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CN201191323Y - 一种多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构 - Google Patents

一种多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构 Download PDF

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朱晓鹏
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Abstract

一种多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其结构为相同或不同波长的激光器芯片安装于阶梯形金属热沉上，每个激光器芯片前都有一个微柱透镜，对其光束快轴方向进行准直后形成平行、等间距的光束，每个经准直的光束都照射到一个反射镜上，使反射光束互相平行并且其间距得到压缩，经反射压缩后的光束等光程地到达聚焦透镜组，并由聚焦透镜组对慢轴方向准直后聚焦，耦合进入多模光纤。该结构具有很高的可靠性、紧凑的外形、广泛的适用性和良好的可扩充性，适用于固体激光的抽运、材料表面处理、激光医疗、激光显示等领域。

Description

一种多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构
技术领域
本实用新型方法提供了一种将多个独立半导体激光器发出的光经整形和重新排列后合并耦合进入一根光纤的结构，通过这一结构可以获得具有高功率、高功率密度激光输出的激光器组件。
背景技术
通过光纤输出的半导体激光器具有广泛的应用领域。无论是激光手术刀、还是工业激光打标、切割或全固体激光器和光纤激光器的抽运源，都需要具有优良光束质量、高功率密度并且使用灵活的激光源。通过将半导体激光耦合进入光纤再输出，可以满足这种需求。实现高功率密度光纤输出激光的方法一是提高单个半导体激光器的输出光功率密度，二是将多个半导体激光器的输出光合并后输出。
第一种方法的成功取决于半导体激光器的材料生长和制作工艺水平的进步、难度比较大并且提升有限，难以满足实际应用当中对光功率密度越来越高的要求。
第二种方法主要依赖于耦合技术的改进，实现上相对简单，是获得大功率和超大功率激光输入的主要途径。其实现方式有两种：一是将半导体激光器在芯片一级制做成为单片列阵形式，并联工作，通过整形光学系统将列阵中每个激光器的输出光重新排列合并到一起输出；另一种方式是将多支独立的半导体激光器的输出光经过整形合并到一起输出，分立激光器可以并联也可以串联。这两种方式各有其优缺点：由于分立激光器可以在进行耦合前进行筛选，并且可以采用单独制冷、因此组合成的组件可靠性、一致性和寿命均好于使用列阵的组件。
在合并方式上又有两种方法。一、将每个独立的激光器或列阵中单个激光器的输出光各自耦合进入一根光纤、再将多根光纤捆成一束输出。这种耦合方式相对简单，但是光纤输出光的有效面积比较大，光功率密度不够高。二、采用特殊光学系统将所有输出光重新排列并耦合入一根光纤，这样就可以得到比较高的功率密度。
本实用新型属于将分立的激光器的输出光耦合入一根单光纤的一种实用方案。
由于分立半导体激光器芯片必须安装在具有一定大小的热沉上，如果直接将多个半导体激光器的输出光束进行排列并聚焦耦合，通常由于受到每个芯片和其热沉体积的限制，合并光束空间体积较大，很难通过常规的透镜组聚焦为比较小的光斑，也就很难获得小芯径高功率密度的光纤耦合输出。为减小合并光束的空间体积，必须采取一定的措施。已经有一些方案通过采取各种特殊措施，实现了将分立激光器的输出光进行重新排列，使组合光束的空间体积足够小，再通过透镜组耦合入一根细光纤。如Polaroid公司的美国专利6364260号采取一个多面体棱镜，将分立半导体激光器芯片星形排列，慢轴平行于多面体棱镜的轴线，发出的光经快轴准直后分别照射到多面棱镜的一个对应面上，经过反射，获得互相平行的小间距光束，再经过透镜组聚焦耦合入光纤。nLIGHTCorporation的美国专利申请US2007/0116071A1，将分立的半导体激光器芯片制做在小阶梯热沉结构上，对半导体激光器的输出光快轴和慢轴方向都进行压缩，形成近似平行的光束，多个芯片发出的光束相互平行，再经过透镜组聚焦耦合进入光纤。
发明内容
本专利申请的方案通过一个阶梯热沉和一个按照一定间距排列的反射镜阵列，将多个位于阶梯上的半导体激光器芯片输出的光束在快轴方向压缩间距并等光程排列起来，再通过透镜组系统聚焦耦合入单根光纤，整个系统安装在一个导热良好的金属底座上。
