[发明专利]空间叠加耦合高功率半导体激光叠阵系统

说明书

技术领域

本发明属于激光技术领域，具体涉及一种空间叠加耦合高功率半导体激光叠阵系统。

背景技术

激光由于亮度高、功率密度高、热作用区域小，材料加工作用时间短、加工速度快、非接触加工，无“刀具”磨损，无“切削力”作用于工件可对多种金属、非金属加工，特别是高硬度、高脆性及高熔点材料与数控系统配合组成激光加工中心，热影响区小，工件变形小、后续加工量小生产效率高、加工质量稳定可靠，解决了许多常规方法无法解决的难题，大大提高了工作效率和加工质量，目前，发达国家的制造业已经步入“光加工”时代。在激光加工业中，半导体激光器由于体积小、质量轻、效率高、寿命长及性价比高而引起人们的广泛重视。近年来工业用的半导体激光器的功率和效率的大大提高，使之在材料处理领域的应用得到极大关注。

由于工业应用激光器输出功率不断提高，而要得到高的激光输出功率，垂直叠阵成为目前的首选结构。垂直叠阵封装的主要技术挑战是光束质量、光谱控制及偏振特性的控制问题，垂直叠阵半导体激光器各巴条之间产生的热相互干扰、水流不均匀导致巴条的冷却温度不均匀都将导致巴条的波长漂移和光谱展宽。光束控制包括输出光斑尺寸控制、光强密度均匀控制和光束传输方向控制，因此需要设计和安装光束整形及叠加耦合系统，以保证高功率输出、光束质量及指向控制。

目前，为了得到高的激光输出功率，通常将两个半导体激光叠阵通过偏振耦合镜叠加起来。在现有的半导体激光叠阵通过偏振镜耦合叠加的结构中，通常将两个半导体激光叠阵垂直放置，输出光均为水平偏振，要实现偏振镜耦合叠加，其中一路在光路中设有要放入1/2波片用于将该路激光偏振方向旋转90度变为垂直偏振，且两个半导体激光叠阵的光路的交界面上安装有一个偏振镜用于将两路激光通过偏振镜耦合叠加。该偏振镜的使用主要存在以下三个问题：1）该偏振镜在光路中应按布儒斯特角59.4°放置，但该角度在实际制作过程中不易控制，角度的微偏会使得能量损耗过大；2）该偏振镜也可做成45度正入射，但这种角度下，其膜层设计比较复杂，工艺上很难实现，通常结果损耗比较大。3）输出的光不是线偏振光，无法通过加入反馈保护系统对激光器内部器件进行有效保护。同时，在半导体激光叠阵光路上设置的0级1/2波片通常胶合安装，高功率激光通过时易损坏。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种空间叠加耦合高功率半导体激光叠阵系统，该系统中的两路激光叠阵在空间上通过周期性空间耦合镜叠加输出高功率激光，光束准直采用快轴准直透镜和慢轴准直透镜列阵来实现，保持高亮度和线偏振的特性，同时，加入了反馈光隔离系统保护内部器件。有效解决了现有半导体激光器工艺的复杂性问题，输出高功率的条形均匀光斑。

为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案予以解决：

一种空间叠加高功率半导体激光叠阵系统，包括第一半导体激光叠阵、第二半导体激光叠阵，所述第一半导体激光叠阵和第二半导体激光叠阵均由多个半导体激光巴条沿快轴方向叠加而成，且该两个叠阵包含的半导体激光巴条数量相同；还包括第一快轴准直透镜组、第二快轴准直透镜组、第一慢轴准直透镜列阵组、第二慢轴准直透镜列阵组、周期性空间耦合镜、慢轴扩束系统、聚焦镜；其中：

所述第一快轴准直透镜组和第二快轴准直透镜组均由与半导体激光叠阵中半导体激光巴条个数相同的多个准直透镜组成；第一快轴准直透镜组的数量与第一半导体激光叠阵中半导体激光巴条的数量相同；第二快轴准直透镜组中准直透镜的数量与第二半导体激光叠阵中半导体激光巴条的数量相同；第一慢轴准直透镜列阵组和第二慢轴准直透镜列阵组均由多个准直透镜列阵组成；第一慢轴准直透镜列阵组中准直透镜列阵的数量与第一半导体激光叠阵中半导体激光巴条的数量相同；第二慢轴准直透镜列阵组中准直透镜列阵的数量与第二半导体激光叠阵中半导体激光巴条的数量相同；

所述第一快轴准直透镜组中的每个准直透镜相对于第一半导体激光叠阵中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该准直透镜的焦距；第二快轴准直透镜组中的每个准直透镜与第二半导体激光叠阵中对应的半导体激光巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为快轴准直透镜的焦距；第一慢轴准直透镜列阵组的每个准直透镜列阵相对于第一半导体激光叠阵中对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；第二慢轴准直透镜列阵组的每一个准直透镜列阵相对于第二半导体激光叠阵中相对应的巴条平行且同心放置，且两者之间的距离为该慢轴准直透镜列阵的焦距；