CN202600259U - 一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合*** - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合***，属于激光技术领域。本***包括多路分立半导体激光器，两阶梯热沉(3)、(4)，一聚焦透镜，一耦合光纤；聚焦透镜与耦合光纤同轴放置，半导体激光器分成两列分别安装于所述阶梯热沉(3)、(4)的阶梯平面上，且半导体激光器的PN结结平面与其所在阶梯平面平行；每一半导体激光器前均设有一快轴准直透镜、一使半导体激光器输出光束以同一方向反射至聚焦透镜入射面的反射棱镜，该反射棱镜的输入面或输出面为对对应半导体激光器输出光束进行慢轴准直的柱面；各半导体激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等。本***可更加灵活的实现多路半导体激光器的耦合。
Description
技术领域
本实用新型属于激光技术领域，涉及一种将多路分立半导体激光器发出的光束经过整形和重新排列后合并耦合进入单根光纤的耦合***。
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，都需要具有良好的光束质量、高功率密度并且使用灵活的激光光源。将半导体激光器耦合入单根光纤再输出，可以满足这种需求。实现高功率密度光纤输出激光的方法有两种：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芯片输出的光组合后输出。
第一种方法的成功取决于半导体激光器芯片材料的生长、设备水平的提升和制作工艺水平的进步，目前实现难度较大。第二种方法主要依赖于耦合技术的改进，实现上相对简单，是目前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：一种是采用列阵组件，就是将半导体激光器在芯片一级制作成单片阵列形式，使其并联工作，通过整形光学***将阵列中每个激光器的输出光重新排列组合为一束集成光束输出；另一种方法是采用多只分立的半导体激光器芯片以并联或串联方式排列，将所有芯片单独输出的光，经过整形合并到一起组成集成光束输出。上述两种方式各有优劣，但是分立激光器可以在耦合前进行筛选，并且可以采用单独制冷，因此多只激光器组合后的组件其可靠性、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。其一，将每个独立的激光器芯片或列阵中单个激光器单元的输出光各自耦合进入一根光纤，再将多根光纤捆绑成一束输出。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，也不能得到特定的光束模式。其二，采用特殊光学***将所有激光器芯片或列阵中各单元的输出光重新排列并耦合入一根光纤，从而得到较高的功率密度，而且能得到需要的特定光束模式。
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大小，必须采取一定的措施。已有一些方案通过采取各种特殊措施将多个分立半导体激光器输出的光束进行重新排列，使组合光束的空间体积足够小，再通过透镜组耦合进入光纤，这些 处理一般安装调试比较复杂，不易于实现。如Polaroid公司的美国专利6324230号，Nlight Corporation的美国专利US 2007/0116071A1等。
实用新型内容
针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合***，通过这一***结构可获得具有微小体积、超高功率、极高功率密度的激光器组件。
本实用新型的技术方案为：
一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合***，其特征在于包括多路分立半导体激光器，阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)，一聚焦透镜，一耦合光纤；所述聚焦透镜与所述耦合光纤同轴放置，所述半导体激光器分成两列分别安装于所述阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)的阶梯平面上，且半导体激光器的PN结结平面与其所在阶梯平面平行；每一所述半导体激光器前均设有一快轴准直透镜、一使半导体激光器输出光束以同一方向反射至所述聚焦透镜入射面的反射棱镜，该反射棱镜的输入面或输出面为对对应半导体激光器输出光束进行慢轴准直的柱面；各所述半导体激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等。
