一种半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法

本发明涉及一种基于光束旋转镜（beam twister，bts）的半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法，是一种完全新型的半导体激光单管外腔光束质量优化系统及优化方法，属于半导体激光。

背景技术：

1、近年来，国内外对于半导体激光各类技术的研究逐渐深入，半导体激光单管逐渐进入科研实验以及日常使用中。半导体激光单管相较于固体、光纤激光器拥有较小的体积、较稳定以及较长的使用寿命、较为广泛的波长输出范围以及较好的电光转换效率，因而逐渐开始在各领域如工业加工、医疗照明及先进通讯作为重要光源使用。但半导体激光单管存在单个激光单管输出功率较低、输出光斑光束质量较差等明显缺点，因此如何进一步优化半导体激光单管输出光束质量以及提高半导体激光单管合束输出功率成为目前亟待解决的重要研究问题。

2、半导体激光单管目前主流输出波段为红光、红外以及目前较为先进的蓝光和绿光。目前日本的日亚公司于2016年推出了输出功率能够分别达到5w和2w的蓝光与绿光半导体激光单管；国内苏州纳米所于2020年将蓝光半导体激光单管的最大输出功率成功提高至7.5w。由于目前来说单个半导体激光单管的输出功率仍然有限，因此主要通过空间合束技术进一步提高激光输出功率。空间合束技术的实现方法主要分为光纤捆绑或空间压缩后耦合进输出光纤，目前，德国的laserline公司以及美国的nuburu公司均通过对蓝光半导体激光单管空间合束实现了总输出功率超过3kw的蓝光输出，光参数积 bpp超过100mm•mrad；国内的深圳联赢以及北京凯普林公司于2021年成功突破了1kw功率的蓝光空间合束输出，光参数积 bpp约为30mm•mrad。

3、目前制约半导体激光单管空间合束的主要问题是：由于半导体激光单管内部外延材料问题，其内部发光区域呈长方形，且该区域长与宽相差较大，导致输出的光斑为椭圆形，即使经过准直镜经过较好的准直后，其光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差仍然较大，进而导致无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均需要耦合进较大纤径的光纤中输出，导致最终输出光束质量较差；且由于光斑在快轴与慢轴光束质量相差较大，使用光纤耦合方式或空间压缩方式进行空间合束时，无法将最大数量的半导体激光单管耦合进确定纤径尺寸的输出耦合光纤，导致最终输出功率无法进一步提高；当时用使用空间压缩的方式进行空间合束时，则需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，导致整个空间合束系统极为复杂精密且整个体积较大，导致成本较高、调光难度较大且稳定性较差。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置与方法，通过对整个装置中各构成模块精确设计以及搭建装置精密调光完成整个外腔光束优化平台建立并进行后续合束应用，用以解决现有合束技术由于半导体激光单管内部外延材料问题，其内部发光区域呈长方形，且该区域长与宽相差较大，导致输出的光斑为椭圆形，即使经过准直镜经过较好的准直后，其光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差仍然较大，进而导致无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均需要耦合进较大纤径的光纤中输出，导致最终输出光束质量较差；且由于光斑在快轴与慢轴光束质量相差较大，使用光纤耦合方式或空间压缩方式进行空间合束时，无法将最大数量的半导体激光单管耦合进确定纤径尺寸的输出耦合光纤，导致最终输出功率无法进一步提高；当时用使用空间压缩的方式进行空间合束时，则需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，导致整个空间合束系统极为精密且整个体积较大，导致成本较高、调光难度较大且稳定性较差的实际问题。本发明相较于现有技术能够有效提升能够有效提升半导体激光单管输出光束质量、最终合束激光的光束质量、输出功率以及合束效率，并有效增加后续合束装置的稳定性，减小合束装置的整体尺寸、调光难度以及成本。

2、本发明的技术方案如下：

3、一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置，其结构包括：半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜。

4、所述半导体激光单管由若干半导体材料通过外延生长得到的半导体激光芯片在通过特定的封装方式成型，其发光区域称为有源区，能够发出横截面光斑为椭圆形的拥有特定波长的半导体激光光束，该光束在快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）方向均具有特定的发散角。

5、所述快轴准直镜以及慢轴准直镜用于分别对半导体激光单管输出激光光束的快轴与慢轴方向进行准直，能够分别减小快慢轴方向上的光束发散角，使半导体激光光束能够变为近乎平行光出射。

