本实用新型属于激光技术领域，具体涉及一种用于激光熔覆的空间叠加高功率半导体激光叠阵系统，通过4组空间叠加耦合组成万瓦输出的高功率半导体激光叠阵系统，此万瓦高功率激光系统可广泛应用激光热处理和激光增财制造。
背景技术：
激光熔覆是激光增财制造中一个重要组成部分，是指以不同的填料方式在被涂覆基体表面上放置选择的涂层材料，经激光辐照使之和基体表面一薄层同时熔化，并快速凝固后形成稀释度极低并与基体材料成冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体材料表面的耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电器特性等的工艺方法。光熔覆技术是20世纪70年代随着大功率激光器的发展而兴起的一种新的表面改性技术，是指激光表面熔敷技术是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却形成稀释率极低，与基体材料呈冶金结合的表面涂层，从而显著改善基体表面耐磨、耐蚀、耐热、抗氧化及电气特性等的一种表面强化方法激光由于亮度高、功率密度高、热作用区域小，材料加工作用时间短、加工速度快、非接触加工，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件可对多种金属、非金属加工，特别是高硬度、高脆性及高熔点材料与数控系统配合组成激光加工中心，热影响区小，工件变形小、后续加工量小生产效率高、加工质量稳定可靠，解决了许多常规方法无法解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量。在激光熔覆工业中，半导体激光器由于体积小、质量轻、效率高、寿命长及性价比高而引起人们的广泛重视。近年来工业用的半导体激光器的功率和效率的大大提高，使之在材料处理领域的应用得到极大关注。
由于工业应用激光器输出功率不断提高，而要得到高的激光输出功率，垂直叠阵成为目前的首选结构。垂直叠阵封装的主要技术挑战是光束质量、光谱控制及偏振特性的控制问题，垂直叠阵半导体激光器各巴条之间产生的热相互干扰、水流不均匀导致巴条的冷却温度不均匀都将导致巴条的波长漂移和光谱展宽。光束控制包括输出光斑尺寸控制、光强密度均匀控制和光束传输方向控制，因此需要设计和安装光束整形及叠加耦合系统，以保证高功率输出、光束质量及指向控制。
目前，为了得到高的激光输出功率，通常将两个半导体激光叠阵通过偏振耦合镜叠加起来。在现有的半导体激光叠阵通过偏振镜耦合叠加的结构中，通常将两个半导体激光叠阵垂直放置，输出光均为水平偏振，要实现偏振镜耦合叠加，其中一路在光路中设有要放入1/2 波片用于将该路激光偏振方向旋转90度变为垂直偏振，且两个半导体激光叠阵的光路的交界面上安装有一个偏振镜用于将两路激光通过偏振镜耦合叠加。该偏振镜的使用主要存在以下三个问题：1)该偏振镜在光路中应按布儒斯特角59.4°放置，但该角度在实际制作过程中不易控制，角度的微偏会使得能量损耗过大；2)该偏振镜也可做成45度正入射，但这种角度下，其膜层设计比较复杂，工艺上很难实现，通常结果损耗比较大。3)输出的光不是线偏振光，无法通过加入反馈保护系统对激光器内部器件进行有效保护。同时，在半导体激光叠阵光路上设置的0级1/2波片通常胶合安装，高功率激光通过时易损坏。两个叠阵合成输出功率最大不过5KW。
技术实现要素：
针对上述现有技术中存在的缺陷或不足和达到万瓦功率输出以大大提高激光熔覆及激光热处理加工速度，本实用新型要解决的技术问题是提供一种用于激光熔覆的空间叠加高功率半导体激光叠阵系统。
为了实现上述目的，本实用新型采用如下的技术方案予以解决：用于激光熔覆的空间叠加高功率半导体激光叠阵系统，包括第一半导体激光叠阵组、第二半导体激光叠阵组；第一半导体激光叠阵组包括第一半导体叠阵(1)和第二半导体叠阵(2)；第二半导体叠阵组包括第三半导体叠阵(1′)和第四半导体叠阵(2′)；所述第一半导体叠阵(1)、第二半导体激光叠阵(2)、第三半导体叠阵(1′)和第四半导体叠阵(2′)均由多个半导体激光巴条沿快轴方向叠加而成，且该四个叠阵包含的半导体激光巴条数量相同；其特征在于，还包括第一快轴准直透镜组(3)、第二快轴准直透镜组(4)、第三快轴准直透镜组(3′)、第四快轴准直透镜组(4′)；第一慢轴准直透镜列阵组(5)、第二慢轴准直透镜列阵组(6)、第三慢轴准直透镜列阵组(5′)、第四慢轴准直透镜列阵组(6′)；第一周期性空间耦合镜 (7)、第二周期性空间耦合镜(7′)；第一慢轴扩束系统(8)、第二慢轴扩束系统(8′)、积分镜(9)；其中：
