用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括偏振態(tài)一致的半導(dǎo)體激光疊陣和設(shè)置于半導(dǎo)體激光器出光方向的整形模塊；其中，半導(dǎo)體激光器疊陣的每個(gè)半導(dǎo)體激光器單元安裝有兩組激光芯片，其中第一激光芯片組與第二激光芯片組出光平行；所述整形模塊包括二分之一波片、反射鏡和偏振合束器，所述偏振合束片設(shè)置于第一激光芯片組出光光路上，所述反射鏡設(shè)置于第二激光芯片組出光光路上，反射鏡鏡面與偏振合束片平行設(shè)置，所述二分之一波片設(shè)置于反射鏡的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片組的激光通過(guò)偏振合束片與第一激光芯片組的激光合束出射。本實(shí)用新型輸出功率高，可靠性高。
【專利說(shuō)明】用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于激光加工【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種高功率半導(dǎo)體激光光源系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]高功率半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛用于激光加工、激光醫(yī)療、激光顯示及科學(xué)研究領(lǐng)域，成為新世紀(jì)發(fā)展快、成果多、學(xué)科滲透廣、應(yīng)用范圍大的綜合性核心器件。
[0003]半導(dǎo)體激光器正朝著高功率的方向發(fā)展，尤其在激光加工等領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的千瓦級(jí)連續(xù)輸出已成為必然需求。并且隨著對(duì)加工件的加工深度增大,更高輸出功率,更小光斑的半導(dǎo)體激光器急需研制。但是，與其他激光器相比，半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量比較差，快慢軸的光束質(zhì)量不均勻，遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)呈橢圓高斯分布，聚焦難度較大，實(shí)現(xiàn)較小光斑的激光輸出不易。同時(shí)目前用于激光加工半導(dǎo)體激光器疊陣為單一波長(zhǎng)，因不同金屬對(duì)不同波長(zhǎng)的激光吸收效率不同，單一波長(zhǎng)在激光加工過(guò)程中所加工的金屬種類有限，且對(duì)一同一種金屬加工效率低。
[0004]半導(dǎo)體激光器慢軸方向BPP (光束質(zhì)量參數(shù))很大，其慢軸方向光束質(zhì)量很差，而快軸方向BPP(光束質(zhì)量參數(shù))比較小，這樣同一巴條類半導(dǎo)體激光器快軸方向和慢軸方向BPP不匹配限制了其應(yīng)用，需平衡快軸方向和慢軸方向的BPP，需要復(fù)雜的光學(xué)整形來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0005]一般用多個(gè)棱鏡進(jìn)行切割重排的光學(xué)整形方式，此種方法是將BPP大的方向的壓力分擔(dān)到BPP小的方向，切割重排形式復(fù)雜，能量損失大。
[0006]另外，目前市場(chǎng)上僅見(jiàn)一個(gè)芯片封裝在一個(gè)液體制冷器上的結(jié)構(gòu)，且光學(xué)整形較復(fù)雜、功率低。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0007]為解決現(xiàn)有技術(shù)存在的上述缺陷，本實(shí)用新型提供一種用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)。
[0008]本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下:
[0009]用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，包括偏振態(tài)一致的半導(dǎo)體激光疊陣和設(shè)置于半導(dǎo)體激光器出光方向的整形模塊；其中，半導(dǎo)體激光器疊陣的每個(gè)半導(dǎo)體激光器單元安裝有兩組激光芯片，其中第一激光芯片組與第二激光芯片組出光平行；所述整形模塊包括二分之一波片、反射鏡和偏振合束器，所述偏振合束片設(shè)置于第一激光芯片組出光光路上，所述反射鏡設(shè)置于第二激光芯片組出光光路上，反射鏡鏡面與偏振合束片平行設(shè)置，所述二分之一波片設(shè)置于反射鏡的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片組的激光通過(guò)偏振合束片與第一激光芯片組的激光合束出射。
