一种高功率半导体激光合束方法
【专利摘要】本发明提供一种高功率半导体激光合束方法，通过该方法可以得到均匀性好，能量密度大，光束直径缩小一半的激光合束光源。该高功率半导体激光合束方法，包括：将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直；将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
【专利说明】一种高功率半导体激光合束方法【技术领域】
[0001]本发明专利属于激光应用领域，具体涉及一种高功率半导体激光合束方法。
【背景技术】
[0002]半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，但是当前半导体激光器的推广应用受到其光束质量的制约，所以提高半导体激光器的光束质量、亮度和功率为当下重要的研究方向。激光合束技术近年来发展迅速，它是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程。激光合束技术在激光加工和高功率光纤耦合产品中已得到广泛应用。
[0003]目前常用的激光合束方法有偏振合束，波长合束和空间合束。常见的偏振合束装置由1/2玻片和偏振分光棱镜(PBS)组成，一部分激光通过1/2玻片将偏振态由TE变为TM(或TM变为TE)，再与另一部分激光进行合束。由于半导体激光器的激光光源偏振度约为90%,比如半导体激光器发出的偏振态为TE的偏振光一般包含90%的TE偏振光和10%的TM偏振光，因此若米用偏振合束,光能损失较大，仅适用于快轴方向的合束，且输出光为混合偏振光，不能再次与其他光源进行偏振合束；当使用半导体激光叠阵作为光源时，输出光斑仍保留bar与bar之间的发光死区，均匀度较差。波长合束是不同波长的激光进行合束，但是在要求激光具有单一波长的场合无法应用，使其在应用领域具有局限性。
【发明内容】
[0004]为了克服现有技术的不足，本发明提供一种高功率半导体激光合束方法，通过该方法可以得到均匀性好，能量密度大，光束直径缩小一半的激光合束光源。方案如下:
[0005]该高功率半导体激光合束方法，包括:
[0006]将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直；
[0007]将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
[0008]基于上述基本方案，本发明还做如下优化限定和具体实现结构的举例:
[0009]上述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。
[0010]上述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，其中，快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直透镜为单阵列柱面透镜。
[0011]第一种实现结构:
[0012] 合束装置包括一个反射间隔膜层镜和一个全反射镜，所述反射间隔膜层镜是在平板透镜的下表面间隔镀反射膜，反射膜的数量为半导体激光单元的一半，反射膜的间距与其自身宽度相等；反射间隔膜层镜和全反射镜与半导体激光器叠阵出光方向均呈45°放置，并且分别对应于半导体激光器叠阵的堆叠高度的上半部分和下半部分，各个半导体激光单元发出的光经过准直透镜组分别准直后仍保持等间距，上半部分的光经反射间隔膜层镜两次折射后平行透射，下半部分依次经全反射镜、反射间隔膜层镜反射膜进行两次反射后与上半部分的透射光插空合束。
[0013]该合束装置的位置最好满足以下坐标关系:
[0014]以半导体激光器叠阵上半部分的最下端的半导体激光单元出光光轴为X轴，X轴与反射间隔膜层镜的交汇点为坐标原点0，Y轴方向为半导体激光器叠阵堆叠高度方向，由此确定出二维坐标系；则半导体激光器叠阵下半部分最下端的半导体激光单元出光光轴与全反射镜的镜面交汇点坐标为
[0015]
【权利要求】
1.一种高功率半导体激光合束方法，包括: 将半导体激光器叠阵的各个半导体激光单元发出的激光光束分别进行快慢轴准直； 将准直后的激光光束通过合束装置，使得一部分激光光束沿入射光轴水平出射或者发生双折射后水平出射并具有竖直方向上的位移，另一部分激光光束发生两次全反射后与所述水平出射的激光光束平行并形成插空合束出射。
2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:所述半导体激光单元为焊接在热沉上的半导体激光器芯片，所述的半导体激光器芯片为一个单管芯片、微型巴条或者巴条，或者为多个单管芯片、微型巴条或者巴条。