进一步的，所述阶梯热沉1(3)与所述阶梯热沉2(4)为阶梯方向相对放置，且分别位于所述聚焦透镜光轴的两侧对称放置。
进一步的，位于同一所述阶梯热沉上的半导体激光器在所述聚焦透镜光轴方向上等间隔排列、在所述阶梯平面的垂直方向上具有相等的高度差。
进一步的，各所述半导体激光器的输出光轴相互平行、且垂直于所述聚焦透镜的光轴。
进一步的，所述高度差的最小值为所述半导体激光器输出光束经快轴准直后照射到所述反射棱镜上的快轴方向的光束宽度。
进一步的，所述阶梯热沉2(4)的最低阶阶梯平面的高度高于所述阶梯热沉1(3)最高阶阶梯平面的高度。
进一步的，所述阶梯热沉2(4)上的半导体激光器所对应的反射棱镜安装在一反射棱镜座；其中，所述反射棱镜座的顶部位于所述阶梯热沉1(3)的前上方且具有多个阶梯平面，每一阶梯平面安装一所述反射棱镜。
进一步的，每一所述半导体激光器通过焊装方式固定在一过渡热沉(2)上，所述过渡热沉(2)焊装固定在阶梯热沉的阶梯面上。
进一步的，所述半导体激光器为相同波长或不同波长的激光器。
所述快轴准直透镜为微柱透镜，或柱面镜。
本实用新型的结构如图1所示，
两列阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)相对聚焦透镜(8)的光轴对称放置，阶梯方向相反，一列阶梯热沉2(4)偏高，一列阶梯热沉1(3)偏低，以避免各光路彼此遮挡。各路分立的半导体激光器(1)分别通过焊装方式固定在过渡热沉(2)上，每个激光器(1)的前方安装微柱透镜(6)使光束在快轴方向准直，之后将过渡热沉(2)焊装固定在阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)的阶梯面上，阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)的每一级在Y(Y轴为半导体激光器的输出光轴方向)和Z(Z轴为半导体激光器的慢轴方向)方向上都平行且尺寸相同，各级间距即级高为Lx(x轴为半导体激光器的快轴方向)，阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)上的每一级半导体激光器(1)都有一个对应的反射棱镜(7)，为一全反射棱镜，入射面或出射面加工成对光束慢轴准直的柱面，所有反射棱镜(7)尺寸相同，反射面均相互平行且与各级半导体激光器(1)的输出光轴成一定角度，经快轴准直后的光束照射到反射棱镜(7)上后，使半导体激光器(1)输出光轴发生偏转，同时反射棱镜(7)的入射面或出射面为柱面，完成光束的慢轴准直，形成相互平行且等间距的合成光束。对于不同波长的半导体激光器(1)，通过改变半导体激光器(1)与反射棱镜(7)之间的距离或是反射棱镜(7)的柱面半径使其满足慢轴准直的工作距离要求即可。阶梯高度差Lx的最小值为光束经快轴准直后照射到反射棱镜(7)上的X方向的光束宽度，这样就使得激光光束在快轴、慢轴两个方向都被准直，光斑经重新排列后形成合并的准直光束，再经由聚焦透镜(8)耦合到光纤(9)中输出。利用本结构，激光器的波长可以是相同的也可以是不同的，具有很强的灵活性；阶梯热沉1、阶梯热沉2的阶梯数量可根据激光总功率和单个激光器的功率灵活选取。其阶梯上限取决于单个激光器经快轴准直后的光斑宽度、由像差限制的聚焦透镜组的最大孔径、阶梯热沉1和阶梯热沉2的最大容许散热条件等。
现有技术相比，本实用新型的效果为：
本实用新型所采用的两组方向相反的阶梯热沉1和阶梯热沉2，可以减小整个***的长度，更加灵活的实现多路分立半导体激光器的耦合。
附图说明
图1是本实用新型实施例1的示意图；
图2是本实用新型实施例2的示意图；
图中：1.半导体激光器，2.过渡热沉，3.阶梯热沉1，4阶梯热沉2，5.反射棱镜座，6.微柱透镜(准直透镜)，7.反射棱镜，8.聚焦透镜，9.光纤。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述。
实施例1：
如图1所示，以十个半导体激光器耦合入一根光纤为例，给出了本实用新型整体结构的示意图。
用高精度的微调架和固定材料将一准直透镜，即微柱透镜(6)安装到每一个已固定在过渡热沉(2)上的半导体激光器(1)的前方(激光器(1)可以直接烧结或过渡热沉方式安装固定在热沉上)，使激光器光束在快轴方向准直。安装过程中通过检测远场光斑来校准各光束之间的平行度和准直度。
将所有装好微柱透镜(6)和激光器(1)的过渡热沉(2)焊装在阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)上，将激光器(1)接上电极，电极连接可以是串联也可以是并联。
