CN201331603Y - 一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块 - Google Patents
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Abstract
一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块。将多个位于阶梯热沉上的半导体激光器所发出的光，经微柱透镜和柱面镜先后对快轴和慢轴方向进行准直，然后通过对应的反射镜改变光束方向并压缩光束之间的距离，再经一个由自聚焦透镜、限位环、光纤插针和套筒同轴安装构成的透镜－光纤组件高效率地耦合进入小直径光纤获得高功率密度光输出。同轴安装的透镜－光纤组件用焊料直接焊在封装外壳的管口上。这样的激光模块有很高的可靠性、紧凑的外形，特别适用于需要高功率密度的材料处理和光纤激光器泵源的应用。
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束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模块。
背景技术
通过光纤输出的半导体激光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，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；另一种方式是将多个独立的半导体激光器的输出光经过整形合并到一起输出，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结构。
发明内容
本实用新型解决了将两个或两个以上的单芯片激光器的输出光耦合入一根光纤并封装成模块的问题，关键是解决了光束的重排，能够获得大功率、高密度的激光输出。这样的激光模块有很高的可靠性、紧凑的外形，特别适用于需要高功率密度的材料处理和光纤激光器泵源的应用。
结构如图1所示。将两个或两个以上的多个半导体芯片(2)分别焊装在过渡热沉(3)上，之后将其焊装在阶梯形金属热沉(1)的每一级上。每个激光器前方安装微柱透镜(4)使光束在快轴方向准直。通过微柱透镜(4)的光束垂直芯片端面呈扇形射出，照射到前方的柱面镜(5)上。该柱面镜的作用是将光束在慢轴方向准直，于是从柱面镜射出的光束为准平行光束。这组准平行光束照射到前方各自对应的反射镜(6)上。反射镜一方面改变光束的方向，保证多个光束的光轴位于同一个平面内，同时尽量将光束之间的距离进行压缩。光束间距压缩得越小，在一定的透镜孔径下可以采用的激光器数目就越多，也就能获得更高的输出光功率。经改变方向和压缩了间距的光束由自聚焦透镜-光纤组件聚焦到光纤芯(8)上完成耦合。
自聚焦透镜-光纤组件为完成耦合功能的核心结构，见图2。
光纤(8)预先安装在圆柱形光纤插针(11)的中心，其端面磨平、抛光，并镀增透膜。
自聚焦透镜(7)插在适配环(9)中，适配环的内径与自聚焦透镜相同，形成密配合，并且二者同轴。适配环的外径与光纤插针(11)的外径相同。
套筒(12)的形状为封闭的圆筒或筒壁沿轴向开通槽的截面呈“C”形的开口圆筒，由金属或陶瓷材料制成。
套筒(12)内径与光纤插针(11)以及适配环(9)为密配合，将装好自聚焦透镜(7)的适配环(9)和光纤插针(11)分别从两端插入套筒(12)，套筒能够保证自聚焦透镜(7)和光纤插针(11)以及光纤(8)同轴。它们之间的距离用一个长度等于焦距的限位环(10)固定。调节来自反射镜(6)的准平行光束使其光轴与自聚焦透镜-光纤组件光轴平行，光束就能够聚焦到光纤芯上，完成耦合。
模块外壳上制作一个用于引出光纤的圆形管口(15)，其内径大于自聚焦透镜-光纤组件中套筒(12)的外径，圆管上部开口(14)，自聚焦透镜-光纤组件位于管口(15)内部，对其进行位置调整，当调整到最大耦合效率后，将融化的金属焊料或者胶注入管口(15)上端开口(14)内，将自聚焦透镜-光纤组件牢固地焊在或粘结在管口内。
本实用新型使用自聚焦透镜代替常用的非球面镜或透镜组作为准平行光的聚焦镜，大大降低了成本。此外自聚焦透镜与光纤同轴安装，而且可直接将自聚焦透镜-光纤组件焊装在管口上也大大简化了调整和安装的复杂性。由于需要会聚的光束都为准平行光束，因此到达自聚焦透镜的光束虽不是严格的等光程光束也可以得到很好的会聚效果，能够得到大于85％的耦合效率。
附图说明
图1以三个半导体激光器耦合入一根光纤为例，给出了本实用新型模块的整体结构顶视示意图，激光器、柱面镜、反射镜和自聚焦透镜-光纤组件全部安装在模块外壳中。
图2是自聚焦透镜-光纤组件的结构剖视图。
