一種雷射合束光學系統的製作方法

2023-12-02 17:04:26

本發明涉及光學應用技術領域，特別是涉及一種雷射合束光學系統。

背景技術：

半導體雷射器具有電光轉換效率高、體積小、質量輕以及可靠性強等優點，備受業界關注，主要應用於工業、醫療、國防等領域。

但目前，雷射加工領域中使用到的大功率雷射器大部分仍為co2雷射器和光纖雷射器，主要是由於半導體雷射器的輸出功率水平，達不到工業要求。但co2雷射器和光纖雷射器的電光轉換效率較低，導致其耗電量大，使用成本偏高，因此如何提高半導體雷射器的輸出功率以達到工業應用要求，已迫在眉睫。

近年來，為提高半導體雷射器的輸出功率水平，空間合束、偏振合束及波長合束等相關技術逐漸應用到半導體雷射器中，但現有技術中，對於空間合束和偏振合束，會限制合束光源的數量。

技術實現要素：

鑑於此，本發明提供一種雷射合束光學系統，克服了現有技術對合束單元數量限制的問題，可有效提高雷射輸出功率。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種雷射合束光學系統，包括雷射合束組件，所述雷射合束組件包括n個雷射器和合束鏡，其中n為大於等於2的正整數；

n個所述雷射器並行排列，分別用於產生不同波長光；

所述合束鏡包括相互平行的第一鏡面和第二鏡面，各所述雷射器產生的光平行傳播，並斜入射至所述合束鏡的第一鏡面，在所述合束鏡的所述第一鏡面和所述第二鏡面上由各雷射器產生光的照射位置處分別設置有光學膜；

第i雷射器產生的光從所述第一鏡面透射入所述合束鏡，並經所述合束鏡各鏡面依序多次反射後，從第n雷射器產生的光在所述第二鏡面上的照射位置處透射出，1≤i≤n，i為正整數。

可選地，在所述合束鏡的所述第一鏡面上第i雷射器產生光的照射位置處設置用於增透第i雷射器產生光的增透膜以及用於反射第1雷射器至第i-1雷射器所產生光的反射膜，1≤i≤n；

在所述合束鏡的第二鏡面上第j雷射器產生光的照射位置處設置用於反射第1雷射器至第j雷射器所產生光的反射膜，1≤j≤n-1；

在所述合束鏡的第二鏡面上第n雷射器產生光的照射位置處設置用於增透所有光的增透膜。

可選地，所述增透膜的光透過率大於等於99％，所述反射膜的反射率大於等於99％。

可選地，每兩個雷射器產生光束的間距l與所述合束鏡的折射率n、厚度d、所述雷射器產生光照射到所述合束鏡的入射角θ具有如下關係：

可選地，在每一所述雷射器與所述合束鏡之間光路上設置反射元件，所述雷射器產生光入射至所述反射元件，所述反射元件將光反射至所述合束鏡的所述第一鏡面。

可選地，所述反射元件的反射率大於等於99％。

可選地，還包括匯聚鏡和光纖，所述匯聚鏡用於將由所述合束鏡輸出的合束光匯聚，耦合入所述光纖。

可選地，所述匯聚鏡包括球面透鏡或者非球面透鏡，或者所述匯聚鏡包括兩個可分離的柱面鏡。

可選地，所述光纖為多模光纖，所述光纖的纖芯直徑的範圍為50μm～1000μm，包括端點值，數值孔徑的範圍為0.1～0.3，包括端點值。

可選地，至少包括第一雷射合束組件和第二雷射合束組件，還包括偏振合束器；

由所述第一雷射合束組件輸出的合束光、由所述第二雷射合束組件輸出的合束光分別入射至所述偏振合束器，所述偏振合束器將兩路光匯合為一束光出射。

由上述技術方案可知，本發明所提供的雷射合束光學系統，包括n個雷射器和合束鏡，其中，n個雷射器並行排列，用於產生不同波長光；合束鏡包括相互平行的第一鏡面和第二鏡面。各雷射器產生的光平行傳播，斜入射至合束鏡的第一鏡面，在合束鏡的第一鏡面和第二鏡面上各雷射器產生光的照射位置處分別設置有光學膜，使得第i雷射器產生的光從第一鏡面透射入合束鏡，經過合束鏡各鏡面依序多次反射後，由第n雷射器產生的光在第二鏡面的照射位置處透射出，各雷射器產生的不同波長光由合束鏡該位置處透射出，形成合束光出射。

