一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置

摘要

本发明提供了一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，该装置包括二维线阵半导体激光器、快轴准直透镜组、慢轴准直透镜组和合束输出耦合装置，所述二维线阵半导体激光器由若干个一维线阵半导体激光器组成；所述合束系统包括沿二维线阵半导体激光器出光方向的内圆锥镜、石英半球透镜、光束整形聚焦透镜组和光纤，其中石英半球透镜底面与出光方向垂直，石英半球透镜球心与内圆锥镜锥顶重合，由石英半球透镜输出的激光经光束整形聚焦透镜组聚焦后进入光纤耦合输出。本装置简化了半导体激光器合束输出耦合系统，为大功率半导体激光器设备制造和批量生产提供了一种新的可行方案。

说明书

技术领域  

本发明涉及属于激光技术应用设备领域，特别是涉及一种高功率半导体激光器合束输出耦合装置。

背景技术

半导体激光器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，它具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、功耗低的优点，在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等领域获得了较为广泛的应用，但在高功率光纤输出激光加工应用领域发展相对不尽如人意，其主要原因是半导体激光器的光束质量较差，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。为实现半导体激光器的高功率光纤输出，目前普遍采用的技术是激光合束技术，它是一种能改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程，常用的合束方法有偏振合束，波长合束和空间合束，其主要合束处理流程大致如下：快轴准直→慢轴准直（→光束整型）→平面镜或棱镜反射→凸透镜聚焦→光纤耦合，如专利申请号为：CN201010174581.2、CN201310748945.7、CN201520045376.4等的专利，其每一个单管就要对应一套镜片，而且每个镜片都要配备较为精密的调节装置，本来半导体激光器体积较小，但这些镜片及其调节装置占了很大的空间，使设备体积增加较大，而且由于镜片较多，导致调节装置也变得非常复杂，也让整个装置的可调性和工作稳定性变差，以至于好多方案目前也只是在实验室阶段，要想转化为商品化成果很难。

发明内容

针对以上问题，本发明为一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，本装置简化了半导体激光器合束输出耦合系统，提高了装置的可调性和工作稳定性，为大功率半导体激光器设备制造和批量生产提供了一种新的可行方案，为达此目的，本发明提供一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，包括耦合装置壳体、二维线阵半导体激光器、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述耦合装置壳体内有二维线阵半导体激光器、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述二维线阵半导体激光器由至少2个一维线阵半导体激光器叠加放置而成，所述二维线阵半导体激光器的每个一维线阵半导体激光器前有一个快轴准直镜和一个慢轴准直镜，所述快轴准直镜组由至少2个快轴准直镜组成，所述慢轴准直镜组由至少2个慢轴准直镜组成，所述慢轴准直镜在快轴准直镜前方，每个慢轴准直镜由至少2个柱透镜成排联接而成，每个柱透镜对应一维线阵半导体激光器的一个单管半导体激光器，所述合束输出耦合装置包括内圆锥镜、石英半球透镜、光束整形聚焦透镜组和光纤，所述内圆锥镜在慢轴准直镜前方，所述慢轴准直镜与内圆锥镜底面相对应，所述内圆锥镜的顶端抵住石英半球透镜的端面，所述石英半球透镜的半球形端面前方有光束整形聚焦透镜组，所述光纤一端的端部在光束整形聚焦透镜组前方。

作为本发明进一步改进，所述内圆锥镜的顶端开有直径0.5-1mm的孔，其底面孔直径越小、高越大，从锥顶小孔输出的功率占比越大，孔径一般为0.5-1mm。

作为本发明进一步改进，所述内圆锥镜底面为有缝反射镜,为提高输出功率，内圆锥镜底面可采用有缝反射镜。

作为本发明进一步改进，所述内圆锥镜的顶端与石英半球透镜的球心位置重复，所述石英半球透镜底面与内圆锥镜中心线方向垂直,为了保证激光出光效果，内圆锥镜的顶端与石英半球透镜的球心位置尽可能保持重复，石英半球透镜底面与内圆锥镜中心线方向尽可能垂直。

本发明提出了一种半导体激光器合束输出耦合装置，该装置对入射光的平行度要求不是太高，它采用顶角很小的内圆锥镜面反射，并将从锥顶出射的光线经石英半球透镜球心沿径向射出，再经光束整形聚焦透镜组耦合进入输出光纤实现高功率输出；该装置对内圆锥镜之前的镜片或镜片组位置精度要求不高，所以需要精密调整的主要是内圆锥镜、石英半球透镜和光束整形聚焦透镜组，这有效简化了装置的调节机构，提高了装置的可调性和工作稳定性。

附图说明

图1为本发明一维线阵半导体激光器快慢轴准直示意图；

图2为本发明半导体激光器合束输出耦合装置示意图；

图3为本发明石英半球透镜折射输出示意图；

图4为本发明内圆锥镜内部光路示意图；

具体部件名称如下：

1、一维线阵半导体激光器；          2、二维线阵半导体激光器；

3、快轴准直镜；                    4、慢轴准直镜；

5、内圆锥镜；                      6、石英半球透镜；

7、光束整形聚焦透镜组；            8、光纤；

9、石英半球透镜输入光线；          10、石英半球透镜星形输出光线；

11、内圆锥镜底面。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对发明做详细的说明：

本发明为一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，本装置简化了半导体激光器合束输出耦合系统，提高了装置的可调性和工作稳定性，为大功率半导体激光器设备制造和批量生产提供了一种新的可行方案。