所述第一快轴准直透镜组(3)、第二快轴准直透镜组(4)、第三快轴准直透镜组(3′) 和第四快轴准直透镜组(4′)均由多个准直透镜组成；第一快轴准直透镜组(3)的数量与第一半导体叠阵(1)中半导体激光巴条的数量相同；第二快轴准直透镜组(4)中准直透镜的数量与第二半导体叠阵(2)中半导体激光巴条的数量相同；第三快轴准直透镜组(3′) 的数量与第三半导体叠阵(1′)中半导体激光巴条的数量相同；第四快轴准直透镜组(4′) 中准直透镜的数量与第四半导体叠阵(2′)中半导体激光巴条的数量相同；第一慢轴准直透镜列阵组(5)、第二慢轴准直透镜列阵组(6)、第三慢轴准直透镜列阵组(5′)和第四慢轴准直透镜列阵组(6′)均由多个准直透镜列阵组成；第一慢轴准直透镜列阵组(5)中准直透镜列阵的数量与第一半导体叠阵(1)中半导体激光巴条的数量相同；第二慢轴准直透镜列阵组(6)中准直透镜列阵的数量与第二半导体叠阵(2)中半导体激光巴条的数量相同；第三慢轴准直透镜列阵组(5′)中准直透镜列阵的数量与第三半导体叠阵(1′)中半导体激光巴条的数量相同；第四慢轴准直透镜列阵组(6′)中准直透镜列阵的数量与第四半导体叠阵(2′)中半导体激光巴条的数量相同；
所述第一快轴准直透镜组(3)中的每个准直透镜相对于第一半导体叠阵(1)中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该准直透镜的焦距；第二快轴准直透镜组(4)中的每个准直透镜与第二半导体叠阵(2)中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为快轴准直透镜的焦距；第三快轴准直透镜组(3′)中的每个准直透镜相对于第三半导体叠阵(1′)中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该准直透镜的焦距；第四快轴准直透镜组(4′)中的每个准直透镜与第四半导体叠阵(2′)中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为快轴准直透镜的焦距；第一慢轴准直透镜列阵组(5)的每个准直透镜列阵相对于第一半导体叠阵中(1) 对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第二慢轴准直透镜列阵组(6)的每一个准直透镜列阵相对于第二半导体叠阵(2)中相对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第三慢轴准直透镜列阵组 (5′)的每个准直透镜列阵相对于第三半导体叠阵(1′)中对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第四慢轴准直透镜列阵组(6′)的每一个准直透镜列阵相对于第四半导体叠阵(2′)中相对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；
所述第一半导体叠阵(1)发出的光束依次经第一快轴准直透镜组(3)、第一慢轴准直透镜列阵组(5)在快、慢轴方向上进行准直后成为第一平行光，第一平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第二半导体叠阵(2)发出的光束依次经第二快轴准直透镜组(4)、第二慢轴准直透镜列阵组(6)在快、慢轴方向进行准直后成为第二平行光，第二平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第一周期性空间耦合镜(7)所在面与第一平行光、第二平行光的夹角均为45°，第一周期性空间耦合镜(7)全部透过，第二平行光以垂直于第一平行光的方向到达周期性空间耦合镜，经第一周期性空间耦合镜(7)进行45°反射后，与通过第一周期性空间耦合镜(7)的第一平行光同向且相互叠加，叠加光束经第一慢轴扩束系统(8)调整慢轴扩束倍数成为第I 组合束平行光束；所述第三半导体叠阵(1′)发出的光束依次经第三快轴准直透镜组(3′)、第三慢轴准直透镜列阵组(5′)在快、慢轴方向上进行准直后成为第三平行光，第三平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第四半导体叠阵(2′) 发出的光束依次经第四快轴准直透镜组(4′)、第四慢轴准直透镜列阵组(6′)在快、慢轴方向进行准直后成为第四平行光，第四平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第二周期性空间耦合镜(7′)所在面与第三平行光、第四平行光的夹角均为45°，第二周期性空间耦合镜(7′)全部透过，第四平行光以垂直于第三平行光的方向到达周期性空间耦合镜，经第二周期性空间耦合镜(7′)进行45°反射后，与通过第二周期性空间耦合镜(7′)的第三平行光同向且相互叠加，叠加光束经第二慢轴扩束系统 (8′)调整慢轴扩束倍数成为第II组合束平行光束；第I组合束平行光束和第II组合束平行光束最后经积分镜(9)合成聚焦成条形光斑输出。