本發明雷射合束光學系統採用波長合束方法，採用一個波長合束元件，實現多波長光合束。本雷射合束光學系統對合束單元的數量不限制，克服了現有技術存在的缺點，能夠有效提高雷射輸出功率。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例提供的一種雷射合束光學系統的示意圖；

圖2為本發明又一實施例提供的一種雷射合束光學系統的示意圖；

圖3為本發明又一實施例提供的一種雷射合束光學系統的示意圖。

具體實施方式

為了使本技術領域的人員更好地理解本發明中的技術方案，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都應當屬於本發明保護的範圍。

本發明實施例提供一種雷射合束光學系統，包括雷射合束組件，請參考圖1，所述雷射合束組件包括n個雷射器10和合束鏡11，其中n為大於等於2的正整數；

n個所述雷射器10並行排列，分別用於產生不同波長光；

所述合束鏡11包括相互平行的第一鏡面和第二鏡面，各所述雷射器10產生的光平行傳播，並斜入射至所述合束鏡11的第一鏡面，在所述合束鏡11的所述第一鏡面和所述第二鏡面上由各雷射器產生光的照射位置處分別設置有光學膜；

第i雷射器10產生的光從所述第一鏡面透射入所述合束鏡11，並經所述合束鏡11各鏡面依序多次反射後，從第n雷射器10產生的光在所述第二鏡面上的照射位置處透射出，1≤i≤n，i為正整數。

本光學系統中，n個雷射器10並行排列，各雷射器10產生不同波長光。各雷射器產生的光平行傳播，以相同入射角斜入射至合束鏡11的第一鏡面。

所述合束鏡11包括相互平行的第一鏡面和第二鏡面，在第一鏡面和第二鏡面上各雷射器產生光的照射位置處分別設置有光學膜，各位置處的光學膜對不同波長光具有特定的反射作用或者增透作用，以引導各波長光在合束鏡11內傳播。

各雷射器10產生的各波長光在合束鏡11內的傳播方式具體為：第i雷射器10產生的光從第一鏡面透射入合束鏡11，並經合束鏡11各鏡面依序多次反射後，從第n雷射器10產生的光在第二鏡面上的照射位置處透射出。各雷射器10產生的不同波長光由合束鏡上第n雷射器產生光在第二鏡面上的照射位置處透射出，形成合束光出射。

可以看出，本實施例雷射合束光學系統，採用波長合束方法，採用一個波長合束元件，實現多波長光合束。本雷射合束光學系統對合束單元的數量不限制，克服了現有技術存在的缺點，能夠有效提高雷射輸出功率。

下面結合具體實施方式對本實施例雷射合束光學系統進行詳細說明。

本實施例雷射合束光學系統中，包括雷射合束組件，所述雷射合束組件包括n個雷射器10和合束鏡11，其中n為大於等於2的正整數。

n個雷射器10並行排列，分別用於產生不同波長光。所述雷射器10可以是單管半導體雷射器、線陣半導體雷射器或者疊陣半導體雷射器，或者也可以是半導體雷射器模塊。

所述合束鏡11包括相互平行的第一鏡面和第二鏡面，在第一鏡面和第二鏡面上對應各雷射器產生光的照射位置處分別設置光學膜。

在一種具體實施方式中，在合束鏡11的第一鏡面上第i雷射器產生光的照射位置處設置用於增透第i雷射器產生光的增透膜以及用於反射第1雷射器至第i-1雷射器所產生光的反射膜，1≤i≤n；

