CN211605644U - 一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，涉及半导体激光器技术领域，用于解决现有的高功率半导体激光器的激光输出功率稳定性差的问题，包括光波导组件，所述光波导组件由入光口、入光段、连接口、出光段和出光口依次连接而成，所述入光段的外径从入光口到连接口逐渐减小，所述出光段的外径和对应光纤相配合，所述出光口和对应光纤相连接，多个激光器芯片发出的光，经过常规的方法进行光学整形与光束合束以后，投射到一个入光口，之后依次经过入光段、连接口、出光段和出光口，之后从光纤的一端导入，经过光纤传输后，从光纤的另一端输出，具有即使入射光束与入光口有微小的不对准，激光器的输出功率损失也较小的优点。

Description

一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，更具体的是涉及一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构及方法，用于数百瓦到数千瓦功率的半导体激光器和光纤之间的耦合。

背景技术

光纤输出的高功率半导体激光器可以应用于激光工业加工、夜视照明和医疗美容等领域，该种激光器的工作过程一般是首先通过几个到几百个半导体激光器芯片发光单元产生激光，之后经过光学整形和合束，然后通过会聚透镜会聚成很细的斑状光束，以光纤能接收的角度直接投射到光纤一端的纤芯上，在光纤中传输并从光纤的另一端输出。

但是，在现有的高功率半导体激光器的制备和应用过程中，由于光纤的纤芯直径本身比较小，一般为几百微米或者更小，导致投射光束难以对准纤芯的入射端，容易出现投射光束偏移纤芯的情况，并且激光器的内部构件在温度的高低变化和机械变形等因素作用下容易发生位移或角度的微小变化，而这些微小变化也会使得投射光束难以稳定地对准光纤纤芯，因此，在利用细小光纤对高功率半导体激光器做光纤耦合时，投射光束容易偏移或部分偏移纤芯的入射端。

而投射光束相对于光纤纤芯的偏移或部分偏移，必然会导致全部或部分投射光束不能从光纤中输出，造成激光输出功率的严重损失，因此，在实际工作过程中，现有的高功率半导体激光器容易出现输出功率严重损失的情况，其激光输出功率稳定性较差。

另外，由于投射光束的功率很高，一般为几百瓦甚至数千瓦，并且投射光束形成的光斑较小，一般为对角线100-600微米的矩形光斑，所以投射光束的功率密度也很大，当偏移出来的这种功率很高且功率密度很大的光束打到光纤纤芯以外的任何部件上，都会转化为热量，造成部件局部过热和烧毁。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：为了解决现有的高功率半导体激光器在利用细小光纤耦合输出激光时激光输出功率稳定性差的问题，本实用新型提供一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构及方法，能够有效提高高功率半导体激光器的激光输出功率的稳定性。

本实用新型为了实现上述目的具体采用以下技术方案：

一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，包括光波导组件，所述光波导组件由入光口、入光段、连接口、出光段和出光口依次连接而成，所述入光段的外径从入光口到连接口逐渐减小，所述入光段为梯形台或圆台或旋转曲面，当入光段为梯形台时，出光段为相匹配的长方体状，当入光段为圆台或旋转曲面时，出光段为相匹配的圆柱形，所述出光段的外径和对应光纤相配合，所述出光口和对应光纤相连接，所述出光口与对应光纤的连接方式为熔接或透光胶粘接等不易发生错位的硬连接，所述光波导组件通过熔融拉锥的方法来实现或者光学透明材料的机械加工或一体成形并利用材料的光学全反射原理实现或者一体成形加光波导组件的导波反射介质界面镀全射膜来实现。

进一步地，还包括会聚透镜，所述光波导组件位于会聚透镜和对应光纤之间。

进一步地，所述入光口上设有镀膜。

进一步地，所述入光口的入射光BPP略小于对应光纤的BPP。

进一步地，多个激光器芯片发出的光，经过常规的方法进行光学整形与光束合束以后，投射到一个入光口，之后依次经过入光段、连接口、出光段和出光口，之后从光纤的一端导入，经过光纤传输后，从光纤的另一端输出，入光段是从入光口到连接口组件缩小的结构，根据几何光学的基本原理，光束从入光口输入到光纤输出的过程中，光束直径变小，光束发散角变大，但是光束直径和光束发散角的乘积(BPP：beam parameter product)可以保持不变，通过光波导组件的光束转化，大口径小角度的输入光束转化为小口径大角度的输出光束。

进一步地，多个激光器芯片发出的光，经过常规的方法进行光学整形与光束合束以后，通过会聚透镜之后投射到一个入光口，通过会聚透镜对光束进行一定程度的会聚，之后依次经过入光段、连接口、出光段和出光口，之后从光纤的一端导入，经过光纤传输后，从光纤的另一端输出。

