[實(shí)用新型]一種多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200720309495.1
• 申請(qǐng)日: 2007-12-27
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN201203679Y
• 公開(kāi)（公告）日: 2009-03-04
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王仲明;朱曉鵬;陳曉華
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 王仲明;朱曉鵬;陳曉華
• 主分類號(hào): G02B6/26
• 分類號(hào): G02B6/26;G02B6/32;G02B6/00
• 代理公司: 暫無(wú)信息
• 代理人: 暫無(wú)信息

技術(shù)領(lǐng)域

本實(shí)用新型提供了一種將多個(gè)獨(dú)立半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)整形和重新排列后合并耦合進(jìn)入一根光纖的結(jié)構(gòu)，通過(guò)這一結(jié)構(gòu)可以獲得具有高效率、高功率密度激光輸出的激光組件。

背景技術(shù)

通過(guò)光纖輸出的半導(dǎo)體激光器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。無(wú)論是激光手術(shù)刀，還是工業(yè)激光打標(biāo)、切割或全固體激光器和光纖激光器的抽運(yùn)源，都需要具有優(yōu)良光束質(zhì)量、高功率密度并且使用靈活的激光源。通過(guò)將半導(dǎo)體激光耦合進(jìn)入光纖再輸出，可以滿足這種需求。實(shí)現(xiàn)高功率密度光纖輸出激光的方法一是提高單個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率密度，二是將多個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出光合并后輸出。

第一種方法的成功取決于半導(dǎo)體激光器的材料生長(zhǎng)和制作工藝水平的進(jìn)步，難度比較大并且提升有限。第二種方法主要依賴于耦合技術(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)上相對(duì)簡(jiǎn)單，是獲得大功率和超大功率激光輸出的主要途徑。其實(shí)現(xiàn)方式有兩種：一是將半導(dǎo)體激光器在芯片一級(jí)制做成為單片列陣形式，并聯(lián)工作，通過(guò)整形光學(xué)系統(tǒng)將陣列中每個(gè)激光器的輸出光重新排列合并到一起輸出；另一種方式是將多支獨(dú)立的半導(dǎo)體激光器的輸出光經(jīng)過(guò)整形合并到一起輸出，分立激光器可以并聯(lián)也可以串聯(lián)。這兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)：由于分立激光器可以在進(jìn)行耦合前進(jìn)行篩選，并且可以采用單獨(dú)制冷，因此組合成的組件可靠性、一致性和壽命均好于使用列陣的組件。

在合并方式上又有兩種方法。一、將每個(gè)獨(dú)立的激光器或列陣中單個(gè)激光器的輸出光各自耦合進(jìn)入一根光纖，再將多根光纖捆成一束輸出。這種耦合方式相對(duì)簡(jiǎn)單，但是光纖輸出光的有效面積比較大，光功率密度不夠高。二、采用特殊光學(xué)系統(tǒng)將所有輸出光重新排列并耦合入一根光纖，這樣就可以得到比較高的功率密度。

本實(shí)用新型屬于將分立激光器的輸出光耦合入一根單光纖的一種實(shí)用方案。

由于分立半導(dǎo)體激光器芯片必須安裝在具有一定大小的熱沉上，如果直接將多個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出光束進(jìn)行排列并聚焦耦合，通常由于受到每個(gè)芯片和其熱沉體積的限制，合并光束空間體積較大，很難獲得小芯徑高功率密度的光纖耦合輸出。為減小合并光束的空間體積，必須采取一定的措施。已經(jīng)有一些方案通過(guò)采取各種特殊措施，實(shí)現(xiàn)了將分立激光器的輸出光進(jìn)行重新排列，使組合光束的空間體積足夠的小，再通過(guò)透鏡組耦合入一根細(xì)光纖。如Polaroid公司的美國(guó)專利6324230號(hào)、nLIGHT?Corporation的美國(guó)專利申請(qǐng)US?2007/0116071A1等。

本專利申請(qǐng)的方案通過(guò)一個(gè)階梯熱沉(1)和一個(gè)按照一定間距排列的反射鏡陣列(7)，以及位于反射鏡后方或前方的柱透鏡(8)，將多個(gè)位于階梯上的半導(dǎo)體激光器芯片(4)經(jīng)微柱透鏡(5)進(jìn)行快軸方向準(zhǔn)直后輸出的光束，在快軸方向進(jìn)行重新排列，并在慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，再通過(guò)透鏡或透鏡組(9)聚焦耦合入單根光纖(10)。

發(fā)明內(nèi)容

本實(shí)用新型解決了將多個(gè)單芯片激光器的輸出光耦合入一根光纖的問(wèn)題。方案示意圖見(jiàn)圖1和圖2。將多個(gè)半導(dǎo)體激光器芯片分別安裝在階梯形金屬熱沉每一級(jí)上，階梯每一級(jí)在X和Z方向上都平行且等間距，階梯長(zhǎng)為L(zhǎng)z、級(jí)高為L(zhǎng)x。芯片直接燒結(jié)在熱沉(1)上，或通過(guò)一個(gè)過(guò)渡熱沉(3)燒結(jié)在熱沉(1)上(圖1)。每個(gè)激光器芯片前方安裝微柱透鏡(5)，使光束在快軸方向(X方向)準(zhǔn)直。快軸準(zhǔn)直后的光束垂直芯片端面沿Y方向呈扇面形等間距出射，照射到前方的反射鏡上(7)。所有反射鏡都安裝在反射鏡熱沉(6)上。反射鏡熱沉(6)的階梯長(zhǎng)度和高度與熱沉(1)相同，使相鄰的反射鏡在X方向上依次錯(cuò)開(kāi)一個(gè)熱沉(1)的階梯高Lx，以避免后一級(jí)遮擋前一級(jí)的光束。在Z方向上間距等于金屬熱沉的階梯長(zhǎng)。這樣就保證了每個(gè)反射鏡都能夠正對(duì)相對(duì)應(yīng)的一個(gè)激光器芯片。所有反射鏡都互相平行，與激光束出射方向(Y方向)成45°角，這樣的反射鏡組將所有光束反射偏轉(zhuǎn)90°，沿Z方向傳播，形成一束在Y方向上平行、間距為L(zhǎng)x的組合光束。在每一路光的光路中安裝一個(gè)柱透鏡(8)，該柱透鏡可以放置在反射鏡熱沉(6)上反射鏡(7)的前方(圖2)或后方(圖1)，該柱透鏡對(duì)激光器慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，使之成為近似平行的光束。這樣就使每一路激光在快軸和慢軸兩個(gè)方向上都被準(zhǔn)直，形成一束沿Z向傳播的，在X、Y方向上都準(zhǔn)直了的合并組合光束。如果準(zhǔn)直慢軸方向的柱透鏡(8)位于反射鏡后(圖1)，則相鄰柱透鏡在X方向上也要有Lx的間隔，以保證后一級(jí)不遮擋前一級(jí)的光束。這樣的組合光束再經(jīng)過(guò)一個(gè)耦合透鏡聚焦成像，將光纖端面放置在成像平面，使合并的光束聚焦后發(fā)散角與光纖的數(shù)值孔徑相匹配、成像的尺寸在光纖的纖芯范圍內(nèi)，即可獲得高效率的耦合。耦合透鏡可以是單個(gè)球面透鏡或非球面透鏡，也可以是透鏡組。