一種高功率半導體激光器擴束系統的制作方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種高功率半導體激光器擴束系統，可實現大倍率的擴束，結構簡單緊湊，體積小，成本較低。本實用新型的原理是：激光器發出的光束經過第一組分光模塊的分光鏡后，一半的光直接透射，另一半光反射后進入反射器，進入反射器的光再次反射，與另一半透射光并行出射完成一次2倍擴束后入射至第二組分光模塊再次進行擴束，以此方式進行多次擴束。
【專利說明】一種高功率半導體激光器擴束系統
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于激光應用領域，具體涉及一種激光擴束裝置。
【背景技術】
[0002] 激光具有單色性好，方向性好，相干性好，亮度高的優點，已經廣泛應用于國民經 濟的各個領域。激光器發出的光束直徑很小，通常為1_2_，在一些特定的應用領域中，比如 激光加工，激光檢測和激光照明等，需要使用較大直徑的激光光束，這就需要擴束系統來實 現。在激光加工應用中，為了提高加工效率，需要利用擴束系統增大激光光斑；在激光照明 應用中，要求激光光斑較大并且均勻，需要擴束系統擴展光斑直徑，再作為光源使用。激光 擴束系統不但可以擴展激光束的直徑，而且改善激光束的空間發散角，使光束的準直性得 到進一步改善。
[0003] 目前常用的激光擴束系統為倒伽利略結構。倒伽利略結構包括一個輸入的凹透鏡 和一個輸出的凸透鏡，凹透鏡進行發散，凸透鏡進行準直。這種擴束方法中激光器發出的激 光可以先加凸透鏡進行準直，再用擴束系統進行擴束，也可以直接通過擴束系統進行準直， 在小倍率的擴束需求中，可以改善發散角和增大光斑。但是在這種方法中擴束的光斑大小 與透鏡的口徑有直接關系，擴束光斑越大，所需要的透鏡口徑越大；并且擴束光束大小與透 鏡組間距有關，間距越大，擴束光斑越大。如果需求較大面積的光斑，會使得擴束系統鏡筒 長度較長，體積較大。由于以上因素的制約，這種擴束系統不適用于大倍率的擴束，會造成 系統體積大，使用不方便，并且透鏡的加工材料一般使用玻璃，制作大倍率擴束的透鏡成本 較聞。 實用新型內容
[0004] 為了克服現有技術的不足，本實用新型提供了一種高功率半導體激光器擴束系 統，可實現大倍率的擴束，結構簡單緊湊，體積小，成本較低。
[0005] 本實用新型的原理是：激光器發出的光束經過第一組分光模塊的分光鏡后，一半 的光直接透射，另一半光反射后進入反射器，進入反射器的光再次反射，與另一半透射光并 行出射完成一次2倍擴束后入射至第二組分光模塊再次進行擴束，以此方式進行多次擴 束。
[0006] 實現方案如下：
[0007] 該高功率半導體激光器擴束系統，包括沿光路依次設置的半導體激光器疊陣、準 直透鏡組和分光系統，所述的半導體激光器疊陣由若干個半導體激光單元組成；所述分 光系統包括沿激光出光方向依次設置的η組分光模塊，每組分光模塊包括分光器和反射 器，分光器的分光面和反射器的反射面沿高度方向設置相互平行且與激光出光方向均成 30-60°夾角；激光光束經過分光器后，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，與分光器直接透射的光平行出射；
[0008] 第一組分光模塊的分光器與半導體激光器疊陣的堆疊高度相當；各組分光模塊 尺寸依次成倍增大，第m組分光模塊出光光束入射至第m+1組分光模塊的分光器上，1彡m < n，m為分光模塊的排列序號，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
[0009] 基于上述基本方案，本實用新型還進一步作如下優化限定和改進：
[0010] 分光模塊可以有以下兩類實現方式。
[0011] 第一類··
[0012] 分光模塊中，反射器可以采用全反射平面鏡或者全反射棱鏡。全反射平面鏡的材 料可以采用玻璃或金屬，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或者鋁；或者高反膜采用多 層介質反射膜。
[0013] 分光模塊中，反射器也可以采用偏振器件；半導體激光器疊陣的偏振特性為TE 光，則偏振器件對TE光全反射；或者半導體激光器疊陣的偏振特性為TM光，則偏振器件對 TM光全反射。偏振器件具體可以是偏振片、偏振鏡或者偏振合束器。
[0014] 分光模塊中，分光器可以米用分光鏡，分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半 透半反膜，半透半反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
