一种合束激光器装置及其合束方法与流程

本发明涉及一种合束激光器装置及其合束方法。

背景技术：

1、为了得到高激光功率，除了采用大功率激光源器件外，还可以采用激光合束的方法实现，将多个小功率的激光源发出的激光合束在一起形成大功率激光束，这是目前获取大功率光束普遍采用的方式，然而，现有技术的合束手段均具有“台阶”设计，即光束叠阵方向具有间距，是在光源的排列均有上下台阶间距，如果取消此台阶间距，由于反射镜表面镀有高反射率膜，因此光线经反射镜90°偏转后遇到其他反射镜将出现“反射镜遮挡光线”的情况，合束效果大打折扣，无法完成完整的合束。即使不考虑反射镜遮挡，当设计成光源前后排列时，前面的光源仍然会遮挡后面的光源。该限制本质上来说是由于光学器件总是存在实体，而实体总会遮挡光线，这意味着叠阵更多的光束（目的是获得更高功率）将使光束质量变差。

2、作为进一步的阐述，如进行光纤耦合，叠阵光束越多光纤输入na以及输出na越大，换言之，输出光束发散角越大，传输时能量密度会快速降低（与光束质量差同理，行业内也称该概念为“亮度”差）。同时，由于光纤na限制，这将极大的限制叠阵光束的数量，限制半导体激光器的总功率和功率密度，半导体激光器（又称“泵浦源”，“光纤耦合半导体激光器”）设计瓶颈就在于此。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明的目的在于提供一种合束激光器装置及其合束方法，采用单轴方向渐变折射率激光透镜，在实现叠加光束（更高功率）的前提下，系统光束质量不会变差，理论上可以叠加无限数量的光束，从而获得更高能量密度的激光束。

2、为了实现上述目的，本发明的方案是：

3、一种合束激光器装置，包括多个相互串联排列的激光透镜和激光源，一个激光透镜至少对应设置一个激光源，其中：所述激光透镜具有两对透光面，两对、四个透光面分别在激光透镜相互垂直的y轴和x轴方向相对设置，透光面的高度为激光透镜的z轴，多个激光透镜沿x轴方向同轴串联排列，激光源射出的激光垂直于激光透镜x轴、从激光透镜y轴一端的透射面射入，所述激光透镜x轴向的折射率是渐变折射率，y轴向和z轴向的折射率是不变的，所述渐变折射率是从激光透镜x轴一端透射面至另一端透射面由低到高逐渐变化的渐变折射率， 激光源的激光在激光透镜x轴一端侧、即折射率低端侧、从y轴透射面射入，在所述x轴渐变折射率作用下射入的激光向x轴另一端侧、即折射率高端侧逐渐偏转，在激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出，y轴不变折射率致使从x轴折射率低的一端透射面射入的激光呈直线穿透激光透镜，其中：在起始端激光透镜之后串接的激光透镜中偏转形成90度角弯曲的激光在与上一个相邻激光透镜直线射出穿过激光合束形成合束激光后直线射出。

4、方案进一步是：所述激光透镜为x轴和y轴方向的两对相邻透光面相互垂直的矩形体激光透镜。

5、方案进一步是：在所述渐变折射率确定、以及激光射入点在x轴方向位置确定的状态下，所述激光透镜x轴的长度和y轴长度，是保证在y轴一侧透射面射入的激光在所述渐变折射率作用下逐渐偏转、在激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的长度。

6、方案进一步是：所述激光源有两个，两个激光源对应激光透镜y轴两端相对透射面设置。

7、方案进一步是：所述激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的射出点是所述激光透镜x轴两端透射面中心点。

8、方案进一步是：所述激光透镜的四个透光面分别镀有高透膜。

9、方案进一步是：在所述激光源与激光透镜之间通过调整定位支架串接设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，快轴准直镜在前慢轴准直镜在后。

10、方案进一步是：所述激光源是半导体激光芯片。

11、一种合束激光器合束方法，包括所述合束激光器装置，其中：所述激光透镜为x轴和y轴方向的两对相邻透光面相互垂直的矩形体激光透镜，在所述激光源与激光透镜之间通过调整定位支架串接设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，从激光源发出的激光顺序经过快轴准直镜和慢轴准直镜后从激光透镜的y轴透射面进入激光透镜， 所述合束方法包括：

12、第一步、设置一个调试激光发射器发射调试激光，调试激光从沿x轴方向同轴相互串联排列的激光透镜x轴折射率低端侧射入并直线穿过；

13、第二步、分别开启每一个激光透镜对应的激光源，使用ccd光探测器观察，通过调整每一个激光透镜对应的激光源的位置、快轴准直镜和慢轴准直镜的位置，使从y轴透射面射入的激光在偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲与穿过的调试激光合束形成合束激光后直线射出；

