CN102916341A

CN102916341A - 一种单管半导体激光器合束方法

Info

Publication number: CN102916341A
Application number: CN2012104274478A
Authority: CN
Inventors: 朱洪波; 郝明明; 秦莉; 张志军; 王立军
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2012-10-31
Filing date: 2012-10-31
Publication date: 2013-02-06

Abstract

本发明涉及一种单管半导体激光器合束方法，包括以下步骤：多个阶梯热沉在同一平面同方向排放，每个阶梯热沉上固定的多个单管半导体激光器可发出一列方向相同的组合光束；多列组合光束通过反射镜以不同倾角入射到衍射光栅上并发生重叠，通过衍射光栅的分光作用和外腔镜的反馈作用下，每只激光器发出的光束在由激光器的后腔面和外腔镜构成的谐振腔内实现外腔反馈和波长锁定，并由衍射光栅将多路光束合成一束从而实现外腔合束，最后耦合进入多模光纤。本发明突破了传统的空间合束和偏振合束对合束单元数量的限制，可显著增加合束单元的数量，耦合进光纤后输出功率相对于采用空间合束和偏振合束技术制成的光纤耦合模块有大幅度的提高。

Description

一种单管半导体激光器合束方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种单管半导体激光器合束方法。

背景技术

由于单管半导体激光器具有高光束质量，散热特性好，寿命长等优点，因此采用单管合束技术制成的光纤耦合模块在激光医疗、光纤激光器泵浦、激光监控、激光加工等方面都有着广泛的应用。但是由于单管半导体激光器的功率输出较低，为了能够提高光纤耦合模块的输出功率以满足单管半导体激光器技术应用，一些研究机构已经采取一些单管合束技术，如（100-W, 105-μm, 0.15NA Fiber CoupledLaser Diode Module，Scott R. Karlsen, R. Kirk Price,Proc. of SPIE Vol. 7198 71980T-1），这是国际上单管半导体激光器合束主要采用的技术。固定在阶梯热沉的每一级上的激光器在快轴方向叠加成组合光束，将两个组合光束单元通过偏振合束技术进行偏振合束。由于偏振态的限制，只能将一个P偏振的组合光束单元与一个S偏振的组合光束单元进行合束，这样就限制了合束单元的数量以及光纤耦合模块的输出功率。

发明内容

本发明要解决现有单管合束技术中偏振合束方法对合束单元数量的限制问题，提供一种没有合束单元数量限制的单管半导体激光器合束方法。

为了解决上述技术问题，本发明的单管半导体激光器合束方法的技术方案具体如下：

一种单管半导体激光器合束方法，包括以下步骤：

步骤i：每个阶梯热沉和其上安装的多个同一波长的单管半导体激光器形成一个单元，将多个所述单元安放在同一平面上，每个单元发出一路组合光束；

步骤ii：每个组合光束经过不同角度摆放的反射镜进行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光栅上，所有单元发出的组合光束的光斑在衍射光栅上重叠成一个光斑；

步骤iii：逆用衍射光栅的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔镜；

步骤iv：激光束被外腔镜反馈后经衍射光栅从原光路返回到各自的单管半导体激光器腔内，使每只单管半导体激光器发出具有与注入反馈相同波长的激光；

步骤v：衍射光栅将经过注入反馈的光束合成为一束实现外腔合束，最后通过聚焦镜耦合进入多模光纤。

在上述技术方案中，每个所述的单管半导体激光器前腔面镀有透过率在99%以上的增透膜。

在上述技术方案中，在步骤i之前还包括步骤：每个阶梯热沉上的多个单管半导体激光器发出的光束经过快轴准直镜和慢轴准直镜进行准直，以在快轴方向叠加成平行等距的组合光束；所述快轴准直镜为柱面微透镜或球面微透镜；所述慢轴准直镜为柱面微透镜或球面微透镜。

在上述技术方案中，每个阶梯热沉上单管半导体激光器的数目为至少两个。

在上述技术方案中，所述衍射光栅为透射型衍射光栅或者反射型衍射光栅。

在上述技术方案中，所述外腔镜为具有一定反射率的平行平板，反射率值为从1%到50%。

在上述技术方案中，所述外腔镜的摆放方向与衍射光束的方向严格垂直。

在上述技术方案中，所述聚焦镜为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。

在上述技术方案中，所述单管半导体激光器的波长从400nm～2000nm。

在上述技术方案中，所述多模光纤纤芯直径范围为50μm～1000μm，数值孔径范围为0.1到0.3，光功率输出为1W～1000W。

本发明的单管半导体激光器合束方法具有以下的优点：

本发明的单管半导体激光器合束方法，将多个单管半导体激光器空间合束后的组合光束，利用衍射光栅实现外腔合束，并以单个阶梯单元上激光器的组合光束的光束质量进行输出，合束后还可以通过偏振合束进一步合束，解决了只采用空间合束和偏振合束中合束单元数量的限制，耦合进光纤后输出功率相对于只采用空间合束和偏振合束技术制成的光纤耦合模块有大幅度的提高。

