一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整装置，能够获得高功率的均匀光斑，成本较低。本实用新型的原理是：首先对半导体激光器叠阵发出的光先进行准直后成倍扩束，将能量高斯分布的激光光束转换为能量密度分布均匀的平顶光束，然后通过聚焦系统对扩束后的激光进行聚焦，提高光斑均匀度，可以实现光斑的均匀性。
【专利说明】一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置
【技术领域】
[0001] 本实用新型属于激光应用领域，具体涉及一种激光扩束装置。
【背景技术】
[0002] 激光具有单色性好，方向性好，相干性好，亮度高的优点，已经广泛应用于国民经 济的各个领域。激光器发出的光束直径很小，通常为1_2_，在一些特定的应用领域中，例如 在激光加工，激光检测和激光照明等，需要使用较大直径的均匀性的激光光束，这就需要对 激光进行光学整形来实现。
[0003]目前常用的光学整形方法可以使用如下方法：
[0004] 1、反射式光学整形方法：通常可使用光波导进行光学整形，但用此种方法存在较 为严重的焦深问题，导致工作距离短，工作距离不可改变；
[0005] 2、透射式光学整形方法：将激光光源进行准直后直接进行聚焦，此种方法最终输 出的激光为亮暗相间隔的平顶光斑，能量不均匀；另外还可使用负透镜和正透镜相结合的 方式进行光学整形，此种光学整形方法因使用较多透镜，成本高；此外还可以对光源先进行 切割重排后再进行聚焦，但在切割重排的过程使用的光学器件较为复杂，成本高，同时发光 面与最终需得到的光斑尺寸的压缩比较小，导致输出光斑不均匀。 实用新型内容
[0006] 为了克服现有技术的不足，本实用新型提供了一种基于扩束的高功率半导体激光 器光学整装置，能够获得高功率的均匀光斑，成本较低。
[0007] 本实用新型的原理是：首先对半导体激光器叠阵发出的光先进行准直后成倍扩 束，将能量高斯分布的激光光束转换为能量密度分布均匀的平顶光束，然后通过聚焦系统 对扩束后的激光进行聚焦，提高光斑均匀度，可以实现光斑的均匀性。
[0008] 实现方案如下：
[0009] 高功率半导体激光光学整形方法，包括：
[0010] 对半导体激光器叠阵发出的光进行准直；
[0011] 对准直后的激光进行成倍扩束；
[0012] 将成倍扩束后的激光会聚得到所需尺寸的光斑；
[0013] 其中，扩束环节采用分光器和反射器的组合，分光器的透射光与反射器的反射光 平行出射实现扩束。
[0014] 上述扩束环节可以设置多级分光器和反射器的组合，进行多级扩束。
[0015] 基于上述高功率半导体激光光学整形方法，本实用新型设计了以下几种高功率半 导体激光器光学整形装置：
[0016] 第一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，包括沿光路依次设置的半 导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述的半导体激光器叠阵由若干个 半导体激光单元组成；所述分光系统包括沿激光出光方向依次设置的η组分光模块，每组 分光模块包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向设置相互平 行且与激光出光方向均成30-60°夹角；激光光束经过分光器后，一半能量的光直接透射， 另一半能量的光反射至反射器后再次反射，与分光器直接透射的光平行出射；
[0017] 第一组分光模块的分光器与半导体激光器叠阵的堆叠高度相当；各组分光模块尺 寸依次成倍增大，第m组分光模块出光光束入射至第m+1组分光模块的分光器上，1 < m〈n， m为分光模块的排列序号，排列序号按照激光依次通过的顺序进行排号；所述的聚焦系统 用于对扩束的激光进行聚焦整形得到所需尺寸的光斑。
[0018] 上述聚焦系统采用聚焦透镜组。
[0019] 分光模块可以有以下两类实现方式。
[0020] 第一类：
[0021] 分光模块中，反射器可以采用全反射平面镜或者全反射棱镜。全反射平面镜的材 料可以采用玻璃或金属，表面镀高反膜，高反膜的材料为金属银或者铝；或者高反膜采用多 层介质反射膜。
[0022] 分光模块中，反射器也可以采用偏振器件；半导体激光器叠阵的偏振特性为TE 光，则偏振器件对TE光全反射；或者半导体激光器叠阵的偏振特性为TM光，则偏振器件对 TM光全反射。偏振器件具体可以是偏振片、偏振镜或者偏振合束器。
[0023] 分光模块中，分光器可以米用分光镜，分光镜的基体材料为玻璃，分光镜表面镀半 透半反膜，半透半反膜的材料为硫化锌-氟化镁膜系。