逐级在反射棱镜座(5)的每一级上安装反射棱镜(7)，用高精度的五维调整架和适当的夹具夹住反射棱镜(7)进行调整，使半导体激光器(1)的光轴折转90°，并且使得半导体激光器(1)的慢轴方向达到准直。在安装调试反射棱镜(7)的过程中，通过检测远场光斑来校准各级输出的激光光束彼此之间的平行度以及光斑的准直度，通过检测输出功率保证前一级的反射棱镜(7)不会遮挡后一级的光路；其中，反射棱镜(7)的出射面加工成对光束慢轴准直的柱面。
逐级在阶梯热沉1(3)的每一级上安装反射棱镜(7)，用高精度的五维调整架和适当的夹具夹住反射棱镜(7)进行调整，使半导体激光器(1)的光轴折转90°，并且使得半导体激光器(1)的慢轴方向达到准直。在安装调试反射棱镜(7)的过程中，通过检测远场光斑来校准各级输出的激光光束彼此之间的平行度以及光斑的准直度，通过检测输出功率保证前一级的反射棱镜(7)不会遮挡后一级的光路；其中，反射棱镜(7)的出射面加工成对光束慢轴准直的柱面。
将聚焦透镜(8)和光纤(9)安装到光路中，聚焦透镜(8)和光纤(9)可以是预先安装好的同轴组件也可以是分立的，通过高精度的五维调整架和适当的夹具夹住二者进行调整，直到获得最高的光纤输出功率，用焊接或黏胶的方式将二者固定。这样就完成了光路的调整。
在本结构中，采用光纤芯径105um～1mm，数值孔径0.1-0.4的光纤，激光波长从405nm-2um，平均耦合效率高于85％。
实施例2：
如图2所示，以十个半导体激光器耦合入一根光纤为例，给出了本实用新型整体结构的 示意图。
用高精度的微调架和固定材料将一准直透镜，即微柱透镜(6)安装到每一个已固定在过渡热沉(2)上的半导体激光器(1)的前方(激光器(1)可以直接烧结或过渡热沉方式安装固定在热沉上)，使激光器光束在快轴方向准直。安装过程中通过检测远场光斑来校准各光束之间的平行度和准直度。
将所有装好微柱透镜(6)和激光器(1)的过渡热沉(2)焊装在阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)上，将激光器(1)接上电极，电极连接可以是串联也可以是并联。
逐级在反射棱镜座(5)的每一级上安装反射棱镜(7)，用高精度的五维调整架和适当的夹具夹住反射棱镜(7)进行调整，使半导体激光器(1)的光轴折转90°，并且使得半导体激光器(1)的慢轴方向达到准直。在安装调试反射棱镜(7)的过程中，通过检测远场光斑来校准各级输出的激光光束彼此之间的平行度以及光斑的准直度，通过检测输出功率保证前一级的反射棱镜(7)不会遮挡后一级的光路；其中，反射棱镜(7)的入射面加工成对光束慢轴准直的柱面。
逐级在阶梯热沉1(3)的每一级上安装反射棱镜(7)，用高精度的五维调整架和适当的夹具夹住反射棱镜(7)进行调整，使半导体激光器(1)的光轴折转90°，并且使得半导体激光器(1)的慢轴方向达到准直。在安装调试反射棱镜(7)的过程中，通过检测远场光斑来校准各级输出的激光光束彼此之间的平行度以及光斑的准直度，通过检测输出功率保证前一级的反射棱镜(7)不会遮挡后一级的光路；其中，反射棱镜(7)的入射面加工成对光束慢轴准直的柱面。
将聚焦透镜(8)和光纤(9)安装到光路中，聚焦透镜(8)和光纤(9)可以是预先安装好的同轴组件也可以是分立的，通过高精度的五维调整架和适当的夹具夹住二者进行调整，直到获得最高的光纤输出功率，用焊接或黏胶的方式将二者固定。这样就完成了光路的调整。
在本结构中，采用光纤芯径105um～1mm，数值孔径0.1-0.4的光纤，激光波长从405nm-2um，平均耦合效率高于85％。
Claims (10)
1.一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合***，其特征在于包括多路分立半导体激光器，阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)，一聚焦透镜，一耦合光纤；所述聚焦透镜与所述耦合光纤同轴放置，所述半导体激光器分成两列分别安装于所述阶梯热沉1(3)、阶梯热沉2(4)的阶梯平面上，且半导体激光器的PN结结平面与其所在阶梯平面平行；每一所述半导体激光器前均设有一快轴准直透镜、一使半导体激光器输出光束以同一方向反射至所述聚焦透镜入射面的反射棱镜，该反射棱镜的输入面或输出面为对对应半导体激光器输出光束进行慢轴准直的柱面；各所述半导体激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等。
