[发明专利]多重光束耦合大功率半导体激光装置

说明书

技术领域

本发明涉及大功率半导体激光器制备技术，特别是一种通过对多个半导体激光光源的光束耦合以实现的大功率半导体激光装置。

背景技术

相对于其它类型的激光器，半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、可以直接电流调制等优点，因此在工业、军事、核能、通信等众多领域被广泛的应用，同时对半导体激光器输出功率和亮度的要求也越来越高。通过将半导体激光发光单元集成为一维线阵(LD Bar)和堆叠多个LD Bar的二维面阵(LD Stack)，可以有效地提高半导体激光器的输出功率，但是由于受到散热的限制，二维面阵不可以对LD Bar无限制的堆叠，国际上可以做到25个Bar的叠层，连续输出功率2500w，这样的功率仍然不能满足工业对金属切割、焊接等加工的需要。这就要求采用适当的光束耦合方法，将多个半导体激光列阵的光束耦合到同一光学路径，以提高输出功率和亮度。采用偏振耦合技术将光束进行耦合并且最终耦合进光纤输出。由于半导体激光列阵是高度的线偏振光，偏振耦合棱镜能够将两半导体激光列阵光束耦合输出再经光束整形装置将光束耦合至光纤输出。

图4是一种靠半波片实现将其中一束半导体激光的偏振方向旋转90°以获得与半导体激光列阵不同方向的偏振光，然后用立方体偏振耦合棱镜耦合光束以实现输出大功率半导体激光，现在国际上有偏振耦合技术(H J Baker，JF Monjardin，P Kneip，D R Hall，1.8kW diode laser system for fibre-delivery usingbrightness-enhanced diode stacks and a novel final beam-shaper[J].SPIE Proc，2008，Vol.6876)，如图3所示该装置是将同一波长相同偏振态的两半导体激光器21、22成90°放置，其中一个半导体激光22经过半波片23将其偏振方向旋转90°，使之与另一个半导体激光器21偏振方向垂直，然后用立方体偏振耦合棱镜24与半导体激光241进行耦合成一束输出，再经过平凸柱面镜25、26、27、29、反射镜28及平凹柱面镜30、31的组合，被会聚到光纤32的输入端面上，经光纤32输出。这种结构可以实现合束，缺点是：(1)两激光器垂直成90°放置，调节复杂；(2)采用立方体偏振耦合棱镜，中间胶合面在长时间高功率使用中使胶熔化，使效率降低；(3)由于半导体激光器本身发散角较大未经过准直而直接放置半波片旋转偏振方向效率降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、元件容易加工的多重光束耦合大功率半导体激光装置，以克服上述目前已有技术的缺限，实现更高的功率和亮度输出。

本发明多重光束耦合大功率半导体激光装置，包括四个相同偏振态的半导体激光器、波长选择元件、扩束聚焦器件，所述四个相同偏振态的半导体激光器中的两个半导体激光器的波长为λ₁，另两个半导体激光器的波长为λ₂；以所述的四个半导体激光器中波长为λ₁的两个半导体激光器为一组、以波长为λ₂的两个半导体激光器为另一组，分别通过偏振耦合器件组成两个光束耦合光源；该两个光束耦合光源呈互为垂直放置，在两光束耦合光源输出光束的交点处设置所述的波长选择元件，所述的一组光束耦合光源出射的光束经波长选择元件全透射传输，另一组光束耦合光源’出射的光束经波长选择元件全反射后与前述的透射光束耦合成一束传输至所述扩束聚焦器件后射出。

所述的偏振耦合器件是一其斜面上镀有偏振膜的直角偏振耦合棱镜，在该直角偏振耦合棱镜的一侧直角面上贴置一与所述该组两激光器波长相对应的四分之一波片，该四分之一波片的外端面上镀有高反射膜；一个激光器的出射光束经该直角偏振耦合棱镜的斜面反射使传输方向旋转90度后传输，另一个激光器的出射光束通过该直角偏振耦合棱镜的另一侧直角面后经斜面内反射至所述的的四分之一波片，再经过该四分之一波片的反射实现偏振方向的90度旋转后，透射过该直角偏振耦合棱镜的斜面与前述的反射光束耦合成一束传输。

在所述的每个半导体激光器的出射端还分别设有快轴准直镜，以降低快轴发散角。

所述的分别组成两个光束耦合光源中的两个半导体激光器在垂直于半导体激光列阵P-n结平面的快轴(y)方向上的位置差为半导体激光列阵间距d的1/2。