一種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置的製作方法
2023-12-06 10:46:41 1
專利名稱：一種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型屬於半導體雷射器領域，涉及一種半導體雷射器耦合裝置，尤其是一 種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置。
背景技術：
半導體雷射二極體(LD)由於具有體積小、重量輕、壽命長、電光轉換效率高等優 點，被廣泛地應用在民用和軍用各領域，如醫療、印刷、雷射測距、雷射制導、材料處理和加 工等各個方面，特別是LD抽運的固體雷射器(DPL)和光纖雷射器已經成為重點的發展方 向，得到了廣泛的重視和研究。近年來追求更高功率雷射器已成為雷射器的發展目標，功率 擴展技術是高功率雷射器的技術趨勢之一。尤其是高功率半導體雷射器及其泵浦固體激 光器具有體積小、重量輕、光電轉換效率高、性能穩定、可靠性高、和壽命長等優點，已經成 為光電行業中最有發展前途的產品，可廣泛應用於工業、軍事、醫療和直接的材料處理等領 域。為了提高大功率半導體雷射器的輸出功率，可以將十幾個或幾十個單管雷射器芯 片集成封裝、形成雷射器巴條，將多個巴條堆疊起來可形成雷射器二維疊陣，雷射器疊陣的 光功率可以達到千瓦級甚至更高。但是隨著半導體雷射器條數的增加，其光束質量將會下 降。另外，半導體雷射器結構的特殊性決定了其快、慢軸光束質量不一致快軸的光束質量 接近衍射極限，而慢軸的光束質量卻比較差，這使得半導體雷射器在工業應用中受到了很 大的限制。要實現高質量、寬範圍的雷射加工，雷射器必須同時滿足高功率和高光束質量。 因此，現在發達國家均將研究開發新型高功率、高光束質量的大功率半導體雷射器作為一 個重要研究方向，以滿足要求更高雷射功率密度的雷射材料加工應用的需求。
實用新型內容本實用新型的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供一種多波長高功率半導體 雷射器耦合裝置，這種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置可以實現多波長高功率輸出的 輸出，並且光斑形狀可控。本實用新型的目的是通過以下技術方案解決的這種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，包括一個或多個半導體雷射器偏振合 束模塊、濾波模塊和聚焦透鏡；所述半導體雷射器偏振合束模塊包括半導體雷射器疊陣準 直模塊、半導體雷射器疊陣準直偏振模塊、PBS稜鏡；所述半導體雷射器疊陣準直模塊向 PBS稜鏡發射出偏振態為P波長為λ的雷射；所述半導體雷射器疊陣準直偏振模塊向PBS 稜鏡發射出偏振態為S波長為λ的雷射；所述PBS稜鏡對射入的兩束雷射進行偏振合束後 輸出至濾波模塊；所述濾波模塊接收來自所述半導體雷射器偏振合束模塊的PBS稜鏡的出 射光並進行濾波和合束處理，形成一束功率增加的雷射輸出至所述聚焦透鏡；所述聚焦透 鏡輸出多波長雷射。所述半導體雷射器偏振合束模塊連接有控制器。上述半導體雷射器疊陣準直模塊由依次排列的半導體雷射器疊陣、快軸準直微透鏡、慢軸準直微透鏡組成；所述半導體雷射器疊陣的出射雷射依次經快、慢軸準直微透鏡 後，發射出偏振態為P波長為λ的雷射。上述半導體雷射器疊陣準直偏振模塊由依次排列的半導體雷射器疊陣、快軸準直 微透鏡、慢軸準直微透鏡和波片組成；所述半導體雷射器疊陣的出射雷射依次經快、慢軸準 直微透鏡和旋轉偏振波片後，發射出偏振態為S波長為λ的雷射。上述半導體雷射器疊陣由一個或多個半導體雷射器組成。在本實用新型的較佳實施例中，在濾波模塊旁側平行排列有三個所述半導體雷射 器偏振合束模塊，所述濾波模塊包括多個全反射鏡和濾波鏡；三個半導體雷射器偏振合束 模塊出射的雷射分別經濾波模塊的多個全反射鏡和濾波鏡處理後合束為一束出射雷射。