一種激光陣列以及激光合束裝置的制作方法
本發明涉及激光器領域，尤其是一種階梯型的半導體垂直疊陣激光陣列以及具有該激光陣列的激光合束裝置。
背景技術：
大功率二極管激光器陣列具有體積小、效率高、壽命長等優點，在工業加工中有著廣泛的應用。通常通過堆疊多個巴條可提高半導體激光器的輸出功率，從而滿足對二極管激光器輸出功率的越來越高的要求。但受到散熱和巴條本身厚度的限制，堆疊多個巴條時兩個巴條之間的周期不能太小，一般在2mm左右，而對于最新的高輸出功率的巴條，這個周期甚至會大于3mm。并且快軸準直透鏡的高度也在1.5mm以上。同時，經過快軸準直鏡的準直后的快軸方向的光束不會充滿整個快軸準直鏡的高度，一般約占整個快軸準直鏡高度的50％～75％。所以，由二極管激光器陣列構成的垂直疊陣輸出的光束經過快軸準直透鏡后，中間有相當多的空隙。
這種情況下可以采取適當的光束耦合方法(即合束技術)，將相鄰二極管激光器陣列的光束通過光學元件重新排列，減少中間的空隙，以提高垂直疊陣輸出光束的平均亮度。
目前對于半導體垂直疊陣激光器的合束技術常見的有偏振合束技術、波長合束技術和空間合束技術。
偏振合束技術，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的兩路激光組合在一起沿相同方向傳播，例如Serguei G.Anikitchev在美國專利US6,993,059 B2所介紹的，通過波片和偏振耦合棱鏡將疊陣的上半部分和下半部分的光束重疊輸出，通常偏振合束技術是將兩路偏振方向相互垂直的激光束或激光束組合相互合并，且總是于其它合束技術配合使用。
波長合束技術，將不同波長的激光束通過二向色鏡、光柵等光學元件組合在一起，能有效提高功率與亮度，是目前高功率直接半導體激光器發展的主要方向。然而無論是采用二向色鏡、體布拉格光柵還是衍射光柵，總是要受到光譜的限制，不同波長之間要求相互獨立，要保持足夠的波長間隔。
空間合束技術，例如Keming Du等人在美國專利No.6,124,973中所介紹的，是通過將多個半導體激光器在空間上按照一定的次序進行排列堆疊，形成一組沿著相同方向傳播的激光束，從而得到高功率的激光輸出。而一般來說，空間堆疊無法改善光束質量，由此得來的高功率激光輸出一般直接應用于對光束質量要求不高的場合，如作為光纖激光器的泵浦源等。但是，對于半導體垂直疊陣激光器，由于光束在豎直方向的高度被半導體垂直疊陣激光器自身所決定，因此在相鄰光束之間存在明顯的空隙，因此對于半導體垂直疊陣激光器來說，可以通過空間合束技術，得到能量密度高的激光光源。例如中國專利CN102751660A所公開的，又如中國專利CN103944067A所公開的，但是受限于疊陣的空隙尺寸和快軸光斑尺寸是否匹配的問題，不一定能完全消除光束中的空隙。
技術實現要素：
針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提出一種激光陣列以及激光合束裝置，該激光合束裝置可以減小或消除每一個二極管激光器出射的激光之間的空隙，得到能量密度高的激光光源。
根據本發明的一個方面提供一種激光陣列，所述激光陣列包括多個二極管激光器，所述激光陣列的出光側、每個所述二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列。
優選地，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側的一端呈階梯排列。
優選地，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側的一端齊平。
優選地，所述二極管激光器包括熱沉以及設置于所述熱沉上的半導體激光器芯片。
優選地，所述半導體激光器芯片為至少一個單管芯片或巴條。
根據本發明的另一個方面還提供一種激光合束裝置，所述激光合束裝置包括：上述的激光陣列；整形光學系統，設置于所述激光陣列的出光側；合束光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，所述合束光學元件包括多個與所述激光陣列的二極管激光器相對應的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。
優選地，所述激光陣列的多個二極管激光器沿第一方向排列，每個所述二極管激光器的出射光沿第二方向射出，其中，多個所述反射面沿所述第二方向上的間距小于多個所述二極管激光器沿所述第一方向上的間距。
優選地，所述合束光學元件的多個反射面在與其反射方向相垂直的平面上的投影無縫銜接。
優選地，所述激光合束裝置的每個所述二極管激光器發出的出射光具有相同的光程。
優選地，所述合束光學元件的每個所述反射面與所述整形光學系統的出射光的出射方向之間的夾角為45度。
