一种激光阵列以及激光合束装置的制作方法

本发明涉及激光器领域，尤其是一种阶梯型的半导体垂直叠阵激光阵列以及具有该激光阵列的激光合束装置。

背景技术：

大功率二极管激光器阵列具有体积小、效率高、寿命长等优点，在工业加工中有着广泛的应用。通常通过堆叠多个巴条可提高半导体激光器的输出功率，从而满足对二极管激光器输出功率的越来越高的要求。但受到散热和巴条本身厚度的限制，堆叠多个巴条时两个巴条之间的周期不能太小，一般在2mm左右，而对于最新的高输出功率的巴条，这个周期甚至会大于3mm。并且快轴准直透镜的高度也在1.5mm以上。同时，经过快轴准直镜的准直后的快轴方向的光束不会充满整个快轴准直镜的高度，一般约占整个快轴准直镜高度的50％～75％。所以，由二极管激光器阵列构成的垂直叠阵输出的光束经过快轴准直透镜后，中间有相当多的空隙。

这种情况下可以采取适当的光束耦合方法(即合束技术)，将相邻二极管激光器阵列的光束通过光学元件重新排列，减少中间的空隙，以提高垂直叠阵输出光束的平均亮度。

目前对于半导体垂直叠阵激光器的合束技术常见的有偏振合束技术、波长合束技术和空间合束技术。

偏振合束技术，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的两路激光组合在一起沿相同方向传播，例如Serguei G.Anikitchev在美国专利US6,993,059 B2所介绍的，通过波片和偏振耦合棱镜将叠阵的上半部分和下半部分的光束重叠输出，通常偏振合束技术是将两路偏振方向相互垂直的激光束或激光束组合相互合并，且总是于其它合束技术配合使用。

波长合束技术，将不同波长的激光束通过二向色镜、光栅等光学元件组合在一起，能有效提高功率与亮度，是目前高功率直接半导体激光器发展的主要方向。然而无论是采用二向色镜、体布拉格光栅还是衍射光栅，总是要受到光谱的限制，不同波长之间要求相互独立，要保持足够的波长间隔。

空间合束技术，例如Keming Du等人在美国专利No.6,124,973中所介绍的，是通过将多个半导体激光器在空间上按照一定的次序进行排列堆叠，形成一组沿着相同方向传播的激光束，从而得到高功率的激光输出。而一般来说，空间堆叠无法改善光束质量，由此得来的高功率激光输出一般直接应用于对光束质量要求不高的场合，如作为光纤激光器的泵浦源等。但是，对于半导体垂直叠阵激光器，由于光束在竖直方向的高度被半导体垂直叠阵激光器自身所决定，因此在相邻光束之间存在明显的空隙，因此对于半导体垂直叠阵激光器来说，可以通过空间合束技术，得到能量密度高的激光光源。例如中国专利CN102751660A所公开的，又如中国专利CN103944067A所公开的，但是受限于叠阵的空隙尺寸和快轴光斑尺寸是否匹配的问题，不一定能完全消除光束中的空隙。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种激光阵列以及激光合束装置，该激光合束装置可以减小或消除每一个二极管激光器出射的激光之间的空隙，得到能量密度高的激光光源。

根据本发明的一个方面提供一种激光阵列，所述激光阵列包括多个二极管激光器，所述激光阵列的出光侧、每个所述二极管激光器均具有一个出光端，多个所述出光端呈阶梯排列。

优选地，多个所述二极管激光器远离所述激光阵列的出光侧的一端呈阶梯排列。

优选地，多个所述二极管激光器远离所述激光阵列的出光侧的一端齐平。

优选地，所述二极管激光器包括热沉以及设置于所述热沉上的半导体激光器芯片。

优选地，所述半导体激光器芯片为至少一个单管芯片或巴条。

根据本发明的另一个方面还提供一种激光合束装置，所述激光合束装置包括：上述的激光阵列；整形光学系统，设置于所述激光阵列的出光侧；合束光学元件，设置于所述整形光学系统的出光侧，所述合束光学元件包括多个与所述激光阵列的二极管激光器相对应的反射面，多个所述反射面呈阶梯排列。

优选地，所述激光阵列的多个二极管激光器沿第一方向排列，每个所述二极管激光器的出射光沿第二方向射出，其中，多个所述反射面沿所述第二方向上的间距小于多个所述二极管激光器沿所述第一方向上的间距。

