本发明涉及一种半导体激光器合束方法及相应 的高功率半导体激光器。 背景技术

高功率半导体激光器， 包括单芯片、 阵列和叠阵型激光器， 在抽运固体 激光器系统方面的用途不断增加， 可用于工业、 军事、 医疗和直接的材料处 理如焊接、 切割和表面处理。 随着激光器功率、 效率、 可靠性、 制造力的提 高， 大功率半导体激光器涌现出了许多新的用途。

为了实现半导体激光器的高功率输出， 一般采用多个激光器合束方法来 实现。 目前比较常用的合束方法主要有两种：

第一种是多波长合束方法， 为了达到功率合成， 可以通过镀制分光膜来 实现， 原理简单， 实现容易， 但这是针对输出的波长宽度很宽的情况下使用 ， 对同一种波长或范围很窄的波段范围输出要求 就有局限性。

第二种是 PBS合束方法， 用于同一种或不同波长的输出光， 利用芯片偏 振态的不同， 镀制 PBS合束膜来实现功率合束。 但这种方法费用比较高， 光 斑尺寸会不均匀， 器件的体积大， 不利于产业化。

发明内容

本发明目的是提供一种方法简单、 结构紧凑、 成本低廉的半导体激光器 插空排列合束方法及组成的高功率半导体激光 器， 其解决了现有叠阵型激光 器合束方法应用范围有限、 成本高的技术问题。

本发明的技术解决方案是：

一种半导体激光器插空排列合束方法： 包括第一半导体激光器叠阵、 第 二半导体激光器叠阵、 合束装置； 所述的第一半导体激光器叠阵的多个巴条 发出多个第一激光束与第二半导体激光器叠阵 的多个巴条发出多个第二激光 束在空间上相互插空对应； 所述多个第一激光束和所述多个第二激光束经 合 束装置分别反射和透射后进行插空排列形成合 束光。 这样， 所形成的合束光 的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所形成的 光斑相当。

根据上述半导体激光器插空排列合束方法可设 计出多种高功率半导体激 光器。

第一种高功率半导体激光器， 包括可发出多个第一激光束的第一半导体 激光器叠阵、 可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠 阵、 用于将多个 第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排 列合束的合束装置； 所述合束 装置包括多个间隔设置的反射片， 用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个 第一激光束经过相应的反射片进行反射； 所述多个间隔设置的反射片之间为 空隙， 用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二 激光束透过相应的空隙 与经过反射片反射后的多个第一激光束相互插 空排列合束。

第二种高功率半导体激光器， 包括可发出多个第一激光束的第一半导体 激光器叠阵、 可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠 阵、 用于将多个 第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排 列合束的合束装置； 所述的合 束装置包括多个反射部件和多个透射部件， 反射部件与透射部件相间排列， 用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一 激光束经过相应的反射部件反 射， 第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束 透过相应的透射部件后与 经过反射部件反射后的多个第一激光束相互插 空排列合束。

第三种高功率半导体激光器， 包括可发出多个第一激光束的第一半导体 激光器叠阵、 可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠 阵、 用于将多个 第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排 列合束的合束装置； 所述合束 装置为合束元件， 合束元件上设置有间隔排列的多个反射区， 用于使第一半 导体激光器叠阵发出的多个第一激光束经过相 应的反射区进行反射； 这些反 射区之间均留有空隙， 用于使第二半导体激光器叠阵发出的多个第二 激光束 透过相应的空隙与经过反射区反射后的多个第 一激光束相互插空排列合束。

第四种高功率半导体激光器， 包括可发出多个第一激光束的第一半导体 激光器叠阵、 可发出多个第二激光束的第二半导体激光器叠 阵、 用于将多个 第一激光束和多个第二激光束进行相互插空排 列合束的合束装置； 所述合束 装置为合束元件， 所述合束元件上设置有多个反射区和多个透射 区， 反射区 与透射区相间排列， 用于使第一半导体激光器叠阵发出的多个第一 激光束经 过相应的反射区反射， 第二半导体激光器叠阵发出的多个第二激光束 透过相 应的透射区后与经过反射区反射后的多个第一 激光束相互插空排列合束。 本发明具有的优点：

1、 本发明采用相间隔插空排列合束， 因此第一半导体激光器叠阵与第二 半导体激光器叠阵近乎处于一个高度， 所以本发明高功率半导体激光器具有 结构紧凑、 体积小的优点。

