[发明专利]一种大功率半导体激光光束耦合输出装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光系统中的多光束耦合输出装置，该装置采用波长耦合与偏振耦合相结合的方法将四组半导体激光阵列发出的两种波长的光束合成一束，属于激光光电子及其应用领域。

背景技术

大功率半导体激光器因其体积小、光电转换率高、寿命长等优点而被广泛应用于材料加工、军事、医疗等领域，尤其是高光束质量、高亮度的千瓦级大功率半导体激光器应用更加广泛。

目前，国际上为了实现大功率的半导体激光输出，常采用的方法有空间多路耦合方法，偏振耦合方法以及波长耦合方法。例如德国JENOPTIK Laserdiode GmbH公司利用反射镜、波长耦合器和偏振耦合器实现了两种波长、四个半导体激光阵列的光束耦合输出。此种方法虽然能够得到高功率的激光输出，但是由于未加光束整形装置且最终经过偏振耦合器的两路光的光程不同，使得输出光束的光束质量受到一定影响。

专利号为200910076298.3的发明专利中提供了一种光束复合装置，虽然解决了JENOPTIK Laserdiode GmbH所采用的方法中的问题，但由于其装置中的八个半导体激光阵列按环形(方形)排列，导致激光器的零部件的机械加工难度增加，加工精度降低，相应地增加了激光器系统的成本，同时使得激光器装调误差增大。

发明内容

本发明的目的在于解决现有耦合输出装置的上述缺陷，提供一种结构更加合理的激光光束耦合输出系统。

本发明将四个半导体激光阵列发出的四束两种波长的光首先利用波长耦合器进行波长耦合，得到两束包含两种波长的光；此两束光再利用一个偏振耦合器进行耦合输出。根据半导体激光阵列输出光的偏振态类型，设计了两种技术方案：当四个半导体激光阵列均输出P偏振光束或S偏振光束，适用本发明的第一种技术方案；当第一、二半导体激光阵列输出P偏振光束，同时第三、四半导体激光阵列输出S偏振光束时，或者当第一、二半导体激光阵列输出S偏振光束，同时第三、四半导体激光阵列输出P偏振光束时，适用本发明的第二种技术方案。

第一种技术方案：设置第一半导体激光阵列、第二半导体激光阵列、第三半导体激光阵列、第四半导体激光阵列、第一波长耦合器、第二波长耦合器、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第三直角棱镜，二分之一波片，偏振耦合器以及光束整形装置。其中，第一半导体激光阵列和第四半导体激光阵列输出光的波长为λ₁，第二半导体激光阵列和第三半导体激光阵列输出光的波长为λ₂。

第一半导体激光阵列发出的光经过第一直角棱镜反射偏折后与第二半导体激光阵列发出的光通过第一波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为λ₁和λ₂的光束I；同时第四半导体激光阵列发出的光经过第二直角棱镜反射偏折后与第三半导体激光阵列发出的光通过第二波长耦合器进行波长耦合得到包含波长为λ₁和λ₂的光束II；光束I经过第三直角棱镜传播方向偏折90°，光束II垂直经过一个二分之一波片偏振方向旋转90°，然后两束光一同进入偏振耦合器合束，输出一束包含波长为λ₁、λ₂的光束。

光束整形装置A是一种将半导体激光阵列发出的光进行均匀化的装置，各半导体激光阵列发出的光束必须用光束整形装置A进行光束整形，整形过程可以在波长耦合之前，也可以在波长耦合之后。

一种大功率半导体激光光束耦合输出装置设置了表面镀膜的第一直角棱镜5、第二直角棱镜6、第三直角棱镜7；其中第一直角棱镜5、第二直角棱镜6的直角面所镀的膜对波长为λ₁的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ₁的激光具有高反射率，第三直角棱镜7的直角面所镀的膜对波长为λ₁、λ₂的激光具有高透射率，斜面所镀的膜对波长为λ₁、λ₂的激光具有高反射率。

一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的第一波长耦合器8、第二波长耦合器9是一种分光元件；第一波长耦合器8与第二波长耦合器9对波长为λ₁的激光具有高透射率、对波长为λ₂的激光具有高反射率。

一种大功率半导体激光光束耦合输出装置中所设置的偏振耦合器10是一种格兰-泰勒棱镜、薄膜式偏振器件、具有偏振作用的膜或者天然双折射晶体。