上述聚焦透鏡由一個或多個凸-凹球面透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡或曲面-平面透 鏡組成。上述多波長高功率半導體雷射器耦合裝置中設有溫度探測器和功率探測器以控 制系統的溫度和功率。本實用新型相對於現有技術具有以下有益效果(1)光功率密度高，一般疊陣耦合亮度較低，本實用新型的多波長高功率半導體激 光器疊陣耦合系統輸出光功率密度高。(2)功率高，本實用新型的多波長高功率半導體雷射器疊陣耦合系統輸出功率高。(3)本實用新型通過設置多個半導體雷射器偏振合束模塊以及為其濾波合束處理 的濾波模塊和聚焦透鏡，實現了多波長輸出。(4)本實用新型由聚焦透鏡輸出的光斑的大小和形狀可控，使用方便。
圖1為本實用新型的多波長高功率半導體雷射器疊陣耦合系統組成圖；圖2為本實用新型的工作原理圖。其中1為半導體雷射器偏振合束模塊；2為濾波模塊；3為聚焦透鏡；4為半導體 雷射器疊陣準直模塊；5為半導體雷射器疊陣準直偏振模塊；6為PBS稜鏡；7為半導體雷射 器疊陣；8為快軸準直微透鏡；9為慢軸準直微透鏡；10為旋轉偏振波片；11為反射鏡；12、 13 為濾波鏡；14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、25 為雷射。
具體實施方式
本實用新型的該種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，包括一個或多個半導體 雷射器偏振合束模塊1、濾波模塊2和聚焦透鏡3。所述的半導體疊陣偏振合束模塊1置於 濾波模塊2前端，聚焦透鏡3置於濾波模塊後端；該裝置中還設有溫度探測器和功率探測器 用於探測半導體雷射器偏振合束模塊1中的雷射器溫度和功率。另外本實用新型的半導體 雷射器偏振合束模塊還連接有控制器，當有多個半導體雷射器偏振合束模塊1時，可以對 其分別控制或者整體控制。半導體雷射器偏振合束模塊1包括半導體雷射器疊陣準直模塊4、半導體雷射器 疊陣準直偏振模塊5、PBS稜鏡6。半導體雷射器疊陣準直模塊4由依次排列的半導體雷射 器疊陣7、快軸準直微透鏡8、慢軸準直微透鏡9組成；半導體雷射器疊陣7的出射雷射依次
4經快、慢軸準直微透鏡8、9後，發射出偏振態為P波長為λ的雷射。半導體雷射器疊陣準 直偏振模塊5由依次排列的半導體雷射器疊陣7、快軸準直微透鏡8、慢軸準直微透鏡9和 旋轉偏振波片10組成；半導體雷射器疊陣7的出射雷射依次經快、慢軸準直微透鏡8、9和 旋轉偏振波片10後，發射出偏振態為S波長為λ的雷射。本實用新型中，半導體雷射器疊 陣7由多個(如1-20個)半導體雷射器組成。聚焦透鏡3由一個或多個凸-凹球面透鏡、 雙凸透鏡、雙凹透鏡或曲面-平面透鏡組成。在本實用新型中，當包括多個半導體雷射器偏振合束模塊時，可以並聯、可以串 聯、可以串並聯結合或者可以分別單獨控制。同時多波長高功率半導體雷射器耦合裝置還 可以加溫度探測器和功率探測器以控制系統的溫度和功率。在以上組成中，半導體雷射器疊陣準直模塊4向PBS稜鏡6發射出偏振態為P波 長為λ的雷射；半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5向PBS稜鏡6發射出偏振態為S波長為 λ的雷射；PBS稜鏡6對射入的兩束雷射進行偏振合束後輸出至濾波模塊2 ；濾波模塊2接 收來自所述半導體雷射器偏振合束模塊1的PBS稜鏡6的出射光並進行濾波和合束處理， 形成一束功率增加的雷射輸出至所述聚焦透鏡3 ；聚焦透鏡3輸出多波長雷射。