本实用新型的有益效果如下：

1.利用具有大口径入光口的光波导组件来接收激光光束，能够接收激光光束的范围增大，微小的不对准造成的功率损失很小，对激光器的整体输出功率的影响小，其功率稳定性高，有效解决了大功率激光光束直接投射到细小光纤端面时容易因为对准偏移造成功率损失大的问题，也避免了激光因为对准偏移对纤芯周边部件的烧伤；

2.利用具有大口径入光口的光波导组件来接收激光光束，入光口的激光功率密度大幅度下降，入光口及其镀膜在更大的激光总功率下也不会受损，有效解决了细小光纤的输入端面在大功率激光投射下被激光损伤的问题；

3.光波导组件具有大口径的入光口，使得光纤耦合更易实现，有效降低激光对准的工艺难度；

4.既适用于数千瓦超大功率半导体激光器的光纤耦合，也适用于数十微米的特别小光纤芯纤直径的光纤耦合。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

1-激光器芯片、2-光束整形及合束装置、3-入光口、4-入光段、5-连接口、6-出光段、7-出光口、8-光纤、9-光波导组件、10-会聚透镜。

具体实施方式

为了本技术领域的人员更好的理解本实用新型，下面结合以下实施例对本实用新型作进一步详细描述。以下对本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，包括光波导组件9，所述光波导组件9由入光口3、入光段4、连接口5、出光段6和出光口7依次连接而成，所述入光段4的外径从入光口3到连接口5逐渐减小，所述出光段6的外径和对应光纤8相配合，所述出光口7和对应光纤8的连接方式为熔接，具体的，所述光波导组件9通过熔融拉锥的方法来实现，比如将芯纤为600um的大口径光纤8，结过熔融拉锥的方法，拉成100um的芯径，然后与100um的光纤8熔接，通过100um的光纤8将激光传输到一定的距离后输出。

优选的，所述光波导组件9一体成形且外侧镀有全射膜。

优选的，所述入光口3的入射光BPP略小于对应光纤8的BPP。

一种高功率半导体激光器的光纤8耦合方法，具体的，多个激光器芯片1发出的光，经过常规的方法进行光学整形与光束合束以后，投射到一个入光口3，之后依次经过入光段4、连接口5、出光段6和出光口7，之后从光纤8的一端导入，经过光纤8传输后，从光纤8的另一端输出，入光段4是从入光口3到连接口5组件缩小的结构，根据几何光学的基本原理，光束从入光口3输入到光纤8输出的过程中，光束直径变小，光束发散角变大，但是光束直径和光束发散角的乘积(BPP：beam parameter product)可以保持不变，并且该BPP不超过对应光纤8能够传输的光束BPP参数的上限，通过光波导组件9的光束转化，大口径小角度的输入光束转化为小口径大角度的输出光束。

工作原理：多个激光器芯片1发出的光，经过常规的光束整形及合束装置2之间，从入光口3进入光波导组件9，经过入光段4、连接口5、出光段6和出光口7之后进入光纤8一端，从光纤8另一端输出，即使因为激光器的内部构成部件会受到温度高低变化和机械应力变形等外部因素的影响而发生位移或角度的微小变化，导致出现微小的不对准，也只是损失很小的功率，对激光器的整体输出功率的影响小，其功率稳定性高，有效解决了大功率激光光束直接投射到细小光纤8端面时容易因为对准偏移造成功率损失大的问题，也避免了因为对准偏移造成的纤芯周边部件被激光烧伤。

实施例2

如图2所示，本实施例在实施例1的基础上做了进一步改进，具体的，还包括会聚透镜10，所述光波导组件9位于会聚透镜10和对应光纤8之间。

一种高功率半导体激光器的光纤8耦合方法，具体的，多个激光器芯片1发出的光，经过常规的方法进行光学整形与光束合束以后，通过会聚透镜10之后投射到一个入光口3，通过会聚透镜10对光束进行一定程度的会聚，之后依次经过入光段4、连接口5、出光段6和出光口7，之后从光纤8的一端导入，经过光纤8传输后，从光纤8的另一端输出。

优选的，所述入光口3上设有镀膜，入光口3的激光功率密度大幅度下降，入光口3及其镀膜在更大的激光总功率下也不会受损，有效解决了细小光纤8的输入端面在大功率激光投射下被激光损伤的问题。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，本实用新型的专利保护范围以权利要求书为准，凡是运用本实用新型的说明书内容所作的等同结构变化，同理均应包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于：包括光波导组件(9)，所述光波导组件(9)由入光口(3)、入光段(4)、连接口(5)、出光段(6)和出光口(7)依次连接而成，所述入光段(4)的外径从入光口(3)到连接口(5)逐渐减小，所述出光段(6)的外径和对应光纤(8)相配合，所述出光口(7)和对应光纤(8)相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于：还包括会聚透镜(10)，所述光波导组件(9)位于会聚透镜(10)和对应光纤(8)之间。

3.根据权利要求1或2所述的一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于：所述入光口(3)上设有镀膜。

4.根据权利要求1或2所述的一种高功率半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于：所述入光口(3)的入射光BPP略小于对应光纤(8)的BPP。

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