[0015] 第二類：
[0016] 分光模塊也可以采用棱鏡組合整體實現分光器和反射器的功能，棱鏡組合中各個 棱鏡之間緊密貼合，使得整體上具有一個側面面向半導體激光器疊陣且與所述激光出光方 向垂直作為分光模塊的入光面，具有另一個側面與所述入光面平行作為分光模塊的出光面 (按照上述基本方案，第一組分光模塊的入光面和出光面均與半導體激光器疊陣的堆疊高 度相當，各組分光模塊的入光面和出光面尺寸依次成倍增大）；棱鏡組合內部存在一個貼 合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與分光面平行且所述入光面相鄰的一個側面作 為反射器的反射面。
[0017] 這一類的分光模塊優選平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，平行六面棱鏡具有唯一側 面面向半導體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，與該側面夾 角為銳角的相鄰側面上緊密貼合所述三棱鏡，貼合面上鍍有半透半反膜作為分光器的分光 面，與該側面夾角為鈍角的相鄰側面作為反射器的反光面；三棱鏡還具有一個與所述激光 出光方向垂直的外側面，作為分光模塊的出光面。
[0018] 上述分光器的分光面和反射器的反射面最好均與激光出光方向成45°角設置。對 于上述平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，相當于是采用內夾角為45°和135°的平行六面棱 鏡來保證了分光面和反射面均與激光出光方向成45°角。
[0019] 上述準直透鏡組包括快軸準直鏡和慢軸準直鏡的組合或兩者之一，其中，快軸準 直透鏡為準直D型非球面透鏡，慢軸準直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0020] 本實用新型具有以下優點：
[0021] 1)可以進行大倍率的擴束；
[0022] 2)擴束光斑均勻，尺寸可根據需求自由調整；
[0023] 3)擴束系統的長度僅與單個分光鏡的直徑有關，并且此長度不受擴束光斑大小的 影響，這樣在大倍率擴束系統中大大縮短了鏡筒的長度，減小了系統體積；
[0024] 4)分光面鍍膜生產工藝成熟，降低了系統的成本。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1為實施例一的示意圖。
[0026] 圖2為實施例二的示意圖。
[0027] 圖3為實施例三的示意圖。
[0028] 圖4為實施例四的示意圖。
[0029] 圖5為實施例五的示意圖。
[0030] 圖6為實施例六的示意圖。
[0031] 附圖標號說明1為半導體激光器；2為準直透鏡組；3為分光系統；4為快軸準直 鏡；5慢軸準直鏡；6為分光器；7為反射器；8為分光面；9為出光面；10為反射面；11為入 光面
【具體實施方式】：
[0032] -種高功率半導體激光器擴束裝置：包括半導體激光器疊陣，準直透鏡組和分光 系統組成。所述的半導體激光器疊陣由若干個半導體激光單元組成；所述的準直透鏡組放 置于半導體激光器激光出射處；所述分光系統放置于準直后的激光光束出射方向，包括n 組分光模塊，每組分光模塊包括一個分光器和一個反射器，分光器的分光面和反射器的反 射面沿高度方向設置相互平行且與激光出光方向均成30-60°夾角，第m((l<m〈n)組分 光模塊出光光束入射至第m+1組分光模塊的分光器上，各組分光模塊尺寸依次成倍增大。 [0033] 所述半導體激光單元為焊接在熱沉上的半導體激光器芯片，所述半導體激光器芯 片為一個單管芯片、微型巴條或者巴條，或者為多個單管芯片、微型巴條或者巴條。
[0034] 所述的分光器的透射率為50 %，反射率為50% ;所述的反射器的反射率為100%， 反射器可以是全反射鏡，全反射棱鏡，也可以是偏振器件，具體可以是偏振片、偏振鏡或者 偏振合束器。
[0035] 最終，在第η組分光模塊處將光束光斑擴大至n+1倍。
[0036] 如圖1和圖2所示，此種高功率半導體激光器擴束裝置：包括半導體激光器疊陣 1，準直透鏡組2和分光系統3組成。所述的半導體激光器疊陣1由若干個半導體激光單元 組成；所述的準直透鏡組2放置于半導體激光器疊陣1激光出射處；所述分光系統放置于 準直后的激光光束出射方向，包括η組分光模塊3,每組分光模塊3包括一個分光器6和一 個反射器7,第m((l彡m〈n)組分光模塊3出光光束入射至第m+1組分光模塊3的分光器 上。
