[发明专利]一种蓝光半导体激光正反面多层叠加偏振-空间合束装置

说明书

本发明公开了一种蓝光半导体激光正反面多层叠加偏振‑空间合束装置，属于蓝光半导体激光技术领域。包括第一至第三光路模块、三层光束转折元件、快轴聚焦镜、慢轴聚焦镜、光纤，第二和第三光路模块分别以相反且相对第一光路模块90°夹角的角度与第一光路模块同时出射偏振合束的蓝光光束，快慢轴聚焦镜用于对合束后的蓝光光束分别进行快慢轴方向上的聚焦。本发明中通过对蓝光半导体激光阵列进行光束压缩，在保证与发光单元输出激光光束质量相近的前提下提高最终的输出功率，并通过慢轴方向上多层蓝光半导体激光阵列以及快轴方向上多个发光单元的叠加设计，使最终的合束光束快轴与慢轴方向上尺寸近似相等，更有利于耦合进光纤等后续利用。

技术领域

本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种蓝光半导体激光正反面多层叠加偏振-空间合束装置。

背景技术

由于铜等金属反射率较高的材料对于蓝光的吸收远远大于红光，因此蓝光激光将会被广泛应用于Cu的3D打印以及金属焊接等领域。蓝光半导体激光器是当前重要发展趋势，激光功率能够达到百瓦甚至千瓦输出。日本的岛津公司在2015年研发出的BLUE IMPACT蓝光冲击二极管激光器能够输出100W的蓝光激光，可以应用于3D打印，并且可以使用纯铜粉末来代替目前已有的铜合金达到更好的加工效果；美国的Nuburu公司在2019年使用由输出功率为4W的256个蓝光半导体发光单元通过光纤空间合束制成输出功率为500W的蓝光模块，并将连个蓝光发光模块通过偏振合束最终研发出输出功率为1000W的高功率蓝光半导体激光器。

目前，提高蓝光激光器输出功率的主要办法有三种：空间合束、偏振合束、以及光谱合束。其中，偏振合束是利用偏振选择光学元件将两束线偏振光束组合起来，光束质量可得到保证，功率和亮度可提高一倍。但它需要偏振输入光束，并导致一个非偏振输出光束，所以可以组合的元素的最大数量是两个，在一种结构中最多能把功率提高2倍，不可再度叠加。所以，从严格意义上讲，偏振合束不能被认为是一种功率放大的有效方法。这种方法常用于将两束偏振不同的泵浦光组合在一起。但它可以与其他合束方法组合用，如与光谱合束组合联合使用，作为最后的合束步骤。

国内对蓝光半导体激光器空间合束的研究，2018年武汉国家光电实验室将48颗蓝光单管垂直放置，最后耦合进400μm NA0.22的多模光纤中，实验得到光纤输出功率为156.3W；2020年联赢激光宣称完成了千瓦级蓝光激光器的研制，其可以实现800μm、NA 0.22光纤的1.1kW蓝光激光输出；2021年北京凯普林公司推出了170W可耦合进100μm、NA为0.22光纤的445nm蓝光半导体激光器和250W可耦合进200μm、NA 0.22光纤的445nm蓝光激光器；北工大与中科大半导体所在2021年利用空间合束和偏振合束技术设计了105μm NA0.22光纤输出144.7W的高亮度蓝光半导体激光器。

然而，目前国内半导体激光合束的激光输出功率与国际顶尖水平仍有很大差距，并且欠缺对于蓝光波段的激光合束实验与研究，基本无法实现输出较高光束质量的高功率蓝光激光，同时现有的蓝光半导体激光器，体积大且稳定性不够，散热方面也存在问题。本发明对于提高国内半导体激光器行业发展与突破国外技术垄断均具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种蓝光半导体激光正反面多层叠加偏振-空间合束装置，旨在提出一种对多层蓝光半导体激光器阵列进行快慢轴准直、光束压缩以及偏振合束的装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种蓝光半导体激光正反面多层叠加偏振-空间合束装置，包括：第一至第三光路模块、三层光束转折元件、快轴聚焦镜、慢轴聚焦镜、光纤，所述第二和第三光路模块分别以相反且相对第一光路模块90°夹角的角度与第一光路模块同时出射偏振合束的蓝光光束，在所述三层光束转折元件处合束，所述快轴聚焦镜和慢轴聚焦镜用于对合束后的蓝光光束分别进行快轴方向和慢轴方向上的聚焦，使之耦合进光纤中进行最终输出；