一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，可實現(xiàn)大倍率的擴束，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，成本較低。其中一種擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的n個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第1個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當(dāng)，n個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第1個分光鏡的透射光與其余n-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束；n個分光鏡的光透過率不同，使得第1個分光鏡的透射光能量與其余n-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等。
【專利說明】一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]激光具有單色性好，方向性好，相干性好，亮度高的優(yōu)點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域。激光器發(fā)出的光束直徑很小，通常為1_2_，在一些特定的應(yīng)用領(lǐng)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(tǒng)來實現(xiàn)。在激光加工應(yīng)用中，為了提高加工效率，需要利用擴束系統(tǒng)增大激光光斑；在激光照明應(yīng)用中，要求激光光斑較大并且均勻，需要擴束系統(tǒng)擴展光斑直徑，再作為光源使用。激光擴束系統(tǒng)不但可以擴展激光束的直徑，而且改善激光束的空間發(fā)散角，使光束的準(zhǔn)直性得到進一步改善。
[0003]目前常用的激光擴束系統(tǒng)為倒伽利略結(jié)構(gòu)。倒伽利略結(jié)構(gòu)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(fā)散，凸透鏡進行準(zhǔn)直。這種擴束方法中激光器發(fā)出的激光可以先加凸透鏡進行準(zhǔn)直，再用擴束系統(tǒng)進行擴束，也可以直接通過擴束系統(tǒng)進行準(zhǔn)直，在小倍率的擴束需求中，可以改善發(fā)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(guān)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(guān)，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(tǒng)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(tǒng)不適用于大倍率的擴束，會造成系統(tǒng)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，可實現(xiàn)大倍率的擴束，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小，成本較低。根據(jù)半導(dǎo)體激光器疊陣的安裝位置提出了如下兩種技術(shù)方案:
[0005]第一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第I個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當(dāng)，η個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第I個分光鏡的透射光與其余η-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束；
[0006]η個分光鏡的光透過率不同，使得第I個分光鏡的透射光能量與其余η-1個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等:
[0007]第I個分光鏡的透過率為I/ (η+1)，反射率為n/ (η+1)；
[0008]第m個分光鏡的透過率為(n-m+1) / (n-m+2)，反射率為I/ (n-m+2)；
[0009]其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，l〈m<n，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
[0010]第二種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第I個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當(dāng)，η個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；η個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束；
[0011]η個分光鏡的光透過率不同，使得η個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等:
[0012]第m個分光鏡的反射率為I/ (n-m+2)，透過率為(n_m+l) / (n-m+2)；
[0013]其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，n，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
[0014]基于上述基本方案，本發(fā)明還做如下優(yōu)化限定和改進:
[0015]上述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述半導(dǎo)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。
[0016]上述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡兩者或兩者之一，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡為準(zhǔn)直D型非球面透鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0017]上述全反射鏡的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(zhì)反射膜。
[0018]上述分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
[0019]上述分光鏡與全反射鏡一起安裝在帶刻度的固定架上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
[0020]上述分光鏡的光透過率不同是采用不同規(guī)格的鍍膜實現(xiàn)。
[0021]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
[0022]I)可以進行大倍率的擴束；
[0023]2)擴束光斑均勻，尺寸可根據(jù)需求自由調(diào)整；
[0024]3)擴束系統(tǒng)的長度僅與單個分光鏡的直徑有關(guān)，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(tǒng)中大大縮短了鏡筒的長度，減小了系統(tǒng)體積；