[0024] 第二类：
[0025] 分光模块也可以采用棱镜组合整体实现分光器和反射器的功能，棱镜组合中各个 棱镜之间紧密贴合，使得整体上具有一个侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方 向垂直作为分光模块的入光面，具有另一个侧面与所述入光面平行作为分光模块的出光面 (按照上述基本方案，第一组分光模块的入光面和出光面均与半导体激光器叠阵的堆叠高 度相当，各组分光模块的入光面和出光面尺寸依次成倍增大）；棱镜组合内部存在一个贴 合面镀有半透半反膜作为分光器的分光面，与分光面平行且所述入光面相邻的一个侧面作 为反射器的反射面。
[0026] 这一类的分光模块优选平行六面棱镜和三棱镜的组合，平行六面棱镜具有唯一侧 面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模块的入光面，与该侧面夹 角为锐角的相邻侧面上紧密贴合所述三棱镜，贴合面上镀有半透半反膜作为分光器的分光 面，与该侧面夹角为钝角的相邻侧面作为反射器的反光面；三棱镜还具有一个与所述激光 出光方向垂直的外侧面，作为分光模块的出光面。
[0027] 上述分光器的分光面和反射器的反射面最好均与激光出光方向成45°角设置。对 于上述平行六面棱镜和三棱镜的组合，相当于是采用内夹角为45°和135°的平行六面棱 镜来保证了分光面和反射面均与激光出光方向成45°角。
[0028] 第二种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，包括沿光路依次设置的半 导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述分光系统包括沿半导体激光器 叠阵堆叠高度方向依次设置的η个分光镜以及最后设置的一个全反射镜，其中第1个分光 镜与半导体激光器叠阵堆叠高度相当，η个分光镜以及全反射镜平行等间隔排列，与半导体 激光器叠阵出光方向成30-60°设置；第1个分光镜的透射光与其余η-1个分光镜以及全 反射镜的反射光共同形成激光扩束；所述的聚焦系统用于对扩束的激光进行聚焦整形得到 所需尺寸的光斑；
[0029] η个分光镜的光透过率不同，第1个分光镜的透射光能量与其余n-1个分光镜以及 全反射镜的反射光能量相等：
[0030] 第1个分光镜的透过率为V(n+1)，反射率为iV(n+l);
[0031] 第m个分光镜的透过率为（n-m+1) An-m+2)，反射率为lAn-m+2);
[0032] 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，l〈m<n，排列序号按照激光依次 通过的顺序进行排号。
[0033] 第三种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，包括沿光路依次设置的半 导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述半导体激光器叠阵由若干个半 导体激光单元堆叠组成，所述分光系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次设置的η个 分光镜以及最后设置的一个全反射镜，其中第1个分光镜与半导体激光器叠阵堆叠高度相 当，η个分光镜以及全反射镜平行等间隔排列，与半导体激光器叠阵出光方向成30-60°设 置；η个分光镜以及全反射镜的反射光共同形成激光扩束；所述的聚焦系统用于对扩束的 激光进行聚焦整形得到所需尺寸的光斑；
[0034] η个分光镜的光透过率不同，使得η个分光镜以及全反射镜的反射光能量相等：
[0035] 第m个分光镜的反射率为lAn-m+2)，透过率为（n-m+1) An-m+2);
[0036] 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，1 < m < n，排列序号按照激光依 次通过的顺序进行排号。
[0037] 上述准直透镜组可以采用快轴准直镜和慢轴准直镜的组合或两者之一，其中，快 轴准直透镜为准直D型非球面透镜，慢轴准直镜为单阵列柱面透镜。
[0038] 本实用新型具有以下优点：
[0039] (1)增加发光面尺寸，提高发光面与最终光斑尺寸之间压缩比，最终可以提高均匀 度，可应用于激光焊接和激光照明等对激光均匀度有较高要求的地方。
[0040] (2)实现成本低，元器件较小。
[0041] ⑶结构紧凑，适于实用。
