CN103219648A - 一种激光光源的光纤耦合*** - Google Patents

一种激光光源的光纤耦合*** Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光光源的耦合***，具体为一种激光光源的光纤耦合***，解决了激光光束空间合束后光束的填充比小、光束质量差、光纤耦合效率低的问题。一种激光光源的光纤耦合***，包括同轴依次放置的汇聚元件、光楔阵列、微透镜阵列和集束光纤，且光楔阵列放置在通过汇聚元件后的光束的汇聚点之前的位置，集束光纤的端面放置在微透镜阵列的出瞳位置。本发明利用汇聚元件和光楔阵列对激光光束进行压缩，使得通过光楔的光束的光参量积大大减小，光束的填充比增加，提高了光束的质量；进一步利用微透镜阵列使光束成像在出瞳面，利用集束光纤一对一接收成像的光束，耦合效率高，能满足光纤激光器泵浦、激光医疗和工业加工等领域对高质量激光的要求。

Description

一种激光光源的光纤耦合***
技术领域
本发明涉及大功率集成激光光源的耦合***，具体为一种激光光源的光纤耦合***。
发明内容
随着科学技术的不断进步，各个领域对激光的需求越来越显著，尤其是对大功率、高亮度、高质量的激光，例如随着投影显示技术的发展，对照明光源要求不断提高，激光越来越显示其独特的优势；再有如激光打标、材料切割、焊接、光纤激光器的泵浦源、激光医疗等领域对高功率激光也有更多的需求。半导体激光由于具有电光转换效率高、波长覆盖范围广、可靠性高、体积小和成本低廉等特点，使得它在激光应用领域具有非常明显的优势。但由于半导体激光器的输出功率受限于数瓦量级，远不能满足这些领域对激光的高功率要求，必须进行激光光束集成；而且半导体激光器发出的光束质量差，也制约着半导体激光器在很多领域的应用。半导体激光器按发光单元集成方式可分为单管半导体激光器、mini-bar半导体激光器和cm-bar半导体激光器。mini-bar半导体激光器和cm-bar半导体激光器的光纤耦合模块需要利用自来水冷却或离子水冷却，并且由于光纤耦合模块中的微通道结构特点其使用寿命较低，受热易产生Smile 效应（发射腔近场非线性效应），降低光束质量；而单管半导体激光器都是独立的发光单元，可以采用传导或风冷的方式散热，散热性能好，不受热串联的影响，在焊接过程中不会产生Smile 效应，寿命通常可以达到10 万小时。这使得基于单管半导体激光器制成的高效率光纤耦合模块成为光纤激光器泵浦源、激光医疗和材料加工等领域的一个更好的选择。美国nLIGHT公司就致力于单管半导体激光器的光纤耦合研究，目前该公司光纤耦合模块出光功率可达1000W，光纤芯径400μm，NA（数值孔径）=0.2，光参数积为40mm·mrad。长春光机所利用单管半导体激光器作为子模块，通过光束准直、空间合束和聚焦等技术将33W的激光耦合到芯径200μm，NA=0.22的光纤，耦合效率高达83%。北京凯普林公司利用单管半导体激光器为子发光单元，通过合束技术提高出光功率，目前该公司100μm芯径光纤出光功率可达50W，NA=0.15。显然国外光纤耦合半导体激光模块的出光功率、亮度等研究水平远高于国内对这项技术的研究水平。由于单管半导体激光器的封装和散热限制，激光器与激光器之间的间距不能做到很小，按照现有的研究水平，以单管半导体激光器为子模块的集成光源在采用了空间合束***以后，光束的填充比仍然比较小，光束质量较差，较难达到高亮度的要求。尤其是要求光功率较高时，由于集成的激光器增多，导致光输出面积增大，光参量积增大，且很难耦合进单根光纤，制约着其在光纤激光器泵浦源、激光医疗和工业加工等领域的发展。
发明内容
本发明为了解决目前以单管半导体激光器为子模块的集成光源在采用了空间合束***后光束的填充比仍较小、光束质量差、光纤耦合效率低的问题，提供了一种激光光源的光纤耦合***。
本发明是采用如下的技术方案实现的：一种激光光源的光纤耦合***，包括同轴依次放置的汇聚元件、光楔阵列、微透镜阵列和集束光纤，且光楔阵列放置在通过汇聚元件后的光束的汇聚点之前位置，集束光纤的端面放置在微透镜阵列的出瞳位置，光楔阵列中光楔按一个光楔对应一条光束的方式排列，或者按将光束与光轴的夹角在空间坐标系内分解成在竖直平面的角度和水平面的角度，竖直平面的角度和水平面的角度用光楔分别校正的方式排列。集成激光光束经过汇聚元件后向汇聚点汇聚，汇聚点之前的光楔阵列改变汇聚光束的传播方向，使汇聚光束的传播方向平行于光轴，汇聚光束变为平行光束，此平行光束的出光面积小于入射到汇聚元件前的激光光束的出光面积，即经过光楔阵列的光束填充比变大，光参量积减小，光束质量提高；平行光束再通过微透镜阵列，使通过每个微透镜的平行光束成像在微透镜的出瞳上，出瞳处放置集束光纤的端面，这样集束光纤中的单根光纤对应一个微透镜的成像点，能达到100％接收光能，不受集束光纤的占空比限制。本发明创造性的选用了光楔阵列来优化光束质量，提高了光束的填充比，减小了光参量积，本发明同时还选用了微透镜阵列实现光束的多点成像，使得每个像点的光束耦合进光纤，光束耦合效率高。本发明的光纤耦合方式，尤其适合大面积激光光束的光纤耦合，集束光纤中光纤根数可根据大面积光束的光参量积选择，光参量积较大的情况，则根据需要选择较多的光纤根数；光参量积小的极限情况是微透镜阵列为单个微透镜，而集束光纤为单根光纤。