本发明的单管半导体激光器合束方法中，半导体激光器合束结构中阶梯热沉上激光器的数量可根据需要的激光总功率和单个激光器的功率、机械尺寸、散热条件确定，十分灵活。参与合束的单元的数量取决于激光器的增益谱宽和衍射光栅的衍射能力以及衍射光栅的损伤阈值。

附图说明

图1是本发明的单管半导体激光器合束方法的一种具体实施方式中单管半导体激光器合束结构的结构示意图，其中衍射光栅为反射型衍射光栅；

图2是本发明的单管半导体激光器合束方法的另外一种具体实施方式中单管半导体激光器合束结构的结构示意图，其中衍射光栅为透射型衍射光栅；

图3是图1所示的具体实施方式中单管半导体激光器合束结构的一个阶梯单元的立体结构示意图；

图4是图1所示的具体实施方式中单管半导体激光器合束结构的一个阶梯单元的侧向光路图；

图5是图1所示的具体实施方式中单管半导体激光器合束结构的多个阶梯单元上的组合光束通过衍射光栅合束后的光斑示意图。

具体实施方式

本发明的发明思想为：本发明的单管半导体激光器合束方法，包括以下步骤：

首先，每个阶梯热沉上的多个单管半导体激光器发出的光束经过快轴准直镜和慢轴准直镜进行准直，以在快轴方向叠加成平行等距的组合光束。

然后，每个阶梯热沉和其上安装的多个同一波长的单管半导体激光器形成一个单元，将多个所述单元安放在同一平面上，每个单元发出一个组合光束；

再然后，每个组合光束经过不同角度的反射镜进行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光栅上，所有单元发出的组合光束的光斑在衍射光栅上重叠成一个光斑；

再然后，逆用衍射光栅的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔镜；

再然后，激光束被外腔镜反馈后经衍射光栅从原光路返回到各自的单管半导体激光器腔内，使每只单管半导体激光器发出具有与注入反馈相同波长的激光；

最后，衍射光栅将经过注入反馈的光束合成为一束实现外腔合束，最后通过聚焦镜耦合进入多模光纤。

本发明的单管半导体激光器合束方法，所使用的单管激光器前腔面镀有增透膜，透过率在99%以上，首先是通过在每只激光器前分别安装快轴准直镜和慢轴准直镜以减小激光器快慢轴的发散角，准直后在快轴方向叠加成平行等距的组合光束，每个阶梯热沉作为一个单元，将多个单元在同一平面同方向排放，即多个单元等间距安放。每个单元的组合光束通过反射镜的反射以不同角度入射到衍射光栅上，并且每个单元组合光束的光斑在衍射光栅上发生叠加，叠加后的光斑与一个单元的组合光束的光斑相同。半导体激光器的光谱较宽，通常可以达到2～3nm（FWHM）。逆用衍射光栅的分光作用和波长选择作用，将每个单元光束中波长与其对应的入射角满足光栅方程的光以相同的角度衍射至外腔镜，由于外腔镜的部分反馈作用并且根据光路可逆原理，垂直入射到外腔镜上的这部分光束将再次经衍射光栅按原光路回到各自的激光器腔内，这样每个激光器将收到自己单元的输出反馈并将在由激光器的后端面与外腔镜构成的新谐振腔内进行振荡，每只激光器反馈回来的波长依次呈线性变化。根据半导体激光器的模式竞争理论，反馈的作用迫使每个单元上的激光器激发出与注入反馈相同波长的激光。这样每个单元的激光器都激发出波长略微不同的光束入射到衍射光栅上，此时每个单元的组合光束的波长和各自的入射角都满足光栅方程，衍射光栅可以将这些波长和入射角不同的光束以相同衍射角合成一束并通过外腔镜输出实现外腔合束，最后通过聚焦镜耦合进多模光纤。。