优选地，所述合束光学元件的多个反射面在与其反射方向相垂直的平面上的投影无缝衔接。

优选地，所述激光合束装置的每个所述二极管激光器发出的出射光具有相同的光程。

优选地，所述合束光学元件的每个所述反射面与所述整形光学系统的出射光的出射方向之间的夹角为45度。

优选地，所述合束光学元件包括多个反射镜，每个所述反射镜均设置于一个所述二极管激光器的出光端。

优选地，所述合束光学元件为一个具有多个所述反射面的反射镜，其中，每个所述反射面均设置于一个所述二极管激光器的出光端。

优选地，所述整形光学系统包括多个与所述二极管激光器一一对应的快轴准直镜，每个所述快轴准直镜均设置于一个所述二极管激光器的出光侧。

优选地，所述整形光学系统还包括多个慢轴准直镜，每个所述慢轴准直镜均设置于一个所述快轴准直镜的出光侧。

优选地，所述整形光学系统还包括多个光束扭转器，每个所述光束扭转器均设置于一个所述快轴准直镜和一个所述慢轴准直镜之间。

本发明实施例揭示了一种激光阵列以及激光合束装置，所述激光合束装置的激光阵列中各个二极管激光器发射的激光经过整形光学系统进行准直后，由具有多个与二极管激光器相对应的反射面的合束光学元件进行反射，通过调整合束光学元件的多个反射面的角度和位置，可以得到平行且减小或消除空隙的光束，提高激光合束装置输出的激光束的能量密度以及该激光合束装置快轴方向的填充系数，进而，有效改善激光束质量。并且该激光合束装置的光路简单、经济，对光束其他方面的质量(例如平行度、准直性等)也不会造成影响，甚至还可以通过工艺控制来进一步改善光束质量(例如平行度、准直性等)。此外，在此实施例中，由于合束光学元件的多个反射面也相应地呈阶梯排列，进而，在使用本发明实施例中的激光阵列(该激光阵列的多个二极管激光器的出光端也呈阶梯排列)后，可以补偿由于合束光学元件的多个反射面造成的各个二极管激光器发射的激光束之间的光程差，从而得到平行、等光程且无空隙的激光束。

附图说明

图1为本发明的第一实施例的激光阵列的结构示意图；

图2为本发明的第一实施例激光合束装置结构示意图；

图3为本发明的第一实施例激光合束装置光路图

图4为本发明的第二实施例的激光合束装置的结构示意图；

图5为本发明的第三实施例的激光阵列的结构示意图；以及

图6为本发明的第三实施例的激光合束装置的结构示意图。

具体实施方式

依据本发明主旨构思，所述激光合束装置包括：激光阵列，所述激光阵列包括多个二极管激光器，所述激光阵列的出光侧、每个所述二极管激光器均具有一个出光端，多个所述出光端呈阶梯排列；整形光学系统，设置于所述激光阵列的出光侧；合束光学元件，设置于所述整形光学系统的出光侧，所述合束光学元件包括多个与所述二极管激光器相对应的反射面，多个所述反射面呈阶梯排列。

下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。

第一实施例

请参见图1，其示出了本发明的第一实施例的激光阵列的结构示意图。在图1所示的实施例中，激光阵列1包括多个二极管激光器。具体来说，每个二极管激光器均能产生具有一定光谱宽度的激光束。所述二极管激光器包括一热沉以及设置于该热沉上的半导体激光器芯片。其中，所述半导体激光器芯片为至少一个单管芯片或巴条，其可以焊接于热沉上。需要说明的是，所述巴条也可以是微型巴条。

多个二极管激光器沿第一方向(图1中Z轴方向)排列。图1中以三个二极管激光器11、12、13为例进行说明，需要说明的是，在本发明的实施例中，二极管激光器的数量并不以此为限，而可以根据实际的需求进行设置，例如，沿图1中Z轴的方向进行进一步的增设。此外，在本发明的实施例中，多个二极管激光器互相之间沿图1中Z轴方向的间距(例如二极管激光器11与二极管激光器12之间的间距、或者二极管激光器12与二极管激光器13之间的间距)可以根据实际的需求进行调整，在此不予赘述。

进一步地，在激光阵列1的出光侧、每个二极管激光器均具有一个出光端，多个所述出光端呈阶梯排列。每个二极管激光器的出射光沿第二方向(图1中的X轴方向)射出。具体来说，如图1所示，三个二极管激光器11、12和13各自具有一个出光端，分别为出光端111、121和131，其中，出光端一般为热沉上的半导体激光器芯片所在的一端。出光端111、121和131呈阶梯排列。需要说明的是，出光端111、121和131呈阶梯排列是指沿着多个二极管激光器的排布方向(第一方向、即图1中Z轴方向)上，多个二极管激光器的出光端逐个向第二方向(图1中X轴方向)进行延伸。例如，图1中二极管激光器12的出光端121相比二极管激光器11的出光端111沿X轴方向进行了延伸；而图1中二极管激光器13的出光端131相比二极管激光器12的出光端121沿X轴方向进行了延伸。

进一步地，在图1所示的实施例中，为了节约成本，激光阵列1的每个二极管激光器使用完全相同的二极管激光器，而多个二极管激光器的出光端呈阶梯排列，因此，相应地，多个二极管激光器远离所述激光阵列的出光侧的一端也呈阶梯排列。

