專利名稱：大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于激光器技術(shù)領(lǐng)域，主要涉及一種大功率半導(dǎo)體激光器，尤其涉及一種 將兩個半導(dǎo)體激光器的激光束進(jìn)行合成的光束偏振合成裝置。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器與其它激光相比具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、工作壽命 長、易于直接電調(diào)制等諸多優(yōu)點，因此被廣泛用于工業(yè)、軍事、通信等領(lǐng)域。其缺點是輸出功 率低，從而使其應(yīng)用也受到一定限制。提高半導(dǎo)體激光器功率的方法是將半導(dǎo)體激光器的 發(fā)光單元集成為線陣或面陣列陣器件，但受到散熱和近軸有效光要求的限制，發(fā)光單元不 可能無限堆積。提高半導(dǎo)體激光功率的另一種方法就是將多個半導(dǎo)體列陣激光器的光束合 成為一路光束，通過一個光學(xué)通道發(fā)射出去，以提高激光的輸出功率。由于半導(dǎo)體激光器是 一種偏振度很高的激光器，因此可通過偏振分光棱鏡將兩個半導(dǎo)體激光列陣光束合成為一 路光束，在通過光束整形等措施可通過一路光路獲得大功率、光斑均勻性更好的激光束。公開號為CN1972046A的中國專利申請公開了一種光束偏振合成裝置，其兩個半 導(dǎo)體激光器的p-n結(jié)相互平行放置，為了用偏振分光棱鏡實現(xiàn)兩光合成，在一個激光器光 路中，用二分之一波片將該光路的光束偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90°，但光路中未設(shè)光束整形裝置。公開號為CN101369716A的中國專利申請也公開了一種光束偏振合成裝置，該裝 置采用直角偏振耦合棱鏡進(jìn)行光束合成，在該棱鏡的一個直角面上膠合有一個四分之一波 片，一路光束垂直入射棱鏡的另一個直角面，通過斜面反射后垂直入射到膠合有四分之一 波片的直角面上，光束在該波片中往返兩次，使得該光束的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°。由于該斜面 兩邊介質(zhì)折射率不同，通過該波片反射回的光束在透射斜面時光束會發(fā)生折射，不能很好 地與另一路光束重合。在以上兩項專利申請中，都采用了對光波長很敏感的波片，而半導(dǎo)體激光器波長 隨溫度變化較大，因此在不同溫度下，激光的波長不同，因此合成效率也有所變化；而且，采 用波片會增加光路的復(fù)雜程度，導(dǎo)致成本增大。另外，由于上述兩個合成裝置均不能獲得光 斑均勻性很好的光斑。因此不適用某些對光功率和光斑均勻性都要求較高的應(yīng)用需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的第一個技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種輸出功 率大且體積小，便于光學(xué)系統(tǒng)集成的大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置。本發(fā)明要解決的第二個技術(shù)問題是，所提供的大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成 裝置能夠作為特定軍用場合的激光光源使用，其輸出的激光束具有很好的光斑分布均勻 性。