[0042] (4)本实用新型的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形方法及其装置，最终 输出的激光分布为平顶分布，并且能量分布均匀。
【专利附图】
【附图说明】
[0043] 图1为本实用新型的原理图；
[0044] 图2为本实用新型实施例一示意图；
[0045] 图3为本实用新型实施例二示意图；
[0046] 图4为本实用新型实施例三示意图；
[0047] 图5为本实用新型实施例四示意图。
[0048] 附图标号说明：1为半导体激光器；2为准直透镜组；3为分光系统；4聚焦系统；5 为分光器；6为反射器；7为快轴准直透镜；8,9为聚焦透镜；10为输出光斑；11为慢轴准直 镜；12为分光面；13为出光面；14为反射面；15为分光模块；16为入光面。
【具体实施方式】：
[0049] 如图1基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置包括半导体激光器叠阵1， 准直透镜组2、分光系统3及聚焦系统4组成。
[0050] 所述的半导体激光器叠阵1由若干个半导体激光单元组成；所述的准直透镜组2 放置于半导体激光器激光出射处；所述分光系统3放置于准直后的激光光束出射方向用于 对准直后的激光进行扩束；所述的聚焦系统4用于对扩束的激光进行聚焦整形。
[0051] 分光系统3包括η组分光模块，如图1所不，本实施例中为一组分光模块，分光模 块包括一个分光器5和一个反射器6,激光器所发出的激光入射至分光器5上；，分光器的 分光面和反射器的反射面沿高度方向设置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角， 优选30°、45°、55°、60°夹角设置，分光器5将一半的光进行透射，一半的光进行反射90 度后入至反射器6上，通过反射器6再次反射90度后与分光器5透射的光合束后入射至聚 焦系统4后输出光斑10。
[0052] 所述的分光器5的透射率为50%，反射率为50% ;所述的反射器6的反射率为 1〇〇%，反射器6可以是全反射镜，全反射棱镜，也可以是偏振器件，可以是偏振片、偏振镜 或者偏振合束器。
[0053] 如图2基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置包括半导体激光器叠阵1， 准直透镜组2、分光系统3及聚焦系统4组成。所述的半导体激光器叠阵1由若干个半导体 激光单元组成；所述的准直透镜组2放置于半导体激光器叠阵1激光出射处；所述分光系 统3放置于准直后的激光光束出射方向，包括η组分光模块15,每组分光模块15包括一个 分光器5和一个反射器6，第m((l < m〈n)组分光模块出光光束入射至第m+1组分光模块 3的分光器上。
[0054] 如图2所示，分光器6的透射率为50%，反射率为50%;所述的反射器7的反射率 为100%，反射器7可以是全反射棱镜，也可以是偏振器件，具体可以是偏振片、偏振镜或者 偏振合束器。
[0055] 所述分光器6采用分光镜，基体材料为玻璃，分光镜表面镀半透半反膜，半透半反 膜的材料为硫化锌-氟化镁膜系；所述反射器为全反射平面镜，基体材料为玻璃或金属，表 面镀高反膜；高反膜的材料为金属银或者铝，或者高反膜采用多层介质反射膜。
[0056] 如图3所示，分光模块采用平行六面棱镜和三棱镜的组合整体实现分光器6和反 射器7的功能，平行六面棱镜具有唯一侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向 垂直作为分光模块的入光面16,与该侧面夹角为锐角的相邻侧面上紧密贴合所述三棱镜， 贴合面上镀有半透半反膜作为分光器的分光面12,与该侧面夹角为钝角的相邻侧面作为反 射器的反射面14 ;三棱镜还具有一个与所述激光出光方向垂直的外侧面，作为分光模块的 出光面13。
[0057] 分光模块只要实现激光光束通过半透半反面即分光面12后一半的光透射至透射 面即出光面13进行透射，另一半的光射至反射面14进行全反射，然后合束出射，实现扩束。
[0058] 分光模块米用的分光器5和反射器6为平行六面棱镜（内夹角45°和135° )和 三棱镜的组合使用实现激光扩束，即平行六面棱镜半透半反面即分光面12与三棱镜半透 半反面即分光面12紧密贴合；平行六面棱镜半透半反面即分光面12镀有半透半反膜，三棱 镜的半透半反面即分光面12镀有半透半反膜；平行六面棱镜的反射面14镀有反射膜，三棱 镜的透射面即出光面13镀有透射膜。
