專利名稱：一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統的制作方法
一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統技術領域
本發明屬于激光加工技術領域，具體涉及一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統。
背景技術：
高功率半導體激光器具有體積小、重量輕、效率高、壽命長等優點，已廣泛用于激光加工、激光醫療、激光顯示及科學研究領域，成為新世紀發展快、成果多、學科滲透廣、應用范圍大的綜合性高新技術。
激光表面處理技術是融合了現代物理學、化學、計算機、材料科學、先進制造技術等多學科技術的高新技術，包括激光表面改性技術、激光表面修復技術、激光熔覆技術、激光產品化技術等，能使低等級材料實現高性能表層改性，達到零件低成本與工作表面高性能的最佳組合，為解決整體強化和其它表面強化手段難以克服的矛盾帶來了可能性，對重要構件材質與性能的選擇匹配、設計、制造產生重要的有利影響，且生產效率高、加工質量穩定可靠、成本低，經濟效益和社會效益好。
但是，激光表面處理技術也存在不足之處，具體表現在目前激光表面處理技術中多采用(X)2激光器，燈泵及Nd: YAG激光器。
(1) CO2激光器，通過將燃燒氣體的熱能轉化為激光能量，實現兆瓦級輸出，但能量效率很低(1% -2% )，且體積大。
(2)固體激光器，燈泵和Nd: YAG激光器電光轉換效率只有3%，壽命1000小時，成本高，效率低，散熱困難。雖然半導體激光器泵浦的固體激光器高于燈泵固體激光器，體積也明顯減小。但其電光轉換效率仍比較低，僅相當于半導體激光器效率的1/3-1/2。
發明專利申請“激光熔覆用半導體激光光源裝置”(公開號為CN1018M029A)公開了一種用于激光熔覆的半導體激光光源，其輸出激光能量有限、系統體積較大；采用光纖輸出，處理面積小。發明內容
本發明的目的主要是克服背景技術的不足，提供一種高功率半導體激光光源系統，解決目前激光加工系統存在的輸出激光能量有限，體積大、成本高等問題。
本發明的技術方案如下
一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統，包括作為原始光源的η個半導體激光器疊陣和用于將多個半導體激光器疊陣發出的光束進行整形的整形透鏡組，所述多個半導體激光器疊陣在高度方向上相互錯位，其中一個半導體激光器疊陣發出的光束與整形透鏡組處于同一光軸上，其他η-1個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，這些反射光束的光軸均與整形透鏡組的光軸平行；在整形透鏡組的入射鏡面形成的光斑沿其高度方向的中心線整齊排布。
上述半導體激光器疊陣可以由一個或者多個經過預準直的多發光單元芯片堆疊組成。
上述的整形透鏡組是快軸整形透鏡組或者慢軸整形透鏡組，或者由快軸整形透鏡組和慢軸整形透鏡組組合構成。
最好使所有半導體激光器疊陣至整形透鏡組的光程相等。
多個上述反射鏡可以同軸安裝于一個或多個沿高度方向平行于整形透鏡組光軸的反射鏡支架上。
另一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統，包括作為原始光源的η個半導體激光器疊陣和用于將多個半導體激光器疊陣發出的光束進行整形的整形透鏡組，所述多個半導體激光器疊陣在高度方向上相互錯位，η個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，這些反射光束的光軸均與整形透鏡組的光軸平行，在整形透鏡組的入射鏡面形成的光斑沿其高度方向的中心線整齊排布。
上述半導體激光器疊陣是由一個或者多個經過預準直的多發光單元芯片堆疊組成。
上述的整形透鏡組是快軸整形透鏡組或者慢軸整形透鏡組，或者由快軸整形透鏡組和慢軸整形透鏡組組合構成。
最好使所有半導體激光器疊陣至整形透鏡組的光程相等。
多個上述反射鏡可以沿高度方向同軸安裝于一個位于整形透鏡組光軸上的反射鏡支架上。
本發明具有以下優點
