镜反射偏折后与第三半导体激光阵列发出 的光通过第二波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为λ工和λ2的光束II;光束I经过第 三直角棱镜传播方向偏折90°，光束II垂直经过一个二分之一波片偏振方向旋转90°， 然后两束光一同进入偏振耦合器合束，输出一束包含波长为λ ρ入2的光束。光束整形装置A是一种将半导体激光阵列发出的光进行均勻化的装置，各半导 体激光阵列发出的光束必须用光束整形装置A进行光束整形，整形过程可以在波长耦合 之前，也可以在波长耦合之后。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置设置了表面镀膜的第一直角棱镜5、第 二直角棱镜6、第三直角棱镜7;其中第一直角棱镜5、第二直角棱镜6的直角面所镀的 膜对波长为λ工的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ工的激光具有高反射率， 第三直角棱镜7的直角面所镀的膜对波长为λρ λ 2的激光具有高透射率，斜面所镀的膜 对波长为λ ρ λ 2的激光具有高反射率。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的第一波长耦合器8、第二波 长耦合器9是一种分光元件；第一波长耦合器8与第二波长耦合器9对波长为λ工的激光 具有高透射率、对波长为λ 2的激光具有高反射率。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的偏振耦合器10是一种格 兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折射晶体。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置所设置的二分之一波片11也可以沿垂 直光束传播方向位于第三直角棱镜7的前面或者第三直角棱镜7的后面。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的二分之一波片11，它能改 变线偏振光的偏振方向，使其偏振方向旋转90°，产生与原来的偏振方向相垂直的线偏 振光。第二种技术方案设置输出S偏振光的第一半导体激光阵列、第二半导体激光 阵列，输出P偏振光的第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列，第一波长耦合器， 第二波长耦合器，第一直角棱镜，第二直角棱镜、第三直角棱镜，偏振耦合器以及光束 整形装置。其中，第一半导体激光阵列和第四半导体激光阵列输出光的波长为λ”第二 半导体激光阵列和第三半导体激光阵列输出光的波长为λ 2。第一半导体激光阵列发出的光经过第一直角棱镜反射偏折后与第二半导体激光 阵列发出的光通过第一波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为入工和λ 2的光束I;同 时第四半导体激光阵列发出的光经过第二直角棱镜反射偏折后与第三半导体激光阵列发 出的光通过第二波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为X1和λ 2的光束II;光束I经 过第三直角棱镜传播方向偏折90°后与光束II 一同进入偏振耦合器合束，输出一束包含 波长为λ^入2的光束。光束整形装置A是一种将半导体激光阵列发出的光进行均勻化的装置，各半导 体激光阵列发出的光束必须用光束整形装置A进行光束整形，整形过程可以在波长耦合 之前，也可以在波长耦合之后。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置设置了表面镀膜的第一直角棱镜5、第 二直角棱镜6、第三直角棱镜7;其中第一直角棱镜5、第二直角棱镜6的直角面所镀的 膜对波长为λ工的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ工的激光具有高反射率，第三直角棱镜7的直角面所镀的膜对波长为λρ λ 2的激光具有高透射率，斜面所镀的膜 对波长为λ ρ λ 2的激光具有高反射率。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的第一波长耦合器8、第二波 长耦合器9是一种分光元件；第一波长耦合器8与第二波长耦合器9对波长为λ工的激光 具有高透射率、对波长为λ 2的激光具有高反射率。一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的偏振耦合器10是一种格 兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折射晶体。第二种技术方案还可以采用输出P偏振光的第一半导体激光阵列、第二半导体 激光阵列，输出S偏振光的第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列。以上两种技术方案中半导体激光阵列的个数可以根据实际需要选择，进入偏振 耦合器之前的两束光含有η个波长的光束λ2，λ3...λη，即在偏振耦合器左右两 侧各有η个半导体激光阵列，η = 2，3……。本发明所设计的装置，使得各半导体激光阵列线性排列，结构更加合理，降低 了机械加工难度、提高了装调精度，能够解决背景技术中所述的方法存在的缺陷；本发 明所设计的装置扩展性好，根据实际工作需要增加或减少本装置的左右两路的半导体激 光阵列的数量；有效地减小了系统的体积和重量，降低了成本。