以下結合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳細描述實施例參照圖1所示，本實施例包括半導體雷射器偏振合束模塊1、濾波模塊2、聚焦透鏡 3。其中半導體疊陣偏振合束模塊1置於濾波模塊2前端，聚焦透鏡3置於濾波模塊2後端。 本實施例中，平行排列有三個半導體雷射器偏振合束模塊1，濾波模塊2包括4個全反射鏡 11和2個濾波鏡12，該處的全反射鏡11和濾波鏡12的個數是根據半導體雷射器偏振合束 模塊1的需要添加或刪減。三個半導體雷射器偏振合束模塊1出射的雷射分別經濾波模塊 2的多個全反射鏡和濾波鏡處理後合束為一束出射雷射。該多波長高功率半導體雷射器耦合裝置得工作原理如下對於半導體雷射疊陣偏振合束模塊1，置於PBS稜鏡6前端的半導體雷射器疊陣準 直模塊4發射出快、慢軸的微透鏡8、9準直後的偏振態為P波長為λ的雷射，置於PBS稜 鏡6上端的半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5發射出經快、慢軸的微透鏡8、9準直後再經 過旋轉偏振波片10後偏振態為S波長為λ的雷射，PBS稜鏡6對偏振態為P的光全透射， 對偏振態為S的光全反射，這兩束雷射經過PBS稜鏡6後，進行偏振合束，其功率增加一倍。同樣原理，對於多個半導體雷射疊陣偏振合束模塊1，進行偏振合束後，每個半導 體雷射疊陣偏振合束模塊1輸出的波長不同，在經過濾波模塊2的反射鏡和濾光鏡，多個波 長的雷射合束後從聚焦鏡3輸出。可根據需要進行波長、功率及光斑的調節。如圖2所示，對於第一個半導體雷射器疊陣偏振合束模塊，置於PBS稜鏡6前端的 半導體雷射器疊陣準直模塊4發射出快、慢軸的微透鏡準直後的偏振態為P波長為λ 1的 雷射14，置於PBS稜鏡6上端的半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5發射出經快、慢軸的微透 鏡準直後再經過旋轉偏振波片10後偏振態為S波長為λ的雷射15，PBS稜鏡6對偏振態 為P的光全透射，對偏振態為S的光全反射，這兩束雷射經過PBS稜鏡6後，進行偏振合束 後輸出雷射16，其功率增加一倍。對於第二個半導體雷射器疊陣偏振合束模塊1，置於PBS稜鏡6前端的半導體雷射 器疊陣準直模塊4發射出快、慢軸的微透鏡準直後的偏振態為P波長為λ 2的雷射17，置於PBS稜鏡上端的半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5發射出經快、慢軸的微透鏡準直後再 經過旋轉偏振波片後偏振態為S波長為λ 2的雷射18，PBS稜鏡6對偏振態為P的光全透 射，對偏振態為S的光全反射，這兩束雷射經過PBS稜鏡6後，進行偏振合束後輸出雷射20同理，對於第三個半導體雷射器置於PBS稜鏡6前端的半導體雷射器疊陣準直模 塊4發射出快、慢軸的微透鏡準直後的偏振態為P波長為λ 3的雷射21，置於PBS稜鏡上 端的半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5發射出經快、慢軸的微透鏡準直後再經過旋轉偏振 波片後偏振態為S波長為λ 2的雷射22，PBS稜鏡對偏振態為P的光全透射，對偏振態為S 的光全反射，這兩束雷射經過PBS稜鏡6後，進行偏振合束後輸出雷射23。雷射16經過反射鏡全反射到達濾光鏡12，雷射19經過反射鏡全反射到達濾光鏡 12，濾光鏡可實現對波長為λ 1的雷射全透射，對波長為λ 2的雷射全反射，雷射16和雷射 19經過濾光鏡12後合束為雷射20 ；同理，雷射23經過反射鏡全反射後到達濾光鏡13，濾 光鏡13可實現波長為λ 1和波長為λ 2的雷射全透射，對波長為λ 3的雷射全反射，雷射 20和雷射23經過濾光鏡沈後合束為雷射Μ，雷射M經過聚焦透鏡3後輸出多波長雷射 25。