CN104836113A - 一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器，其包括壳体；两个面对面排列的单管半导体激光器组，用于产生两组N束平形光束；位于两个所述单管半导体激光器组中间的反光镜组，用于将两组N束平行光束合为近似方形的光斑；以及耦合透镜，用于将所述光斑耦合至光纤。本发明能够减小激光传输光程，使得封装结构紧凑，且调节方便，有利于修正激光器芯片贴装和光束准直造成的偏差，得到更高功率、更好质量的光束。

Description

一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器，特别是一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器。

背景技术

半导体激光器作为新一代激光器，以其效率高、寿命长、体积小等优势在工业加工、军事、医疗、安防等领域得到广泛应用。伴随着光纤激光器的蓬勃发展以及对大功率光纤激光器泵浦源需求的不断提高，也推动了大功率、高光束质量的半导体激光器的飞速发展。目前市场上主要存在两种半导体激光器，即单管半导体激光器和多单管半导体激光器。大多数单管半导体激光器适用于小功率应用。而在大功率场合，常采用多单管半导体激光器，如图1所示为美国Nlight公司所采用的轴向阶梯结构，此结构包含台阶热沉10、半导体激光器12、快轴准直透镜13、慢轴准直透镜14以及锁定件11，每个激光器芯片包含一个快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜，经过准直后的光束直接排列在一起形成方形光斑，最后由耦合透镜耦合到光纤中输出。该设计虽然结构相对简单，但是由于光路比较长，尺寸较大，其对装配的要求很高，调整将变得复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器，通过2组结构基本对称的单管半导体激光器组和1组呈台阶状排列在一条直线上的反光镜将2组半导体激光器组发出的光束合束为近似为方形的高质量光束，并通过一个耦合透镜耦合到以一根光纤中输出。

根据本发明的一个方面，提供了一种多单管功率光纤耦合半导体激光器，包括壳体；两个面对面排列的单管半导体激光器组，用于产生两组N束平形光束；位于两个所述单管半导体激光器组中间的反光镜组，用于将两组N束平行光束合为近似方形的光斑；以及耦合透镜，用于将所述光斑耦合至光纤。

进一步地，每个所述单管半导体激光器组包括：

台阶热沉，所述台阶热沉为横向阶梯热沉；

N个单管激光器芯片，平行焊接在所述台阶热沉上；

N个快轴准直透镜，用于在快轴方向上对所述单管激光器在快轴方向进行准直；以及

N个慢轴准直透镜，用于在慢轴方向上对所述单管激光器在慢轴方向进行准直；

其中，N为大于1的整数。

优选地，所述两个单管半导体激光器组中的所述N个单管半导体激光器芯片、所述N个快轴准直透镜和所述N个慢轴准直透镜分别面对面交叉排列。

优选地，所述快轴准直透镜采用非球柱面透镜。

优选地，所述慢轴准直透镜为球面柱面透镜。

优选地，所述反光镜组包括2N个反光镜，相邻两个所述反光镜分别与所述两个单管半导体激光器组的所述单管激光器芯片，所述快轴准直透镜和所述慢轴准直透镜的中心在一条直线上。

优选地，每个反光镜与水平轴成45度角，相邻两个反光镜的夹角为90度，高度差与所述台阶热沉一致，2N个反光镜呈台阶状排列在一条直线上。

优选地，所述单管激光器芯片是宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度包括100um、150um或200um。

优选地，所述单管激光器芯片是宽发射面大功率半导体激光器，波长包括808nm、915nm、940nm、976nm、1064nm、1470nm或1550nm。

本发明所提供的多单管大功率光纤耦合半导体激光器，能够减小激光传输光程，且调节方便，有利于修正激光器芯片贴装和光束准直造成的偏差，得到更高功率、更好质量的光束。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是背景技术中的美国Nlight公司的多单管光纤耦合半导体激光器的结构示意图；

其中，台阶热沉10、锁定件11、半导体激光器12、第二快轴准直透镜13、第二慢轴准直透镜14。

图2是依据本发明实施例的一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器的结构示意图；

图3是图2所示的多单管大功率光纤耦合半导体激光器的俯视图；

图4是依据本发明实施例的一个单管半导体激光器组的结构示意图；

图5是依据本发明实施例的另一个单管半导体激光器组的结构示意图；

图6是依据本发明实施例的两个单管半导体激光器组形成的光斑；

图7是依据本发明实施例的反光镜组的结构示意图；以及

图8是图6所示的光斑经过反光镜组后合并形成的光斑。

其中，第一台阶热沉1、单管激光器芯片2、快轴准直透镜3、N个慢轴准直透镜4、反光镜5、耦合透镜6、光纤7、第二台阶热沉9。

具体实施方式    

以下结合附图对本发明的优选实施例进行详细描述。虽然本发明是结合以下的优选实施例进行描述的，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和结构可能并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

下面我们结合附图对本发明的多单管大功率光纤耦合半导体激光器做进一步的详细阐述，以求更为清楚明了地理解其结构和工作过程，但不能以此来限制本发明的保护范围。

如图2所示为依据本发明实施例的一种多单管大功率光纤耦合半导体激光器的结构示意图，图3是图2所示的多单管大功率光纤耦合半导体激光器的俯视图。其中，半导体激光器包括壳体，以螺丝锁定或者焊接方式固定在壳体上的两个单管半导体激光器组，反光镜组，耦合透镜6和光纤7及其支架。

