高功率高光束質量的多陣列合束雷射器的製造方法
2024-01-29 00:19:15
高功率高光束質量的多陣列合束雷射器的製造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種合束雷射器，尤其是一種高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，屬於雷射的【技術領域】。按照本實用新型提供的技術方案，所述高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，包括若干雷射二極體陣列；在每個雷射二極體陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在雷射二極體陣列的光路上均設置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位於光束分光器的兩側；在輸出耦合鏡陣列的外側設置有匯聚透鏡。本實用新型結構簡單，能實現多個雷射二極體陣列的高功率高光束質量輸出，安全可靠。
【專利說明】高功率高光束質量的多陣列合束雷射器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種合束雷射器，尤其是一種高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，屬於雷射的【技術領域】。
【背景技術】
[0002]高功率雷射二極體陣列具有各種各樣的優點:如使用壽命長，操作簡單，效率高等。因此，高功率雷射二極體陣列在材料加工、泵浦固態或光纖雷射器、軍事等領域應用廣泛。然而雷射二極體陣列的輸出光的光束質量很差，限制了很多領域的應用。雷射二極體陣列光束質量差的原因就是每個發光單元在慢軸方向寬度大約為80微米，而在快軸方向寬度約為I微米，因此慢軸方向有多個空間模，導致光束質量變差。
【發明內容】
[0003]本實用新型的目的是克服現有技術中存在的不足，提供一種高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其結構簡單，能實現多個雷射二極體陣列的高功率高光束質量輸出，安全可靠。
[0004]按照本實用新型提供的技術方案，所述高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，包括若干雷射二極體陣列；在每個雷射二極體陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在雷射二極體陣列的光路上均設置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位於光束分光器的兩側；在輸出耦合鏡陣列的外側設置有匯聚透鏡。
[0005]每個雷射二極體陣列內包括19或49個發光單元。所述快軸準直鏡為焦距小於Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在雷射二極體陣列的輸出端面上。
[0006]所述光束分光器包括六面體稜鏡，所述六面體稜鏡的側面均鍍有高反膜；雷射二極體陣列對稱分布在六面體稜鏡的外側，六面體稜鏡能將每個雷射二極體陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。
[0007]所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。所述平面反射器的傾角為-10°?10°。
[0008]本實用新型的優點:採用了稜鏡分束與平面反射器選模的方式使雷射二極體陣列輸出雷射的光束質量可以提高，很容易擴展成多個雷射二極體陣列同時輸出光束質量很好的雷射，而且多束雷射通過輸出耦合鏡陣列容易進行合束，形成高功率高光束質量的雷射，採用普通的光學元器件，價格低廉，結構簡單，很容易推廣到二維的雷射二極體陣列，安全可靠。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0009]圖1為本實用新型的實施結構圖。
[0010]附圖標記說明:1-第一雷射二極體陣列、2-第一快軸準直透鏡、3-第二快軸準直透鏡、4-第二雷射二極體陣列、5-第三雷射二極體陣列、6-第三快軸準直透鏡、7-第四快軸準直透鏡、8-第四雷射二極體陣列、9-第五雷射二極體陣列、10-第五快軸準直透鏡、11-第六快軸準直透鏡、12-第六雷射二極體陣列、13-第一光束分光器、14-第二光束分光器、15-第三光束分光器、16-第一平面反射器、17-第二平面反射器、18-第三平面反射器、19-第一輸出I禹合平面反射鏡、20-第二輸出I禹合平面反射鏡、21-第三輸出I禹合平面反射鏡、22-弟四輸出f禹合平面反射鏡以及23-匯聚透鏡。
【具體實施方式】
[0011]下面結合具體附圖和實施例對本實用新型作進一步說明。
