專利名稱：一種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于激光技術領域，涉及一種將多路分立半導體激光器發(fā)出的光束經過整形和重新排列后合并耦合進入單根光纖的耦合系統。
背景技術：
通過光纖輸出的半導體激光器具有廣泛的應用領域。無論是激光手術刀、還是工業(yè)激光打標、切割或全固體激光器和光纖激光器，都需要具有良好的光束質量、高功率密度并且使用靈活的激光光源。將半導體激光器耦合入單根光纖再輸出，可以滿足這種需求。 實現高功率密度光纖輸出激光的方法有兩種一是提高單個半導體激光器的輸出光功率密度；二是將多個半導體激光器芯片輸出的光組合后輸出。第一種方法的成功取決于半導體激光器芯片材料的生長、設備水平的提升和制作工藝水平的進步，目前實現難度較大。第二種方法主要依賴于耦合技術的改進，實現上相對簡單，是目前獲得大功率和超大功率激光輸出的主要途徑。其實現方式有兩種一種是采用列陣組件，就是將半導體激光器在芯片一級制作成單片陣列形式，使其并聯工作，通過整形光學系統將陣列中每個激光器的輸出光重新排列組合為一束集成光束輸出；另一種方法是采用多只分立的半導體激光器芯片以并聯或串聯方式排列，將所有芯片單獨輸出的光，經過整形合并到一起組成集成光束輸出。上述兩種方式各有優(yōu)劣，但是分立激光器可以在耦合前進行篩選，并且可以采用單獨制冷，因此多只激光器組合后的組件其可靠性、一致性和壽命均好于使用列陣的組件。在合并方式上又有兩種方法。其一，將每個獨立的激光器芯片或列陣中單個激光器單元的輸出光各自耦合進入一根光纖，再將多根光纖捆綁成一束輸出。這種耦合方式相對簡單，但是光纖輸出光的有效面積比較大，光功率密度不夠高，也不能得到特定的光束模式。其二，采用特殊光學系統將所有激光器芯片或列陣中各單元的輸出光重新排列并耦合入一根光纖，從而得到較高的功率密度，而且能得到需要的特定光束模式。目前此種方法多采用階梯熱沉方式排列激光光束，例如專利US2007/0116071A1、 US2010/0226405A1，半導體激光器的安裝方式為PN結結平面與散熱底板平行，如附圖1、2 所示。此種安裝方式雖然有利于半導體激光器的散熱，但是用戶在安裝使用時，散熱底板與熱沉的變形會嚴重影響半導體激光器的性能，從而使輸出光功率下降。

發(fā)明內容
針對現有技術中存在的技術問題，本發(fā)明的目的在于提供一種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統，通過這一系統結構可獲得具有微小體積、超高功率、極高功率密度且性能穩(wěn)定的激光器組件。本發(fā)明的技術方案為一種將多路分立半導體激光器耦合入單根光纖的耦合系統，其特征在于每一半導體激光器的PN結結平面均與所述散熱底板垂直。
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進一步的，所述耦合系統包括一耦合光纖，一慢軸準直透鏡，一聚焦透鏡，一防反鏡，每一所述半導體激光器前設有一快軸準直透鏡；其中，所述耦合光纖的光軸為基準光軸，與耦合光纖同軸放置的一半導體激光器為基準軸激光器，其余放置在基準光軸的同側或兩側的各路激光器為旁路激光器；每一所述旁路激光器前設有一使該旁路激光器輸出光軸方向與所述基準光軸平行、且反射到所述慢軸準直透鏡入射端的反射鏡，每一旁路激光器光束輸出端到所述慢軸準直透鏡入射端的光程與所述基準軸激光器光束輸出端到所述慢軸準直透鏡入射端的光程相等；所述慢軸準直透鏡輸出端后面依次設有與其同軸放置的所述聚集透鏡、防反鏡、耦合光纖。進一步的，所述激光器相對于所述散熱底板等高。進一步的，所述激光器垂直安裝于所述散熱底板上。進一步的，所述激光器直接燒結在所述熱沉上或通過過渡熱沉安裝在所述熱沉上。進一步的，所述旁路激光器的輸出光軸與所述基準光軸垂直放置或傾斜放置。進一步的，各所述激光器電極為并聯或串聯。進一步的，所述聚焦透鏡為球面鏡，或非球面鏡，或自聚焦透鏡，或多個球面、非球面構成的鏡組。進一步的，所述激光器為相同波長或不同波長的激光器。進一步的，所述快軸準直透鏡為微柱透鏡或柱面鏡；所述慢軸準直透鏡為一柱面
