一种可扩展大功率半导体激光匀化装置

本发明涉及激光，尤其是涉及一种可扩展大功率半导体激光匀化装置。

背景技术：

1、随着我国在航空探测、航天飞行等领域的快速发展，高能激光作为一种可以提供热源的设备，可以达到传统加热试验手段无法到达的温度，高能激光设备在金属材料的切割焊接领域已经得到了广泛的应用。

2、但是，必须保证激光光源出射光斑与器件形状大小一致，将这种条件称为光源的可扩展性。能量分布均匀的可扩展性高能热源成为研究的新热点。

3、为满足不同场景下的加热需求，须对激光光束进行不同要求的匀化、整形圆形或矩形和准直可变发散角处理。

4、目前实现激光匀化整形的技术方案主要有二元衍射镜片、非球面透镜组、激光匀化片、光纤波导和微透镜阵列等。

5、二元衍射镜片是通过掩膜加工技术在透镜表面进行刻蚀，得到一种台阶结构，这种透镜是纯相位的光学器件，具有很高的衍射效率，但是其设计方法复杂，其台阶数越多要求刻蚀的精度越高，加工难度越大，因此设计周期和成本都难以控制。

6、非球面透镜组是利用多片非球面透镜来实现对横轴和纵轴的光束进行整形、匀化、准直处理，该方法的优点是结构简单、能量损失小，但一组非球面透镜只能针对特定能量分布的激光光束进行匀化，不具普适性，且加工难度大，成本高。激光匀化片对多模激光只能实现匀化目标，整形效果不理想。

7、光纤波导法利用光线的全反射原理将耦合进光纤的光多次反射，在光纤出射面得到能量分布均匀的光斑，但由于只能在焦点处来能实现激光整形和匀化，对光斑大小有一定限制。

8、微透镜阵列匀化主要采用的是柱型非球面微透镜，其优势在于能量传输效率高，结构紧凑，容易集成。其缺点是：一是填充因子不高，存在过渡区，直接透过的光束将导致光束能量分布不均匀；二是面型难以控制，传统折射微透镜阵列一般为非球面，且特征尺寸为微米量级，这对加工工艺提出了很大的挑战。

9、单独使用上述某种方法均难以保证半导体激光堆栈光源与出射光斑形状大小一致。

10、因此，目前亟需一种新的具有可扩展性光源的匀化系统来解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的内容部分用于以简要的形式介绍构思，这些构思将在后面的具体实施方式部分被详细描述。本公开的内容部分并不旨在标识要求保护的技术方案的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求的保护的技术方案的范围。

2、本发明的一些实施例提供了一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，来解决以上背景技术部分提到的技术问题。

3、该装置包括一个或者多个半导体激光堆栈、平行平板、光束扩束模块以及光束准直模块，其中，每个所述半导体激光堆栈的输出光束依次经过平行平板、光束扩束模块以及准直模块；所述平行平板用于将所述半导体激光堆栈形成的光斑与结构中心重合；所述光束扩束模块用于对所述半导体激光堆栈的输出光束进行扩束操作；所述光束准直模块用于使所述半导体激光堆栈的输出光束完成聚焦；响应于所述半导体激光堆栈为两个以上，通过调节每个半导体激光堆栈的水平间距、竖直间距以及所述半导体激光堆栈绕慢轴旋转的角度，能够实现水平方向、竖直方向以及多种结构光源的可扩展性。

4、本发明的上述实施例具有如下有益效果：采用可扩展的半导体激光堆栈光源能够控制远场光斑形状大小。进一步地，采用平行平板对半导体激光堆栈光源出射的光线偏折光路，能够使光斑中心与结构中心重合。再进一步地，采用光束扩束模块对激光光束能够进行扩束处理。采用光束准直模块对激光光束做准直处理。通过调节半导体激光堆栈的数目、各半导体激光堆栈光源的水平间距、竖直间距以及半导体激光堆栈光源绕慢轴旋转的角度来控制远场光斑的形状大小与能流密度，实现输出光束的可扩展性，使输出光束满足不同加热场景的要求。

技术特征：

1.一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，包括一个或者多个半导体激光堆栈、平行平板、光束扩束模块以及光束准直模块，其中，

2.根据权利要求1所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述光束扩束模块包括平凸透镜和平凹透镜，所述平行平板、所述平凸透镜以及所述平凹透镜同轴设置。

3.根据权利要求2所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述平行平板倾斜地设置到所述半导体激光堆栈的输出光路上。

4.根据权利要求2所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述光束扩束模块设置有一组或者多组。

5.根据权利要求2所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述平凸透镜的平面一侧朝向所述平凸透镜对应的所述半导体激光堆栈。

6.根据权利要求2所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述平凹透镜的凹面一侧朝向所述平凹透镜对应的所述半导体激光堆栈。

7.根据权利要求1所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述光束准直模块包括慢轴准直透镜，所述慢轴准直透镜与所述半导体激光堆栈同轴设置。

8.根据权利要求1所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述光束准直模块后方设置探测器，所述输出光束经过扩束匀化整形后的光束投射在所述探测器上形成光斑。

9.根据权利要求1所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述探测器是光斑分析仪。

10.根据权利要求1所述的一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，其特征在于，所述探测器是光束分析照相机。

技术总结
本发明提供了一种可扩展大功率半导体激光匀化装置，包括一个或者多个半导体激光堆栈、平行平板、光束扩束模块以及光束准直模块，其中，每个半导体激光堆栈的输出光束依次经过平行平板、光束扩束模块以及准直模块；平行平板用于将半导体激光堆栈形成的光斑与结构中心重合；光束扩束模块用于对半导体激光堆栈的输出光束进行扩束操作；光束准直模块用于使半导体激光堆栈的输出光束完成聚焦。该实施方式通过调节每个半导体激光堆栈的水平间距、竖直间距以及半导体激光堆栈绕慢轴旋转的角度，能够实现水平方向、竖直方向以及多种结构光源的可扩展性。

技术研发人员：刘友强,曹犇,秦文斌,姜梦华,曹银花
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/4/17