上述方案的优选方案为：所述第一周期性空间耦合镜(7)和第二周期性空间耦合镜(7′) 为周期性装置，其一个周期内的上面1/2周期为45°全透，下面1/2周期45°高反，其一个周期宽度与半导体激光巴条的间距相等。
上述方案的优选方案为：所述第一周期性空间耦合镜(7)和第二周期性空间耦合镜(7′) 由二分之一巴条间距宽度的多个45°反射镜按二分之一巴条间距排列并固定为一体而成，或采用一整块45°反射镜用激光沿水平方向刻蚀而成。
上述方案的优选方案为：还包括由偏振镜(11)、四分之一波片(12)和第一挡光器(13) 组成的反馈光隔离保护系统I及由偏振镜(11′)、四分之一波片(12′)和第二挡光器(13′) 组成的反馈光隔离保护系统II，所述偏振镜(11)和四分之一波片(12)设置在第一慢轴扩束系统(8)和积分镜(9)之间，偏振镜(11)与第一周期性空间耦合镜(7)平行设置，第一挡光器(13)设置在偏振镜(11)的一侧；经第一慢轴扩束系统(8)后的光束先到达偏振镜(11)，偏振镜(11)的水平偏振的光经过四分之一波片(12)偏振方向旋转45度，经过加工工件表面反射回来后再次通过该四分之一波片(12)偏振方向又旋转45度，两次通过该四分之一波片(12)偏振方向工旋转90度，即由水平偏振变成垂直偏振，再次到达偏振镜(11)后被高反至第一档光器(13)，第一挡光器(13)将上述光束导出；所述偏振镜(11′)和四分之一波片(12′)设置在第二慢轴扩束系统(8′)和积分镜(9)之间，偏振镜(11′)与周期性空间耦合镜(7′)平行设置，第二挡光器(13′)设置在偏振镜 (11′)的一侧；经第二慢轴扩束系统(8′)后的光束先到达偏振镜(11′)，偏振镜(11′) 的水平偏振的光经过四分之一波片(12′)偏振方向旋转45度，经过加工工件表面反射回来后再次通过该四分之一波片(12′)偏振方向又旋转45度，两次通过该四分之一波片(12′) 偏振方向工旋转90度，即由水平偏振变成垂直偏振，再次到达偏振镜(11′)后被高反至第二档光器(13′)，第二挡光器(13′)将上述光束导出。
上述方案的优选方案为：所述第一半导体叠阵(1)和第二半导体叠阵(2)中每个半导体激光巴条在快轴方向准直后的光束尺寸为二分之一巴条间距，第二半导体叠阵(2)在快轴方向上比第一半导体叠阵(1)高出二分之一巴条间距；第一周期性空间耦合镜(7)比第二半导体叠阵(2)在快轴方向高出四分之一巴条间距，比第一半导体叠阵(1)在快轴方向上高出四分之三巴条间距；所述第三半导体叠阵(1′)和第四半导体叠阵(2′)中每个半导体激光巴条在快轴方向准直后的光束尺寸为二分之一巴条间距，第四半导体叠阵(2′) 在快轴方向上比第三半导体叠阵(1′)高出二分之一巴条间距；第二周期性空间耦合镜(7′) 比第四半导体叠阵(2′)在快轴方向高出四分之一巴条间距，比第三半导体激光叠阵(1′) 在快轴方向上高出四分之三巴条间距。
上述方案的优选方案为：所述第一挡光器(13)及第二挡光器(13′)采用设有45度锥形凹面金属块，在其凹面上涂有黑色。
上述方案的优选方案为：所述第一半导体叠阵(1)、第二半导体叠阵(2)、第三半导体叠阵(1′)和第四半导体叠阵(2′)均采用由976nm、功率为120W的25个半导体激光巴条沿快轴方向叠加而成的3000瓦的叠阵。
与现有的半导体激光叠阵系统相比较，本实用新型的优点如下：
1、采用两个半导体激光叠阵作为光源，经快慢轴方向的依次准之后，通过周期性空间耦合镜耦合空间叠加，保证了高功率线偏振输出均匀光斑输出，也使得加入反馈光隔离保护系统来避免激光器内部遭受损坏变得可行。
2、四个叠阵两两空间合并并平行叠加式的输出功率达到万瓦
3、由偏振镜、四分之一波片和挡光器组成的反馈光隔离保护系统的设置使的系统工作安全稳定，且能够提高系统使用寿命。
4、慢轴扩束系统的设置能够实现加工需要的均匀可调的条形光斑。
5、聚焦透镜的设置能够实现加工工件上激光功率密度可调。
6、结构简单紧凑，效率高，性能稳定，易于安装和调试。
附图说明