[0059] 平行六面棱镜和三棱镜不能为一体件，如为一体件则半透半反面将不能实现半透 半反的作用。
[0060] 如图3所示，除使用三棱镜外，还可以使用其他不规则器件，只要器半透半反面即 分光面12可实现一半的光透射，一半的光反射且其透射面即出光面13可以直接垂直透射 光即可。
[0061] 图4为本实用新型实施例三示意图，基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装 置，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵1、准直透镜组2和分光系统3及聚焦系统4， 半导体激光器叠阵1所发的激光经过准直后，通过分光系统3进行扩束后入射至聚焦系统 4后输出光斑10。
[0062] 所述分光系统3包括沿半导体激光器叠阵1堆叠高度方向依次设置的η个分光器 5以及最后设置的一个反射器6,其中第1个分光器5与半导体激光器叠阵堆叠高度相当， η个分光器以及反射器6平行等间隔排列，与半导体激光器叠阵出光方向成一定角度，通常 为30-60度之间，优选45度、60度等；第1个分光器5的透射光与其余η-1个分光器5以 及反射器6的反射光共同形成激光扩束；
[0063] η个分光器5的光透过率不同，第1个分光器5的透射光能量与其余η-1个分光器 5以及反射器6的反射光能量相等：
[0064] 第1个分光镜的透过率为?Λη+l)，反射率为iV(n+l);
[0065] 第m个分光镜的透过率为（n-m+1) An-m+2)，反射率为lAn-m+2);
[0066] 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，l〈m彡η。
[0067] 图4所示的半导体激光扩束装置为某试制激光加工系统，用于激光焊接电路板， 要求激光器叠阵功率400W (4个巴条），并且在激光出射120mm处得到均匀光斑，相当于对激 光器叠阵高度以及透镜焦距做出了限制。如果直接使用凸透镜进行聚焦，最终得到4条间 隔分布的强光斑，无法达到要求。结合本实用新型，具体的实施方案为：如图4所示在半导 体激光器叠阵1后增加本实用新型提及的扩束装置，再使用凸透镜进行聚焦，相当于增加 了激光器叠阵输出的发光面尺寸，提高光束的压缩比，最终得到了均匀光斑。这种方法不必 增加激光巴条，节省了成本，并且有效的改善了光斑质量。
[0068] 图5为本实用新型实施例四示意图，本实用新型另外一种高功率半导体激光器的 扩束装置，包括沿光路依次设置的半导体激光器叠阵1、准直透镜组2和分光系统3及聚焦 系统4,半导体激光器叠阵1所发的激光经过准直后，通过分光系统3进行扩束后入射至聚 焦系统4后输出光斑10。
[0069] 分光系统3包括沿半导体激光器叠阵1出光方向依次设置的η个分光器5以及最 后设置的一个反射器6,其中第1个分光器5与半导体激光器叠阵1堆叠高度相当，η个分 光器5以及反射器6平行等间隔排列，与半导体激光器叠阵出光方向成一定角度，通常为 30-60度之间，优选45度、60度等；η个分光器5以及反射器的反射光共同形成激光扩束；
[0070] η个分光器的光透过率不同，使得η个分光镜以及全反射镜的反射光能量相等：
[0071] 第m个分光镜的反射率为lAn-m+2)，透过率为（n-m+1) An-m+2);
[0072] 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，1彡m彡η。
[0073] 本实用新型中半导体激光器叠阵所发出的激光通过分光系统扩束后，在快轴方向 上将能量分布为高斯分布的激光光束转换为能量密度分布均匀的平顶光束，通过聚焦系统 对扩束后的激光进行聚焦，提高光斑均匀度，可以实现光斑的均匀性，实现均匀面状光斑输 出。而采用传统的方法，由于半导体激光器叠阵中巴条之间存在间距，总是会形成条状光 斑。
【权利要求】
1. 一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在于：包括沿光路依次 设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述的半导体激光器叠阵 由若干个半导体激光单元组成；所述分光系统包括沿激光出光方向依次设置的η组分光模 块，每组分光模块包括分光器和反射器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向设 置相互平行且与激光出光方向均成30-60°夹角；激光光束经过分光器后，一半能量的光 直接透射，另一半能量的光反射至反射器后再次反射，与分光器直接透射的光平行出射； 第一组分光模块的分光器与半导体激光器叠阵的堆叠高度相当；各组分光模块尺寸依 次成倍增大，第m组分光模块出光光束入射至第m+Ι组分光模块的分光器上，1 < m〈n，m为 分光模块的排列序号，排列序号按照激光依次通过的顺序进行排号；所述的聚焦系统用于 对扩束的激光进行聚焦整形得到所需尺寸的光斑。