本发明的单管半导体激光器合束方法，将多个单管半导体激光器空间合束后的组合光束，利用衍射光栅实现外腔合束，并以单个阶梯单元激光器的组合光束的光束质量进行输出，解决了只采用空间合束和偏振合束中合束单元数量限制的问题，耦合进光纤后输出功率相对于只采用空间合束和偏振合束技术制成的光纤耦合模块有大幅度的提高。

以下结合附图给出的实施例对本发明作进一步详细说明。

图1、3、4和5显示了本发明的单管半导体激光器合束方法的一种具体实施方式。参照图1，本具体实施方式中的单管半导体激光器合束方法适用的单管半导体激光器合束结构包括：同一波长的25个单管半导体激光器1、过渡热沉2、5个阶梯热沉3、正过渡电极4、负过渡电极5、快轴准直镜6、慢轴准直镜7、慢轴准直镜座8、反射镜9、衍射光栅10、外腔镜11、聚焦镜12、以及多模光纤13。如图1所示，每个阶梯热沉3上固定了5个单管半导体激光器1，5个阶梯热沉3并列设置。聚焦镜12采用球面透镜。

所使用的激光器为带有AlN陶瓷片子模块封装的单管半导体激光器1，激光器可以焊接在过渡热沉2上，过渡热沉2可以通过螺钉固定在阶梯热沉3上，过渡热沉2和阶梯热沉3都应采用高热导率的金属，例如无氧铜；当然，在其他具体实施方式中，也可以是将激光器直接烧结在阶梯热沉3上。由于激光器的子模块为AlN材料，所以无论采用串联方式还是并联方式，都可以不采取绝缘措施，直接通过正电极4和负电极5分别引出电极即可。

在适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构中，通过6轴精密调整架和紫外胶，将快轴准直镜6安装到每一个激光器1的腔面前，使快轴方向的光束得到准直。慢轴准直镜7下面可以由慢轴准直镜座8支撑，慢轴准直镜座8通过螺钉固定在阶梯热沉上，用紫外胶将慢轴准直镜7和慢轴准直镜座8进行胶合固定，从而实现激光束的快慢轴准直并得到一组平行、等距且出射方向一致的组合光束。在快轴准直镜6和慢轴准直镜7装调过程中，需要检查所有激光器的远场光斑的中心位置在快轴方向是否在一条竖线上。

在适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构中，通过六轴调整架和适当的夹具夹住反射镜9进行调整，使得各单元的组合光束通过反射镜9反射后以不同倾角入射到衍射光栅10预定的位置，并在该平面上发生叠加，叠加后的光斑应该与一个单元的组合光束的光斑相同，调整好后用紫外胶或者机械方法将反射镜9进行固定。

在适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构中，衍射光栅10是在基底材料上进行光刻镀膜制成的，透射光栅的基底材料为微晶玻璃，反射光栅的基底材料为金属。通过六轴调整架和适当的夹具夹住衍射光栅10进行调整，将衍射光栅10放置在光斑重叠位置处，调整好后用紫外胶或者机械方法将衍射光栅10进行固定。

在适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构中，外腔镜11是一个平行平板，反射率值为从1%到50%。外腔镜11的基底材料为融石英或光学玻璃，一边镀有增透膜，一边镀有半透半反膜，将半透半反膜方向对着衍射光栅10从而实现光反馈。通过六轴调整架和适当的夹具夹住外腔镜11进行调整，使得外腔镜11的摆放方向与衍射光栅10的衍射方向严格垂直。再将聚焦镜12和多模光纤13安装在光路中，通过调整架对二者进行调整，直到获得最高的光纤输出功率，这样就完成了光路系统的调节。

在适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构中，可以采用芯径为 50μm ～1000μm、数值孔径范围为0.1到0.3的。单管半导体激光器1波长从400nm～2000nm，通过选择不同的激光器数目和阶梯单元（2～若干个），可获得1W～1000W的光功率输出。本发明的单管半导体激光器合束方法适用的单管半导体激光器合束结构中，所有的单管半导体激光器1可以是同一偏振态，也可以是不同偏振态。所述聚焦镜12为球面透镜，所述快轴准直镜6和所述慢轴准直镜7均为柱面微透镜。当然在其他的具体实施方式中，所述聚焦镜12还可以为非球面透镜或者两个分离的柱面镜；所述快轴准直镜6和所述慢轴准直镜7还可以分别为球面微透镜。