6、所述光束分割棱镜用于通过光束分割棱镜的不同面将经过快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后的近乎于水平出射的半导体激光光束在慢轴方向上分割为若干条子光束，部分或全部子光束以不同方向出射至对应的全反射镜上。

7、光束分割棱镜两侧设有全反射镜，全反射镜用于将被分割后的若干条子光束分别反射并改变其光路使其入射到后续对应的光束旋转镜上，光束旋转镜用于将接受到的子光束沿光轴方向旋转90°（即光束的快轴方向与慢轴方向互换）后输出；由全反射镜输入光路的光束旋转镜，其输出光路上也设有全反射镜。

8、光束旋转镜输出光路上的全反射镜用于将若干经过快慢轴变换的子光束反射偏折光束后重新入射到另一个摆放位置位于光路最右端的光束分割棱镜的对应面上，光束经过最右端的光束分割棱镜的重新拼接为全新的光束输出。

9、优选的，所述半导体激光单管中的半导体激光芯片包括由gan、algan或inalgan等材料构成的单异质结、双异质结或量子阱结构，能够输出蓝光波段、绿光波段、红光波段以及红外波段等半导体激光。半导体激光芯片主要通过to、cs或f-mount等方式通过特定焊料焊接在散热热沉上，再连接电极并使用配套的外壳以及水冷结构装置通水冷却使半导体激光芯片能够稳定并长时间输出特定波段的激光。

10、优选的，由于半导体激光芯片输出的激光光束在快轴方向上的发散角大于慢轴方向上的发散角，因此所述快轴准直镜的有效焦距较小，对于大发散角的快轴方向准直能力较强，所述慢轴准直镜的有效焦距较大，快轴准直镜的有效焦距小于慢轴准直镜的有效焦距，能够对发散角较小的慢轴方向光束进行准直，因此慢轴准直镜一般摆放在快轴准直镜后端。

11、进一步优选的，快轴准直镜焦距小于1.5mm，慢轴准直镜焦距通常大于5mm，甚至可以达到20mm以上。

12、优选的，所述光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其中梯形光束分割棱镜由透射材料制成，上底与下底面均为透射面，两腰面镀有全反射膜，光束由上底方向入射，光束慢轴方向最中间部分能够通过梯形光束分割棱镜的上底并从下底不改变光路方向直接出射（后面称为中心光束），光束慢轴方向两边部分则分别通过梯形光束分割棱镜的两腰面反射光束偏折90°分别以与中间光束垂直的相反方向出射，进而配合相应的棱镜尺寸设计以及摆放位置将准直后的激光光束分为相等的三部分输出；同理，三角形光束分割棱镜也由透射材料制成且为等腰直角三角形，其两腰面镀有全反射膜，因此在位置摆放合适的情况下可直接将准直后的激光光束分为相等的且方向相反的两部分输出。

13、优选的，光束分割棱镜的数量为至少两个且为偶数，光路前方的光束分割棱镜用于分割光束，光束后方对应的光束分割棱镜用于将分割的光束合并。

14、优选的，由于所述半导体激光单管输出的激光光束在最终完成拼接输出前需经过整个装置中的大量光学元件，因此，除半导体激光芯片单元前后腔面镀有特定反射率的反射膜，其他光学元件如快轴准直镜、慢轴准直镜、光束分割棱镜、全反射镜、光束旋转镜的透射面上均需镀有增透膜，保证最大的透过率，进而保证较小的损耗以及较大的输出功率，为后续合束应用提供保障。

15、一种基于光束旋转镜的半导体激光单管外腔光束质量优化装置的优化方法，包括步骤如下：

16、半导体激光单管发出的光束经过快轴准直镜、慢轴准直镜，射入光束分割棱镜，由光束分割棱镜将光束分割。

17、当光束分割棱镜为梯形光束分割棱镜时，一个梯形光束分割棱镜将光束分为3条，由上底面与下底面透过的为中心光束，由两腰面反射为侧光束，中心光束射出至光束旋转镜，侧光束经过全反射镜的反射也分别射出至对应光路上的光束旋转镜，经过光束旋转镜的侧光束再次投射到全反射镜上并反射进入光路后方的梯形光束分割棱镜，经过光束旋转镜的中心光束也射入光路后方的梯形光束分割棱镜，由光路后方的梯形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束。

