CN110635354A - 基于to封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块 - Google Patents

基于to封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块 Download PDF

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Abstract

一种光纤耦合半导体激光器模块，包括：若干个绿光单管半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、小45度反射镜、大45度反射镜、夹具以及耦合聚焦镜；其中，在每一个所述绿光单管半导体激光器发出的激光光束的光路上依次设置有用于对光束进行准直的快轴准直镜和慢轴准直镜、用于使光束彼此成为平行等间距的小45度反射镜和大45度反射镜、用于使所有光束聚焦为耦合光束的耦合透镜，所述耦合光束进入光纤中；所述光纤耦合半导体激光器模块使用的单管为TO封装。本发明的基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块具有体积小、功率高、易调节等优点。

Description

基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块。
背景技术
半导体激光器电光转化效率高、体积小、可靠性高，寿命长等优点，因此自问世以来，就备受关注。如今在激光医疗、激光熔覆、激光焊接、激光显示、以及固态激光器泵浦等方面起着越来越重要的作用。但是半导体激光器的发展很不平衡。近红外激光器(波长：9XXnm)发展较为迅速。单个发光单元的输出功率已增强到数十瓦。通过各种组合技术构建的多单管***可以达到数十千瓦的输出功率。然而，与近红外激光器相比，可见光半导体激光器发展较缓。尤其是直接绿色半导体激光器发光单元，一直难以取得重大突破。直到2009年，Osram(德国)，Nichia(日本)和Sumitomo(日本)成功打破了“500nm极限”并实现了基于InGaN的真正绿色LD(波长532nm)。2013年，Nichia(日本)生产的单管最高输出功率已达到1W。目前市面上能购买到的绿光单管的功率为1w。近几年，工业应用以及固态激光泵浦源增大了对更高功率绿光半导体激光二极管(LD)的需求。
为了满足工业需求，可以通过合束的方法来提升输出功率。目前半导体激光器合束的主要方法有相干合束和非相干合束两大类。相干合束又称做阵列锁相，这种合束技术能有效地改善并提高半导体激光阵列输出光的光束质量。但是此技术要求半导体激光阵列的各个发光单元以相同的光谱激射，并且还需要控制单元间的相位关系以保证能够产生一个有益的干涉，因此该技术对环境温度的稳定和仪器的精度要求极高，其工艺复杂并且不容易获得同相超模的大功率稳定输出。非相干合束技术是目前国际上半导体激光器合束的主要方法，主要通过空间合束、波长合束和偏振合束等方法将多路半导体激光器合束成一束，增加输出功率，以达到提高***亮度的目的。非相干合束技术虽然不能获得近衍射极限的输出光束，但是它没有相位、光谱和频率的要求，调试很容易，操作相对简单。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块，包括：若干个绿光单管半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、小45度反射镜、大45度反射镜、夹具以及耦合聚焦镜；
其中，在每一个所述绿光单管半导体激光器发出的激光光束的光路上依次设置有用于对光束进行准直的快轴准直镜和慢轴准直镜、用于使光束彼此成为平行等间距的小45度反射镜和大45度反射镜、用于使所有光束聚焦为耦合光束的耦合透镜，所述耦合光束进入光纤中；所述光纤耦合半导体激光器模块使用的单管为TO封装。
其中，所述绿光单管半导体激光器放置在所述夹具中，绿光单管半导体激光器之间以串联的方式进行连接。
其中，所述夹具尺寸为长：5.0cm-6.0cm宽：1.3cm-1.5cm高：1.2cm-1.5cm；
作为优选，所述夹具的材料采用黄铜，所述绿光单管的后面与夹具紧密连接以增强散热。
其中，所述绿光单管半导体激光器沿快轴方向(水平方向)等间距排列，在慢轴方向(竖直方向)等高度放置，且绿光单管半导体激光器出射的光束互不干扰。
其中，所述快轴准直镜为非球面镜阵列，非球面镜的后工作距离大于1.0mm，非球面镜的焦距需要满足：2.6mm≤ff≤3.1mm；
作为优选，所述慢轴准直镜为双柱面透镜阵列，双柱面透镜的焦距需要满足35.0mm≤fs≤41.0mm。
其中，所述小45度反射镜所镀的反射膜的反射率R＞99％；
作为优选，所述大45度反射镜所镀的反射膜的反射率R＞99％。
其中，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜后，输出一列平行且等间距的组合光束，从而在快轴方向上实现空间合束；光束的功率为三个绿光单管准直后功率的叠加。
其中，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜后，再经过所述大45度反射镜反射，此时光束的方向与原方向相比偏转180度，缩小了空间体积。
其中，所述耦合透镜的通光孔径值的范围为11.0mm-13.0mm，且数值孔径NA≤0.2。