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供的光束偏振合成裝置包括第一、第二激光器、偏 振分光鏡和光束準(zhǔn)直裝置，所述第一、第二激光器相同且為功率大于200w的半導(dǎo)體激光 器，第一激光器位于所述光束準(zhǔn)直裝置的物方焦點上且正對偏振分光鏡的第一入射面，第二激光器位于光束準(zhǔn)直裝置的等效物方焦點上且正對偏振分光鏡的第二入射面，第一激光 器和第二激光器的p-n結(jié)相互垂直；所述偏振分光鏡為立方分光棱鏡且45°分光面上鍍有 偏振分光膜；所述第一激光器發(fā)出的線偏振激光束由所述第一入射面進(jìn)入所述偏振分光鏡 并被透射到所述的光束準(zhǔn)直裝置，所述第二激光器發(fā)出的線偏振激光束由所述第二入射面 進(jìn)入所述偏振分光鏡并被反射到所述的光束準(zhǔn)直裝置，經(jīng)所述偏振分光鏡合成后的光束由 所述光束準(zhǔn)直裝置準(zhǔn)直成平行光束后出射。本發(fā)明還包括兩個相同的負(fù)柱面鏡，第一負(fù)柱面鏡的底平面膠合在所述偏振分光 鏡的第一入射面上，其凹面一側(cè)指向所述第一激光器且柱面的母線方向與第一激光器的快 軸方向一致；第二負(fù)柱面鏡的底平面膠合在所述偏振分光鏡的第二入射面上，其凹面一側(cè) 指向第二激光器且柱面的母線方向與第二激光器的快軸方向一致；所述第一負(fù)柱面鏡接收 所述第一激光器發(fā)出的線偏振光束，在保持該線偏振光束快軸方向發(fā)散角不變的前提下將 該線偏振光束的慢軸方向發(fā)散角擴(kuò)束到與所述的快軸方向發(fā)散角一致，并將快、慢軸方向 的光束同時送入所述偏振分光棱鏡的第一入射面；所述第二負(fù)柱面鏡接收所述第二激光器 發(fā)出的線偏振光束，在保持該線偏振光束快軸方向發(fā)散角不變的前提下將該線偏振光束的 慢軸方向發(fā)散角擴(kuò)束到與所述的快軸方向發(fā)散角一致，并將快、慢軸方向的光束同時送入 所述偏振分光棱鏡的第二入射面。根據(jù)本發(fā)明，所述的第一、第二激光器的峰值功率為250w，中心波長為905nm，慢 軸方向的發(fā)散角為8°，快軸方向的發(fā)散角為25° ；所述第一、第二負(fù)柱面鏡[3、4]的焦距 為-13. Imm0本發(fā)明的整體技術(shù)效果體現(xiàn)在以下兩個方面。(一)本發(fā)明將第一、第二激光器的p-n結(jié)相互垂直放置從而獲得兩束偏振方向相 互垂直的線偏振光，實現(xiàn)光束偏振合成，另外可使兩個激光器發(fā)出的橢圓形光束進(jìn)行垂直 疊加，實現(xiàn)光強(qiáng)互補(bǔ)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明沒有采用任何波片，因此，結(jié)構(gòu)組成簡單，體 積小，便于光學(xué)系統(tǒng)集成。(二)本發(fā)明還采用了兩個相同的負(fù)柱面鏡，其中，第一負(fù)柱面鏡膠合在偏振分光 鏡的第一入射面，第二負(fù)柱面鏡膠合在偏振分光鏡的第二入射面，兩個負(fù)柱面鏡分別對第 一、第二激光器出射光束的慢軸方向發(fā)散角進(jìn)行擴(kuò)束，使得激光束的快、慢軸方向發(fā)散角基 本相同，進(jìn)一步提高了合成光束的光斑分布均勻性，從而能夠滿足特定軍用場合對其作為 激光光源提出的戰(zhàn)技要求。


圖1是本發(fā)明光束偏振合成裝置的結(jié)構(gòu)組成示意圖。圖2是兩個半導(dǎo)體激光器列陣發(fā)光單元的尺寸及快慢軸發(fā)散角示意圖。圖3是兩個半導(dǎo)體激光器列陣發(fā)光單元分布以及合成疊加后的示意圖。圖4是偏振分光棱鏡和負(fù)柱面鏡的膠合示意圖。圖5是光束準(zhǔn)直裝置的組成示意圖。圖6是未經(jīng)負(fù)柱面鏡擴(kuò)束的兩束光的光斑分布與疊加效果示意圖。圖7是經(jīng)負(fù)柱面鏡擴(kuò)束后的兩束光的光斑分布與疊加效果示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳述。正如圖1所示，本發(fā) 明光束偏振合成裝置的優(yōu)選實施例包括兩個相同的激光器1和2、兩個相同的負(fù)柱面 鏡3和4、偏振分光棱鏡6以及光束準(zhǔn)直裝置5。兩個激光器1和2選用隧道效應(yīng)型半 導(dǎo)體激光器，主要參數(shù)為峰值功率250w，中心波長905nm，慢軸和快軸方向的發(fā)散角為 8° X25° (參見圖2)，第一、第二激光器1、2的發(fā)光列陣芯數(shù)均為4條，發(fā)光區(qū)域為 a(200 ym) Xb (200 μ m)，合成后的總功率為482w。