CN201203679Y - 一种多路半导体激光耦合入单根光纤的结构 - Google Patents
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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，每个反射光束都由一个柱透镜对慢轴方向进行准直，得到快、慢轴方向都得到压缩的、互相平行并且其间距得到压缩的组合光束，该光束由透镜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
技术领域
本实用新型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效率、高功率密度激光输出的激光组件。
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。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出的主要途径。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阵列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的小，再通过透镜组耦合入一根细光纤。如Polaroid公司的美国专利6324230号、nLIGHT Corporation的美国专利申请US 2007/0116071A1等。
本专利申请的方案通过一个阶梯热沉(1)和一个按照一定间距排列的反射镜阵列(7)，以及位于反射镜后方或前方的柱透镜(8)，将多个位于阶梯上的半导体激光器芯片(4)经微柱透镜(5)进行快轴方向准直后输出的光束，在快轴方向进行重新排列，并在慢轴方向进行准直，再通过透镜或透镜组(9)聚焦耦合入单根光纤(10)。
发明内容
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。方案示意图见图1和图2。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，阶梯长为Lz、级高为Lx。芯片直接烧结在热沉(1)上，或通过一个过渡热沉(3)烧结在热沉(1)上(图1)。每个激光器芯片前方安装微柱透镜(5)，使光束在快轴方向(X方向)准直。快轴准直后的光束垂直芯片端面沿Y方向呈扇面形等间距出射，照射到前方的反射镜上(7)。所有反射镜都安装在反射镜热沉(6)上。反射镜热沉(6)的阶梯长度和高度与热沉(1)相同，使相邻的反射镜在X方向上依次错开一个热沉(1)的阶梯高Lx，以避免后一级遮挡前一级的光束。在Z方向上间距等于金属热沉的阶梯长。这样就保证了每个反射镜都能够正对相对应的一个激光器芯片。所有反射镜都互相平行，与激光束出射方向(Y方向)成45°角，这样的反射镜组将所有光束反射偏转90°，沿Z方向传播，形成一束在Y方向上平行、间距为Lx的组合光束。在每一路光的光路中安装一个柱透镜(8)，该柱透镜可以放置在反射镜热沉(6)上反射镜(7)的前方(图2)或后方(图1)，该柱透镜对激光器慢轴方向进行准直，使之成为近似平行的光束。这样就使每一路激光在快轴和慢轴两个方向上都被准直，形成一束沿Z向传播的，在X、Y方向上都准直了的合并组合光束。如果准直慢轴方向的柱透镜(8)位于反射镜后(图1)，则相邻柱透镜在X方向上也要有Lx的间隔，以保证后一级不遮挡前一级的光束。这样的组合光束再经过一个耦合透镜聚焦成像，将光纤端面放置在成像平面，使合并的光束聚焦后发散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。耦合透镜可以是单个球面透镜或非球面透镜，也可以是透镜组。
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，再考虑到经微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(7)时在快轴方向上(X方向)必然有一定的展宽，这个宽度也就决定了阶梯热沉(1、6)的最小阶高Lx。
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，具有很强的灵活性。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，可以实现通过单根光纤选择性输出不同波长光的功能。
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，其激光器芯片通过过渡热沉烧结在阶梯热沉台阶上，慢轴方向准直柱透镜在光路中放置在反射镜之后。激光器出光方向为Y方向，垂直(即快轴)方向为X方向，慢轴方向为Z方向。
图2是本实用新型设计的示意图，其激光器芯片通过过渡热沉烧结在阶梯热沉台阶上，慢轴方向准直柱透镜在光路中放置在反射镜之前。
图3为本设计的原理图。其中左方为阶梯热沉的侧视图，右上方为耦合透镜前方截面上的光束形状示意图。
图中 1.阶梯热沉，2.总电极，3.过渡热沉，4.激光器芯片，5.微柱透镜，6.反射镜热沉，7.反射镜，8.柱透镜，9.透镜或透镜组，10.多模光纤，11.整形后的光束形状示意图。
具体实施方式
分立半导体激光器芯片可以直接烧结在阶梯形热沉(1)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烧结在高导热率的金属或陶瓷过渡热沉(3)上，再安装到阶梯形热沉上，通过总电极(2)引出导线。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，可以不采取绝缘措施，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，则必须保证每只激光器之间的电学隔离，可以采用表面金属化的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，如图(1)和图(2)的链接方式进行串联连接并引出引线。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(5)安装到每一个激光器芯片前方，使激光器快轴方向的光束得到准直，并且互相平行且垂直于激光器芯片端面出射。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。
反射镜热沉(6)的阶梯尺寸制作成与热沉(1)完全相同，并在阶梯上制作出反射镜(7)和柱透镜(8)的位置标志，按照阶梯上的标志准确地将反射镜和柱透镜安装在反射镜热沉上，并用焊接或者胶粘的方式进行固定。反射镜可以是镀金属膜或介质膜。
将装好反射镜和柱透镜的反射镜热沉(6)与装好激光器芯片的阶梯热沉(1)相对安装，用五维(三个平动自由度、两个旋转自由度)微调架和适当的夹具夹住反射镜热沉进行调整，使光束偏转方向为90°沿Z方向传播、并且远场光斑达到最小时，用胶或焊接的方法将反射镜热沉(6)和阶梯热沉(1)固定在一个底板上。再将耦合透镜(9)和多模光纤(10)安装在光路中，通过五维(三个平动自由度、两个旋转自由度)微调架和适当的夹具分别夹住二者进行调整，直到获得最高的光纤输出功率，将其用胶或焊接的方法进行固定。这样就完成了光路系统的调节。
在本结构中，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 (7)
1.一种多路半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为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，每个经快轴准直的光束都照射到一个反射镜上，使反射光束偏转90°并使光束快轴方向上的间距得到压缩，在反射镜前方或后方，每一路激光束都经过一个柱透镜进行慢轴方向的准直，所有快、慢轴方向都经准直的合束后的光束由聚焦透镜耦合进入多模光纤。
2.根据权利要求1所述的多路半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：阶梯长度(Lz)和高度(Lx)的范围在0.3mm到3mm。阶梯数目根据总功率需求和单个芯片的功率以及散热条件确定，数量从2到15个。
3.根据权利要求1所述的多路半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：激光器芯片可以直接烧结在阶梯形热沉上，也可以通过过渡热沉安装在阶梯形热沉上。
4.根据权利要求1所述的多路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。
5.根据权利要求1所述的多路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、45°角排列，反射镜排列方式在X方向上保证每个反射镜都不遮挡相邻反射镜的反射光。
6.根据权利要求1所述的多路半导体激光耦合入单根光纤的结构，其特征为：对慢轴方向进行准直的柱透镜位于光路中反射镜前方或者后方。
7.根据权利要求1所述的多路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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