2.如权利要求1所述的耦合***，其特征在于所述阶梯热沉1(3)与所述阶梯热沉2(4)为阶梯方向相对放置，且分别位于所述聚焦透镜光轴的两侧对称放置。
3.如权利要求2所述的耦合***，其特征在于位于同一所述阶梯热沉上的半导体激光器在所述聚焦透镜光轴方向上等间隔排列、在所述阶梯平面的垂直方向上具有相等的高度差。
4.如权利要求3所述的耦合***，其特征在于各所述半导体激光器的输出光轴相互平行、且垂直于所述聚焦透镜的光轴。
5.如权利要求3所述的耦合***，其特征在于所述高度差的最小值为所述半导体激光器输出光束经快轴准直后照射到所述反射棱镜上的快轴方向的光束宽度。
6.如权利要求1至5任一所述的耦合***，其特征在于所述阶梯热沉2(4)的最低阶阶梯平面的高度高于所述阶梯热沉1(3)最高阶阶梯平面的高度。
7.如权利要求6所述的耦合***，其特征在于所述阶梯热沉2(4)上的半导体激光器所对应的反射棱镜安装在一反射棱镜座；其中，所述反射棱镜座的顶部位于所述阶梯热沉1(3)的前上方且具有多个阶梯平面，每一阶梯平面安装一所述反射棱镜。
8.如权利要求1所述的耦合***，其特征在于每一所述半导体激光器通过焊装方式固定在一过渡热沉(2)上，所述过渡热沉(2)焊装固定在阶梯热沉的阶梯面上。
9.如权利要求1所述的耦合***，其特征在于所述半导体激光器为相同波长或不同波长的激光器。
10.如权利要求1所述的耦合***，其特征在于所述快轴准直透镜为微柱透镜，或柱面镜。
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Legal Events
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| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C56 | Change in the name or address of the patentee | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: 100070, Beijing, Fengtai District science and Technology Park, Feng Feng Road, No. 4, 6 Patentee after: BWT BEIJING LTD. Address before: 100070, Beijing, Fengtai District science and Technology Park, Feng Feng Road, No. 4, 6 Patentee before: BWT Beijing Ltd. |
|
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of utility model: Coupling system for coupling multi-path discrete semiconductor laser to single optical fiber Effective date of registration: 20171219 Granted publication date: 20121212 Pledgee: Beijing good faith financing Company limited by guarantee Pledgor: BWT BEIJING LTD. Registration number: 2017990001099 |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right |
Date of cancellation: 20190705 Granted publication date: 20121212 Pledgee: Beijing good faith financing Company limited by guarantee Pledgor: BWT BEIJING LTD. Registration number: 2017990001099 |
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| PC01 | Cancellation of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20121212 |
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| CX01 | Expiry of patent term |