在所述合束鏡11的第二鏡面上第j雷射器產生光的照射位置處設置用於反射第1雷射器至第j雷射器所產生光的反射膜，1≤j≤n-1；

在所述合束鏡11的第二鏡面上第n雷射器產生光的照射位置處設置用於增透所有光的增透膜。

其中，所述合束鏡11的折射率n、厚度d、毎兩個雷射器產生光束的間距l，光束入射到合束鏡第一鏡面的入射角θ滿足以下關係式：

合束鏡11根據上述方式在第一鏡面和第二鏡面上進行分段鍍膜，使第i雷射器產生的光從第一鏡面透射入合束鏡，並經合束鏡各鏡面依序多次反射後，從第n雷射器產生的光在第二鏡面上的照射位置處透射出，各雷射器產生的不同波長光最終都從第n雷射器10產生光在第二鏡面上的照射位置處透射出，使各不同波長光匯合為一束，形成合束光出射。

優選的，在合束鏡11上設置的增透膜的光透過率大於等於99％，設置的反射膜的反射率大於等於99％，這樣減少各波長光在傳播過程中的能量損失。各光學膜可通過鍍制的方式在鏡面上形成。

在本光學系統中，請參考圖2，還可在每一所述雷射器10與所述合束鏡11之間光路上設置反射元件12，所述雷射器10產生光入射至所述反射元件12，所述反射元件12將光反射至所述合束鏡11的所述第一鏡面。由於雷射器位置受空間約束的影響，在實際應用中有時需要在光路中對光傳播方向進行調整，因此通過反射元件來調整雷射器產生光的傳播方向。

優選的，所述反射元件12的反射率大於等於99％，所述反射元件鍍制有反射膜，反射膜的反射率大於等於99％，以降低光在傳播過程中的能量損失，保證光通量。

進一步的，請參考圖2，本光學系統還包括匯聚鏡13和光纖14，所述匯聚鏡13用於將由所述合束鏡輸出的合束光匯聚，耦合入所述光纖14。匯合後的合束光匯聚入光纖，由光纖輸出高功率雷射。

所述匯聚鏡13可以是球面透鏡或者非球面透鏡，或者匯聚鏡可以是由兩個可分離的柱面鏡構成，或者也可以是其它類型的對光具有匯聚作用的光學鏡。

可選的，所述光纖14可採用多模光纖，示例性的，所述光纖的纖芯直徑的範圍為50μm～1000μm，包括端點值，數值孔徑的範圍為0.1～0.3，包括端點值。

本實施例雷射合束光學系統採用波長合束方法，採用一個分段鍍膜的波長合束元件，實現多波長光合束。本雷射合束光學系統解決了空間合束和偏振合束技術中對合束單元數量的限制問題，採用雷射器並行排列方式節省更多空間，能夠大幅度提高雷射輸出功率。另外，使散熱系統安排更集中方便。

在本發明雷射合束光學系統的另一實施例中，所述雷射合束光學系統至少包括第一雷射合束組件和第二雷射合束組件，還包括偏振合束器；由所述第一雷射合束組件輸出的合束光、由所述第二雷射合束組件輸出的合束光分別入射至所述偏振合束器，所述偏振合束器將兩路光匯合為一束光出射。

可參考圖3，為本實施例提供的一種雷射合束光學系統的示意圖，在圖3所示光學系統中，包括第一雷射合束組件20和第二雷射合束組件21，由第一雷射合束組件20和第二雷射合束組件21分別輸出一路合束光，分別輸入偏振合束器22，偏振合束器22將兩路合束光匯合為一束光出射。

本實施例雷射合束光學系統中，雷射合束組件採用波長合束方法，實現將不同波長光匯合為一束光，並結合偏振合束方法，採用偏振合束器對光進行合束，更有益於提高輸出功率及光束質量。

具體本實施例中，由第一雷射合束組件20和第二雷射合束組件21輸出相同偏振態光，偏振合束器22將由第一雷射合束組件20輸入的合束光透射出，將由第二雷射合束組件21輸入的合束光反射出，兩路光匯合為一束光出射。

進一步的，本實施例雷射合束光學系統還包括匯聚鏡23和光纖24，所述匯聚鏡23用於將由所述偏振合束器輸出的合束光匯聚，耦合入所述光纖24，由光纖24輸出高功率雷射。

本實施例雷射合束光學系統中，通過光路設計，可以靈活設置更多數量的雷射合束組件和偏振合束元件，實現雷射合束，提高雷射輸出功率。

以上對本發明所提供的一種雷射合束光學系統進行了詳細介紹。本文中應用了具體個例對本發明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。