3.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:所述准直透镜组包括快轴准直透镜和慢轴准直透镜，其中，快轴准直透镜可为准直D型非球面透镜；慢轴准直透镜为单阵列柱面透镜。
4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于: 所述合束装置包括一个反射间隔膜层镜和一个全反射镜，所述反射间隔膜层镜是在平板透镜的下表面间隔镀反射膜，反射膜的数量为半导体激光单元的一半，反射膜的间距与其自身宽度相等；反射间隔膜层镜和全反射镜与半导体激光器叠阵出光方向均呈45°放置，并且分别对应于半导体激光器叠阵的堆叠高度的上半部分和下半部分，各个半导体激光单元发出的光经过准直透镜组分别准直后仍保持等间距，上半部分的光经反射间隔膜层镜两次折射后平行透射，下半部分依次经全反射镜、反射间隔膜层镜反射膜进行两次反射后与上半部分的透射光插空合束。
5.根据权利要求4所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于，所述合束装置的位置满足以下坐标关系: 以半导体激光器叠阵上半部分的最下端的半导体激光单元出光光轴为X轴，X轴与反射间隔膜层镜的交汇点为坐标原点O，Y轴方向为半导体激光器叠阵堆叠高度方向，由此确定出二维坐标系；则半导体激光器叠阵下半部分最下端的半导体激光单元出光光轴与全反射镜的镜面交汇点坐标为
6.根据权利要求5所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于，反射膜的间隙镀增透膜，镀膜宽度满足以下关系: √ 2d≤a≤ √2w
且 a = b, w>d 其中，d为半导体激光单元准直后的光束直径，a增透膜区宽度，b为反射膜区宽度。
7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:所述合束装置采用棱镜组合实现，所述棱镜组合为N个等高等厚的平行六面棱镜相互平行等间距放置，并且放置位置依次在竖直方向上有固定的向上位移。
8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:所述合束装置包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次平行等间距排布的N个平行六面棱镜，并在半导体激光器堆叠高度方向上依次向上相同位移；平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵；其中上部侧面与所述出光方向成45°夹角，下部侧面与上部侧面的夹角为135° ； 合束装置中平行六面棱镜的个数N与半导体激光单元个数m满足关系: m为偶数，则N = m/2 ;或者m为奇数,则N = m/2-l ； N个平行六面棱镜厚度、高度均相等且满足以下关系: 厚度满足关系:d < a < w+d 高度满足关系:h = (m-1) (w+d) 位置关系需满足以下坐标关系:以第一片平行六面棱镜的上部侧面的最下端为原点O,则第N片平行六面棱镜的上部侧面的最下端M点的坐标值满足y = (N-1) (w+d)x^a 其中，m为半导体激光器叠阵中半导体激光单元个数，N为平行六面棱镜个数，w为相邻半导体激光单元发出的光束间距，d为半导体激光器单元发出的激光光束直径，a为每个平行六面棱镜的厚度，h为每个平行六面棱镜的高度。
9.根据权利要求1所 述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:所述合束装置为一个平行六面棱镜和若干三棱镜的组合，平行六面棱镜有两个相邻的侧面面向半导体激光器叠阵，其下半部分的侧面与激光光束的光轴垂直，上半部分的侧面与激光光束的光轴成45°夹角，三棱镜个数为半导体激光器叠阵中激光单元个数的一半，出光面均紧密贴合于所述平行六面棱镜上部的侧面上，入光面均与激光光束的光轴垂直，单个棱镜在高度方向上分别对应于半导体激光器叠阵的上半部分的单个半导体激光单元发出的激光光束直径。
10.根据权利要求9所述的高功率半导体激光合束方法，其特征在于:半导体激光器叠阵由偶数个半导体激光器单元组成，则平行六面棱镜的厚度t和宽度L满足:
【文档编号】G02B27/28GK103944066SQ201410195567
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年5月9日 优先权日:2014年5月9日
【发明者】蔡磊, 刘兴胜, 杨凯, 王警卫, 李小宁 申请人:西安炬光科技有限公司