作为本发明一种具体实施例，本发明提供一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，包括耦合装置壳体、二维线阵半导体激光器2、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述耦合装置壳体内有二维线阵半导体激光器2、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述二维线阵半导体激光器2由至少2个一维线阵半导体激光器1叠加放置而成，所述二维线阵半导体激光器2的每个一维线阵半导体激光器1前有一个快轴准直镜3和一个慢轴准直镜4，所述快轴准直镜组由至少2个快轴准直镜3组成，所述慢轴准直镜组由至少2个慢轴准直镜4组成，所述慢轴准直镜4在快轴准直镜3前方，每个慢轴准直镜4由至少2个柱透镜成排联接而成，每个柱透镜对应一维线阵半导体激光器1的一个单管半导体激光器，所述合束输出耦合装置包括内圆锥镜5、石英半球透镜6、光束整形聚焦透镜组7和光纤8，所述内圆锥镜5在慢轴准直镜4前方，所述慢轴准直镜4与内圆锥镜底面11相对应，所述内圆锥镜5的顶端抵住石英半球透镜6的端面，所述石英半球透镜6的半球形端面前方有光束整形聚焦透镜组7，所述光纤8一端的端部在光束整形聚焦透镜组7前方。

作为本发明一种最佳具体实施例，本发明提供一种用于大功率半导体激光器的合束输出耦合装置，包括耦合装置壳体、二维线阵半导体激光器2、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述耦合装置壳体内有二维线阵半导体激光器2、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和合束输出耦合装置，所述二维线阵半导体激光器2由至少2个一维线阵半导体激光器1叠加放置而成，所述二维线阵半导体激光器2的每个一维线阵半导体激光器1前有一个快轴准直镜3和一个慢轴准直镜4，所述快轴准直镜组由至少2个快轴准直镜3组成，所述慢轴准直镜组由至少2个慢轴准直镜4组成，所述慢轴准直镜4在快轴准直镜3前方，每个慢轴准直镜4由至少2个柱透镜成排联接而成，每个柱透镜对应一维线阵半导体激光器1的一个单管半导体激光器，所述合束输出耦合装置包括内圆锥镜5、石英半球透镜6、光束整形聚焦透镜组7和光纤8，所述内圆锥镜5在慢轴准直镜4前方，所述内圆锥镜底面11为有缝反射镜,为提高输出功率，内圆锥镜底面可采用有缝反射镜，所述慢轴准直镜4与内圆锥镜底面11相对应，所述内圆锥镜5的顶端抵住石英半球透镜6的端面，所述内圆锥镜5的顶端与石英半球透镜6的球心位置重复，所述石英半球透镜6底面与内圆锥镜5中心线方向垂直,为了保证激光出光效果，内圆锥镜的顶端与石英半球透镜的球心位置尽可能保持重复，石英半球透镜底面与内圆锥镜中心线方向尽可能垂直，所述内圆锥镜5的顶端开有直径0.5-1mm的孔，其底面孔直径越小、高越大，从锥顶小孔输出的功率占比越大，孔径一般为0.5-1mm，所述石英半球透镜6的半球形端面前方有光束整形聚焦透镜组7，所述光纤8一端的端部在光束整形聚焦透镜组7前方。

本发明具体设计方案如下：

如图2所示，为半导体激光器合束输出耦合装置示意图，装置选用半导体激光器光源为二维线阵半导体激光器2，是多个如图1所示的一维线阵半导体激光器1的叠加，经过快轴准直镜3和慢轴准直镜4后输出光束为发散角较小的近似平行光，这些近似平行光沿内圆锥镜5的轴线从内圆锥镜底面11输入，经内圆锥镜5内表面多次反射后，经内圆锥镜5顶孔输出到石英半球透镜6的球心，(对于内圆锥镜底面，若从慢轴来的光的平行度很好且内圆锥镜的高与底面直径之比足够大时，可不使用内圆锥镜底面11）。

如图3所示，经石英半球透镜6折射后沿径向输出（空间球形发散角小于87o），再经光束整形聚焦透镜组7耦合进入输出光纤8，实现高功率光纤输出。

对于内圆锥镜5，在锥顶开有直径约1mm的小孔，其底面直径越小、高越大，从锥顶小孔输出的功率占比越大，另外，为提高输出功率，内圆锥镜底面11为有缝反射镜，如图4所示，当近似平行光通过内圆锥镜底面11的缝进入内圆锥镜后，即便有少数光线因入射角度偏差在第一个侧面反射流程中不能从锥顶小孔输出，也会因内圆锥镜底面11的反射而再次以另外的角度进入第二个侧面反射流程，这样经多次反射仍然有机会从锥顶小孔输出。

对于石英半球透镜6，其球心与内圆锥镜5的锥顶小孔位置重复，这样，内圆锥镜5锥顶小孔输出的光线可近似认为是从石英半球透镜6的球心输入的，而从球心输入的光线，不管其折射角如何，都将沿径向输出，即在石英半球面与空气交界处垂直于界面，那么光线从石英半球面射入空气中将沿原光线方向输出。对于波长约为0.9微米的红外光，石英玻璃的折射率约为1.452，假设从内圆锥镜5锥顶小孔输出的光线最大入射角为极限入射角90 o，则折射角约为43.5 o，即最大发散角为87o；若采用折射率更大的物质（如人造水晶、钻石等），则发散角会更小，这样的光线输出形态为光束整形聚焦透镜组7的设计和调整降低了难度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。