[0037] 如圖1所示分光器6的透射率為50%，反射率為50% ;所述的反射器7的反射率 為100%，反射器7可以是全反射鏡，也可以是偏振器件，具體可以是偏振片、偏振鏡或者偏 振合束器。
[0038] 所述分光器6采用分光鏡，基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半透半反膜，半透半反 膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
[0039] 反射器7為全反射平面鏡或者全反射棱鏡，基體材料為玻璃或金屬，表面鍍高反 膜；或者高反膜采用多層介質反射膜。
[0040] 反射器7還可為偏振器件；半導體激光器疊陣的偏振特性為TE光，則偏振器件對 TE光全反射；或者半導體激光器疊陣的偏振特性為TM光，則偏振器件對TM光全反射。
[0041] 如圖2所示，分光器6的透射率為50%，反射率為50%;所述的反射器7的反射率 為100%，反射器7可以是全反射棱鏡。
[0042] 圖5中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向設置相互平行且與激光 出光方向均成60°夾角。
[0043] 圖6中分光器6的分光面和反射器7的反射面沿高度方向設置相互平行且與激光 出光方向均成35°夾角。
[0044] 分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設置相互平行且與激光 出光方向均成30-60°夾角，優選35°、45°、55°、60°夾角設置。
[0045] 如圖3、圖4所示分光模塊采用棱鏡組合整體實現分光器6和反射器7的功能，棱 鏡組合中各個棱鏡之間緊密貼合，使得整體上具有一個側面面向半導體激光器疊陣1且與 所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面11，具有另一個側面與所述入光面平行作為 分光模塊的出光面9 ;第一組分光模塊的入光面11和出光面9均與半導體激光器疊陣1的 堆疊高度相當，各組分光模塊的入光面11和出光面9尺寸依次成倍增大；棱鏡組合內部存 在一個貼合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面8,與分光面8平行且所述入光面相鄰 的一個側面作為反射器的反射面10。
[0046] 分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設置相互平行且與激光 出光方向均成30-60°夾角，優選35°、45°、55°、60°夾角設置。
[0047] 如圖3所不分光模塊米用棱鏡組合，平行六面棱鏡（內夾角45°和135° )和三 棱鏡組合使用實現激光擴束；平行六面棱鏡半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜，三棱 鏡的半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜；平行六面棱鏡的反射面10鍍有反射膜，三棱 鏡的透射面即出光面9鍍有透射膜。圖3中分光器6的分光面8和反射器7的反射面10 沿高度方向設置相互平行且與激光出光方向均成45°夾角。
[0048] 如圖3所示，分光模塊只要實現激光光束通過半透半反面即分光面8后一半的光 透射至透射面即出光面9進行透射，另一半的光射至反射面10進行全反射，然后合束出射， 實現擴束；平行六面棱鏡和三棱鏡不能為一體件，如為一體件則半透半反面將不能實現半 透半反的作用。
[0049] 如圖3所示，除使用三棱鏡外，還可以使用其他不規則器件，只要半透半反面即分 光面8可實現一半的光透射，一半的光反射且其半透半反面即分光面8可以直接垂直透射 光即可。
[0050] 如圖4所示光模塊采用棱鏡組合，八面體棱鏡和三棱鏡組合使用實現激光擴束； 八面體棱鏡半透半反面即分光面8鍍有半透半反膜，三棱鏡的半透半反面即分光面8鍍有 半透半反膜，八面體棱鏡的反射面10鍍有反射膜，三棱鏡的透射面即出光面9鍍有透射膜， 分光器6的分光面8和反射器7的反射面10沿高度方向設置相互平行且與激光出光方向 均成60°夾角。除可用八面體棱鏡外也可把反射面10延伸與出光面9相交后使用七面體 棱鏡。
【權利要求】
