專利名稱：多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體激光器制備技術(shù)，特別是一種通過對多個(gè)半導(dǎo) 體激光光源的光束耦合以實(shí)現(xiàn)的大功率半導(dǎo)體激光裝置。
背景技術(shù)：
相對于其它類型的激光器，半導(dǎo)體激光器(LD)具有體積小、重量輕、 效率高、壽命長、可以直接電流調(diào)制等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)、軍事、核能、通 信等眾多領(lǐng)域被廣泛的應(yīng)用，同時(shí)對半導(dǎo)體激光器輸出功率和亮度的要求也 越來越高。通過將半導(dǎo)體激光發(fā)光單元集成為一維線陣(LD Bar)和堆疊多 個(gè)LDBar的二維面陣(LD Stack)，可以有效地提高半導(dǎo)體激光器的輸出功 率，但是由于受到散熱的限制，二維面陣不可以對LDBar無限制的堆疊，國 際上可以做到25個(gè)Bar的疊層，連續(xù)輸出功率2500w，這樣的功率仍然不能 滿足工業(yè)對金屬切割、焊接等加工的需要。這就要求采用適當(dāng)?shù)墓馐詈戏?法，將多個(gè)半導(dǎo)體激光列陣的光束耦合到同一光學(xué)路徑，以提高輸出功率和 亮度。采用偏振耦合技術(shù)將光束進(jìn)行耦合并且最終耦合進(jìn)光纖輸出。由于半 導(dǎo)體激光列陣是高度的線偏振光，偏振耦合棱鏡能夠?qū)砂雽?dǎo)體激光列陣光 束耦合輸出再經(jīng)光束整形裝置將光束耦合至光纖輸出。
圖4是一種靠半波片實(shí)現(xiàn)將其中一束半導(dǎo)體激光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90。以獲
得與半導(dǎo)體激光列陣不同方向的偏振光，然后用立方體偏振耦合棱鏡耦合光 束以實(shí)現(xiàn)輸出大功率半導(dǎo)體激光，現(xiàn)在國際上有偏振耦合技術(shù)(H J Baker，J F Monjardin，P Kneip,D R Hall, 1.8kW diode laser system for fibre-delivery using brightness-enhanced diode stacks and a novel final beam-shaper[J].SPIE Proc，
2008， Vol.6876),如圖3所示該裝置是將同一波長相同偏振態(tài)的兩半導(dǎo)體激 光器21、 22成90。放置，其中一個(gè)半導(dǎo)體激光22經(jīng)過半波片23將其偏振方向 旋轉(zhuǎn)90。，使之與另一個(gè)半導(dǎo)體激光器21偏振方向垂直，然后用立方體偏振耦 合棱鏡24與半導(dǎo)體激光241進(jìn)行耦合成一束輸出，再經(jīng)過平凸柱面鏡25、 26、 27、 29、反射鏡28及平凹柱面鏡30、 31的組合，被會(huì)聚到光纖32的輸入端面 上，經(jīng)光纖32輸出。這種結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)合束，缺點(diǎn)是(1)兩激光器垂直成 90。放置，調(diào)節(jié)復(fù)雜；(2)采用立方體偏振耦合棱鏡，中間膠合面在長時(shí)間 高功率使用中使膠熔化，使效率降低；(3)由于半導(dǎo)體激光器本身發(fā)散角較 大未經(jīng)過準(zhǔn)直而直接放置半波片旋轉(zhuǎn)偏振方向效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡單、元件容易加工的多重光束耦合大功 率半導(dǎo)體激光裝置，以克服上述目前已有技術(shù)的缺限，實(shí)現(xiàn)更高的功率和亮 度輸出。
本發(fā)明多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，包括四個(gè)相同偏振態(tài)的半 導(dǎo)體激光器、波長選擇元件、擴(kuò)束聚焦器件，所述四個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體 激光器中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的波長為、，另兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的波長為人2; 以所述的四個(gè)半導(dǎo)體激光器中波長為、的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為一組、以波長 為人2的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為另一組，分別通過偏振耦合器件組成兩個(gè)光束耦 合光源；該兩個(gè)光束耦合光源呈互為垂直放置，在兩光束耦合光源輸出光束 的交點(diǎn)處設(shè)置所述的波長選擇元件，所述的一組光束耦合光源出射的光束經(jīng) 波長選擇元件全透射傳輸，另一組光束耦合光源'出射的光束經(jīng)波長選擇元件 全反射后與前述的透射光束耦合成一束傳輸至所述擴(kuò)束聚焦器件后射出。
所述的偏振耦合器件是一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦合棱鏡，在 該直角偏振耦合棱鏡的一側(cè)直角面上貼置一與所述該組兩激光器波長相對應(yīng) 的四分之一波片，該四分之一波片的外端面上鍍有高反射膜； 一個(gè)激光器的
出射光束經(jīng)該直角偏振耦合棱鏡的斜面反射使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度后傳輸，另 一個(gè)激光器的出射光束通過該直角偏振耦合棱鏡的另一側(cè)直角面后經(jīng)斜面內(nèi) 反射至所述的的四分之一波片，再經(jīng)過該四分之一波片的反射實(shí)現(xiàn)偏振方向