2、 本发明输出的激光光束进行相间隔插空排列合 束， 使光斑均匀化， 光 斑大小近似于一个叠阵的大小， 由于光束满足拉格朗日不变量的原则， 因此 光斑尺寸变小， 光束质量好。

3、 本发明半导体激光器只运用了反射原理， 因此制造成本低。

4、 在体积和光斑大小的限制下， 为了达到更大功率的输出， 本发明利用 两个叠阵之间的空隙， 使叠阵在排列时利用插空排列的方法， 再经过镀膜的 合束片， 而达到高功率合束。

5、 易于调整。 因为只是利用反射和透射的原理， 因此， 只需调整装置的 反射角度即可。

附图说明

图 1为本发明的工作原理图；

图 2为本发明第一半导体激光器叠阵、 第二半导体激光器叠阵、 合束装 置的空间位置关系示意图；

图 3为本发明第一半导体激光器叠阵、 第二半导体激光器叠阵、 合束装 置的光路示意图；

图 4为本本发明第一种合束装置示意图；

图 5为本发明第二种合束装置示意图；

图 6为本发明第三种合束装置示意图；

图 7为本发明第四种合束装置示意图。 附图标号说明：

1-第一半导体激光器叠阵； 2-第二半导体激光器叠阵； 3-合束装置； 4- 第一激光束； 5-第二激光束； 6-合束光； 7-反射部件（反射区）； 8-第一种、 第三种合束装置中的空隙； 9-透射部件（透射区）； 10-第三种合束装置采用的 一体件的合束元件； 11-第四种合束装置采用的一体件的合束元件。 具体实施方式

本发明半导体激光器插空排列合束方法：

包括第一半导体激光器叠阵、 第二半导体激光器叠阵、 合束装置； 所述 的第一半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个 第一激光束经过合束装置后与 第二半导体激光器叠阵的多个巴条发出多个第 二激光束在空间上相间隔排 列， 进行插空排列合束， 所形成的光斑大小与一个半导体激光器叠阵所 形成 的光斑相当。

本发明原理：

第一半导体激光器叠阵经过合束装置时， 每个巴条（bar条）的激光束光 对应合束装置的反射位置反射输出；

第二半导体激光器叠阵与第一半导体激光器叠 阵的高度错开半个 Pitch (巴条与巴条之间的距离）或半个 pitch的奇数倍的间隔；

第二半导体激光器叠阵直接透过合束装置输出 ；

第一半导体激光器叠阵和第二半导体激光器叠 阵经合束装置后， 巴条的 光束进行插空排列合束。

本发明方法的具体要求：

1.合束装置的反射位置的数量可以和第一半导� ��激光器叠阵的巴条数量 相对应也可以多于或少于第一半导体激光器叠 阵巴条的数量；

2.合束装置与第一半导体激光器叠阵之间的角� ��范围为 0° 〜90° , 以 45° 为最佳；

3.合束装置可以为一体件（合束元件)， 比如在一个镜片上镀膜等光学处 理方式实现反射区和透射区的相间排列以满足 插空需要； 也可以采用多个反 射部件和透射部件拼接组成； 透射部件也可以为空气隙。

图 1为本发明的工作原理图， 第一半导体激光器叠阵 1发出的第一激光 束 4通过合束装置 3反射， 第二半导体激光器叠阵 2发出的第二激光束 5通 过合束装置 3后与经合束装置 3反射后的第一半导体激光器叠阵 1发出的第 一激光束 4进行相互插空排列合束形成合束光 6,合束光 6的光斑大小与一个 半导体激光器叠阵所发出的激光光束形成的光 斑大小相当。

图 3为本发明第一半导体激光器叠阵 1、 第二半导体激光器叠阵 2、 合束 装置 3的光路示意图， 第一半导体激光器叠阵 1所发出的第一激光束 4经过 合束装置 3时， 每个巴条（bar条）的激光束对应合束装置的反 射位置反射输 出， 第二半导体激光器叠阵 2 与第一半导体激光器叠阵 1 的高度错开半个 pitch (巴条与巴条之间的距离）或半个 pitch的奇数倍的间隔； 第二半导体 激光器叠阵 2所发出的第二激光束 5直接透过合束装置 3输出； 第二半导体 激光器叠阵 2发出的第二激光束 5经合束装置 3后与经合束装置 3反射的第 一激光束 4进行插空排列合束形成合束光 6。