基於以上結構，本實用新型提出這種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置的製備 方法，具體包括以下步驟1)首先準備半導體雷射器，快軸準直微透鏡8和慢軸準直微透鏡9 ；2)將多個半導體雷射器垂直疊放為一維疊陣組成半導體雷射器疊陣7，準備多塊 半導體雷射器疊陣7 ；3)在半導體雷射器疊陣7前端安裝快軸準直微透鏡8、慢軸準直微透鏡9製成半 導體雷射器疊陣準直模塊4 ；4)在另一半導體雷射器疊陣7前端安裝快軸準直微透鏡8、慢軸準直微透鏡9和 旋轉偏振波片10製成半導體雷射器疊陣準直偏振模塊5 ；5)將半導體雷射器疊陣準直模塊4置於PBS稜鏡6前端，將半導體雷射器疊陣準 直偏振模塊5置於PBS稜鏡6上端製成半導體雷射器疊陣偏振合束模塊1 ；6)將多個反射鏡11和濾波鏡12組成濾波模塊2 ；7)將多個半導體雷射器疊陣偏振合束模塊1置於濾波模塊2前端，將聚光透鏡3 置於濾波模塊2後端，製成多波長高功率半導體雷射器疊陣耦合系統。綜上所述，本實用新型的多波長高功率半導體雷射器疊陣耦合系統，採用獨特的 光纖耦合技術，使得耦合光功率密度高，可實現多波長高功率輸出，同時，可以控制光斑的 大小和形狀。
權利要求1.一種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，包括一個或多個半導體激 光器偏振合束模塊(1)、濾波模塊( 和聚焦透鏡(3)，所述的半導體疊陣偏振合束模塊(1) 置於濾波模塊( 前端，所述聚焦透鏡C3)置於濾波模塊( 後端；該裝置中還設有溫度探 測器和功率探測器；所述半導體雷射器偏振合束模塊(1)還連接有控制器。
2.根據權利要求1所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述半 導體雷射器偏振合束模塊(1)包括半導體雷射器疊陣準直模塊G)、半導體雷射器疊陣準 直偏振模塊(5)、PBS稜鏡(6)；
3.根據權利要求2所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述半 導體雷射器疊陣準直模塊由依次排列的半導體雷射器疊陣(7)、快軸準直微透鏡(8)、 慢軸準直微透鏡(9)組成；所述半導體雷射器疊陣(7)的出射雷射依次經快、慢軸準直微透 鏡(8、9)後，發射出偏振態為P波長為λ的雷射。
4.根據權利要求2所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述半 導體雷射器疊陣準直偏振模塊(5)由依次排列的半導體雷射器疊陣(7)、快軸準直微透鏡 (8)、慢軸準直微透鏡(9)和波片(10)組成；所述半導體雷射器疊陣(7)的出射雷射依次經 快、慢軸準直微透鏡(8、9)和旋轉偏振波片(10)後，發射出偏振態為S波長為λ的雷射。
5.根據權利要求3或4所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述 半導體雷射器疊陣(7)由一個或多個半導體雷射器組成。
6.根據權利要求2所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述半 導體雷射器偏振合束模塊(1)有一個或多個，所述濾波模塊( 包括多個全反射鏡和濾波 鏡；半導體雷射器偏振合束模塊(1)出射的雷射分別經濾波模塊O)的多個全反射鏡和濾 波鏡處理後合束為一束出射雷射。
7.根據權利要求1或2所述的多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，其特徵在於，所述 聚焦透鏡(3)由一個或多個凸-凹球面透鏡、雙凸透鏡、雙凹透鏡或曲面-平面透鏡組成。
專利摘要本實用新型公開了一種多波長高功率半導體雷射器耦合裝置，包括半導體雷射器偏振合束模塊、濾波模塊、和聚焦透鏡，所述的半導體疊陣偏振合束模塊置於濾波模塊前端，所述的聚焦透鏡置於濾波模塊後端。本實用新型的多波長高功率半導體雷射器疊陣耦合系統，採用獨特的光纖耦合技術，可以實現多波長高功率輸出的輸出，光功率密度高，同時光斑形狀和大小可控。
文檔編號G02B27/28GK201903704SQ20102066611
公開日2011年7月20日 申請日期2010年12月17日 優先權日2010年12月17日
發明者劉興勝, 楊凱, 欒凱, 王敏, 王曉飈, 鄭豔芳 申請人:西安炬光科技有限公司