进一步地，本发明提供一种激光合束装置，该激光合束装置包括上述图1中的激光阵列。具体来说，请参见图2，其示出了本发明的第一实施例激光合束装置结构示意图。在图2所示的优选实施例中，所述激光合束装置包括：激光阵列1、整形光学系统2以及合束光学元件3。其中，激光阵列1可以是上述图1所示的结构。

整形光学系统2置于激光阵列1出光侧。整形光学系统2用于对对激光阵列1产生的激光束进行光学整形。具体来说，整形光学系统2包括多个与所述二极管激光器一一对应的快轴准直镜。每个所述快轴准直镜均设置于一个二极管激光器的出光侧。其中，快轴准直镜用于将二极管激光器在快轴上的发散光束进行准直，使其成为接近平行发射的激光束。在图2所示的实施例中，整形光学系统2包括三个快轴准直镜21、22和23。其中，快轴准直镜21对应设置于二极管激光器11的出光侧；快轴准直镜22对应设置于二极管激光器12的出光侧；快轴准直镜23对应设置于二极管激光器13的出光侧。

需要说明的是，在本发明的其他实施例中，整形光学系统2还可以根据实际的需求进行光学元件的增设。例如，在本发明的一个实施例中，整形光学系统2还可以包括多个慢轴准直镜，每个所述慢轴准直镜均设置于一个快轴准直镜的出光侧。或者，在本发明的另一个实施例中，在上述具有慢轴准直镜的基础上，整形光学系统2还可以包括多个光束扭转器，每个所述光束扭转器均设置于一个快轴准直镜和一个慢轴准直镜之间。这些实施例均可予以实现，并实现类似的效果，在此不予赘述。

合束光学元件3设置于整形光学系统2的出光侧。合束光学元件3包括多个与所述二极管激光器相对应的反射面，多个所述反射面呈阶梯排列。合束光学元件3对经过整形光学系统2的激光束通过反射的方式进行重新排列。合束光学元件3的每个所述反射面与整形光学系统2的出射光的出射方向之间的夹角为45度。具体来说，在图2所示的实施例中，合束光学元件3包括多个反射镜，每个反射镜均设置于一个二极管激光器的出光端。由于图2中是以三个二极管激光器为例，因此，相应地，在此实施例中，合束光学元件3包括三个反射镜。如图2所示，反射镜31对应设置于二极管激光器11的出光侧；反射镜32对应设置于二极管激光器12的出光侧；反射镜33对应设置于二极管激光器13的出光侧。

在图2所示的实施例中，反射镜31、32和33呈阶梯排列。需要说明的是，反射镜31、32和33呈阶梯排列是指沿着反射镜31、32和33的排布方向(图2中为沿Z轴方向)上，反射镜31、32和33逐个向与图2中X轴所示的方向相反的方向进行排布。例如，图2中反射镜32相比反射镜31更靠近整形光学系统2的出光侧，即反射镜31与二极管激光器11的出光端111之间的距离大于反射镜32与二极管激光器12的出光端121之间的距离；而图2中反射镜33相比反射镜32更靠近整形光学系统2的出光侧，即反射镜32与二极管激光器12的出光端121之间的距离大于反射镜33与二极管激光器13的出光端131之间的距离。

进一步地，多个反射面沿第二方向上的间距小于多个二极管激光器沿第一方向上的间距。从而可以减小由该反射面反射后的各个反射光束之间的间隙，提高改激光合束装置输出的激光束的能量密度以及该激光合束装置快轴方向的填充系数，进而，有效改善激光束质量。具体来说，图3示出了本发明的第一实施例激光合束装置光路图。图3可以理解为上述图2所示的激光合束装置的光路图。如图3所示，二极管激光器11、12、13沿第二方向射出出射光，并经相对应的反射镜31、32和33的反射面反射后射出。其中，反射镜31的反射面与反射镜32的反射面沿第二方向(图3中X轴方向)上的间距为d1；反射镜32的反射面与反射镜33的反射面沿第二方向(图3中X轴方向)上的间距为d2；二极管激光器11与二极管激光器12沿第一方向(图3中Z轴方向)上的间距为D1；二极管激光器12与二极管激光器13沿第一方向(图3中Z轴方向)上的间距为D2。为了实现上述减小由反射面反射后的各个反射光束之间的间隙，在本发明的实施例中，d1小于D1，d2小于D2。