图1本发明第一种实施方式的光路原理图；图2本发明第二种实施方式的光路原理图；图3本发明第三种实施方式的光路原理图；图4本发明第四种实施方式的光路原理图；图5本发明第五种实施方式的光路原理图；图中1、第一半导体激光阵列，2、第二半导体激光阵列，3、第三半导体激光 阵列，4、第四半导体激光阵列，5、第一直角棱镜，6、第二直角棱镜，7、第三直角棱 镜，8、第一波长耦合器，9、第二波长耦合器，10、偏振耦合器，11、二分之一波片， 12、第五半导体激光阵列，13、第六半导体激光阵列，14、第七半导体激光阵列，15、 第八半导体激光阵列，16、第三波长耦合器，17、第四波长耦合器，18、第五波长耦合 器，19、第六波长耦合器，Α、光束整形装置。
具体实施例方式实施例1 如图1所示，一种大功率半导体激光光束耦合输出装置由第一半导体激光阵列 1、第二半导体激光阵列2、第三半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4、第一直角棱 镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7、第一波长耦合器8、第二波长耦合器9、偏振耦 合器10、二分之一波片11和四个整形装置A组成。四个整形装置A分别位于四个半导 体激光阵列之后，二分之一波片11垂直于光路传播方向安放在第二波长耦合器9与偏振 耦合器10之间。第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7表面镀膜，第一波 长耦合器8、第二波长耦合器9是一种分光元件，如棱镜，光栅，干涉仪等。偏振耦合器10是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折射晶体。本实施例中的四个半导体激光阵列均输出P偏振光或者S偏振光，并且四个半导 体激光阵列输出的光首先通过整形装置A进行整形。第一半导体激光阵列1发出的光经 过第一直角棱镜5反射偏折后与第二半导体激光阵列2发出的光通过第一波长耦合器8进 行波长耦合得到包含波长为入工和λ2的光束I;同时第四半导体激光阵列4发出的光经过 第二直角棱镜6反射偏折后与第三半导体激光阵列3发出的光通过第二波长耦合器9进行 波长耦合得到包含波长为λ工和λ 2的光束II。光束I经过第三直角棱镜7传播方向偏折 90°、光束II经过一个二分之一波片11偏振方向旋转90°之后，两束光一同进入偏振耦 合器10合束，输出一束包含波长为λ ρ λ2光束。二分之一波片11还可以垂直于光束传播方向安放在第一波长耦合器8与第三直 角棱镜7之间，或者垂直于光束传播方向安放在第三直角棱镜7与偏振耦合器10之间， 效果等效。实施例2 如图2所示，实施例2与实施例1的区别仅在于实施例2中半导体激光阵列发出 的光先进行波长耦合，然后再进行光束整形。即取消位于半导体激光阵列后的4个光束 整形装置，仅在第一波长耦合器8之后以及第二波长耦合器9之后放置两个光束整形装置。实施例3 如图3所示，一种大功率半导体激光光束耦合输出装置由第一半导体激光阵列 1、第二半导体激光阵列2、第三半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4、第一直角棱 镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7、第一波长耦合器8、第二波长耦合器9、偏振耦 合器10和四个整形装置A组成。四个整形装置A分别位于四个半导体激光阵列之后。 第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7表面镀膜，第一波长耦合器8、第二波 长耦合器9是一种分光元件，如棱镜，光栅，干涉仪等。偏振耦合器10是一种格兰-泰 勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折射晶体。本实施例中第一半导体激光阵列1、第二半导体激光阵列2输出P偏振光，第三 半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4输出S偏振光。四个半导体激光阵列输出的光 首先通过整形装置A进行整形。第一半导体激光阵列1发出的光经过第一直角棱镜5反 射偏折后与第二半导体激光阵列2发出的光通过第一波长耦合器8进行波长耦合得到包含 波长为入工和λ2的光束I;同时第四半导体激光阵列4发出的光经过第二直角棱镜6反 射偏折后与第三半导体激光阵列3发出的光通过第二波长耦合器9进行波长耦合得到包含 波长为λ工和λ 2的光束II。光束I经过第三直角棱镜7传播方向偏折90°之后与光束II 一同进入偏振耦合器10合束，输出一束包含波长为λ ρ λ2光束。第一半导体激光阵列1、第二半导体激光阵列2输出S偏振态光，第三半导体激 光阵列3、第四半导体激光阵列4输出P偏振态光，效果等效。实施例4 如图4所示，实施例4与实施例3的区别仅在于实施例4中半导体激光阵列发出 的光先进行波长耦合，然后再进行光束整形。即取消位于半导体激光阵列后的4个光束 整形装置，仅在第一波长耦合器8之后以及第二波长耦合器9之后放置两个光束整形装置。