[0010]基于上述基本方案，本實(shí)用新型還做如下優(yōu)化限定和改進(jìn):
[0011]上述反射鏡和偏振合束片均在所處光路中成45度角設(shè)置。
[0012]上述每個(gè)半導(dǎo)體激光器單元包括液體制冷塊、絕緣層和電極層；其中，液體制冷塊由導(dǎo)電導(dǎo)熱材料制成，該液體制冷塊在平面上分為主體制冷區(qū)和芯片安裝區(qū)，所述第一激光芯片組和第二激光芯片組的正極面焊接在芯片安裝區(qū)，絕緣層焊接覆蓋在主體制冷區(qū)上，電極層整體焊接覆蓋在絕緣層以及第一激光芯片組和第二激光芯片組的負(fù)極面上。
[0013]上述第一激光芯片組和第二激光芯片組分置于芯片安裝區(qū)的兩側(cè)，所述電極層對(duì)應(yīng)于芯片安裝區(qū)的部分為U型，該U型部貼緊第一激光芯片組和第二激光芯片組。
[0014]上述第一激光芯片組和第二激光芯片組均采用單個(gè)芯片。當(dāng)然，也可以是由兩、三個(gè)芯片組成其中一組。
[0015]上述電極層材料選用高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，可以是金，也可以是銅；絕緣層材料為絕緣樹(shù)脂材料，可以是聚酰亞胺、聚酯材料，也可選用陶瓷。
[0016]本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0017]在同一個(gè)液體制冷器上封裝兩組激光芯片，在相同電流下，輸出功率比單個(gè)芯片封裝在一個(gè)液體制冷器高一倍，同時(shí)在進(jìn)行光學(xué)整形時(shí)，光斑比單個(gè)芯片的激光器的能量更高。
[0018]電極層前端設(shè)置為U型，U型部分貼合在兩個(gè)芯片上，使得電極層前端不易與液體制冷器中兩個(gè)芯片安裝區(qū)的中間位置接觸而導(dǎo)致短路，使得激光器可靠性更高；同時(shí)這種散熱絕緣結(jié)構(gòu)也保證了對(duì)兩個(gè)激光芯片的散熱效果。
[0019]本實(shí)用新型的兩組激光芯片可以為不同波長(zhǎng)，即可實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)寬光譜高功率輸出，對(duì)于激光加工應(yīng)用可以處理多種不同的金屬材料，另外，較之于單一波長(zhǎng)，不同波長(zhǎng)在對(duì)金屬進(jìn)行處理時(shí)，金屬表面吸收效率更高。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖2為本實(shí)用新型的光學(xué)系統(tǒng)原理圖。
[0022]圖3為本實(shí)用新型中任一個(gè)半導(dǎo)體激光器拆解示意圖。
[0023]附圖標(biāo)號(hào)說(shuō)明:
[0024]1-半導(dǎo)體激光器疊陣；2_整形模塊；3_二分之一波片；4_偏振合束器；5_反射鏡；6-液體制冷器；7_第一半導(dǎo)體激光器芯片；8_第二半導(dǎo)體激光器芯片；9_絕緣層；10_電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0025]用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)包括半導(dǎo)體激光疊陣、整形模塊；半導(dǎo)體激光器疊陣為第一激光芯片和第二激光芯片同時(shí)封裝在一個(gè)制冷器上，再將多個(gè)封裝好芯片的制冷器堆疊而成。
[0026]傳統(tǒng)的制冷器只能封裝一個(gè)厘米型芯片，不利于后期光學(xué)整形。
[0027]本實(shí)用新型是將兩個(gè)激光芯片同時(shí)封裝在一個(gè)制冷器上，這樣可以在后期整形的過(guò)程中較好的控制光斑的大小。
[0028]第一激光芯片和第二激光芯片的偏振態(tài)一致。第一激光芯片與第二激光芯片出光平行且出光端平齊。
[0029]整形模塊包括二分之一波片、反射鏡及偏振合束片。在第一巴條激光出射方向設(shè)置二分之一波片，用于將通過(guò)二分之一波片的第一巴條激光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90° ;在二分之一波片后設(shè)置反射鏡，用于反射激光。在第二巴條激光出射方向設(shè)置偏振合束片，偏振合束片對(duì)第二巴條的激光進(jìn)行透射，對(duì)通過(guò)反射鏡的激光進(jìn)行反射后將兩束激光進(jìn)行合束。