^Mi ο進一步的，所述防反鏡為一平板玻璃，對通過耦合光纖反射回來的泵浦光等截止， 防止反射光損毀半導體激光器。所述防反鏡的一個表面或兩個表面鍍膜，所述膜層對所述半導體激光器的波長增透，對泵浦光波長反射。本發(fā)明的結構如圖4所示，將兩個或兩個以上的半導體激光器1、2分別通過焊裝方式固定在過渡熱沉4上，之后將其焊裝固定在組合熱沉10上，組合熱沉10的設計應滿足半導體激光器1、2的PN結結平面與散熱底板11垂直同時具有良好的散熱效果如圖3所示， 基準軸激光器1與光纖9和透鏡7同軸形成基準光軸，旁路激光器2分布在基準光軸的同側或兩側，其輸出光軸可以與基準光軸垂直也可不垂直，每個激光器的前方安裝微柱透鏡3 使光束在快軸方向準直，用柱面鏡5對光束的慢軸方向進行準直，反射鏡6將基準光軸同側或兩側的旁路激光器2輸出光束的方向變成與基準光軸平行，同時壓縮光束之間的間距， 通過調整反射鏡6的傾斜角度還可以補償激光器芯片的安裝高度誤差和光束的指向誤差。 其中兩路或兩路以上的激光器共用一個共用柱面鏡5，幾路激光器的初始位置相對共用柱面鏡5應滿足等光程條件。經過改變方向并壓縮了間距的組合平行光束由聚焦鏡7聚焦到光纖芯9上，并加入防反鏡8完成耦合。防反鏡8為一平板玻璃，其與所述基準光軸成一定傾角放置，其至少一個表面鍍膜，其中所鍍膜層對半導體激光器的波長增透，對通過光纖反射回來的其他波長反射(比如用本發(fā)明半導體激光器泵浦產生其他波長的信號激光時，可以避免該信號波長激光返回，對本發(fā)明半導體激光器產生損害)。與現有技術相比，本發(fā)明的技術效果為本發(fā)明通過使激光器PN結結平面相對散熱底板垂直焊裝在金屬熱沉上，可以有效的解決激光器安裝使用時性能下降的問題，又可以利用反射鏡的角度來補償不同激光器芯片之間的焊裝高度誤差和指向誤差，降低了對組合熱沉加工精度和芯片焊裝精度的要求；通過將基準軸激光器與光纖同軸放置，建立基準光軸，由此確定了透鏡和光纖的初始相對位置，再通過反射鏡使多個旁路激光器輸出的光束與基準光軸平行，并進行光束間距壓縮，使光路的安裝調整簡便易行；上述方法使得幾路激光器可以共用一個柱面鏡進行慢軸準直，從而簡化系統結構，簡化了安裝調試的步驟；防反鏡的加入可以有效地防止泵浦光等反射光對半導體激光器的傷害。以上幾方面的綜合效果，是既能改善激光器的性能、有效的提高生產效率，又大量節(jié)省生產成本。本發(fā)明具有高可靠性，結構緊湊，外形相對小巧等特點，特別適用于需要高功率密度的材料處理設備和光纖激光器泵源應用。


圖1是專利US2007/0116071A1所采用的半導體激光器安裝方式PN結結平面與散熱底板平行；圖2是專利US2010/0226405A1所采用的半導體激光器安裝方式PN結結平面與散熱底板平行圖3是本發(fā)明所采用的半導體激光器安裝方式PN結結平面與散熱底板垂直；圖4是本發(fā)明的結構示意圖；圖中1.基準軸激光器，2.旁路激光器，3.微柱透鏡(準直透鏡)，4.過渡熱沉， 5.共用柱面鏡(準直透鏡)，6.反射鏡，7.聚焦鏡，8.防反鏡，9.耦合光纖，10.組合熱沉， 11.散熱底板。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明進行進一步詳細描述。附圖4是本發(fā)明的示意圖，以四個半導體激光器耦合入一根光纖為例，給出了本發(fā)明整體結構的頂視圖。在基準光軸的兩側放置激光器芯片，四個激光器共用一個柱面鏡。將激光器1、2直接燒結或過渡熱沉方式安裝固定在熱沉10上，將激光器1、2接上電極，電極連接可以是串聯也可以是并聯，然后將金屬熱沉10焊裝到散熱底板11上。