[0012]為了能實現多個雷射二極體陣列的高功率高光束質量輸出，本實用新型包括若干雷射二極體陣列；在每個雷射二極體陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在雷射二極體陣列的光路上均設置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設置有平面反射器以及輸出耦合鏡陣列，所述輸出耦合鏡陣列與平面反射器分別位於光束分光器的兩側；在輸出耦合鏡陣列的外側設置有匯聚透鏡。
[0013]具體地，每個雷射二極體陣列內包括19或49個發光單元。所述快軸準直鏡為焦距小於Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在雷射二極體陣列的輸出端面上。
[0014]所述光束分光器包括六面體稜鏡，所述六面體稜鏡的側面均鍍有高反膜；雷射二極體陣列對稱分布在六面體稜鏡的外側，六面體稜鏡能將每個雷射二極體陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。輸出耦合鏡陣列用於將下支路光束入射到匯聚透鏡23上，以便通過匯聚透鏡23對光線進行合束，得到高功率高光束質量的光線。
[0015]在具體實施時，光束分光器也可以米用其他的多面體稜鏡。在X軸方向上，六面體稜鏡的中心軸在X方向的高度與快軸準直鏡的中心高度(在X軸方向)要保持一致，六面體稜鏡的稜邊距離快軸準直鏡在Z軸方向距離大約在4-6mm。對於平面反射器，只需要保證從六面體稜鏡出來的上支路光束能夠完全打到平面反射器上即可。本實用新型實施例中，所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。所述平面反射器的傾角為-10°?10°，所述平面反射器的傾角是指平面反射器的軸線與z軸方向的夾角。
[0016]匯聚透鏡23可以採用球面透鏡、非球面透鏡或透鏡組，通過匯聚透鏡23將輸出耦合鏡陣列合束之後的光進行匯聚，以產生高的能量密度用於各種加工製造。
[0017]如圖1所示,在Z軸方向上，設置有第一六面體稜鏡13、第二六面體稜鏡14以及第三六面體稜鏡15,在第一六面體稜鏡13的兩側設置第一雷射二極體陣列I與第二雷射二極體陣列4，第一雷射二極體陣列I的輸出端面上固定安裝有第一快軸準直鏡2，在第二雷射二極體陣列4的輸出端面上固定安裝第二快軸準直鏡3，第一平面反射器16位於第一六面體稜鏡13的上方，第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20位於第一六面體稜鏡13的下方。第一六面體稜鏡13的四個側面均鍍有高反膜，第一六面體稜鏡13的中心軸在X軸方向的高度與第一快軸準直鏡2、第二快軸準直鏡3相對應的在X軸方向的中心高度保持一致。通過第一六面體稜鏡13的兩側面能將第一雷射二極體陣列I的輸出光束分成上支路光束與下支路光束，上支路光束能入射到第一平面反射器16上，下支路光束能入射到第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20間，光線經過匯聚透鏡23進行匯聚。
[0018]與第一六面體稜鏡13相似，在第二六面體稜鏡14的兩側設置第三雷射二極體陣列5與第四雷射二極體陣列8，第三雷射二極體陣列5的輸出端面上固定安裝第三快軸準直鏡6，在第四雷射二極體陣列8的輸出端面上固定安裝第四快軸準直鏡7，第二平面反射器17位於第二六面體稜鏡14的下方。
[0019]在第三六面體稜鏡15的兩側設置第五雷射二極體陣列9與第六雷射二極體陣列12，在第五雷射二極體陣列9的輸出端面上固定安裝有第五快軸準直鏡10，在第六雷射二極體陣列12的輸出端面上固定安裝有第六快軸準直鏡11，第三平面反射器18位於第三六面體稜鏡15的上方。
[0020]在具體實施時,上述的輸出耦合鏡陣列是一組反射率大於98%的輸出耦合平面反射鏡，輸出耦合平面反射鏡要求來自同一六面體稜鏡的兩下支路光束使用的兩個輸出耦合平面反射鏡在X軸方向高度相同，不同六面體稜鏡的輸出光束的輸出耦合鏡陣列在X軸方向的位置應該錯開，沿著Z軸正方向越遠，輸出耦合鏡陣列應該越靠下。至於在z軸以及y軸方向上，最關鍵的就是保證來自六面體稜鏡輸出的光全部打到輸出耦合平面反射鏡，如來自第二六面體稜鏡14的光，完全能夠打到第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20，不能有光漏出。來自第三六面體稜鏡15的光，完全能夠打到第三輸出耦合平面反射鏡21與第四輸出耦合平面反射鏡22，用來反射不同六面體稜鏡光的平面反射鏡之間的位置要錯開，避免遮擋，如第二輸出耦合平面反射鏡列20要避免遮擋第四輸出耦合平面反射鏡22過來的光，第三輸出耦合平面反射鏡21要避免遮擋第一輸出耦合平面反射鏡19反射下來的光。