18、当光束分割棱镜为三角形光束分割棱镜时，一个三角形光束分割棱镜将光束分割为2条，2条子光束分别经过全反射镜、光束旋转镜、全反射镜射入光路后方的三角形光束分割棱镜，由光路后方的三角形光束分割棱镜将分割的光束合并为一条光束。

19、合并后的光束输出至耦合透镜，再经过耦合光纤输出。

20、优选的，梯形光束分割棱镜能够将光束分割为3条，三角形光束分割棱镜能够将光束分割为2条，因此进一步设经过准直的半导体激光光束被分割为 n条子光束， n≥ 2，且为自然数，且设装置在分割光束过程中梯形光束分割棱镜数量为 n1， n1≥ 0，且为自然数，三角形光束分割棱镜数量为 n2， n2≥ 0，且为自然数， n1与 n2不同时为0，则总的被分割子光束数量为：

21、（1-1）

22、由于所述半导体激光单管在快轴与慢轴方向初始发光尺寸与发散角不同，设半导体激光单管输出的激光光束快轴方向光参数积为 bpp快轴；慢轴方向光参数积为 bpp慢轴，设激光光束快轴方向光斑尺寸（直径）为 ω快轴，剩余发散角（全角）为 θ快轴；慢轴方向光斑尺寸为 ω慢轴，剩余发散角为 θ慢轴，经过所述快轴准直镜以及慢轴准直镜准直后，再根据光参数积 bpp不变原理，则经过准直后的半导体激光光束快轴和慢轴方向光参数积仍为 bpp快轴与 bpp慢轴且可表示为：

23、（1-2）

24、（1-3）

25、所述半导体激光单管输出的经过准直的激光光束快轴 bpp快轴一般远小于慢轴方向光参数积为 bpp慢轴，这主要是由于半导体激光芯片本身限制所决定的，因此被分割后的总的子光束数量n与 bpp快轴和 bpp慢轴相差的倍数有着直接的关系。因此以尽可能使经过装置优化后的半导体激光光束能够在快轴与慢轴两方向较为均衡，通过调整n的数值使 bpp快轴’ ≈ bpp慢轴’，本发明的最终达到的目的在于使光束快轴及慢轴光束质量较为均衡，即快轴方向光参数积 bpp快轴’与慢轴方向光参数积 bpp慢轴’较为接近，以此为目的通过计算可以得到具体将光束分为多少束子光束较为合适。即经过整形后的快轴方向光参数积 bpp快轴’与慢轴方向光参数积 bpp慢轴’较为接近（ bpp快轴’ ≈ bpp慢轴’），且经过快慢轴方向变换且重新拼接的最终光束快轴与慢轴光参数积分别可表示为：

26、（1-4）

27、（1-5）

28、因此被分割后的总的子光束数量 n可由下述公式（1-6）确定：

29、（1-6）

30、值得注意的是，本式（1-6）所得出的被分割的总子光束数量仅为参考值，具体需要将经过准直的半导体激光光束分为多少子光束则需要根据实际的实验条件、实验精度、以及后续合束应用等装置的具体尺寸以及需要耦合的光纤纤径等实际情况再做确定。

31、进一步优选的，对所述半导体激光单管进行一次分割时，使用梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜最多可将光束分为3条子光束，调整n的数值时，若想增加被分割的子光束数量，在一次分割为梯形光束分割棱镜的情况下，中心光束可直接继续叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，两边部分的侧光束则需要首先经过全反射镜对应反射光束偏折使侧光束重新与中心光束平行后再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜；叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行。

32、在一次分割为三角形光束分割棱镜的情况下，则无中心光束情况，两个腰面将光束分割为反向的两条子光束，每条子光束经过全反射镜后光路互相平行，每条子光束的光路上均可以再叠加一个梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，叠加使用的梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，其两腰面上反射的光束均需要经过全反射镜将对应光束偏折使所有侧光束重新归于平行，其步骤原理与上述梯形光束分割棱镜情况一致。以此类推，在此基础上后续通过继续叠加梯形光束分割棱镜或三角形光束分割棱镜，进而达到所需要分割的子光束数量。值得注意的是，在分割光束过程中使用到的梯形光束分割棱镜数量为 n1，三角形光束分割棱镜数量为 n2，那么则需要完全对应数量的梯形光束分割棱镜以及三角形光束分割棱镜在后续重新拼接光束，即整个装置中梯形光束分割棱镜数量为2 n1，三角形光束分割棱镜数量为2 n2。因为前方光路有多少分割，后方光路就需要将多少分割再重新合束，前后两方为轴对称的分布。