優選地，所述合束光學元件包括多個反射鏡，每個所述反射鏡均設置于一個所述二極管激光器的出光端。
優選地，所述合束光學元件為一個具有多個所述反射面的反射鏡，其中，每個所述反射面均設置于一個所述二極管激光器的出光端。
優選地，所述整形光學系統包括多個與所述二極管激光器一一對應的快軸準直鏡，每個所述快軸準直鏡均設置于一個所述二極管激光器的出光側。
優選地，所述整形光學系統還包括多個慢軸準直鏡，每個所述慢軸準直鏡均設置于一個所述快軸準直鏡的出光側。
優選地，所述整形光學系統還包括多個光束扭轉器，每個所述光束扭轉器均設置于一個所述快軸準直鏡和一個所述慢軸準直鏡之間。
本發明實施例揭示了一種激光陣列以及激光合束裝置，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發射的激光經過整形光學系統進行準直后，由具有多個與二極管激光器相對應的反射面的合束光學元件進行反射，通過調整合束光學元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數，進而，有效改善激光束質量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經濟，對光束其他方面的質量(例如平行度、準直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質量(例如平行度、準直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學元件的多個反射面也相應地呈階梯排列，進而，在使用本發明實施例中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。
附圖說明
圖1為本發明的第一實施例的激光陣列的結構示意圖；
圖2為本發明的第一實施例激光合束裝置結構示意圖；
圖3為本發明的第一實施例激光合束裝置光路圖
圖4為本發明的第二實施例的激光合束裝置的結構示意圖；
圖5為本發明的第三實施例的激光陣列的結構示意圖；以及
圖6為本發明的第三實施例的激光合束裝置的結構示意圖。
具體實施方式
依據本發明主旨構思，所述激光合束裝置包括：激光陣列，所述激光陣列包括多個二極管激光器，所述激光陣列的出光側、每個所述二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列；整形光學系統，設置于所述激光陣列的出光側；合束光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，所述合束光學元件包括多個與所述二極管激光器相對應的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。
下面結合附圖和實施例對本發明的技術內容進行進一步地說明。
第一實施例
請參見圖1，其示出了本發明的第一實施例的激光陣列的結構示意圖。在圖1所示的實施例中，激光陣列1包括多個二極管激光器。具體來說，每個二極管激光器均能產生具有一定光譜寬度的激光束。所述二極管激光器包括一熱沉以及設置于該熱沉上的半導體激光器芯片。其中，所述半導體激光器芯片為至少一個單管芯片或巴條，其可以焊接于熱沉上。需要說明的是，所述巴條也可以是微型巴條。
多個二極管激光器沿第一方向(圖1中Z軸方向)排列。圖1中以三個二極管激光器11、12、13為例進行說明，需要說明的是，在本發明的實施例中，二極管激光器的數量并不以此為限，而可以根據實際的需求進行設置，例如，沿圖1中Z軸的方向進行進一步的增設。此外，在本發明的實施例中，多個二極管激光器互相之間沿圖1中Z軸方向的間距(例如二極管激光器11與二極管激光器12之間的間距、或者二極管激光器12與二極管激光器13之間的間距)可以根據實際的需求進行調整，在此不予贅述。
進一步地，在激光陣列1的出光側、每個二極管激光器均具有一個出光端，多個所述出光端呈階梯排列。每個二極管激光器的出射光沿第二方向(圖1中的X軸方向)射出。具體來說，如圖1所示，三個二極管激光器11、12和13各自具有一個出光端，分別為出光端111、121和131，其中，出光端一般為熱沉上的半導體激光器芯片所在的一端。出光端111、121和131呈階梯排列。需要說明的是，出光端111、121和131呈階梯排列是指沿著多個二極管激光器的排布方向(第一方向、即圖1中Z軸方向)上，多個二極管激光器的出光端逐個向第二方向(圖1中X軸方向)進行延伸。例如，圖1中二極管激光器12的出光端121相比二極管激光器11的出光端111沿X軸方向進行了延伸；而圖1中二極管激光器13的出光端131相比二極管激光器12的出光端121沿X軸方向進行了延伸。