光楔阵列和微透镜阵列的排列方式为本领域技术人员公知的排列方式。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，汇聚元件为聚焦透镜或反射镜阵列，聚焦透镜和反射镜阵列是光学中常用的光学器件，能达到光束的汇聚效果且控制了***的成本。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，微透镜阵列中的微透镜为平凸偶次非球面透镜，其通光孔径小于1mm，偶次非球面曲率半径小于5mm，非球面透镜基本上消除了球差，使得汇聚后的光束的光能集中，且对其规格做出了优选，光束汇聚效果更好。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，微透镜阵列和集束光纤的横截面形状相同，能保证集束光纤完全接受出瞳处的光束，实现光束与集束光纤中的光纤的一对一耦合，光束的耦合率高。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，光楔阵列放置在使得各个入射到光楔上的光束的光斑能区分的位置，这样通过光楔阵列的光束可全变为平行光束，平行光束再通过微透镜阵列后成像。微透镜阵列的入射光为平行光束也可保证微透镜阵列轴外点成像像差小，即光能也集中，可全进入集束光纤，则光束的耦合率高。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，聚焦透镜为消色差双胶物镜，可用于多波长激光耦合***，汇聚效果好。
上述的一种激光光源的光纤耦合***，所述横截面为六方形，横截面为六方形的微透镜阵列和集束光纤的结构牢固。
本发明利用汇聚元件和光楔对激光光束进行压缩，使得通过光楔的光束的光参量积大大减小，光束的填充比增加，提高了光束的质量；本发明利用微透镜阵列使光束成像为规则排列的像点的特点，在微透镜阵列的出瞳处放置集束光纤，使集束光纤接收并传递光能，满足光纤激光器泵浦、激光医疗和工业加工等领域对高质量激光的要求；本发明还规定了微透镜阵列与集束光纤的横截面相同，使得集束光纤能完全接收光束，即集束光纤耦合效率达到100%；本发明可用于输出光束面积大和光参量积大的集成激光光源的光纤耦合，光源经过本发明的汇聚元件和光楔阵列后，经微透镜阵列耦合进入集束光纤；本发明也可适用于输出光束面积不大和光参量积相对较小的集成激光光源的光纤耦合，光源经过本发明的汇聚元件和光楔阵列后光参量积再次大大减小，经单个非球面微透镜耦合进入单根光纤。
附图说明
图1为***中的汇聚元件为消色差双胶物镜的时的工作状态图。
图2为***中的汇聚元件为反光镜时的工作状态图。
图3为单个光楔的工作原理图。
图4为光束与光轴夹角分解方式原理图。
图中：1-光楔阵列，2-微透镜阵列，3-集束光纤，4-集成激光光束，5-消色差双胶物镜，6-反射镜阵列。 
具体实施方式
一种激光光源的光纤耦合***，包括同轴依次放置的汇聚元件、光楔阵列1、微透镜阵列2和集束光纤3，且光楔阵列1放置在通过汇聚元件后的光束的汇聚点之前的位置，集束光纤3的端面放置在微透镜阵列2的出瞳位置；光楔阵列中光楔按一个光楔对应一条光束的方式排列，或者按将光束与光轴的夹角在空间坐标系内分解成在竖直平面的角度和水平面的角度，竖直平面的角度和水平面的角度用光楔分别校正的方式排列。上述的一种激光光源的光纤耦合***，汇聚元件为聚焦透镜或反射镜阵列6。上述的一种激光光源的光纤耦合***，微透镜阵列2中的微透镜为平凸偶次非球面透镜，其通光孔径小于1mm，偶次非球面曲率半径小于5mm。上述的一种激光光源的光纤耦合***，微透镜阵列2和集束光纤3的横截面形状相同。上述的一种激光光源的光纤耦合***，光楔阵列1放置在使得各个入射到光楔上的光束的光斑能区分的位置。上述的一种激光光源的光纤耦合***，聚焦透镜为消色差双胶物镜5。上述的一种激光光源的光纤耦合***，所述横截面为六方形。具体实施时，按面阵排布的单管半导体激光器阵列发出的激光光束或经空间合束***的集成激光光束，经过消色差双胶物镜后向汇聚点汇聚，汇聚光束再经过汇聚点之前的光楔阵列后变为平行光束，平行光束再经过微透镜阵列汇聚在出瞳处，集束光纤接受出瞳处的光束。激光光束经过汇聚元件后向光轴会聚，产生与光轴的夹角为                                                
Figure 953333DEST_PATH_IMAGE001
的倾斜角，倾斜角
Figure 363585DEST_PATH_IMAGE001
可在空间坐标系的XOZ平面（水平面）和YOZ平面（竖直面）投影为
Figure 477035DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 402266DEST_PATH_IMAGE003
。利用光楔阵列校正激光光束传播方向时，可以采用两种方法排列光楔：一种是分别考虑每个激光光束的倾斜角
Figure 564257DEST_PATH_IMAGE001
，一条激光光束对应一个光楔，按激光光束倾斜角
Figure 625754DEST_PATH_IMAGE001
排列光楔，此时只需一排光楔；一种是将光束与光轴的倾斜角
Figure 910104DEST_PATH_IMAGE001
分解为
Figure 322631DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 288313DEST_PATH_IMAGE003
，分解后位于同一排或同一列的激光光束具有相同的
Figure 469896DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 659569DEST_PATH_IMAGE003
，因此，采用两排光楔分别校正
Figure 497075DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 63185DEST_PATH_IMAGE003
，此时位于同一排或同一列的激光光束的
Figure 364854DEST_PATH_IMAGE002
和
Figure 663111DEST_PATH_IMAGE003
一起校正，光楔在同一排或同一列为条形。