实施例5 如图5所示一种大功率半导体激光光束耦合输出装置由第一半导体激光阵列 1、第二半导体激光阵列2、第三半导体激光阵列3、第四半导体激光阵列4、第一直角棱 镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7、第一波长耦合器8、第二波长耦合器9、偏振耦 合器10、二分之一波片11、第五半导体激光阵列12、第六半导体激光阵列13、第七半导 体激光阵列14、第八半导体激光阵列15、第三波长耦合器16、第四波长耦合器17、第五 波长耦合器18、第六波长耦合器19、和八个整形装置A组成。八个整形装置A分别位 于八个半导体激光阵列之后，二分之一波片11垂直于光束传播方向安放在第四波长耦合 器17与第三直角棱镜7之间。第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7表面 镀膜，第一波长耦合器8、第二波长耦合器9、第三波长耦合器16、第四波长耦合器17、 第五波长耦合器18、第六波长耦合器19是一种分光元件，如棱镜，光栅，干涉仪等。偏 振耦合器10是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折 射晶体。本实施例中的八个半导体激光阵列均输出P偏振光或者S偏振光，其中第一半导 体激光阵列1和第四半导体激光阵列4输出的激光波长为λ ”第二半导体激光阵列2和 第三半导体激光阵列3输出的激光波长为λ2，第五半导体激光阵列12和第八半导体激光 阵列15输出的激光波长为λ 3,第六半导体激光阵列13和第七半导体激光阵列14输出的 激光波长为λ4;并且八个半导体激光阵列输出的光首先通过整形装置A进行整形。第 一波长耦合器8与第二波长耦合9器对波长为λ工的激光具有高透射率、对波长为入2的 激光具有高反射率，第三波长耦合器16与第六波长耦合器19对波长为λ工和λ 2的激光 具有高透射率、对波长为λ 3的激光具有高反射率，第四波长耦合器17与第五波长耦合 器18对波长为λ ρ λ2、λ 3的激光具有高透射率、对波长为λ 4的激光具有高反射率。第一半导体激光阵列1发出的光经过第一直角棱镜5反射偏折后与第二半导体激 光阵列2发出的光通过第一波长耦合器8进行波长耦合得到包含波长为λ工和λ 2的光束， 此光束再与第五半导体激光阵列12发出的光通过第三波长耦合器16进行波长耦合得到包 含波长为λ” λ2、入3的光束，此光束再与第六半导体激光阵列13发出的光通过第四波 长耦合器17进行波长耦合得到包含波长为λ ρ λ2、λ3、λ 4的光束I;同时第四半导 体激光阵列4发出的光经过第二直角棱镜6反射偏折后与第三半导体激光阵列3发出的光 通过第二波长耦合器9进行波长耦合得到包含波长为入工和入2的光束，此光束再与第八 半导体激光阵列15发出的光通过第六波长耦合器19进行波长耦合得到包含波长为λ ρ λ 2、λ 3的光束，此光束再与第七半导体激光阵列14发出的光通过第五波长耦合器18进 行波长耦合得到包含波长为λ ρ λ2、λ3、λ 4的光束II。光束I经过一个二分之一波片 11偏振方向旋转90°之后，到达第三直角棱镜7。光束I经过第三直角棱镜7之后传播 方向偏折90°，与光束II 一同进入偏振耦合器10合束，输出一束包含波长为λ” λ2、 入3、入4的光束。图5中二分之一波片11垂直于光束传播方向安放在第四波长耦合器17 与第三直角棱镜7之间。二分之一波片11还可以垂直于光路方向安放在第三直角棱镜7 与偏振耦合器10之间，或者垂直于光束传播方向安放在第五波长耦合器18与偏振耦合器 10之间，效果等效。
权利要求
1.一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于设置了第一半导体激光 阵列(1)、第二半导体激光阵列(2)、第三半导体激光阵列(3)、第四半导体激光阵列 (4)、第一直角棱镜(5)、第二直角棱镜(6)、第三直角棱镜(7)、第一波长耦合器(8)、 第二波长耦合器(9)、偏振耦合器(10)、光束整形装置(A)和二分之一波片(11)；所述 的四个半导体激光阵列均输出P偏振光或S偏振光，其中第一半导体激光阵列(1)和第四 半导体激光阵列(4)的波长为第二半导体激光阵列(2)和第三半导体激光阵列(3) 的波长为入2;第一半导体激光阵列(1)发出的光经过第一直角棱镜(5)反射偏折后与第二半导体激 光阵列(2)发出的光通过第一波长耦合器(8)进行波长耦合得到包含波长为入工和入2的 光束⑴；同时第四半导体激光阵列(4)发出的光经过第二直角棱镜(6)反射偏折后与第 三半导体激光阵列(3)发出的光通过第二波长耦合器(9)进行波长耦合得到包含波长为 入和λ2的光束(II)；光束⑴经过第三直角棱镜(7)传播方向偏折90°，光束II垂直 经过一个二分之一波片(11)偏振方向旋转90°，光束⑴和光束(II) 一同进入偏振耦合 器(10)合束，输出一束包含波长为λ ρ λ 2的光束；设置的光束整形装置(A)可以在波长耦合之前，也可以在波长耦合之后。