進一步地，在圖1所示的實施例中，為了節約成本，激光陣列1的每個二極管激光器使用完全相同的二極管激光器，而多個二極管激光器的出光端呈階梯排列，因此，相應地，多個二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側的一端也呈階梯排列。
進一步地，本發明提供一種激光合束裝置，該激光合束裝置包括上述圖1中的激光陣列。具體來說，請參見圖2，其示出了本發明的第一實施例激光合束裝置結構示意圖。在圖2所示的優選實施例中，所述激光合束裝置包括：激光陣列1、整形光學系統2以及合束光學元件3。其中，激光陣列1可以是上述圖1所示的結構。
整形光學系統2置于激光陣列1出光側。整形光學系統2用于對對激光陣列1產生的激光束進行光學整形。具體來說，整形光學系統2包括多個與所述二極管激光器一一對應的快軸準直鏡。每個所述快軸準直鏡均設置于一個二極管激光器的出光側。其中，快軸準直鏡用于將二極管激光器在快軸上的發散光束進行準直，使其成為接近平行發射的激光束。在圖2所示的實施例中，整形光學系統2包括三個快軸準直鏡21、22和23。其中，快軸準直鏡21對應設置于二極管激光器11的出光側；快軸準直鏡22對應設置于二極管激光器12的出光側；快軸準直鏡23對應設置于二極管激光器13的出光側。
需要說明的是，在本發明的其他實施例中，整形光學系統2還可以根據實際的需求進行光學元件的增設。例如，在本發明的一個實施例中，整形光學系統2還可以包括多個慢軸準直鏡，每個所述慢軸準直鏡均設置于一個快軸準直鏡的出光側。或者，在本發明的另一個實施例中，在上述具有慢軸準直鏡的基礎上，整形光學系統2還可以包括多個光束扭轉器，每個所述光束扭轉器均設置于一個快軸準直鏡和一個慢軸準直鏡之間。這些實施例均可予以實現，并實現類似的效果，在此不予贅述。
合束光學元件3設置于整形光學系統2的出光側。合束光學元件3包括多個與所述二極管激光器相對應的反射面，多個所述反射面呈階梯排列。合束光學元件3對經過整形光學系統2的激光束通過反射的方式進行重新排列。合束光學元件3的每個所述反射面與整形光學系統2的出射光的出射方向之間的夾角為45度。具體來說，在圖2所示的實施例中，合束光學元件3包括多個反射鏡，每個反射鏡均設置于一個二極管激光器的出光端。由于圖2中是以三個二極管激光器為例，因此，相應地，在此實施例中，合束光學元件3包括三個反射鏡。如圖2所示，反射鏡31對應設置于二極管激光器11的出光側；反射鏡32對應設置于二極管激光器12的出光側；反射鏡33對應設置于二極管激光器13的出光側。
在圖2所示的實施例中，反射鏡31、32和33呈階梯排列。需要說明的是，反射鏡31、32和33呈階梯排列是指沿著反射鏡31、32和33的排布方向(圖2中為沿Z軸方向)上，反射鏡31、32和33逐個向與圖2中X軸所示的方向相反的方向進行排布。例如，圖2中反射鏡32相比反射鏡31更靠近整形光學系統2的出光側，即反射鏡31與二極管激光器11的出光端111之間的距離大于反射鏡32與二極管激光器12的出光端121之間的距離；而圖2中反射鏡33相比反射鏡32更靠近整形光學系統2的出光側，即反射鏡32與二極管激光器12的出光端121之間的距離大于反射鏡33與二極管激光器13的出光端131之間的距離。
進一步地，多個反射面沿第二方向上的間距小于多個二極管激光器沿第一方向上的間距。從而可以減小由該反射面反射后的各個反射光束之間的間隙，提高改激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數，進而，有效改善激光束質量。具體來說，圖3示出了本發明的第一實施例激光合束裝置光路圖。圖3可以理解為上述圖2所示的激光合束裝置的光路圖。如圖3所示，二極管激光器11、12、13沿第二方向射出出射光，并經相對應的反射鏡31、32和33的反射面反射后射出。其中，反射鏡31的反射面與反射鏡32的反射面沿第二方向(圖3中X軸方向)上的間距為d1；反射鏡32的反射面與反射鏡33的反射面沿第二方向(圖3中X軸方向)上的間距為d2；二極管激光器11與二極管激光器12沿第一方向(圖3中Z軸方向)上的間距為D1；二極管激光器12與二極管激光器13沿第一方向(圖3中Z軸方向)上的間距為D2。為了實現上述減小由反射面反射后的各個反射光束之間的間隙，在本發明的實施例中，d1小于D1，d2小于D2。
進一步優選地，合束光學元件3的多個反射面在與其反射方向相垂直的平面上的投影無縫銜接，以此消除反射后的多個激光束之間的空隙。具體來說，在圖2所示的實施例中，二極管激光器11、12和13發出的激光束經過反射鏡31、32和33反射后沿與Z軸相反的方向射出。進而，反射鏡31、32和33的反射面在與Z軸向垂直的一個平面上的投影無縫銜接。結合圖3所示光路圖，即反射鏡31的反射面與反射鏡32的反射面沿第二方向上的間距為d1以及反射鏡32的反射面與反射鏡33的反射面沿第二方向上的間距為d2均等于0。