1. 一種高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：包括沿光路依次設置的半導體激 光器疊陣、準直透鏡組和分光系統，所述的半導體激光器疊陣由若干個半導體激光單元組 成；所述分光系統包括沿激光出光方向依次設置的η組分光模塊，每組分光模塊包括分光 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設置相互平行且與激光出光方 向均成30-60°夾角；激光光束經過分光器后，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，與分光器直接透射的光平行出射； 第一組分光模塊的分光器與半導體激光器疊陣的堆疊高度相當；各組分光模塊尺寸依 次成倍增大，第m組分光模塊出光光束入射至第m+Ι組分光模塊的分光器上，1 < m < n，m 為分光模塊的排列序號，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
2. 根據權利要求1所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述反射器為 全反射平面鏡或者全反射棱鏡。
3. 根據權利要求2所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述全反射平 面鏡的材料為玻璃或金屬，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或者鋁；或者高反膜采用 多層介質反射膜。
4. 根據權利要求1所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述反射器為 偏振器件；半導體激光器疊陣的偏振特性為TE光，則偏振器件對TE光全反射；或者半導體 激光器疊陣的偏振特性為TM光，則偏振器件對TM光全反射。
5. 根據權利要求4所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述偏振器件 米用偏振片、偏振鏡或者偏振合束器。
6. 根據權利要求2至5任一所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述 分光器采用分光鏡，分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍半透半反膜，半透半反膜的材 料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
7. 根據權利要求1所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述分光模塊 采用棱鏡組合整體實現分光器和反射器的功能，棱鏡組合中各個棱鏡之間緊密貼合，使得 整體上具有一個側面面向半導體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的 入光面，具有另一個側面與所述入光面平行作為分光模塊的出光面；棱鏡組合內部存在一 個貼合面鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與分光面平行且所述入光面相鄰的一個側 面作為反射器的反射面。
8. 根據權利要求7所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于： 所述分光模塊采用平行六面棱鏡和三棱鏡的組合，平行六面棱鏡具有唯一側面面向半 導體激光器疊陣且與所述激光出光方向垂直作為分光模塊的入光面，與該側面夾角為銳角 的相鄰側面上緊密貼合所述三棱鏡，貼合面上鍍有半透半反膜作為分光器的分光面，與該 側面夾角為鈍角的相鄰側面作為反射器的反光面；三棱鏡還具有一個與所述激光出光方向 垂直的外側面，作為分光模塊的出光面。
9. 根據權利要求1所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：分光器的分光 面和反射器的反射面均與激光出光方向成45°角設置。
10. 根據權利要求1所述的高功率半導體激光器擴束系統，其特征在于：所述準直透鏡 組包括快軸準直鏡和慢軸準直鏡的組合或兩者之一，其中，快軸準直透鏡為準直D型非球 面透鏡，慢軸準直鏡為單陣列柱面透鏡。
【文檔編號】H01S5/02GK203871649SQ201420239172
【公開日】2014年10月8日 申請日期:2014年5月9日 優先權日:2014年5月9日
【發明者】蔡磊, 劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司