本实用新型解决了将多个单芯片激光器的输出光耦合入一根光纤的问题。将多个半导体激光器芯片分别安装在阶梯形金属热沉每一级上，阶梯每一级在X和Z方向上都平行且等间距，安装方式可以是芯片直接烧结在热沉上，也可以采用C封装或Q封装等其他形式的激光器组件，其过渡热沉通过螺钉安装或通过焊料焊接在阶梯形热沉上。每个激光器芯片前方均安装微柱透镜，使光束在快轴方向(Z方向)准直，慢轴方向的发散光束不做准直。快轴准直后的光束呈扇面形，平行而等间距Lx地照射到前方的反射镜上。所有反射镜都相互平行，相邻的反射镜在X和Z方向分别错开一个固定的距离，使得每个激光器芯片发出的光都只照射到对应的一个反射镜上并被反射。反射后的光束互相平行，间距由反射前的Lx压缩为d。通过设计反射镜的位置和排列间距，以及适当选择光束反射偏转角度a，可以使得合并光束中的每个光束都有相等的光程。由于在本方案中在准直了快轴方向后，没有对激光器光束的慢轴方向进行准直，因此等光程的条件十分重要，只有等光程的光束合并后通过透镜组成像时，每个激光器的光束的成像点才可以位于同一个平面上。这时，将光纤端面放置在成像平面，使合并的光束聚焦后发射角与光纤的数值孔径相匹配、成像的尺寸在光纤的纤芯范围内，即可获得高效率的耦合。透镜组包含一个用来准直慢轴方向反射光的柱透镜和一到两个用于聚焦成像的球面透镜或非球面透镜。
半导体激光器发射的光束快轴方向的发散角大。由于微柱透镜的球差和衍射效应，经微柱透镜压缩准直的输出光束实际上不可能形成完全平行的光，而是具有一定发散角，再考虑到经柱透镜准直后出射的光束必然具有与微柱透镜直径相关的宽度，因此当光照到反射镜时在快轴方向上必然有一定的展宽，这个宽度也就决定了反射镜在X方向上的最小间距，它必须大于距离芯片最远的那一个反射镜处相应的光斑大小，这样才能保证其中任何一束光只照射到对应的反射镜上而不会照射到相邻的反射镜上。反射镜在慢轴方向上的长度必须比照射到其上的光斑慢轴方向的光斑要大一些，以避免功率损失。
本实用新型所采用的技术方案的一个优势在于不用分别对每个分立激光器进行慢轴方向准直，而将慢轴方向准直的任务统一由单一的耦合透镜组来完成，可以节省成本。同时，反射镜阵列的每一个反射镜都远离激光器芯片，因此可以更自由地进行调整，或分别获得各自最高的耦合效率，而且反射镜的成本比准直透镜组或多面棱镜要低的多。
利用本结构，所选用的激光器发光波长可以是相同的，也可以是不同的，具有很大的灵活性。采用两种或两种以上波长的激光器芯片，并且在电极连接上分别控制其电流，可以实现单根光纤选择性输出不同波长光的功能，由于所有芯片所发出的光都经过同一个聚焦透镜组进行聚焦耦合，因此要考虑透镜组色散的影响，可以根据不同波长下透镜组焦点的位置变化，调整相应激光器芯片所在阶梯的长度Lz，即采用不等距阶梯热沉，补偿由于色散导致的焦点位置变化。
本结构阶梯热沉的阶梯数可根据需要的激光总功率和单个激光器的功率，以及激光波长种类进行选取，十分灵活。其阶梯数上限取决于由像差限制的聚焦透镜组的最大孔径和阶梯热沉的最大容许散热条件。
附图说明
图1是本实用新型设计的示意图，其激光器芯片烧结在阶梯热沉台阶上。
图2是采用C封装的激光器芯片安装在阶梯热沉上的安装方式。
图3为本设计的原理图。
图中1.底板，2.微柱透镜，3.阶梯热沉，4.反射镜，5.聚焦透镜组，6.C封装过渡热沉，7.单根多模光纤，8.经快轴准直的光束，9.激光器芯片，10.反射前的光束截面和光束间隔，11.经反射压缩间隔后的光束截面和间隔。
具体实施方式
如图1、图2和图3所示，分立的半导体激光器芯片9可以直接烧结在阶梯形热沉3上，热沉采用高导热率的金属，例如无氧铜，也可以先将半导体激光器芯片9烧结在高导热率的金属或陶瓷过渡热沉6上，再安装到阶梯形热沉3上，阶梯热沉3安装在一个金属散热底板1上，如激光器采用并联方式，激光器芯片在烧结到阶梯热沉上或将过渡热沉安装到阶梯热沉上时，可以不采用绝缘措施，阶梯热沉即为激光器的一个电极，芯片另一个电极则合并后引出，若采用串联方式，则必须保证每个激光器之间的电学隔离，可以采用不导电的高导热率陶瓷做过渡热沉，例如氧化铍陶瓷，氮化铝陶瓷等，做了电学隔离的芯片也可以单独引线进行单独控制。
通过高精度的微调架和胶，将微柱透镜2安装到每一个激光器芯片前方，使激光器快轴方向的光束8得到准直，并且相互平行。在安装当中，通过检查远场光斑位置来观察光束的准直度以及各光束之间的平行度，远场光斑应当形成如图3中反射前的光束截面和光束间隔10所示的分布。
用五维(三个平行自由度，两个旋转自由度)微调架和适当的夹具夹住反射镜4进行调整。反射镜可以是镀金属膜或介质膜的玻璃片。通过观察远场反射光。形成快轴方向间距压缩了的等间距平行光束，间距和光束反射偏转角度符合设计要求，形成如经反射压缩间隔后的光束截面和间隔11所示的分布。然后用胶将反射镜4固定到底板上。依次将所有反射镜4调整安装到位，即获得等光程的合并光束。压缩后的间距d的范围为0.1mm～2mm，光束偏转角的范围为30°到150°。
将单根多模光纤7安放在焦点位置，通过五维调节架将聚焦透镜组5安装调整，获得最高的耦合效率，并通过焊接或用胶粘固定在底板上。在本方法中，可以采用芯径200μm～1mm、数值孔径0.1～0.3的光纤，激光波长从630nm到2μm，通过选择不同的激光器数目(2～15个)，可获得输出功率1W～100W，平均耦合效率高于85％。