的90度旋轉(zhuǎn)后，透射過該直角偏振耦合棱鏡的斜面與前述的反射光束耦合成
一束傳輸。
在所述的每個(gè)半導(dǎo)體激光器的出射端還分別設(shè)有快軸準(zhǔn)直鏡，以降低快 軸發(fā)散角。
所述的分別組成兩個(gè)光束耦合光源中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在垂直于半導(dǎo)
體激光列陣P-n結(jié)平面的快軸(y)方向上的位置差為半導(dǎo)體激光列陣間距d 的1/2。
本發(fā)明的特點(diǎn)在于采用四分之一波片使兩個(gè)波長相同、偏振態(tài)相同的激 光器中的一個(gè)半導(dǎo)體激光列陣光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90虔與另一半導(dǎo)體激光 列陣的偏振方向相互垂直從而在直角偏振耦合棱鏡中耦合輸出，實(shí)現(xiàn)兩光束 的耦合，在不改變光束質(zhì)量的條件下，將輸出功率和亮度提高為原來的2倍， 而且由于兩個(gè)相對放置的半導(dǎo)體激光器在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面 的y軸方向上的位置差為半導(dǎo)體激光列陣間距d的1/2，互為填充了半導(dǎo)體激 光列陣LD Bar間的發(fā)光空隙；通過與之匹配的四分之一波片及偏振耦合棱鏡 來實(shí)現(xiàn)合束。以此方式分別組成兩個(gè)偏振態(tài)相同而波長不同的光束耦合光源，
再通過波長選擇元件將該兩個(gè)偏振態(tài)相同而波長不同的光束耦合光源輸出的 光束再次耦合，最終采用擴(kuò)束聚焦裝置耦合后進(jìn)入光纖輸出，即得到更大的 輸出功率和亮度。本發(fā)明為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Τ蠊β拾雽?dǎo)體激光器的需求提 供了至目前為止最為先進(jìn)可行的制備技術(shù)。


圖1是本發(fā)明多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置的結(jié)構(gòu)示意圖2是是圖1中所示構(gòu)成每組光束耦合光源的兩個(gè)半導(dǎo)體激光列陣位置
高度關(guān)系示意圖3是現(xiàn)有技術(shù)以半波片及立方體偏振耦合棱鏡的光束耦合實(shí)現(xiàn)輸出大 功率半導(dǎo)體激光的裝置示意圖。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。 參照圖1， 一種多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，包括四個(gè)相同偏 振態(tài)的半導(dǎo)體激光器l、 l'、 2、 2'、波長選擇元件7、擴(kuò)束聚焦器件，所述四 個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體激光器中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器l、 r的波長為、，另 兩個(gè)半導(dǎo)體激光器2、 2'的波長為人2;以所述的四個(gè)半導(dǎo)體激光器中波長為、
的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器i、 r為一組、以波長為x2的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為另一
組，分別通過偏振耦合器件組成兩個(gè)光束耦合光源6、 6';該兩個(gè)光束耦合光 源6、 6'呈互為垂直放置，在兩光束耦合光源6、 6'輸出光束的交點(diǎn)處設(shè)置所 述的波長選擇元件7，所述的一組光束耦合光源6出射的光束經(jīng)波長選擇元 件7全透射傳輸，另一組光束耦合光源6'出射的光束經(jīng)波長選擇元件7全反 射后與前述的透射光束耦合成一束傳輸至所述擴(kuò)束聚焦器件后射出。
所述的偏振耦合器件是一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦合棱鏡4， 在該直角偏振耦合棱鏡4的一側(cè)直角面上貼置一與所述該組兩激光器波長相 對應(yīng)的四分之一波片5，該四分之一波片5的外端面上鍍有高反射膜； 一個(gè) 激光器的出射光束經(jīng)該直角偏振耦合棱鏡4的斜面反射使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度 后傳輸，另一個(gè)激光器的出射光束通過該直角偏振耦合棱鏡4的另一側(cè)直角 面后經(jīng)斜面內(nèi)反射至所述的的四分之一波片5，再經(jīng)過該四分之一波片5的 反射實(shí)現(xiàn)偏振方向的90度旋轉(zhuǎn)后，透射過該直角偏振耦合棱鏡4的斜面與前 述的反射光束耦合成一束傳輸。
所述的擴(kuò)束聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的柱透鏡8、球 透鏡9、彎月透鏡10組成。
所述的四分之一波片5與直角偏振耦合棱鏡4相貼的內(nèi)端面上還鍍有高透 射膜。
在所述的每個(gè)半導(dǎo)體激光器l、 l'、 2、 2，的出射端還分別設(shè)有快軸準(zhǔn)直鏡
3，以降低快軸發(fā)散角。
所述的快軸準(zhǔn)直鏡3可采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。 參照圖2，所述的分別組成兩個(gè)光束耦合光源6、 6'中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光
器在垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面的快軸(y)方向上的位置差為半導(dǎo)體