[0025]4)分光鏡鍍膜生產(chǎn)工藝成熟，降低了系統(tǒng)的成本。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置原理圖(方案一)；
[0027]圖2為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置原理圖(方案二)；
[0028]圖3為使用本發(fā)明方案一所制備的高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置實施案例示意圖；
[0029]圖4為使用本發(fā)明方案二所制備的高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置實施案例示意圖；
[0030]圖5為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置的一個實施例示意圖(基于方案一)。 圖6為高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置的一個實施例示意圖(基于方案二)。[0031]附圖標(biāo)號說明:1為半導(dǎo)體激光器疊陣；2為快軸準(zhǔn)直鏡；3為慢軸準(zhǔn)直鏡；4為分光系統(tǒng)；5為分光鏡；6為全反射鏡；7為固定架；8為準(zhǔn)直透鏡組。
【具體實施方式】
[0032]方案一:
[0033]一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，包括半導(dǎo)體激光器疊陣，準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)組成。半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元組成；準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡，其中，快軸準(zhǔn)直鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。所述的準(zhǔn)直透鏡組放置于半導(dǎo)體激光器激光出射處；所述分光系統(tǒng)放置于準(zhǔn)直后的激光光束出射方向，包括η個分光鏡和一個反射鏡，所述的η個分光鏡依次平行等間隔排列，除第一個分光鏡外其余η-l個分光鏡所反射出的光能量相同且與第一個分光鏡透射出的光能量相同，在最后一個分光鏡的光透射處設(shè)置全反射鏡，全反射鏡所反射出的光與除第一個分光鏡外其余分光鏡所反射出的光能量相同；上述η+1束等能量的平行光束最終合為一束均勻的激光光束。
[0034]η個分光鏡的光透過率不同，可采用在η個分光鏡上鍍不同規(guī)格的反射膜來實現(xiàn)如下:
[0035]第I片分光鏡的透過率為I/ (η+1)，反射率為n/ (η+1)；
[0036]第m片(l〈m≤n)分光鏡的透過率為(n_m+l) / (n_m+2),反射率為I/(n_m+2)；
[0037]其中，η為使用的分光鏡總數(shù)，m為需計算的分光鏡序號(l〈m ≤η)。排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
[0038]如圖1所示，共有η片分光鏡5，I片全反射鏡6，η值取決于所需要的擴束光斑的尺寸。半導(dǎo)體激光器疊陣I發(fā)出的激光有一定的發(fā)散角，先由準(zhǔn)直透鏡組8進行準(zhǔn)直，準(zhǔn)直透鏡組8可以包括快軸準(zhǔn)直鏡2和慢軸準(zhǔn)直鏡3兩者或兩者之一再經(jīng)過分光系統(tǒng)4進行擴束。η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣I出光方向成30-60°設(shè)置，激光光束經(jīng)分光鏡5后，一部分進行直射透射，另一部分光束反射偏轉(zhuǎn)90°后進入全反鏡6或者第二片分光鏡5,若光束進入全反射鏡5,則再次偏轉(zhuǎn)90° ,與第一片分光鏡5的透射光平行出射合成一束出射光，擴束后的光束直徑為原尺寸的2倍，此時分光鏡5的透過率為50%，反射率為50% ;若上述第一片分光鏡5的反射光束進入第二片分光鏡5，則再次進行分光，一部分反射偏轉(zhuǎn)90°與第一片分光鏡透射光平行出射，另一部分垂直透射，進入第三片分光鏡或者進入全反射鏡完成擴束，同以上原理可以實現(xiàn)多倍擴束。
[0039]如圖1所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成45°設(shè)置。
[0040]如圖5所示高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置示意圖，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成55°設(shè)置；此外，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置，優(yōu)選30°、35。、45。、55。和 60°。
[0041] 半導(dǎo)體激光器疊陣I由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述半導(dǎo)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。[0042]準(zhǔn)直透鏡組8包括快軸準(zhǔn)直透鏡2和慢軸準(zhǔn)直透鏡3兩者或兩者之一，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡2為準(zhǔn)直D型非球面透鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。
[0043]全反射鏡6的基體材料為玻璃或金屬，全反射鏡的材料為金屬時，可選用金屬銅、金屬鋁、金屬鋁合金或不銹鋼材料，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或金屬金，或者其他具有高發(fā)射作用的反射膜；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜，多層介質(zhì)反射膜材料為可選用依次鍍Ti02和Si02或者其他多層介質(zhì)反射膜材料。
[0044]分光鏡5的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化
鎂膜系。
[0045]如圖3所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架7上，分光鏡5與全反射鏡6 —起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
[0046]方案二:
[0047]一種高功率半導(dǎo)體激光器的激光擴束裝置，包括半導(dǎo)體激光器疊陣，準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)組成；所述的半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元組成；準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡，其中，快軸準(zhǔn)直鏡可為準(zhǔn)直D型非球面透鏡；慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。所述的準(zhǔn)直透鏡組放置于半導(dǎo)體激光器激光出射處；所述分光系統(tǒng)放置于準(zhǔn)直后的激光光束出射方向，包括η個分光鏡和一個反射鏡，所述的η個分光鏡依次平行等間隔排列，η個分光鏡所反射出的光能量相同，在最后一個分光鏡的光透射處設(shè)置全反射鏡，全反射鏡所反射出的光與分光鏡所反射出的光能量相同；上述η+1束反射光束最終合為一束均勻的激光光束。