Claims (8)

1.一种多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征是其结构为相同或不同波长的激光器芯片安装于阶梯形金属热沉上，每个激光器芯片前都有一个微柱透镜，对其光束快轴方向进行准直后形成平行、等间距的光束，每个经准直的光束都照射到一个反射镜上，使反射光束互相平行并且其间距得到压缩，经反射压缩后的光束等光程地到达聚焦透镜组，并由聚焦透镜组对慢轴方向准直后聚焦，耦合进入多模光纤。
2.根据权利要求1所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：相同波长的激光器芯片安装在阶梯热沉上，阶梯热沉每一阶梯形的几何形状均相同；或不同波长的激光器芯片安装在阶梯热沉上。
3.根据权利要求1所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：激光器芯片为并联或串联。
4.根据权利要求2所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：阶梯长度和宽度的范围在0.5mm到3mm，阶梯数目根据总功率要求和单个芯片的功率以及散热条件确定，数量从2到15个。
5.根据权利要求1所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：激光器芯片直接烧结在阶梯形热沉上，或者是C封装、Q封装在阶梯形热沉上，激光器芯片的过渡热沉通过螺钉安装或通过焊料焊接在阶梯形热沉上。
6.根据权利要求2所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：激光器波长从400nm到2000nm。
7.根据权利要求2所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：所有的反射镜均等距离、同角度成线阵排列，其间距和反射角保证每个激光器所发出光束在到达耦合透镜组时的光程相等。经反射压缩后的光束间距范围为0.1mm到2mm，反射前后光束夹角范围为30°到150°，发射镜排列间距保证每个反射镜都不遮挡相邻反射镜的反射光。
8.根据权利要求1所述的多路分立半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：多模光纤纤芯直径范围为200μm到1000μm，数值孔径范围为0.1到0.3，获得1W～100W的光功率输出。
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Legal Events

Date Code Title Description
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Assignee: BWT Beijing Ltd.

Assignor: Wang Zhongming|Zhu Xiaopeng|Chen Xiaohua

Contract fulfillment period: 2008.8.8 to 2015.8.7

Contract record no.: 2009990000546

Denomination of utility model: Construction integrating duplex splitted semiconductor laser into single optical fiber

Granted publication date: 20090204

License type: Exclusive license

Record date: 20090522

LIC Patent licence contract for exploitation submitted for record

Free format text: EXCLUSIVE LICENSE; TIME LIMIT OF IMPLEMENTING CONTACT: 2008.8.8 TO 2015.8.7; CHANGE OF CONTRACT

Name of requester: BEIJING KAIPU LIN PHOTOELECTRICITY SCIENCE CO., LT

Effective date: 20090522

ASS Succession or assignment of patent right

Owner name: BEIJING KAIPU LIN PHOTOELECTRICITY SCIENCE CO., LT

Free format text: FORMER OWNER: WANG ZHONGMING

Effective date: 20100122

C41 Transfer of patent application or patent right or utility model
TR01 Transfer of patent right

Effective date of registration: 20100122

Address after: No. 4, 5 Feng Feng Road, Fengtai science and Technology Park, Beijing, Fengtai District, China: 100070

Patentee after: BWT Beijing Ltd.

Address before: No. 4, 5 Feng Feng Road, Fengtai science and Technology Park, Beijing, Fengtai District, China: 100070

Co-patentee before: Zhu Xiaopeng

Patentee before: Wang Zhong Ming

Co-patentee before: Chen Xiaohua

CF01 Termination of patent right due to non-payment of annual fee

Granted publication date: 20090204

Termination date: 20141109

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