(1)本發明功率高、亮度高，可實現萬瓦級輸出，可直接應用于激光加工領域中；
(2)本發明原理簡單、實現方便，充分利用了系統整體空間，成本低，重量輕、體積小、電光轉換效率高、壽命長；
(3)本發明工作距離大、可靠性高；
(4)光學系統使用正負透鏡同時整形，使光斑更均勻，光束質量更好。
圖1為本發明的高功率半導體激光光源系統。
圖2為本發明的高功率半導體激光光源系統的工作原理圖。
圖3為在整形透鏡組的入射鏡面上形成的光斑示意。
附圖標號說明
1為第一半導體激光器疊陣；2為第二半導體激光器疊陣；3為反射鏡；8為快軸整形透鏡組；9為慢軸整形透鏡組；4為快軸準直正透鏡；5為快軸準直負透鏡；6為慢軸準直正透鏡；7為慢軸準直負透鏡。
具體實施方式
以采用兩個半導體激光器疊陣作為原始光源構成的系統為例，結合附圖對本發明做進一步詳細描述
本發明高功率半導體激光光源系統，如圖1所示，包括第一半導體激光器疊陣1、 第二半導體激光器疊陣2、反射鏡3、快軸整形透鏡組8和慢軸整形透鏡組9。
所述反射鏡3與第二半導體激光器疊陣2出光面的夾角為w ；所述的第一半導體激光器疊陣1和第二半導體激光器疊陣2為上下錯位成角度擺放的方式排布；第一半導體激光器疊陣1出光面與反射鏡在水平面投影的角度《，w小于90度；
上述的第一半導體激光器疊陣1和第二半導體激光器疊陣2是由1個或者多個經過預準直的多發光單元芯片堆疊而成；
上述的快軸整形透鏡組8由快軸準直正透鏡4或者快軸準直正透鏡4和快軸準直負透鏡5組成；
上述的慢軸整形透鏡組9由慢軸準直正透鏡6或者慢軸準直正透鏡6和慢軸準直負透鏡7組成；
第二半導體激光器疊陣2發出的光經反射鏡3和第二半導體激光器疊陣2發出的光共同經過整形透鏡8和整形透鏡9進行整形。
本發明高功率半導體激光光源系統工作原理如圖2所示，第二半導體激光器疊陣 2出光面與反射鏡3成w角度放置，第一半導體激光器疊陣1與第二半導體激光器2上下錯位成角度排列，第一半導體激光器疊陣1出光面與反射鏡在水平面投影的角度w角度，半導體激光器疊陣2的激光經反射鏡3反射后到達整形透鏡8處，半導體激光器疊陣1的激光透過反射鏡3的下部空間或者上部空間，直接到達整形透鏡8處，兩路激光共同經過整形透鏡4、5、6、7，最終到達聚焦面處。
當然，也可以考慮設置多個半導體激光疊陣，只要在高度方向上分別錯開，同時充分利用系統整體空間，保證其水平投影分散錯開，就能夠匯集得到更高功率的激光光源系統；原理同上。
也可以是所有半導體激光疊陣均采用反射鏡將其輸出光反射至整形透鏡組，這樣，在“主光軸”上，不再設置半導體激光疊陣；原理同上。
圖3為在整形透鏡組的入射鏡面上形成的光斑示意，由圖3可知第一半導體激光器疊陣1和第二半導體激光器疊陣2在整形透鏡組8前的光斑狀態，有圖3可知半導體激光器疊陣1所發出的激光束在整形透鏡組8前方的光斑的慢軸方向(水平方向)的中心連線(垂直方向)和半導體激光器疊陣2所發出的激光束在整形透鏡組8前方的光斑的慢軸方向(水平方向)的中心連線(垂直方向)在一條直線上；半導體激光器疊陣1所發出的激光束在整形透鏡組8前方的光斑的快軸方向(垂直方向)的中心連線(水平方向)和半導體激光器疊陣2所發出的激光束在整形透鏡組8前方的光斑的快軸方向(垂直方向)的中心連線(水平方向)近似平形。
如圖1所示，該實施例中采用的基本結構與以上闡述的結構相同，包括第一半導體激光器疊陣1、第二半導體激光器疊陣2、反射鏡3、快軸整形透鏡組8和慢軸整形透鏡9。
對于第一半導體激光疊陣1，其由25個加了微透鏡的巴條芯片疊加組成，對于第二半導體激光器疊陣2，其由25個加了微透鏡的巴條芯片疊加組成，反射鏡2置于第二半導體激光器疊陣2出射光前端，與第二半導體器疊陣2的角度為45度，用于將第二半導體激光器疊陣2發射出的光進行全反射。第一半導體激光器疊陣1和第二半導體激光器疊陣2 成上下錯位擺放的排列方式，在第一半導體激光器疊陣1后設置第一整形透鏡組8和第二整形透鏡組9，第一整形透鏡組8包括快軸準直正透鏡4和快軸準直負透鏡5，第二整形透鏡組9包括第慢軸準直正透鏡6和慢軸準直負透鏡7。該實施的工作面距離為150mm，焦點處光斑大小為h8mm，功率密度為2. ^cl04W/cm2，總功率可達到4000w。