33、进一步优选的，以使用梯形光束分割棱镜为一次分割棱镜为例，一次分割时使用梯形光束分割棱镜，若后续在中心光束上继续叠加了一个梯形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上也分别叠加一个梯形光束分割棱镜；若后续在中心光束上继续叠加了一个三角形光束分割棱镜，则需要在一次分割时两边部分侧光束上分别叠加一个三角形光束分割棱镜，以此类推。

34、一次分割时使用三角形光束分割棱镜，后续在两侧子光束上叠加的光束分割棱镜为同种类，每一次叠加均为同种类，即光束分割棱镜需要在满足分割后的子光束完全相同的最终目的下进行叠加；就是说永远要保证每一束子光束都是等分的，然后按照这个规律以此类推。

35、优选的，除中心光束外其他被分割的光束均需要配备一个所述全反射镜使其光束偏折并与中心光束平行入射到所述光束旋转镜上，且后续均需搭配一个同样的全反射镜用来偏折光束并入射到所述光束分割棱镜进行光束重新拼接，因此可以得到，整个装置中全反射镜的数量为2·（3· n1+2· n2- n1），而光束旋转镜的需要与子光束一一对应，因此其数量与子光束对应为3· n1+2· n2，即为 n。

36、本发明的有益效果在于：

37、1. 本发明能够提高优化半导体激光单管的光束质量并进一步提高后续应用合束输出的光束质量。首先，在半导体激光单管内部由于发光的有源区长度与宽度相差较大导致发光区域呈椭圆形，光斑的快轴（椭圆短轴）与慢轴（椭圆长轴）光束质量相差较大，本装置通过对慢轴方向光斑的分割后首先将慢轴光束分割为光束质量较好的若干部分，之后通过光束旋转镜的旋转将若干慢轴方向光束变为快轴方向并通过重新拼接后实现慢轴方向变为原光束质量较好的快轴方向光束叠加，而快轴方向则仅剩光束质量较好的一部分被切割的原慢轴光斑，进而实现对于光斑的快慢轴光束质量的优化；进一步的，拥有更加优异及均衡的光束质量的半导体激光单管输出光束在后续无论是通过光纤耦合或空间压缩进行空间合束，最终均可以相应的耦合进较小纤径的光纤中输出，进一步提高了半导体激光单管在后续应用中总的合束输出光束质量。

38、2. 本发明能够有效提高半导体激光单管在后续总的合束输出功率以及合束效率。上述创新点1所述经过本装置整形优化的半导体激光单管拥有在快慢轴方向上较为均衡的光束质量，因此在光纤耦合方式合束时，半导体激光单管首先可以被耦合进纤径较小的光纤中，进一步在后续可以将更多的半导体激光单管耦合进确定纤径的总输出光纤中，从而提高总的输出功率，进而提升了总的合束效率；在空间压缩方式合束时，由于参与合束的半导体激光单管光束质量已经经过优化，因此再经过空间压缩后，总的光斑排布光束质量也较为均匀，因此同样能够将更多的半导体激光单管耦合进确定纤径的总输出光纤中，从而提高总的输出功率，进而提升了总的合束效率。

39、3. 本发明能够有效增加后续合束装置的稳定性，减小合束装置的整体尺寸、调光难度以及成本。在使用空间压缩方式进行合束时，由于上述创新点1所述经过本装置整形优化的半导体激光单管拥有在快慢轴方向上较为均衡的光束质量，因此不再需要复杂的空间排布设计尽量使经过空间压缩后的若干半导体激光单管输出光斑在快轴与慢轴光束质量相近，这样能够很大程度上减小整个空间合束系统的复杂精密程度，进而减小整个后续合束装置体积、装配时的调光难度，并有效增加稳定性。

40、4. 本发明直接使用镀有反射膜的规则棱镜以及镀有增透膜的光束旋转镜即可完成光束质量优化，加工及调光难度较低。