其中，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜和大45度反射镜反射以及经所述耦合透镜聚焦后，聚焦光斑进入芯径为50μm、数值孔径为0.2的光纤之中。
基于上述技术方案可知，本发明的基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块相对于现有技术至少具有如下有益效果的一部分：
(1)本发明的基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块具有体积小、功率高、易调节等优点；
(2)组合光束经耦合透镜作用后，将组合光束聚焦耦合为较小光束，耦合进入芯径为50μm的光纤中，具有亮度高的优点；
(3)本发明的激光器模块结构简单，易于操作。
附图说明
图1是本发明一实施例三绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块结构示意图；
图2是本发明一实施例单管置于铜块夹具中的示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1、绿光单管半导体激光器； 2、快轴准直镜；
3、慢轴准直镜； 4、小的45度高度反射镜；
5、大的45度高度反射镜； 6、耦合聚焦透镜；
7、光纤； 8、铜块夹具；
9、单管的发光尺寸。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明利用阶梯棱镜来实现空间合束，即利用反射镜，沿不同的位置进行摆放，将同方向发射的光束进行重排，从而实现空间合束。这种方法可操作性强，调试方便，功率线性增加等优点，但是对于某一参数确定的光纤，空间合束能耦合的最大单管数目是确定的，即通过空间合束来提升功率是有限的，因此需要通过计算来确定可以耦合的最大单管数目，从而实现较大的功率输出。
三个单管经过准直之后，分别经过三个45度反射镜反射，三个小45度反射镜沿斜线方向等间距排列。反射后可以得到一组等间距排列的光束，调整三个小反射镜之间的位置，可以改变各光束之间的间距，降低单管之间的“死区”，从而提升空间合束的填充因子。经空间合束后可以耦合进入芯径50μm，NA为0.2的光纤中。
本发明公开了一种基于TO封装的绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块。包括日本日亚公司生产的TO封装的1w连续绿光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜、铜块夹具、大反射镜、小反射镜以及耦合透镜。将三个绿光单管半导体激光器同高度，等间距放置在铜块夹具中。每个绿光单管半导体激光器的前面固定快轴准直镜和慢轴准直镜。三绿光单管半导体激光器均发出一列经快慢轴准直后的光束，该光束经所述的小反射镜、大反射镜后输出为一列平行的等间距的组合光束。该组合光束经耦合透镜作用，能将光斑聚焦耦合进光纤之中。由于基于TO封装的绿光单管发光单元与出射窗口之间有1mm的间距，发光单元的快慢轴之间存在固有的像散，因此需要分别设计快轴准直镜和慢轴准直镜来准直。快轴准直镜使用非球面透镜，焦距需要满足2.6mm≤ff≤3.1mm，并且后工作距离大于1mm。而慢轴准直镜则为的正负柱透镜组。该透镜组的组合焦距需要满足35.0mm≤fs≤41.0mm.这样经过准直后光斑尺寸为快轴约为2.2mm～2.6mm、慢轴约为6.8mm～7.8mm。这样准直之后三个绿光单管在快轴方向等间矩排列，使用小反射镜使得三个光束均偏转90度，通过移动小反射镜的位置，从改变各光束在快轴方向上的间距，以至于三个光束紧密相连且不相互重叠。这样三个相互独立的光束可以合成一束光束从而实现合束，合束后光斑的整体尺寸大约为7.2mm×7.0mm。合束后的光斑再一次经过大反射镜反射后，整个光束偏转90度，从而传输到耦合聚焦镜处，该透镜的通光孔径值的范围为11.0mm-13.0mm，且f/#＝2，NA＜0.2。因此经过三单管半导体激光器空间合束后可以耦合进入50μm、0.2NA的光纤之中。该光纤耦合***设计较为巧妙，利用两个反射镜从而减小了整体的尺寸。操作便利，由于采用不同的透镜来分别准直快慢轴，那么设计的快轴准直镜的后工作距离可以达到mm级。那么快轴准直镜粘贴比较便利，利用常见的五维调整架即可完成。除此之外采用空间合束等非相干合束方法能有效的降低合束的操作难度。最后的光束耦合进50μm，NA为0.2的光纤中，那么该耦合***的整体亮度已经提升至MW/cm2·str水平。因此具有亮度高等特点。
下面通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案进行进一步的阐释说明。
参见图1实施例的三绿光单管的光纤耦合半导体激光器模块结构示意图，包括：绿光单管半导体激光器1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、小45度高度反射镜4、大45度高度反射镜5、耦合聚焦透镜6、光纤7、铜块夹具8、单管的发光尺寸9。