2.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 一种大功率半导体激光光束耦合输出装置设置了表面镀膜的第一直角棱镜(5)、第二直 角棱镜(6)、第三直角棱镜(7)；其中第一直角棱镜(5)、第二直角棱镜(6)的直角面所 镀的膜对波长为λ工的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ工的激光具有高反射 率，第三直角棱镜(7)的直角面所镀的膜对波长为λ ρ λ 2的激光具有高透射率，斜面所 镀的膜对波长为λ ρ λ 2的激光具有高反射率。
3.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 所设置的第一波长耦合器(8)、第二波长耦合器(9)是一种分光元件；第一波长耦合器 (8)与第二波长耦合器(9)对波长为X1的激光具有高透射率、对波长为λ 2的激光具有 高反射率。
4.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 所设置的偏振耦合器(10)是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜 或者天然双折射晶体。
5.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 一种大功率半导体激光光束耦合输出装置所设置的二分之一波片(11)也可以沿垂直光束 传播方向位于第三直角棱镜(7)的前面或者第三直角棱镜(7)的后面。
6.—种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于设置了输出S偏振光的 第一半导体激光阵列(1)和第二半导体激光阵列(2)，输出P偏振光的第三半导体激光阵 列(3)和第四半导体激光阵列(4)，第一直角棱镜(5)、第二直角棱镜(6)、第三直角棱镜 (7)、第一波长耦合器(8)、第二波长耦合器(9)、偏振耦合器(10)、光束整形装置(A)； 其中第一半导体激光阵列(1)和第四半导体激光阵列(4)的波长为第二半导体激光 阵列(2)和第三半导体激光阵列(3)的波长为λ2 ；第一半导体激光阵列(1)发出的光经过第一直角棱镜(5)反射偏折后与第二半导体激 光阵列(2)发出的光通过第一波长耦合器(8)进行波长耦合得到包含波长为λ工和λ 2的光束⑴；同时第四半导体激光阵列(4)发出的光经过第二直角棱镜(6)反射偏折后与第三 半导体激光阵列(3)发出的光通过第二波长耦合器(9)进行波长耦合得到包含波长为A1 和λ2的光束(II)；光束⑴经过第三直角棱镜(7)传播方向偏折90°，光束⑴和光束 (II) 一同进入偏振耦合器(10)合束，输出一束包含波长为λ” λ2的光束；设置的光束整形装置(A)可以在波长耦合之前，也可以在波长耦合之后；设置的第一半导体激光阵列(1)和第二半导体激光阵列(2)也可以输出P偏振光，同时设置的第三半导体激光阵列(3)和第四半导体激光阵列(4)输出S偏振光。
7.根据权利要求6所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 一种大功率半导体激光光束耦合输出装置设置了表面镀膜的第一直角棱镜(5)、第二直 角棱镜(6)、第三直角棱镜(7)；其中第一直角棱镜(5)、第二直角棱镜(6)的直角面所 镀的膜对波长为λ工的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ工的激光具有高反射 率，第三直角棱镜(7)的直角面所镀的膜对波长为λ ρ λ 2的激光具有高透射率，斜面所 镀的膜对波长为λ ρ λ 2的激光具有高反射率。
8.根据权利要求6所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 所设置的第一波长耦合器(8)、第二波长耦合器(9)是一种分光元件；第一波长耦合器 (8)与第二波长耦合器(9)对波长为X1的激光具有高透射率、对波长为λ 2的激光具有 高反射率。
9.根据权利要求6所述的一种大功率半导体激光光束耦合输出装置，其特征在于 所设置的偏振耦合器(10)是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜 或者天然双折射晶体。
10.根据权利要求1或权利要求6所述的一种大功率半导体激光光束复合输出装置， 其特征在于所述的半导体激光阵列的个数可以根据实际需要选择，进入偏振耦合器之 前的两束光含有η个波长的光束λ” λ2，λ3...λη，即在偏振耦合器左右两侧各有η个 半导体激光阵列，η = 2，3……。
全文摘要
本发明涉及一种大功率半导体激光系统中的多光束耦合输出装置，属于激光技术领域。本装置将第一半导体激光阵列、第二半导体激光阵列发出的两束两种波长的光首先利用波长耦合器进行波长耦合，得到一束含有两种波长的光束；将第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列发出的两束两种波长的光首先利用波长耦合器进行波长耦合，得到一束含有两种波长的光束；此两束光再利用一个偏振耦合器进行合束，最后将得到一合束光输出。半导体激光阵列数量可根据实际需求增加。本装置的结构更加合理、体积更小、可控性好、容易进行机械加工、成本更低。
文档编号G02B27/09GK102012567SQ20101059786
公开日2011年4月13日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者刘友强, 曹银花, 王智勇, 高静 申请人:北京工业大学