[0021]本實用新型實施例中，第一輸出耦合平面反射鏡19與第二輸出耦合平面反射鏡20間構成一個輸出耦合鏡陣列，第三輸出耦合平面反射鏡21與第四輸出耦合平面反射鏡22之間構成一個輸出I禹合鏡陣列。輸出I禹合鏡陣列用於把光束分光器輸出的下支路光束輸入到匯聚透鏡23。當存在多個採用六面體稜鏡的光束分光器後，需要增加相應的輸出耦合鏡陣列，以便能將光線入射到匯聚透鏡23上。在具體實施時，如果光束分光器輸出的下支路光束能直接打到匯聚透鏡23上，則在匯聚透鏡23與所述光束分光器間則可以不需要放置輸出耦合鏡陣列，具體可以根據實際情況進行選擇設置，此處不再贅述。
[0022]以第一雷射二極體陣列1、第一快軸準直鏡2以及第一六面體稜鏡13為例進行進一步說明。第一快軸準直鏡2對第一雷射二極體陣列I的快軸方向發出的光進行準直；其中，圖中X軸方向為慢軸方向，y軸方向為快軸方向。第一快軸準直鏡2將快軸方向可以準直到大約為0.5度左右的發散角。第一雷射二極體陣列I是由19或49個發光二極體單元構成，19或49個獨立的二極體沿著X軸方向排列形成一維陣列；所述第一快軸準直鏡2固定於雷射二極體陣列I的輸出端。對於第一雷射二極體陣列I內的每一個發光單元，在自由運轉條件下，二極體的慢軸方向(y方向)一般都會有幾十個空間模在振蕩。每個模的遠場分布都是一個雙瓣結構(用兩個支路表示)，不同階數的側向空間模，其空間輻射角不同，式(I)表示第m階模的空間輻射角，其中，Xtl表示發光單元在慢軸方向上的寬度，1?表示波數。
[0023]=±y^-(I)
Z X0/C0
[0024]由於不同階數的空間模，輻射角不同，因此可以通過調節第一平面反射器16的傾角，來選定某個空間模的一個瓣，將其反饋到第一雷射二極體陣列I的各發光單元的有源區內，使其繼續振蕩放大，另一瓣作雷射輸出。根據模式競爭的理論，得到反饋的模式振蕩被加強了，其它的模式被有效地抑制了，這樣輸出雷射的空間模式數量就減少了很多，輸出雷射的光束質量就改善了很多。
[0025]第一六面體稜鏡13的作用主要是將同一個模式的光兩個支路分開，上支路光束入射到第一平面反射器16之後，某個模式的上支路光束與第一平面反射器16垂直，該模式的光被原路反饋回到諧振腔(所述諧振腔由指雷射二極體的前後兩個輸出端面構成的，為本【技術領域】人員所熟知，此處不再贅述。)內進一步放大增強，從下支路光束輸出。第二雷射二極體陣列4的工作原理相同與第一雷射二極體陣列I的工作原理一樣。第一雷射二極體陣列1、第二雷射二極體陣列4共用一個第一六面體稜鏡13，這兩個雷射二極體陣列的下支路光束的光束合成一束光。
[0026]在具體實施時，為了獲得更高的功率輸出，可以沿著z軸方向擴展，使多個雷射二極體陣列的光束質量被改善，多個雷射二極體陣列輸出的光束，通過輸出耦合鏡陣列多個輸出光束進行合束。
[0027]本實用新型採用了稜鏡分束與平面反射器選模的方式使雷射二極體陣列輸出雷射的光束質量可以提高，很容易擴展成多個雷射二極體陣列同時輸出光束質量很好的雷射，而且多束雷射通過輸出耦合鏡陣列容易進行合束，形成高功率高光束質量的雷射，採用普通的光學元器件，價格低廉，結構簡單，很容易推廣到二維的雷射二極體陣列，安全可靠。
【權利要求】
1.一種高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，包括若干雷射二極體陣列；其特徵是:在每個雷射二極體陣列的輸出端面上均安裝有快軸準直鏡，在雷射二極體陣列的光路上均設置有光束分光器，在所述光束分光器的分束光路上分別設置有平面反射器以及輸出率禹合鏡陣列，所述輸出I禹合鏡陣列與平面反射器分別位於光束分光器的兩側；在輸出I禹合鏡陣列的外側設置有匯聚透鏡。
2.根據權利要求1所述的高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其特徵是:每個雷射二極體陣列內包括19或49個發光單元。
3.根據權利要求1所述的高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其特徵是:所述快軸準直鏡為焦距小於Imm的柱面鏡、非球面透鏡或梯度折射率透鏡，快軸準直透鏡固定在雷射二極體陣列的輸出端面上。
4.根據權利要求1所述的高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其特徵是:所述光束分光器包括六面體稜鏡，所述六面體稜鏡的側面均鍍有高反膜；雷射二極體陣列對稱分布在六面體稜鏡的外側，六面體稜鏡能將每個雷射二極體陣列的光束分成入射到平面反射器的上支路光束以及入射到輸出耦合鏡陣列的下支路光束。
5.根據權利要求1所述的高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其特徵是:所述平面反射器包括平面反射鏡、平面閃耀光柵或體光柵。
6.根據權利要求1所述的高功率高光束質量的多陣列合束雷射器，其特徵是:所述平面反射器的傾角為-10° ^lO0。
【文檔編號】H01S5/40GK204088875SQ201420585448
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月10日 優先權日:2014年10月10日
【發明者】蘇宙平, 張秀梅, 朱焯煒, 闕立志 申請人:江南大學