激光列陣間距d的1/2。使兩激光器中每個(gè)激光器的光束都處于另一激光器的
發(fā)光空隙中，更有利于聚焦得到小光斑。
權(quán)利要求
1.一種多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，包括四個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體激光器(1、1’、2、2’)、波長選擇元件(7)、擴(kuò)束聚焦器件，所述四個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體激光器中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、1’)的波長為λ1，另兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(2、2’)的波長為λ2，其特征在于以所述的四個(gè)半導(dǎo)體激光器中波長為λ1的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、1’)為一組、以波長為λ2的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為另一組，分別通過偏振耦合器件組成兩個(gè)光束耦合光源(6、6’)；該兩個(gè)光束耦合光源(6、6’)呈互為垂直放置，在兩光束耦合光源(6、6’)輸出光束的交點(diǎn)處設(shè)置所述的波長選擇元件(7)，所述的一組光束耦合光源(6)出射的光束經(jīng)波長選擇元件(7)全透射傳輸，另一組光束耦合光源(6’)出射的光束經(jīng)波長選擇元件(7)全反射后與前述的透射光束耦合成一束傳輸至所述擴(kuò)束聚焦器件后射出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征 在于，所述的偏振耦合器件是一其斜面上鍍有偏振膜的直角偏振耦合棱鏡(4),在該直角偏振耦合棱鏡(4)的一側(cè)直角面上貼置一與所述該組兩激 光器波長相對應(yīng)的四分之一波片(5)，該四分之一波片(5)的外端面上鍍 有高反射膜； 一個(gè)激光器的出射光束經(jīng)該直角偏振耦合棱鏡(4)的斜面反射 使傳輸方向旋轉(zhuǎn)90度后傳輸，另一個(gè)激光器的出射光束通過該直角偏振耦合 棱鏡(4)的另一側(cè)直角面后經(jīng)斜面內(nèi)反射至所述的的四分之一波片(5)， 再經(jīng)過該四分之一波片(5)的反射實(shí)現(xiàn)偏振方向的90度旋轉(zhuǎn)后，透射過該 直角偏振耦合棱鏡(4)的斜面與前述的反射光束耦合成一束傳輸。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征 在于所述的擴(kuò)束聚焦器件由沿耦合后光束傳輸方向依次設(shè)置的柱透鏡(8)、 球透鏡(9)、彎月透鏡(10)組成。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征在于，所述的四分之一波片(5)與直角偏振耦合棱鏡(4)相貼的內(nèi)端面上還鍍有高透射膜。
5. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征 在于，在所述的每個(gè)半導(dǎo)體激光器(1、 l'、 2、 2，)的出射端還分別設(shè)有快軸 準(zhǔn)直鏡(3)，以降低快軸發(fā)散角。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征 在于所述的快軸準(zhǔn)直鏡(3)采用柱透鏡、半柱透鏡或漸變折射率透鏡。
7. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，其特征 在于，所述的分別組成兩個(gè)光束耦合光源(6、 6')中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器在 垂直于半導(dǎo)體激光列陣P-n結(jié)平面的快軸(y)方向上的位置差為半導(dǎo)體激光 列陣間距d的1/2。
全文摘要
本發(fā)明涉及大功率半導(dǎo)體激光器制備技術(shù)，特別是一種多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置，包括四個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體激光器、波長選擇元件、擴(kuò)束聚焦器件，所述四個(gè)相同偏振態(tài)的半導(dǎo)體激光器中的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的波長為λ₁，另兩個(gè)半導(dǎo)體激光器的波長為λ₂；以所述的四個(gè)半導(dǎo)體激光器中波長為λ₁的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為一組、以波長為λ₂的兩個(gè)半導(dǎo)體激光器為另一組，分別通過偏振耦合器件組成兩個(gè)光束耦合光源；該兩個(gè)光束耦合光源經(jīng)所述波長選擇元件再次耦合成一束傳輸至所述擴(kuò)束聚焦器件后射出。本發(fā)明為相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域?qū)Τ蠊β拾雽?dǎo)體激光器的需求提供了至目前為止最為先進(jìn)可行的制備技術(shù)。
文檔編號(hào)H01S5/00GK101369717SQ20081005121
公開日2009年2月18日 申請日期2008年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月25日
發(fā)明者云 劉, 單肖楠, 彭航宇, 王祥鵬, 王立軍, 顧媛媛 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所