Claims (10)

1.一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于包括同轴依次放置的汇聚元件、光楔阵列（1）、微透镜阵列（2）和集束光纤（3），且光楔阵列（1）放置在通过汇聚元件后的光束的汇聚点之前的位置，集束光纤（3）的端面放置在微透镜阵列（2）的出瞳位置；光楔阵列中光楔按一个光楔对应一条光束的方式排列，或者按将光束与光轴的夹角在空间坐标系内分解成在竖直面的角度和水平面的角度，竖直面的角度和水平面的角度用光楔分别校正的方式排列。
2.根据权利要求1所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于汇聚元件为聚焦透镜或反射镜阵列（6）。
3.根据权利要求1或2所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于微透镜阵列（2）中的微透镜为平凸偶次非球面透镜，其通光孔径小于1mm，偶次非球面曲率半径小于5mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于微透镜阵列（2）和集束光纤（3）的横截面形状相同。
5.根据权利要求1或2所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于光楔阵列（1）放置在使得各个入射到光楔阵列上的光束的光斑能区分的位置。
6.根据权利要求2所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于聚焦透镜为消色差双胶物镜（5）。
7.根据权利要求4所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于所述微透镜阵列（2）和集束光纤（3）的横截面为六方形。
8.根据权利要求3所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于微透镜阵列（2）和集束光纤（3）的横截面形状相同。
9.根据权利要求4所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于放置光楔阵列（1）的位置为使得各个入射到光楔上的光束的光斑能区分的位置。
10.根据权利要求5所述的一种激光光源的光纤耦合***，其特征在于微透镜阵列（2）和集束光纤（3）的横截面为六方形。
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