綜上，本發明的高功率半導體激光光源系統工藝簡單，體積小，成本低，可實現萬瓦級輸出。
權利要求
1.一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統，包括作為原始光源的η個半導體激光器疊陣和用于將多個半導體激光器疊陣發出的光束進行整形的整形透鏡組，所述多個半導體激光器疊陣在高度方向上相互錯位，其中一個半導體激光器疊陣發出的光束與整形透鏡組處于同一光軸上，其他η-1個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，這些反射光束的光軸均與整形透鏡組的光軸平行；在整形透鏡組的入射鏡面形成的光斑沿其高度方向的中心線整齊排布。
2.根據權利要求1所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所述半導體激光器疊陣是由一個或者多個經過預準直的多發光單元芯片堆疊組成。
3.根據權利要求1所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所述的整形透鏡組是快軸整形透鏡組或者慢軸整形透鏡組，或者由快軸整形透鏡組和慢軸整形透鏡組組合構成。
4.根據權利要求1所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所有半導體激光器疊陣至整形透鏡組的光程相等。
5.根據權利要求1所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于多個所述反射鏡同軸安裝于一個或多個沿高度方向平行于整形透鏡組光軸的反射鏡支架上。
6.一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統，包括作為原始光源的η個半導體激光器疊陣和用于將多個半導體激光器疊陣發出的光束進行整形的整形透鏡組，所述多個半導體激光器疊陣在高度方向上相互錯位，η個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，這些反射光束的光軸均與整形透鏡組的光軸平行，在整形透鏡組的入射鏡面形成的光斑沿其高度方向的中心線整齊排布。
7.根據權利要求6所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所述半導體激光器疊陣是由一個或者多個經過預準直的多發光單元芯片堆疊組成。
8.根據權利要求6所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所述的整形透鏡組是快軸整形透鏡組或者慢軸整形透鏡組，或者由快軸整形透鏡組和慢軸整形透鏡組組合構成。
9.根據權利要求6所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于所有半導體激光器疊陣至整形透鏡組的光程相等。
10.根據權利要求6所述的高功率半導體激光光源系統，其特征在于多個所述反射鏡沿高度方向同軸安裝于一個位于整形透鏡組光軸上的反射鏡支架上。
全文摘要
本發明提供一種用于激光加工的高功率半導體激光光源系統，解決目前激光加工系統存在的輸出激光能量有限，體積大、成本高等問題。本發明的多個半導體激光器疊陣在高度方向上相互錯位，其中一個半導體激光器疊陣發出的光束與整形透鏡組處于同一光軸上，其他n-1個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，或者n個半導體激光器疊陣通過在各自高度位置上設置的反射鏡形成反射光束，這些反射光束的光軸均與整形透鏡組的光軸平行，在整形透鏡組的入射鏡面形成的光斑沿其高度方向的中心線整齊排布。本發明原理簡單、實現方便，充分利用了系統整體空間，電光轉換效率高、可靠性高；可直接應用于激光加工領域中。
文檔編號B23K26/00GK102520524SQ20111045467
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者劉興勝, 欒凱, 王敏, 王曉飚, 鄭艷芳, 高毅 申請人:西安炬光科技有限公司