图1是本实用新型的空间叠加耦合万瓦高功率半导体激光叠阵系统的结构原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本实用新型，但并不构成对本实用新型的限定。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
如图1所示，本实用新型的用于激光熔覆的空间叠加高功率半导体激光叠阵系统，包括第一半导体激光叠阵组、第二半导体激光叠阵组；第一半导体激光叠阵组包括第一半导体叠阵1和第二半导体叠阵2；第二半导体叠阵组包括第三半导体叠阵1′和第四半导体叠阵2′；所述第一半导体叠阵1、第二半导体激光叠阵2、第三半导体叠阵1′和第四半导体叠阵2′均由多个半导体激光巴条沿快轴方向叠加而成，且该四个叠阵包含的半导体激光巴条数量相同；其特征在于，还包括第一快轴准直透镜组3、第二快轴准直透镜组4、第三快轴准直透镜组3′、第四快轴准直透镜组4′；第一慢轴准直透镜列阵组5、第二慢轴准直透镜列阵组 6、第三慢轴准直透镜列阵组5′、第四慢轴准直透镜列阵组6′；第一周期性空间耦合镜7、第二周期性空间耦合镜7′；第一慢轴扩束系统8、第二慢轴扩束系统8′、积分镜9；
其中：所述第一快轴准直透镜组3、第二快轴准直透镜组4、第三快轴准直透镜组3′和第四快轴准直透镜组4′均由多个准直透镜组成；第一快轴准直透镜组3的数量与第一半导体叠阵1中半导体激光巴条的数量相同；第二快轴准直透镜组4中准直透镜的数量与第二半导体叠阵2中半导体激光巴条的数量相同；第三快轴准直透镜组3′的数量与第三半导体叠阵1′中半导体激光巴条的数量相同；第四快轴准直透镜组4′中准直透镜的数量与第四半导体叠阵2′中半导体激光巴条的数量相同；第一慢轴准直透镜列阵组5、第二慢轴准直透镜列阵组6、第三慢轴准直透镜列阵组5′和第四慢轴准直透镜列阵组6′均由多个准直透镜列阵组成；第一慢轴准直透镜列阵组5中准直透镜列阵的数量与第一半导体叠阵1中半导体激光巴条的数量相同；第二慢轴准直透镜列阵组6中准直透镜列阵的数量与第二半导体叠阵 2中半导体激光巴条的数量相同；第三慢轴准直透镜列阵组5′中准直透镜列阵的数量与第三半导体叠阵1′中半导体激光巴条的数量相同；第四慢轴准直透镜列阵组6′中准直透镜列阵的数量与第四半导体叠阵2′中半导体激光巴条的数量相同；
所述第一快轴准直透镜组3中的每个准直透镜相对于第一半导体叠阵1中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该准直透镜的焦距；第二快轴准直透镜组4 中的每个准直透镜与第二半导体叠阵2中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为快轴准直透镜的焦距；第三快轴准直透镜组3′中的每个准直透镜相对于第三半导体叠阵1′中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该准直透镜的焦距；第四快轴准直透镜组4′中的每个准直透镜与第四半导体叠阵2′中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为快轴准直透镜的焦距；第一慢轴准直透镜列阵组5的每个准直透镜列阵相对于第一半导体叠阵中1对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第二慢轴准直透镜列阵组6的每一个准直透镜列阵相对于第二半导体叠阵2中相对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第三慢轴准直透镜列阵组5′的每个准直透镜列阵相对于第三半导体叠阵 1′中对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第四慢轴准直透镜列阵组6′的每一个准直透镜列阵相对于第四半导体叠阵2′中相对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；