2. 根据权利要求1所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在 于：所述聚焦系统采用聚焦透镜组。
3. 根据权利要求1所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在 于：所述反射器为全反射平面镜或者全反射棱镜。
4. 根据权利要求1所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在 于：所述反射器为偏振器件；半导体激光器叠阵的偏振特性为TE光，则偏振器件对TE光全 反射；或者半导体激光器叠阵的偏振特性为TM光，则偏振器件对TM光全反射。
5. 根据权利要求3或4所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征 在于：分光器米用分光镜，分光镜表面镀半透半反膜。
6. 根据权利要求1所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在 于：所述分光模块采用平行六面棱镜和三棱镜的组合整体实现分光器和反射器的功能，平 行六面棱镜具有唯一侧面面向半导体激光器叠阵且与所述激光出光方向垂直作为分光模 块的入光面，与该侧面夹角为锐角的相邻侧面上紧密贴合所述三棱镜，贴合面上镀有半透 半反膜作为分光器的分光面，与该侧面夹角为钝角的相邻侧面作为反射器的反光面；三棱 镜还具有一个与所述激光出光方向垂直的外侧面，作为分光模块的出光面。
7. 根据权利要求1所述的基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在 于：分光器的分光面和反射器的反射面均与激光出光方向成45°角设置。
8. -种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在于：包括沿光路依次 设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述分光系统包括沿半导 体激光器叠阵堆叠高度方向依次设置的η个分光镜以及最后设置的一个全反射镜，其中第 1个分光镜与半导体激光器叠阵堆叠高度相当，η个分光镜以及全反射镜平行等间隔排列， 与半导体激光器叠阵出光方向成30-60°设置；第1个分光镜的透射光与其余η-1个分光 镜以及全反射镜的反射光共同形成激光扩束；所述的聚焦系统用于对扩束的激光进行聚焦 整形得到所需尺寸的光斑； η个分光镜的光透过率不同，第1个分光镜的透射光能量与其余η-1个分光镜以及全反 射镜的反射光能量相等： 第1个分光镜的透过率为?Λη+l)，反射率为rV(n+l); 第m个分光镜的透过率为（n-m+1) An-m+2)，反射率为lAn-m+2); 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，l〈m < n，排列序号按照激光依次通过 的顺序进行排号。
9. 一种基于扩束的高功率半导体激光器光学整形装置，其特征在于：包括沿光路依次 设置的半导体激光器叠阵、准直透镜组、分光系统以及聚焦系统，所述半导体激光器叠阵由 若干个半导体激光单元堆叠组成，所述分光系统包括沿半导体激光器叠阵出光方向依次设 置的η个分光镜以及最后设置的一个全反射镜，其中第1个分光镜与半导体激光器叠阵堆 叠高度相当，η个分光镜以及全反射镜平行等间隔排列，与半导体激光器叠阵出光方向成 30-60°设置；η个分光镜以及全反射镜的反射光共同形成激光扩束；所述的聚焦系统用于 对扩束的激光进行聚焦整形得到所需尺寸的光斑； η个分光镜的光透过率不同，使得η个分光镜以及全反射镜的反射光能量相等： 第m个分光镜的反射率为lAn-m+2)，透过率为（n-m+1) An-m+2); 其中，η为分光镜总个数，m为分光镜的排列序号，1 < m < n，排列序号按照激光依次通 过的顺序进行排号。
【文档编号】G02B27/09GK203870330SQ201420237884
【公开日】2014年10月8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 申请人:西安炬光科技有限公司