[0048]η個分光鏡的光透過率不同，可采用在η個分光鏡上鍍不同規(guī)格的反射膜來實現(xiàn)如下:
[0049]反射率為:I/(n-m+2);透過率為(n_m+l)/ (n_m+2)；
[0050]其中，η為使用的分光鏡總數(shù)，m為需計算的分光鏡序號(l<m< η)，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
[0051]如圖2所示，半導(dǎo)體激光器I經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組8，圖2中準(zhǔn)直透鏡組8只選用了快軸準(zhǔn)直透鏡2后出射的激光光束進入分光系統(tǒng)4。激光光束經(jīng)第一片分光鏡5后,一部分光束反射出射，另一部分透射進入第二片分光鏡5，第二片分光鏡5將一部分光束反射出射，且與第一片分光鏡5的反射光束平行，另一部分光束進入第三片分光鏡5 ;依次類推到第m片分光鏡，最終透射進入全反射鏡6，全反射鏡6反射的光束與分光鏡的反射光束一同出射形成擴束光斑。
[0052]如圖2所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成45°設(shè)置。
[0053]如圖6所示，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30°設(shè)置，此外，η個分光鏡5以及全反射鏡6平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置，優(yōu)選30°、35°、45°、55°和60°。
[0054]如圖4所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架7上，分光，5與全反射鏡6 —起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。[0055]半導(dǎo)體激光器疊陣I由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述半導(dǎo)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。
[0056]快軸準(zhǔn)直透鏡2為準(zhǔn)直D型非球面透鏡。
[0057]全反射鏡6的基體材料為玻璃或金屬,全反射鏡的材料為金屬時,可選用金屬銅、金屬鋁、金屬鋁合金或不銹鋼材料，表面鍍高反膜，高反膜的材料為金屬銀或金屬金，或者其他具有高發(fā)射作用的反射膜；或者高反膜采用多層介質(zhì)反射膜，多層介質(zhì)反射膜材料為可選用依次鍍Ti02和Si02或者其他多層介質(zhì)反射膜材料。
[0058]分光鏡5的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化
鎂膜系。
[0059]如圖4所示，此種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，可將分光系統(tǒng)4安裝在固定架7上，分光鏡5與全反射鏡6 —起安裝在帶刻度的固定架7上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
【權(quán)利要求】
1.一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第I個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當(dāng)，η個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；第I個分光鏡的透射光與其余η-l個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束； η個分光鏡的光透過率不同，使得第I個分光鏡的透射光能量與其余η-l個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等: 第I個分光鏡的透過率為1/(η+1)，反射率為η/(η+1)； 第m個分光鏡的透過率為(n-m+l)/(n-m+2)，反射率為l/(n_m+2)； 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，l〈m Sn，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
2.一種高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:包括沿光路依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器疊陣、準(zhǔn)直透鏡組和分光系統(tǒng)，所述半導(dǎo)體激光器疊陣由若干個半導(dǎo)體激光單元堆疊組成，所述分光系統(tǒng)包括沿半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向依次設(shè)置的η個分光鏡以及最后設(shè)置的一個全反射鏡，其中第I個分光鏡與半導(dǎo)體激光器疊陣堆疊高度相當(dāng)，η個分光鏡以及全反射鏡平行等間隔排列，與半導(dǎo)體激光器疊陣出光方向成30-60°設(shè)置；η個分光鏡以及全反射鏡的反射光共同形成激光擴束； η個分光鏡的光透過率不同，使得η個分光鏡以及全反射鏡的反射光能量相等: 第m個分光鏡的反射率為I/ (n-m+2)，透過率為(n-m+1) / (n-m+2)； 其中，η為分光鏡總個數(shù)，m為分光鏡的排列序號，I < m < η，排列序號按照激光依次通過的順序進行排號。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體激光單元為焊接在熱沉上的半導(dǎo)體激光器芯片，所述半導(dǎo)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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:所述準(zhǔn)直透鏡組包括快軸準(zhǔn)直透鏡和慢軸準(zhǔn)直透鏡兩者或兩者之一，其中，快軸準(zhǔn)直透鏡為準(zhǔn)直D型非球面透鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡為單陣列柱面透鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:所述全反射鏡的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(zhì)反射膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:所述分光鏡的基體材料為玻璃，分光鏡表面鍍增反膜，增反膜的材料為硫化鋅-氟化鎂膜系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:所述分光鏡與全反射鏡一起安裝在帶刻度的固定架上，固定架的材料為塑料，鋁，鋼或者銅。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的高功率半導(dǎo)體激光器的擴束裝置，其特征在于:分光鏡的光透過率不同是采用不同規(guī)格的鍍膜實現(xiàn)。
【文檔編號】H01S5/06GK103996973SQ201410195842
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月9日
【發(fā)明者】蔡磊, 劉興勝 申請人:西安炬光科技有限公司