14、第三步、将确定位置的激光源、快轴准直镜和慢轴准直镜固定，移除调试激光发射器，完成合束。

15、方案进一步是：所述激光源有两个，两个激光源对应激光透镜y轴两侧相对透射面设置，所述激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的射出点是所述激光透镜x轴两端透射面中心点。

16、本发明的有益效果是：采用单轴方向渐变折射率激光透镜，在实现叠加光束（更高功率）的前提下，光束质量不会变差，理论上可以叠加无限数量的光束，从而获得更高能量密度的激光束。实际工程应用中，由于受到材料热稳定，以及镀膜损伤阈值的限制，现有工程能力无法达到无限叠加的效果。即便如此，该方案仍然可突破现有设计瓶颈。

17、下面结合附图和实施例对本发明作一详细描述。

技术特征：

1.一种合束激光器装置，包括多个相互串联排列的激光透镜和激光源，一个激光透镜至少对应设置一个激光源，其特征在于，所述激光透镜具有两对透光面，两对、四个透光面分别在激光透镜相互垂直的y轴和x轴方向相对设置，透光面的高度为激光透镜的z轴，多个激光透镜沿x轴方向同轴串联排列，激光源射出的激光垂直于激光透镜x轴、从激光透镜y轴一端的透射面射入，所述激光透镜x轴向的折射率是渐变折射率，y轴向和z轴向的折射率是不变的，所述渐变折射率是从激光透镜x轴一端透射面至另一端透射面由低到高逐渐变化的渐变折射率， 激光源的激光在激光透镜x轴一端侧、即折射率低端侧、从y轴透射面射入，在所述x轴渐变折射率作用下射入的激光向x轴另一端侧、即折射率高端侧逐渐偏转，在激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出，y轴不变折射率致使从x轴折射率低的一端透射面射入的激光呈直线穿透激光透镜，其中：在起始端激光透镜之后串接的激光透镜中偏转形成90度角弯曲的激光在与上一个相邻激光透镜直线射出穿过激光合束形成合束激光后直线射出。

2.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，所述激光透镜为x轴和y轴方向的两对相邻透光面相互垂直的矩形体激光透镜。

3.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，在所述渐变折射率确定、以及激光射入点在x轴方向位置确定的状态下，所述激光透镜x轴的长度和y轴长度，是保证在y轴透射面射入的激光在所述渐变折射率作用下逐渐偏转、在激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的长度。

4.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，所述激光源有两个，两个激光源对应激光透镜y轴两端相对透射面设置。

5.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，所述激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的射出点是所述激光透镜x轴两端透射面中心点。

6.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，所述激光透镜的四个透光面分别镀有高透膜。

7.根据权利要求1所述的合束激光器装置，其特征在于，在所述激光源与激光透镜之间通过调整定位支架串接设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，快轴准直镜在前慢轴准直镜在后。

8.根据上述任一权利要求所述的合束激光器装置，其特征在于，所述激光源是半导体激光芯片。

9.一种合束激光器合束方法，包括权利要求1所述合束激光器装置，其特征在于，所述激光透镜为x轴和y轴方向的两对相邻透光面相互垂直的矩形体激光透镜，在所述激光源与激光透镜之间通过调整定位支架串接设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，从激光源发出的激光顺序经过快轴准直镜和慢轴准直镜后从激光透镜的y轴透射面进入激光透镜， 所述合束方法包括：

10.根据权利9所述的合束方法，其特征在于，所述激光源有两个，两个激光源对应激光透镜y轴两侧相对透射面设置，所述激光偏转到达x轴折射率高的另一端透射面时形成90度角弯曲直线射出的射出点是所述激光透镜x轴两端透射面中心点。

技术总结
本发明公开了一种合束激光器装置及其合束方法，包括多个同轴串联排列的激光透镜和激光源，激光透镜具有两对透光面，两对、四个透光面分别在X轴和Y轴方向相对设置，激光源射出的激光从激光透镜Y轴的透射面射入，激光透镜X轴向的折射率是渐变折射率，Y轴向的折射率是不变的，所述渐变折射率是从激光透镜X轴一端透射面至另一端透射面由低到高逐渐变化的渐变折射率，从Y轴一侧透射面射入的激光在所述渐变折射率作用下逐渐偏转，在激光偏转到达X轴另一侧透射面时形成90度角弯曲直线射出，其中：在起始端激光透镜之后串接的激光透镜中偏转形成90度角弯曲的激光在与上一个相邻激光透镜直线射出穿过激光合束形成合束激光后直线射出。

技术研发人员：林一凡,丁可可
受保护的技术使用者：林一凡
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23