第一激光器正對偏振分光棱鏡6的第一 入射面并位于光束準(zhǔn)直裝置5的物方焦點上，第二激光器2正對偏振分光棱鏡6的第二入 射面且位于光束準(zhǔn)直裝置5的等效物方焦點上；第一、第二激光器1、2的p-n結(jié)相互垂直放 置，以保證兩個激光器1、2的線偏振方向相互垂直，實現(xiàn)偏振合成，合成后的總功率是兩個 激光器功率之和；此外兩個激光器1、2的p-n結(jié)相互垂直放置，也使得兩個激光器1、2的發(fā) 光列陣面相互垂直，進(jìn)而使兩個激光器1、2出射的光斑合成后實現(xiàn)垂直交叉疊加，光強(qiáng)互 補(bǔ)。在本優(yōu)選實施例中，第一激光器1的P-n結(jié)為圖面的寬度方向，第二激光器2的p-n結(jié) 為圖面的長度方向(參見圖3)。根據(jù)圖4所示，偏振分光棱鏡6為邊長c = 9mm的立方棱鏡，它是采用兩個ZF3直 角棱鏡膠合而成，膠合面亦即分光面上鍍制有偏振分光膜層，該偏振分光膜層對來自第一 入射面的線偏振光具有高透過率，而對于來自第二入射面的線偏振光具有高反射率。在本 優(yōu)選實施例中，偏振分光棱鏡6對第一激光器1出射的線偏振光進(jìn)行透射且透射率為97 %， 對第二激光器2出射的線偏振光進(jìn)行反射且反射率為96%。兩個負(fù)柱面鏡3、4的焦距 為-13. 1mm，底平面為9mmX9mm，且光束入射面和出射面上均鍍有透過率為99. 5%的增透 膜。第一負(fù)柱面鏡3的底平面膠合在偏振分光棱鏡6的第一入射面上，凹面一側(cè)指向第一 激光器1且柱面的母線方向與第一激光器1的快軸方向一致；第二負(fù)柱面鏡4的底平面粘 接在偏振分光棱鏡6的第二入射面上，凹面一側(cè)指向第二激光器2且柱面的母線方向與第 一激光器2的快軸方向一致。根據(jù)圖5所示，光束準(zhǔn)直裝置5由一個負(fù)透鏡和一個正透鏡構(gòu)成的準(zhǔn)直鏡組，其組 合后的有效通光孔徑為d為10mm，焦距f為18. 54mm。再看圖1，第一激光器1發(fā)出的線偏振光束通過第一負(fù)柱面鏡3后其慢軸方向的8° 發(fā)散角光束擴(kuò)束至25°，快軸方向發(fā)散角保持不變，擴(kuò)束后的光束經(jīng)偏振分光棱鏡6透射到光 束準(zhǔn)直裝置5 ；第二激光器2發(fā)出的線偏振光束通過第二負(fù)柱面鏡4后其慢軸方向的8°發(fā)散 角光束擴(kuò)束至25°，快軸方向發(fā)散角保持不變，擴(kuò)束后的光束經(jīng)偏振分光棱鏡6反射到光束準(zhǔn) 直裝置5，由此將兩束光合成為一束光；光束準(zhǔn)直裝置5將合成光束準(zhǔn)直為平行光束發(fā)射出去。本發(fā)明所述的大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置的目的不僅是提供一個大 功率半導(dǎo)體激光光源，而且還要使該光源具有很好的光斑均勻性。在本發(fā)明中，雖然，通過 采取將兩個激光器1、2的p-n結(jié)相互垂直放置的措施，使兩個激光器1、2出射的光斑分布 得到一定改善，即第一、第二激光器1、2發(fā)射的光束經(jīng)過準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直后為兩個正交的橢 圓形光斑(參見圖6)，但仍不能滿足對均勻性要求很高的應(yīng)用場合。為此，通過加入兩個負(fù) 柱面鏡3、4的技術(shù)措施，使得通過光束準(zhǔn)直裝置5的兩個橢圓形光斑的短軸得以擴(kuò)展，每個 激光光斑近似于圓形分布(參見圖7)，即兩束激光均充滿光束準(zhǔn)直裝置5的通光孔徑，從而 獲得光斑空間分布均勻性好的光束。
權(quán)利要求