[0030]如圖1、2所示，半導(dǎo)體激光器疊陣I偏振態(tài)為TE (或TM)，半導(dǎo)體激光器疊陣I中第一半導(dǎo)體激光器芯片7和第二半導(dǎo)體激光器芯片8的偏振態(tài)一致,在第一半導(dǎo)體激光器芯片7激光出射方向設(shè)置二分之一波片3將第一激光芯片發(fā)出的激光由偏振態(tài)TE (或TM)旋轉(zhuǎn)為TM (或TE)，后經(jīng)過(guò)反射鏡5進(jìn)行反射；第二半導(dǎo)體激光器芯片8所發(fā)出的激光偏振態(tài)與經(jīng)過(guò)二分之一波片3的第一半導(dǎo)體激光器芯片7所發(fā)出的激光偏振態(tài)不一致，第一半導(dǎo)體激光器芯片7所發(fā)出的激光通過(guò)二分之一波片3后再通過(guò)反射鏡5進(jìn)行反射，第二激光芯片所發(fā)出的激光與經(jīng)過(guò)二分之一波片3和反射鏡5的第一激光芯片所發(fā)出的激光通過(guò)偏振合束器4進(jìn)行合束，偏振合束器4對(duì)TE (或TM)進(jìn)行透射，對(duì)TM (或TE)進(jìn)行反射。[0031 ] 如圖3所示，液體制冷器包括制冷主體及芯片安裝區(qū)，在芯片安裝區(qū)A和芯片安裝區(qū)B處分別焊接芯片后，在制冷片主體處焊接絕緣層，在芯片及絕緣層上部焊接電極層，所述電極層前端為U型，U型部分別貼緊芯片。
[0032] 電極層材料選用高導(dǎo)熱導(dǎo)電材料，可以是金，也可以是銅；絕緣層材料為絕緣樹(shù)脂材料，可以是聚酰亞胺、聚酯材料，也可選用陶瓷。
【權(quán)利要求】
1.用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:包括偏振態(tài)一致的半導(dǎo)體激光疊陣和設(shè)置于半導(dǎo)體激光器出光方向的整形模塊；其中，半導(dǎo)體激光器疊陣的每個(gè)半導(dǎo)體激光器單元安裝有兩組激光芯片，其中第一激光芯片組與第二激光芯片組出光平行；所述整形模塊包括二分之一波片、反射鏡和偏振合束器，所述偏振合束片設(shè)置于第一激光芯片組出光光路上，所述反射鏡設(shè)置于第二激光芯片組出光光路上，反射鏡鏡面與偏振合束片平行設(shè)置，所述二分之一波片設(shè)置于反射鏡的入射光路或反射光路上，使得第二激光芯片組的激光通過(guò)偏振合束片與第一激光芯片組的激光合束出射。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:所述反射鏡和偏振合束片均在所處光路中成45度角設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:所述每個(gè)半導(dǎo)體激光器單元包括液體制冷塊、絕緣層和電極層；其中，液體制冷塊由導(dǎo)電導(dǎo)熱材料制成，該液體制冷塊在平面上分為主體制冷區(qū)和芯片安裝區(qū)，所述第一激光芯片組和第二激光芯片組的正極面焊接在芯片安裝區(qū)，絕緣層焊接覆蓋在主體制冷區(qū)上，電極層整體焊接覆蓋在絕緣層以及第一激光芯片組和第二激光芯片組的負(fù)極面上。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:第一激光芯片組和第二激光芯片組分置于芯片安裝區(qū)的兩側(cè)，所述電極層對(duì)應(yīng)于芯片安裝區(qū)的部分為U型，電極層的這個(gè)U型部分貼緊第一激光芯片組和第二激光芯片組。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:第一激光芯片組和第二激光芯片組均采用單個(gè)芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于激光加工的高功率半導(dǎo)體激光器光源系統(tǒng)，其特征在于:所述電極層材料采用金或銅，絕緣層材料為聚酰亞胺、聚酯材料或陶瓷。
【文檔編號(hào)】H01S5/40GK203631979SQ201320677841
【公開(kāi)日】2014年6月4日 申請(qǐng)日期:2013年10月29日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月29日
【發(fā)明者】王敏, 王警衛(wèi), 梁雪杰, 劉興勝 申請(qǐng)人:西安炬光科技有限公司