参见图1和图2所示，所述的三个绿光单管半导体激光器1在水平方向(快轴方向)，沿着左右两边等间距排列。在垂直方向，所述的绿光单管半导体激光器1等间距在铜块夹具8上等高度排列。在每个所述线阵半导体激光器1的前面依次固定所述快轴准直镜2和所述慢轴准直镜3，所述的快轴准直镜2为非球面透镜阵列，所述的慢轴准直镜3为双柱透镜阵列。所述快轴准直镜2用于减小光束在快轴方向的发散角，使快轴方向上的光束得到准直，快轴准直镜与单管的发光尺寸9的工作距离大于1.0mm。所述慢轴准直镜3用于减小光束在慢轴方向的发散角，使慢轴方向上的光束得到准直，也就是说，每个所述绿光单管半导体激光器1发出的光束经所述快轴准直镜2和所述慢轴准直镜3后均变为一列平行的椭圆光束，每个所述线阵半导体激光器1以及固定在所述绿光单管半导体激光器1前的所述快轴准直镜2和所述慢轴准直镜3构成了一个合束单元，本实施例中共有3个合束单元。
三个合束单元发出的三列平行的光束在三个小45度高度反射镜4的作用下，三个小45度反射镜4沿斜线方向等间距排列。反射后可以得到一组等间距排列的光束，调整三个小反射镜之间的位置，可以改变各光束之间的间距，降低单管之间的“死区”，提升空间合束的填充因子。同时光束方向偏转90度，组合光束经过所述大45度高度反射镜5作用下，光束方向再一次偏转90度，组束光束入射到所述的耦合聚焦透镜6。经所述耦合聚焦透镜6的作用后，3个合束单元发出的组合光束会在所述光纤端面上会聚。会聚后变为会聚光束，会聚点为a。
本发明提出了一种基于TO封装的绿光单管半导体激光器空间合束方法中三个绿光单管半导体激光器，沿着快轴方向等间距排列，在慢轴方向三个单管等高度排列，出射的光束互不干扰。在每个绿光单管半导体激光器的前面依次固定所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜。每个所述绿光单管半导体激光器均发出一列经快慢轴准直后的光束，所述光束经所述的小45度反射镜、大45度反射镜后输出为一列平行等间距的组合光束，并且由于耦合后单管半导体激光器的个数增加，输出的激光功率提高为单个发光单元的三倍。同时光束方向偏转180度。具有体积小、功率高、易调节等优点。所述组合光束经所述耦合透镜作用后，将所述组合光束聚焦耦合为较小光束，耦合进入芯径为50μm，NA为0.2的光纤中。因此该***具有高亮度、易于操作等优点。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，包括：若干个绿光单管半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、小45度反射镜、大45度反射镜、夹具以及耦合聚焦镜；
其中，在每一个所述绿光单管半导体激光器发出的激光光束的光路上依次设置有用于对光束进行准直的快轴准直镜和慢轴准直镜、用于使光束彼此成为平行等间距的小45度反射镜和大45度反射镜、用于使所有光束聚焦为耦合光束的耦合透镜，所述耦合光束进入光纤中；
所述光纤耦合半导体激光器模块使用的单管为TO封装。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述绿光单管半导体激光器放置在所述夹具中，绿光单管半导体激光器之间以串联的方式进行连接。
3.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述夹具尺寸为长：5.0cm-6.0cm宽：1.3cm-1.5cm高：1.2cm-1.5cm；
作为优选，所述夹具的材料采用黄铜，所述绿光单管的后面与夹具紧密连接以增强散热。
4.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述绿光单管半导体激光器沿快轴方向(水平方向)等间距排列，在慢轴方向(竖直方向)等高度放置，且绿光单管半导体激光器出射的光束互不干扰。
5.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述快轴准直镜为非球面镜阵列，非球面镜的后工作距离大于1.0mm，非球面镜的焦距需要满足：2.6mm≤ff≤3.1mm；
作为优选，所述慢轴准直镜为双柱面透镜阵列，双柱面透镜的焦距需要满足35.0mm≤fs≤41.0mm。
6.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述小45度反射镜所镀的反射膜的反射率R＞99％；
作为优选，所述大45度反射镜所镀的反射膜的反射率R＞99％。
7.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜后，输出一列平行且等间距的组合光束，从而在快轴方向上实现空间合束；光束的功率为三个绿光单管准直后功率的叠加。
8.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜后，再经过所述大45度反射镜反射，此时光束的方向与原方向相比偏转180度，缩小了空间体积。
9.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述耦合透镜的通光孔径值的范围为11.0mm-13.0mm，且数值孔径NA≤0.2。
10.根据权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器模块，其特征在于，所述绿光单管半导体激光器经所述小45度反射镜和大45度反射镜反射以及经所述耦合透镜聚焦后，聚焦光斑进入芯径为50μm、数值孔径为0.2的光纤之中。
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