進一步優選地，所述激光合束裝置的每個二極管激光器發出的出射光具有相同的光程。具體來說，在圖3所示的實施例中，二極管激光器11的一點A至反射鏡31上的反射點B之間的光程距離SAB；二極管激光器12的一點C至反射鏡32上的反射點D之間的光程距離為SCD；二極管激光器13的一點E至反射鏡33上的反射點F之間的光程距離SEF；反射點D至A、B光路上的垂直距離為SDH；反射點F至A、B光路上的垂直距離為SFG。進而，在此實施例中，優選地滿足以下關系：SAB＝SCD+SDH＝SEF+SFG，以使激光陣列1的每個二極管激光器發出的出射光經各自的反射面反射后射出的出射光具有相同的光程，進而提高該激光合束裝置的激光質量。
在此實施例中，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發射的激光經過整形光學系統進行準直后，由具有多個與二極管激光器相對應的反射面的合束光學元件進行反射，通過調整合束光學元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數，進而，有效改善激光束質量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經濟，對光束其他方面的質量(例如平行度、準直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質量(例如平行度、準直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學元件的多個反射面也相應地呈階梯排列，進而，在使用圖1中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。
第二實施例
請參見圖4，其示出了本發明的第二實施例的激光合束裝置的結構示意圖。與上述圖2所示的第一實施例不同的是，所述合束光學元件為一個具有多個所述反射面的反射鏡，其中，每個所述反射面均設置于一個所述二極管激光器的出光端。具體來說，如圖4所示，合束光學元件為一反射鏡3’。反射鏡3’具有多個反射面。在圖4所示的實施例中，由于圖4中同樣以三個二極管激光器為例，因此，相應地，在此實施例中，反射鏡3’包括三個反射面31’、32’和33’。其中，反射面31’對應設置于二極管激光器11的出光側；反射面32’對應設置于二極管激光器12的出光側；反射面33’對應設置于二極管激光器13的出光側。類似地反射面31’、32’和33’呈階梯排列，且優選地，反射面31’、32’和33’的反射面在與Z軸向垂直的一個平面上的投影無縫銜接。該實施例可以實現與上述第一實施例類似的技術效果，在此不予贅述。
第三實施例
請一并參見圖5和圖6，其分別示出了本發明的第三實施例的激光陣列和激光合束裝置的結構示意圖。與上述圖1和圖2所示的第一實施例不同的是，在此實施例中，多個所述二極管激光器遠離所述激光陣列的出光側的一端齊平。具體來說，在圖5和圖6所示的實施例中，二極管激光器11、12和13的出光端111、121和131仍然呈階梯排列，而二極管激光器11、12和13遠離所述激光陣列的出光側的一端齊平。該實施例可以實現與上述第一實施例類似的技術效果，在此不予贅述。
綜上所述，本發明實施例揭示了一種激光陣列以及激光合束裝置，所述激光合束裝置的激光陣列中各個二極管激光器發射的激光經過整形光學系統進行準直后，由具有多個與二極管激光器相對應的反射面的合束光學元件進行反射，通過調整合束光學元件的多個反射面的角度和位置，可以得到平行且減小或消除空隙的光束，提高激光合束裝置輸出的激光束的能量密度以及該激光合束裝置快軸方向的填充系數，進而，有效改善激光束質量。并且該激光合束裝置的光路簡單、經濟，對光束其他方面的質量(例如平行度、準直性等)也不會造成影響，甚至還可以通過工藝控制來進一步改善光束質量(例如平行度、準直性等)。此外，在此實施例中，由于合束光學元件的多個反射面也相應地呈階梯排列，進而，在使用本發明實施例中的激光陣列(該激光陣列的多個二極管激光器的出光端也呈階梯排列)后，可以補償由于合束光學元件的多個反射面造成的各個二極管激光器發射的激光束之間的光程差，從而得到平行、等光程且無空隙的激光束。
雖然本發明已以優選實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發明。本發明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與修改。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定的范圍為準。
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