所述第一半导体叠阵1发出的光束依次经第一快轴准直透镜组3、第一慢轴准直透镜列阵组5在快、慢轴方向上进行准直后成为第一平行光，第一平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第二半导体叠阵2发出的光束依次经第二快轴准直透镜组4、第二慢轴准直透镜列阵组6在快、慢轴方向进行准直后成为第二平行光，第二平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第一周期性空间耦合镜7所在面与第一平行光、第二平行光的夹角均为45°，第一周期性空间耦合镜7全部透过，第二平行光以垂直于第一平行光的方向到达周期性空间耦合镜，经第一周期性空间耦合镜7 进行45°反射后，与通过第一周期性空间耦合镜7的第一平行光同向且相互叠加，叠加光束经第一慢轴扩束系统8调整慢轴扩束倍数成为第I组合束平行光束；所述第三半导体叠阵1′发出的光束依次经第三快轴准直透镜组3′、第三慢轴准直透镜列阵组5′在快、慢轴方向上进行准直后成为第三平行光，第三平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第四半导体叠阵2′发出的光束依次经第四快轴准直透镜组4′、第四慢轴准直透镜列阵组6′在快、慢轴方向进行准直后成为第四平行光，第四平行光中由每个半导体激光巴条发出的光束的尺寸为二分之一巴条间距；第二周期性空间耦合镜7′所在面与第三平行光、第四平行光的夹角均为45°，第二周期性空间耦合镜7′全部透过，第四平行光以垂直于第三平行光的方向到达周期性空间耦合镜，经第二周期性空间耦合镜7′进行45°反射后，与通过第二周期性空间耦合镜7′的第三平行光同向且相互叠加，叠加光束经第二慢轴扩束系统8′调整慢轴扩束倍数成为第II组合束平行光束；第I组合束平行光束和第 II组合束平行光束最后经积分镜9合成聚焦成条形光斑输出。
其中，所述第一周期性空间耦合镜7和第二周期性空间耦合镜7′为周期性装置，其一个周期内的上面1/2周期为45°全透，下面1/2周期45°高反，其一个周期宽度与半导体激光巴条的间距相等。
其中，所述第一周期性空间耦合镜7和第二周期性空间耦合镜7′由二分之一巴条间距宽度的多个45°反射镜按二分之一巴条间距排列并固定为一体而成，或采用一整块45°反射镜用激光沿水平方向刻蚀而成。
其中，还包括由偏振镜11、四分之一波片1)和第一挡光器13组成的反馈光隔离保护系统I及由偏振镜11′、四分之一波片12′和第二挡光器13′组成的反馈光隔离保护系统 II，所述偏振镜11和四分之一波片(12)设置在第一慢轴扩束系统8和积分镜9之间，偏振镜11与第一周期性空间耦合镜7平行设置，第一挡光器13设置在偏振镜11的一侧；经第一慢轴扩束系统8后的光束先到达偏振镜11，偏振镜11的水平偏振的光经过四分之一波片12偏振方向旋转45度，经过加工工件表面反射回来后再次通过该四分之一波片12偏振方向又旋转45度，两次通过该四分之一波片12偏振方向工旋转90度，即由水平偏振变成垂直偏振，再次到达偏振镜11后被高反至第一档光器13，第一挡光器13将上述光束导出；所述偏振镜11′和四分之一波片12′设置在第二慢轴扩束系统8′和积分镜9之间，偏振镜 11′与周期性空间耦合镜7′平行设置，第二挡光器13′设置在偏振镜11′的一侧；经第二慢轴扩束系统8′后的光束先到达偏振镜11′，偏振镜11′的水平偏振的光经过四分之一波片12′偏振方向旋转45度，经过加工工件表面反射回来后再次通过该四分之一波片12′偏振方向又旋转45度，两次通过该四分之一波片12′偏振方向工旋转90度，即由水平偏振变成垂直偏振，再次到达偏振镜11′后被高反至第二档光器13′，第二挡光器13′将上述光束导出。
其中，所述第一半导体叠阵1和第二半导体叠阵2中每个半导体激光巴条在快轴方向准直后的光束尺寸为二分之一巴条间距，第二半导体叠阵2在快轴方向上比第一半导体叠阵1 高出二分之一巴条间距；第一周期性空间耦合镜7比第二半导体叠阵2在快轴方向高出四分之一巴条间距，比第一半导体叠阵1在快轴方向上高出四分之三巴条间距；所述第三半导体叠阵1′和第四半导体叠阵2′中每个半导体激光巴条在快轴方向准直后的光束尺寸为二分之一巴条间距，第四半导体叠阵2′在快轴方向上比第三半导体叠阵1′高出二分之一巴条间距；第二周期性空间耦合镜7′比第四半导体叠阵2′在快轴方向高出四分之一巴条间距，比第三半导体激光叠阵1′在快轴方向上高出四分之三巴条间距。
其中，所述第一挡光器13及第二挡光器13′采用设有45度锥形凹面金属块，在其凹面上涂有黑色。
其中，所述第一半导体叠阵1、第二半导体叠阵2、第三半导体叠阵1′和第四半导体叠阵2′均采用由976nm、功率为120W的25个半导体激光巴条沿快轴方向叠加而成的3000 瓦的叠阵。
以上结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明，但本实用新型不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本实用新型原理和精神的情况下，对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本实用新型的保护范围内。