两个单管半导体激光器组面对面安装。如图4所示，为一个单管半导体激光器组的结构示意图。每个半导体激光器组体激光器组包括台阶热沉1，N个单管激光器芯片2，N个快轴准直透镜3和N个慢轴准直透镜4。其中N是大于1的整数。台阶热沉1为横向阶梯热沉，相邻台阶的高度差为d。N个单管激光器芯片2平行焊接在台阶热沉1上，呈阶梯状，相邻单管激光器芯片2的高度差也为d。N个慢轴准直透镜4可以采用胶水固定在台阶热沉1上，N个快轴准直透镜3可以采用胶水安装在N个单管激光器芯片2上。每个单管激光器芯片2都具有一个对应的快轴准直透镜3和一个对应的慢轴准直透镜4，用于对单管激光器芯片2发出的光进行准直。需要说明的是，如图5所示，为另一个单管半导体激光器组的结构示意图，从图5中可以看出，其结构与图4所示的单管半导体激光器组相似，在此将不再详述，所不同的是，由于两个单管半导体激光器组是面对面交叉排列的，因此第二台阶热沉9和第一台阶热沉1的高度不同，但是相邻台阶的高度差是相同的。

如图6所示，为两个单管半导体激光器组形成的光斑。两组单管半导体激光器组中的单管半导体激光器芯片2、快轴准直透镜3和慢轴准直透镜4分别面对面交叉排列。作为优选实施例，为获得剩余发散角较小的平行光束，快轴准直透镜3采用非球柱面透镜，对激光器快轴方向进行准直。而慢轴准直透镜为球面柱面透镜，对激光器慢轴方向进行准直。

如图7所示，为依据本发明实施例的反光镜组的结构示意图。反光镜组安装在台阶支架上，位于两组单管半导体激光器组中间，包括2N个反光镜5。每个反光镜5与水平轴成45度角，相邻两个反光镜5的夹角为90度，高度差为d，2N个反光镜5呈阶梯状排列在一条直线上。相邻两个反光镜5分别与两个单管半导体激光器组的单管激光器芯片2，快轴准直透镜3和慢轴准直透镜4在一条直线上。通过调节反光镜5，可以将由两个半导体激光器组分别发出的2组N条平行光束交叉合并为2N条中心在一条直线上的平行光束，堆叠后的轮廓形成一个近似方形的光斑，如图8所示。

耦合透镜6将光斑耦合到光纤7中输出。其中耦合透镜6和光纤可采用惯用技术手段实现，在此不再详述。

作为举例，本实施例采用的各元器件参数可以为：

激光器芯片为宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度包括但是不限于100um、150um、200um，波长包括但不限于808nm、915nm、940nm、976nm、1064nm、1470nm、1550nm；

快轴发光区宽度为1um，发散角（95%能量）为70度;

慢轴发光区宽度为95um，发散角（95%能量）为8度；

快轴准直透镜焦距为300um；

慢轴准直透镜焦距为7mm；

台阶热沉高度差d为400um；

反射镜的反射率为45度，反射率大于99%；

耦合透镜焦距为6mm；

输出光纤为纤芯直径105um，包层直径125um，NA为0.15。

经过快轴准直透镜准直后，单个激光器的光斑宽度为310um，发散角为2mrad；经过慢轴透镜准直后，激光器光斑宽度为1100um，发散角为7mrad。

经过反射镜反射合束后，光斑在快轴方向的宽度为1110um，发散角为2mrad，光斑在慢轴方向的宽度为1100um，发散角为7mrad。

经过耦合透镜后，光斑尺寸为88um，0.13rad，能够完全进入所选择的光纤中，实现高耦合效率。依据本实施例实现的激光器可以用纤芯直径为105um，NA为0.15的光纤输出60W，且耦合效率大于90%。

由此可知，本发明所提出的多单管大功率光纤耦合半导体激光器，可以有效减小激光传输光路，简化调节方法，同时提高光束质量，适用于大功率光纤耦合场合。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，包括

壳体；

两个面对面排列的单管半导体激光器组，用于产生两组N束平形光束；

位于两个所述单管半导体激光器组中间的反光镜组，用于将两组N束平行光束合为近似方形的光斑；以及

耦合透镜，用于将所述光斑耦合至光纤。

2.根据权利要求1所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，每个所述单管半导体激光器组包括：

台阶热沉，所述台阶热沉为横向阶梯热沉；

N个单管激光器芯片，平行焊接在所述台阶热沉上；

N个快轴准直透镜，用于在快轴方向上对所述单管激光器在快轴方向进行准直；以及

N个慢轴准直透镜，用于在慢轴方向上对所述单管激光器在慢轴方向进行准直；

其中，N为大于1的整数。

3.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述两个单管半导体激光器组中的所述N个单管半导体激光器芯片、所述N个快轴准直透镜和所述N个慢轴准直透镜分别面对面交叉排列。

4.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述快轴准直透镜采用非球柱面透镜。

5.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述慢轴准直透镜为球面柱面透镜。

6.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述反光镜组包括2N个反光镜，相邻两个所述反光镜分别与所述两个单管半导体激光器组的所述单管激光器芯片，所述快轴准直透镜和所述慢轴准直透镜的中心在一条直线上。

7.根据权利要求6所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，每个反光镜与水平轴成45度角，相邻两个反光镜的夹角为90度，高度差与所述台阶热沉一致，2N个反光镜呈台阶状排列在一条直线上。

8.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述单管激光器芯片是宽发射面大功率半导体激光器，发光区宽度包括100um、150um或200um。

9.根据权利要求2所述的多单管功率光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述单管激光器芯片是宽发射面大功率半导体激光器，波长包括808nm、915nm、940nm、976nm、1064nm、1470nm或1550nm。