架设适用本发明的单管半导体激光器合束方法的单管半导体激光器合束结构时，将单管半导体激光器1焊接在过渡热沉2上，通过螺钉将过渡热沉2固定在阶梯热沉3的每一级上，阶梯热沉3的每一级尺寸都完全相等。

本发明的单管半导体激光器合束方法具体的说：

首先，每只激光器前分别安装快轴准直镜6和慢轴准直镜7以减小激光器快慢轴的发散角，准直后在快轴方向叠加成平行等距的组合光束。

然后，以每个阶梯热沉3作为一个单元，将多个单元安放在同一平面上，每个单元发出一个组合光束。

再然后，每个单元的组合光束经过不同角度摆放的反射镜9进行反射，各自以一定的角度入射到衍射光栅10上，并且每个单元的光斑在衍射光栅10上发生叠加，叠加后的光斑与一个单元的组合光束的光斑相同。

由于半导体激光器的光谱较宽，通常可以达到2～3nm（FWHM）。所以，再然后，逆用光栅的分光作用和波长选择作用，将每个单元光束中波长与其对应的入射角满足光栅方程的光以相同的角度衍射至外腔镜11。

再然后，垂直入射到外腔镜11上的这部分光束，由于外腔镜11的部分反馈作用并且根据光路可逆原理，将再次经衍射光栅10按原光路回到各自的激光器腔内，这样每个激光器将收到自己单元的输出反馈并将在由激光器的后端面与外腔镜11构成的新谐振腔内进行振荡，每只激光器反馈回来的波长依次呈线性变化。根据半导体激光器的模式竞争理论，反馈的作用迫使每个单元上的激光器激发出与注入反馈相同波长的激光。

最后，每个单元的激光器都激发出波长略微不同的光束入射到衍射光栅10上，此时每个单元的组合光束的波长和各自的入射角都满足光栅方程，衍射光栅10可以将这些波长和入射角不同的组合光束合成一束并以相同衍射角通过外腔镜11输出实现外腔合束，最后通过聚焦镜12耦合进多模光纤13。

图2显示了本发明的单管半导体激光器合束方法的另外一种具体实施方式。与图1所示的具体实施方式不同的是，衍射光栅为透射型衍射光栅。本具体实施方式的单管半导体激光器合束方法的工作原理与图1所示的具体实施方式相同，故在此不再赘述。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims

1.一种单管半导体激光器合束方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤i：每个阶梯热沉（3）和其上安装的多个同一波长的单管半导体激光器（1）形成一个单元，将多个所述单元安放在同一平面上，每个单元发出一路组合光束；

步骤ii：每个组合光束经过不同角度摆放的反射镜（9）进行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光栅（10）上，所有单元发出的组合光束的光斑在衍射光栅（10）上重叠成一个光斑；

步骤iii：逆用衍射光栅（10）的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔镜（11）；

步骤iv：激光束被外腔镜（11）反馈后经衍射光栅（10）从原光路返回到各自的单管半导体激光器（1）腔内，使每只单管半导体激光器（1）发出具有与注入反馈相同波长的激光；

步骤v：衍射光栅（10）将经过注入反馈的光束合成为一束实现外腔合束，最后通过聚焦镜（12）耦合进入多模光纤（13）。

2.根据权利要求1所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，每个所述的单管半导体激光器（1）前腔面镀有透过率在99%以上的增透膜。

3.根据权利要求1所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，在步骤i之前还包括步骤：

每个阶梯热沉（3）上的多个单管半导体激光器（1）发出的光束经过快轴准直镜（6）和慢轴准直镜（7）进行准直，以在快轴方向叠加成平行等距的组合光束；所述快轴准直镜（6）为柱面微透镜或球面微透镜；所述慢轴准直镜（7）为柱面微透镜或球面微透镜。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，每个阶梯热沉（3）上单管半导体激光器（1）的数目为至少两个。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述衍射光栅（10）为透射型衍射光栅或者反射型衍射光栅。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述外腔镜（11）为具有一定反射率的平行平板，反射率值为从1%到50%。

7.根据权利要求6所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述外腔镜（11）的摆放方向与衍射光束的方向严格垂直。

8.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述聚焦镜（12）为球面透镜、非球面透镜或者两个分离的柱面镜。

9.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述单管半导体激光器（1）的波长从400nm～2000nm。

10.根据权利要求1-3任意一项所述的单管半导体激光器合束方法，其特征在于，所述多模光纤（13）纤芯直径范围为50μm～1000μm，数值孔径范围为0.1到0.3，光功率输出为1W～1000W。