图中：1.阶梯热沉，2.管芯，3.过渡热沉，4.微柱透镜，5.柱面镜，6.反射镜，7.自聚焦透镜，8.光纤，9.适配环，10.限位环，11.光纤插针，12.套筒，13.插针尾，14.管口上开口，15.管口，16.底板，17.模块外壳，18.密封胶。
具体实施方式
用高精度的微调架和胶将微柱透镜(4)安装到已装在过渡热沉(3)的半导体激光器芯片(2)的前方，使激光器光束在快轴方向得到准直并垂直于激光器端面射出。安装过程中通过检查远场光斑来校准光束的方向和准直度。
以三个半导体激光器耦合入一根光纤为例，见图1。将装好微柱透镜(4)和激光器(2)的过渡热沉(3)焊装在阶梯热沉(1)上，将激光器接上电极，电极连接可以是串联也可以是并联，然后将阶梯热沉焊装到底板(16)上。
分别在每一个激光器经微柱透镜快轴准直的光束前安装柱面镜(5)，该柱面镜安装在底板上，使激光光束在慢轴方向得到准直。逐个调节柱面镜到激光器的距离为柱面镜的焦距。此时微柱透镜(4)和柱面镜(5)使激光器光束在快轴和慢轴都得到了准直，形成了一组三束准平行光束。安装中同样通过检查远场光斑来校准光束的方向和准直度。
逐个在每一个准平行光束前安装一个反射镜(6)，反射镜安装在底板上。用四维(二维转动，二维平动)微调架调整反射镜的位置和方向，通过观察反射后的远场光斑，将远场光斑排列整齐，即让光束的光轴都处于同一个平面，并且使光束之间的距离压缩到最小，例如0.2mm，用胶固定反射镜。
将底板(16)装到模块外壳(17)中，调整位置使经反射镜反射的准平行光束从管口(15)的中心射出。
将光纤(8)装在光纤插针(9)中，用胶固定，并对其端面进行研磨、抛光、镀增透膜。将自聚焦透镜(7)装在适配环(10)中，并将其插入并粘在套筒(12)的一端，从另一端插入限位环(10)，再将光纤插针(11)插入，顶紧限位环。
在光纤插针尾(13)位置将自聚焦透镜-光纤组件固定在一个五维(二维转动，三维平动)微调架上，将自聚焦透镜-光纤组件装有透镜的一端从管口(15)向模块管壳内插入，光纤的另一端接光功率计测量输出光功率。给激光器加电流，测量从光纤输出的光功率，反复进行五维调节使光纤输出的功率达到最大。这时将融化的焊料从管口上开口(14)处注入管口内，将套筒(12)在管口(15)内焊牢；或者用胶注入管口上开口(14)将套筒(12)粘牢在管口(15)内。最后用密封胶(18)将套筒(12)、光纤插针(11)、插针尾(13)及管口(15)粘接在一起。
Claims (6)
1.一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其结构为多个激光器芯片垂直安装于阶梯形金属热沉上，每个激光器的光束都由一个微柱透镜和一个柱面镜分别在快轴和慢轴方向进行准直后形成准平行的光束，每路准平行的光束都照射到对应的反射镜上，反射镜改变光束的方向并压缩光束之间的距离，经反射和压缩的准平行光束通过一个由自聚焦透镜、限位环、光纤插针和套筒构成的自聚焦透镜-光纤组件聚焦耦合入单根光纤，并且该自聚焦透镜-光纤组件固定在模块外壳的管口上。
2.根据权利要求1所述的一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其特征为：自聚焦透镜-光纤组件由一个插入适配环的自聚焦透镜、一个限位环和一个光纤插针顺序同轴安装到套筒中构成，自聚焦透镜先插入一个内径与之密配合的适配环内，适配环外径与光纤插针一致，再将装好自聚焦透镜的适配环和光纤插针分别从两端插入套筒，套筒内径与光纤插针外径密配合，使自聚焦透镜和光纤插针同轴，它们之间的距离用一个限位环固定。
3.根据权利要求1所述的一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其特征为：自聚焦透镜-光纤组件中的光纤安装在圆柱形光纤插针的中心，端面磨平、抛光，并镀增透膜。
4.根据权利要求1所述的一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其特征为：自聚焦透镜-光纤组件中的套筒形状为封闭的圆筒或筒壁沿轴向开通槽的截面呈“C”形的开口圆筒，套筒为金属或陶瓷材料制成。
5.根据权利要求1所述的一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其特征为：模块外壳上的用于引出光纤的管口为圆形，其内径大于自聚焦透镜-光纤组件中套筒的外径，圆管上部开口，通过开口将金属焊料注入管内将自聚焦透镜-光纤组件直接焊接固定在管内，或用胶从开口注入管内将自聚焦透镜-光纤组件固定。
6.根据权利要求1所述的一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，其特征为：激光器的数目大于等于2个。
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