进一步优选地，合束光学元件3的多个反射面在与其反射方向相垂直的平面上的投影无缝衔接，以此消除反射后的多个激光束之间的空隙。具体来说，在图2所示的实施例中，二极管激光器11、12和13发出的激光束经过反射镜31、32和33反射后沿与Z轴相反的方向射出。进而，反射镜31、32和33的反射面在与Z轴向垂直的一个平面上的投影无缝衔接。结合图3所示光路图，即反射镜31的反射面与反射镜32的反射面沿第二方向上的间距为d1以及反射镜32的反射面与反射镜33的反射面沿第二方向上的间距为d2均等于0。

进一步优选地，所述激光合束装置的每个二极管激光器发出的出射光具有相同的光程。具体来说，在图3所示的实施例中，二极管激光器11的一点A至反射镜31上的反射点B之间的光程距离S_AB；二极管激光器12的一点C至反射镜32上的反射点D之间的光程距离为S_CD；二极管激光器13的一点E至反射镜33上的反射点F之间的光程距离S_EF；反射点D至A、B光路上的垂直距离为S_DH；反射点F至A、B光路上的垂直距离为S_FG。进而，在此实施例中，优选地满足以下关系：S_AB＝S_CD+S_DH＝S_EF+S_FG，以使激光阵列1的每个二极管激光器发出的出射光经各自的反射面反射后射出的出射光具有相同的光程，进而提高该激光合束装置的激光质量。

在此实施例中，所述激光合束装置的激光阵列中各个二极管激光器发射的激光经过整形光学系统进行准直后，由具有多个与二极管激光器相对应的反射面的合束光学元件进行反射，通过调整合束光学元件的多个反射面的角度和位置，可以得到平行且减小或消除空隙的光束，提高激光合束装置输出的激光束的能量密度以及该激光合束装置快轴方向的填充系数，进而，有效改善激光束质量。并且该激光合束装置的光路简单、经济，对光束其他方面的质量(例如平行度、准直性等)也不会造成影响，甚至还可以通过工艺控制来进一步改善光束质量(例如平行度、准直性等)。此外，在此实施例中，由于合束光学元件的多个反射面也相应地呈阶梯排列，进而，在使用图1中的激光阵列(该激光阵列的多个二极管激光器的出光端也呈阶梯排列)后，可以补偿由于合束光学元件的多个反射面造成的各个二极管激光器发射的激光束之间的光程差，从而得到平行、等光程且无空隙的激光束。

第二实施例

请参见图4，其示出了本发明的第二实施例的激光合束装置的结构示意图。与上述图2所示的第一实施例不同的是，所述合束光学元件为一个具有多个所述反射面的反射镜，其中，每个所述反射面均设置于一个所述二极管激光器的出光端。具体来说，如图4所示，合束光学元件为一反射镜3’。反射镜3’具有多个反射面。在图4所示的实施例中，由于图4中同样以三个二极管激光器为例，因此，相应地，在此实施例中，反射镜3’包括三个反射面31’、32’和33’。其中，反射面31’对应设置于二极管激光器11的出光侧；反射面32’对应设置于二极管激光器12的出光侧；反射面33’对应设置于二极管激光器13的出光侧。类似地反射面31’、32’和33’呈阶梯排列，且优选地，反射面31’、32’和33’的反射面在与Z轴向垂直的一个平面上的投影无缝衔接。该实施例可以实现与上述第一实施例类似的技术效果，在此不予赘述。

第三实施例

请一并参见图5和图6，其分别示出了本发明的第三实施例的激光阵列和激光合束装置的结构示意图。与上述图1和图2所示的第一实施例不同的是，在此实施例中，多个所述二极管激光器远离所述激光阵列的出光侧的一端齐平。具体来说，在图5和图6所示的实施例中，二极管激光器11、12和13的出光端111、121和131仍然呈阶梯排列，而二极管激光器11、12和13远离所述激光阵列的出光侧的一端齐平。该实施例可以实现与上述第一实施例类似的技术效果，在此不予赘述。

综上所述，本发明实施例揭示了一种激光阵列以及激光合束装置，所述激光合束装置的激光阵列中各个二极管激光器发射的激光经过整形光学系统进行准直后，由具有多个与二极管激光器相对应的反射面的合束光学元件进行反射，通过调整合束光学元件的多个反射面的角度和位置，可以得到平行且减小或消除空隙的光束，提高激光合束装置输出的激光束的能量密度以及该激光合束装置快轴方向的填充系数，进而，有效改善激光束质量。并且该激光合束装置的光路简单、经济，对光束其他方面的质量(例如平行度、准直性等)也不会造成影响，甚至还可以通过工艺控制来进一步改善光束质量(例如平行度、准直性等)。此外，在此实施例中，由于合束光学元件的多个反射面也相应地呈阶梯排列，进而，在使用本发明实施例中的激光阵列(该激光阵列的多个二极管激光器的出光端也呈阶梯排列)后，可以补偿由于合束光学元件的多个反射面造成的各个二极管激光器发射的激光束之间的光程差，从而得到平行、等光程且无空隙的激光束。

虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。