用高精度的微調架將一準直透鏡，即微柱透鏡3和共用柱面鏡5安裝到基準軸激光器1的前方，使激光器光束在快軸和慢軸方向準直。將聚焦鏡7安裝到光路中，再將防反鏡8、光纖9放入光路中，調整光纖9的位置直到得到最高的光纖輸出功率。其中，聚焦鏡7為球面或非球面鏡，或自聚焦透鏡，或多個球面、非球面構成的鏡組。在非基準軸激光器2前放置快軸準直透鏡3對其快軸進行準直，在共用柱面鏡5 與基準軸激光器1之間放置反射鏡6，用于改變非基準軸激光器輸出光束的方向，獲得最大輸出功率，固定該反射鏡6。對于不同波長的非基準軸激光器2，在熱沉設計時根據波長來設定非基準軸激光器2與共用柱面鏡5之間的光程使其滿足準直條件。
權利要求
1.一種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統，包括多路分立半導體激光器，所述半導體激光器通過熱沉安裝于散熱底板上，其特征在于每一半導體激光器的PN結結平面均與所述散熱底板垂直。
2.根據權利要求1所述的耦合系統，其特征在于還包括一耦合光纖，一慢軸準直透鏡， 一聚焦透鏡，一防反鏡，每一所述半導體激光器前設有一快軸準直透鏡；其中，所述耦合光纖的光軸為基準光軸，與耦合光纖同軸放置的一半導體激光器為基準軸激光器，其余放置在基準光軸的同側或兩側的各路激光器為旁路激光器；每一所述旁路激光器前設有一使該旁路激光器輸出光軸方向與所述基準光軸平行、且反射到所述慢軸準直透鏡入射端的反射鏡，每一旁路激光器光束輸出端到所述慢軸準直透鏡入射端的光程與所述基準軸激光器光束輸出端到所述慢軸準直透鏡入射端的光程相等； 所述慢軸準直透鏡輸出端后面依次設有與其同軸放置的所述聚集透鏡、防反鏡、耦合光纖。
3.根據權利要求2所述的耦合系統，其特征在于所述半導體激光器相對于所述散熱底板等高。
4.根據權利要求1所述的耦合系統，其特征在于所述半導體激光器垂直安裝于所述散熱底板上。
5.根據權利要求1或2或3或4所述的耦合系統，其特征在于所述半導體激光器直接燒結在所述熱沉上或通過過渡熱沉安裝在所述熱沉上。
6.根據權利要去5所述的耦合系統，其特征在于所述旁路半導體激光器的輸出光軸與所述基準光軸垂直放置或傾斜放置。
7.根據權利要求1所述的耦合系統，其特征在于各所述激光器電極為并聯或串聯；所述快軸準直透鏡為微柱透鏡或柱面鏡；所述慢軸準直透鏡為一柱面鏡。
8.根據權利要求1所述的耦合系統，其特征在于所述聚焦透鏡為球面鏡，或非球面鏡， 或自聚焦透鏡，或多個球面、非球面構成的鏡組。
9.根據權利要求1所述的耦合系統，其特征在于所述半導體激光器為相同波長或不同波長的半導體激光器。
10.根據權利要求2或3所述的耦合系統，其特征在于所述防反鏡為一平板玻璃，且與所述基準光軸成一定傾角放置；所述防反鏡的至少一個表面鍍膜，其中所鍍膜層對所述半導體激光器的波長增透，對通過所述耦合光纖反射回來的目標波長的激光反射。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統，屬于激光技術領域。本系統包括多路分立半導體激光器，所述半導體激光器通過熱沉安裝于散熱底板上，其特征在于每一半導體激光器的PN結結平面均與所述散熱底板垂直。與現有技術相比，本發(fā)明通過使激光器PN結結平面相對散熱底板垂直焊裝在金屬熱沉上，可以有效的解決激光器安裝使用時性能下降的問題，又可以利用反射鏡的角度來補償不同激光器芯片之間的焊裝高度誤差和指向誤差，降低了對組合熱沉加工精度和芯片焊裝精度的要求。通過本發(fā)明這一系統結構可獲得具有微小體積、超高功率、極高功率密度且性能穩(wěn)定的激光器組件。
文檔編號G02B1/10GK102540472SQ20121000131
公開日2012年7月4日 申請日期2012年1月4日 優(yōu)先權日2011年11月22日
發(fā)明者劉玉鳳, 陳曉華 申請人:北京凱普林光電科技有限公司