图 2为本发明第一半导体激光器叠阵 1、 第二半导体激光器叠阵 2、 合束 装置 3的空间位置关系示意图， 合束装置 3与第一半导体激光器叠阵 1之间 的角度范围为 0° 〜90° , 以 45° 为最佳。

图 4为本发明第一种高功率半导体激光器所用的� �束装置。 相应的高功 率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第 一（平面）激光束 4的第一半 导体激光器叠阵 1、可产生多个相互平行的第二（平面）激光� � 5的第二半导 体激光器叠阵 2、用于多个第一激光束 4和多个第二激光束 5进行插空排列合 束的合束装置 3,所述合束装置包括与第一激光束数量一致且� ��置一一对应的 多个反射部件 7,反射部件 7之间为与所述第二激光束数量一致且位置一� �对 应的空隙 8。所述多个反射部件为多个平行设置的反射� �。第二半导体激光器 叠阵 2中每个巴条发出的激光光束从反射部件 7之间的空隙 8透过后与经反 射部件 7反射后的第一半导体激光器叠阵中每个巴条� �出的激光光束相互插 空排列合束。

图 5为本发明第二种高功率半导体激光器所用的� �束装置。 相应的高功 率半导体激光器包括可产生多个相互平行的第 一（平面）激光束 4的第一半 导体激光器叠阵 1、可产生多个相互平行的第二（平面）激光� � 5的第二半导 体激光器叠阵 2、用于多个第一激光束 4和多个第二激光束 5进行插空排列合 束的合束装置 3。所述合束装置包括与第一激光束数量一致� �位置一一对应的 多个反射部件 7和与所述第二激光束数量一致且位置一一对� �的多个透射部 件 9, 反射部件 7与透射部件 9相间排列，反射部件用于将第一半导体激光� � 叠阵 1每个巴条发出的激光光束进行反射； 第二半导体激光器叠阵 2每个巴 条发出的激光光束从透射部件 9通过后与经过反射部件 7反射后的第一半导 体激光器叠阵 1中每个巴条发出的激光光束相互插空排列合� �。

图 6为本发明的第三种高功率半导体激光器的合� �装置。 相应的高功率 半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一 （平面）激光束 4的第一半导 体激光器叠阵 1、可产生多个相互平行的第二（平面）激光� � 5的第二半导体 激光器叠阵 2、用于多个第一激光束 4和多个第二激光束 5进行插空排列合束 的合束装置 3。 合束装置是一体件的合束元件 10, 合束元件 10上设置有与第 一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射 区（反射部件） 7, 具体采用在 一块介质上间隔镀反射膜的形式， 用于将第一半导体激光器叠阵 1发出的多 个第一激光束 4进行反射； 多个反射区 7之间为空隙 8,第二半导体激光器叠 阵 2中每个巴条发出的激光光束从反射区 7之间的空隙 8通过后与经反射区 7 反射后的第一半导体激光器叠阵 1 中每个巴条发出的激光光束进行相互插空 排列合束。

图 7为本发明的第四种高功率半导体激光器的合� �装置。 相应的高功率 半导体激光器包括可产生多个相互平行的第一 （平面）激光束 4的第一半导 体激光器叠阵 1、可产生多个相互平行的第二（平面）激光� � 5的第二半导体 激光器叠阵 2、用于多个第一激光束 4和多个第二激光束 5进行插空排列合束 的合束装置 3。 合束装置是一体件的合束元件 11 , 合束元件 11上设置有与第 一激光束数量一致且位置一一对应的多个反射 区（反射部件） 7和与所述第二 激光束数量一致且位置一一对应的多个透射区 （透射部件） 9, 反射区 7和透 射区 9可采用在一块介质上间隔镀反射膜和透射膜� �方式实现。 反射区 7用 于将第一半导体激光器叠阵 1 每个巴条发出的激光光束进行反射； 反射区 7 之间为透射区 9,第二半导体激光器叠阵 2每个巴条发出的激光光束从透射区 9通过后与经过反射区 7反射后的第一半导体激光器叠阵 1中每个巴条发出的 激光光束进行相互插空排列合束。