一種大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置，包括第一、第二激光器[1、2]、偏振分光鏡[6]和光束準(zhǔn)直裝置[5]，所述第一、第二激光器[1、2]相同且為功率大于200w的半導(dǎo)體激光器，第一激光器[1]位于所述光束準(zhǔn)直裝置[5]的物方焦點上且正對偏振分光鏡[6]的第一入射面，第二激光器[2]位于光束準(zhǔn)直裝置[5]的等效物方焦點上且正對偏振分光鏡[6]的第二入射面；所述偏振分光鏡[6]為立方分光棱鏡且45°分光面上鍍有偏振分光膜；其特征在于所述第一激光器[1]和第二激光器[2]的p n結(jié)相互垂直；所述第一激光器[1]發(fā)出的線偏振激光束由所述第一入射面進(jìn)入所述偏振分光鏡[6]并被透射到所述的光束準(zhǔn)直裝置[5]，所述第二激光器[2]發(fā)出的線偏振激光束由所述第二入射面進(jìn)入所述偏振分光鏡[6]并被反射到所述的光束準(zhǔn)直裝置[5]，經(jīng)所述偏振分光鏡[6]合成后的光束由所述光束準(zhǔn)直裝置[5]準(zhǔn)直成平行光束后出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置，其特征在于還包 括兩個相同的負(fù)柱面鏡[3、4]，第一負(fù)柱面鏡[3]的底平面膠合在所述偏振分光鏡[6]的第 一入射面上，其凹面一側(cè)指向所述第一激光器[1]且柱面的母線方向與第一激光器[1]的 快軸方向一致；第二負(fù)柱面鏡[4]的底平面膠合在所述偏振分光鏡[6]的第二入射面上，其 凹面一側(cè)指向第二激光器[2]且柱面的母線方向與第二激光器[2]的快軸方向一致；所述 第一負(fù)柱面鏡[3]接收所述第一激光器[1]發(fā)出的線偏振光束，在保持該線偏振光束快軸 方向發(fā)散角不變的前提下將該線偏振光束的慢軸方向發(fā)散角擴(kuò)束到與所述的快軸方向發(fā) 散角一致，并將快、慢軸方向的光束同時送入所述偏振分光棱鏡[6]的第一入射面；所述第 二負(fù)柱面鏡[4]接收所述第二激光器[2]發(fā)出的線偏振光束，在保持該線偏振光 束快軸方 向發(fā)散角不變的前提下將該線偏振光束的慢軸方向發(fā)散角擴(kuò)束到與所述的快軸方向發(fā)散 角一致，并將快、慢軸方向的光束同時送入所述偏振分光棱鏡[6]的第二入射面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置，其特征在于所述 的第一、第二激光器[1、2]的峰值功率為250w，中心波長為905nm，慢軸方向的發(fā)散角為 8°，快軸方向的發(fā)散角為25° ；所述第一、第二負(fù)柱面鏡[3、4]的焦距為-13. 1mm。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大功率半導(dǎo)體激光器光束偏振合成裝置，可作為大功率激光光源。該裝置包括兩個相同的大功率半導(dǎo)體激光器，兩個負(fù)柱面鏡，偏振分光鏡以及光束準(zhǔn)直裝置；兩個激光器按照p-n結(jié)相互垂直的方向放置；第一、第二激光器發(fā)出的線偏振光束分別經(jīng)第一、第二負(fù)柱面鏡后，其慢軸方向發(fā)散角被擴(kuò)束到與快軸方向發(fā)散角一致，再分別經(jīng)偏振分光鏡的透射和反射后，其合成光束由光束準(zhǔn)直裝置準(zhǔn)直成平行光束后輸出。本發(fā)明解決了在實現(xiàn)光束合成的同時，又可使光束具有很好的光斑分布均勻性的問題，從而可以作為軍用特定領(lǐng)域的激光光源使用，此外，本發(fā)明沒有采用任何波片，具有結(jié)構(gòu)組成簡單，成本低，便于光學(xué)系統(tǒng)集成的特點。
文檔編號H01S5/06GK101916964SQ20101024816
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月5日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月5日
發(fā)明者劉芳, 卜英華, 李剛, 杜高社, 楊華梅, 薛常佳, 陳勝石 申請人:中國兵器工業(yè)第二〇五研究所