專(zhuān)利名稱(chēng)：一種將多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于激光技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種將多路分立半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過(guò)整形和重新排列后合并耦合進(jìn)入單根光纖的耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
通過(guò)光纖輸出的半導(dǎo)體激光器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。無(wú)論是激光手術(shù)刀、還是工業(yè)激光打標(biāo)、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(zhì)量、高功率密度并且使用靈活的激光光源。將半導(dǎo)體激光器耦合入單根光纖再輸出，可以滿(mǎn)足這種需求。實(shí)現(xiàn)高功率密度光纖輸出激光的方法有兩種一是提高單個(gè)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率密度；二是將多個(gè)半導(dǎo)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(dǎo)體激光器芯片材料的生長(zhǎng)、設(shè)備水平的提升和制作工藝水平的進(jìn)步，目前實(shí)現(xiàn)難度較大。第二種方法主要依賴(lài)于耦合技術(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)上相對(duì)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)方式有兩種一種是采用列陣組件，就是將半導(dǎo)體激光器在芯片一級(jí)制作成單片陣列形式，使其并聯(lián)工作，通過(guò)整形光學(xué)系統(tǒng)將陣列中每個(gè)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(dǎo)體激光器芯片以并聯(lián)或串聯(lián)方式排列，將所有芯片單獨(dú)輸出的光，經(jīng)過(guò)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(jìn)行篩選，并且可以采用單獨(dú)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(gè)獨(dú)立的激光器芯片或列陣中單個(gè)激光器單兀的輸出光各自I禹合進(jìn)入一根光纖，再將多根光纖捆綁成一束輸出。這種I禹合方式相對(duì)簡(jiǎn)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(xué)系統(tǒng)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(zhuān)利US2007/0116071A1、US2010/0226405A1，半導(dǎo)體激光器的安裝方式為PN結(jié)結(jié)平面與散熱底板平行，如附圖I、圖2所示。此種安裝方式雖然有利于半導(dǎo)體激光器的散熱，但是用戶(hù)在安裝使用時(shí)，散熱底板與熱沉的變形會(huì)嚴(yán)重影響半導(dǎo)體激光器的性能，從而使輸出光功率下降。

實(shí)用新型內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型的目的在于提供一種將多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，通過(guò)這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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。本實(shí)用新型的技術(shù)方案為一種將多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，包括多路分立半導(dǎo)體激光器，所述半導(dǎo)體激光器通過(guò)熱沉安裝于散熱底板上，其特征在于每一半導(dǎo)體激光器的PN、結(jié)結(jié)平面均與所述散熱底板垂直。進(jìn)一步的，所述耦合系統(tǒng)包括一耦合光纖，一慢軸準(zhǔn)直透鏡，一聚焦鏡，一防反鏡，每一所述半導(dǎo)體激光器前設(shè)有一快軸準(zhǔn)直透鏡；其中，所述耦合光纖的光軸為基準(zhǔn)光軸，與耦合光纖同軸放置的一半導(dǎo)體激光器為基準(zhǔn)軸激光器，其余放置在基準(zhǔn)光軸的同側(cè)或兩側(cè)的各路激光器為旁路激光器；每一所述旁路激光器前設(shè)有一使該旁路激光器輸出光軸方向與所述基準(zhǔn)光軸平行、且反射到所述慢軸準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡入射端的光程與所述基準(zhǔn)軸激光器光束輸出端到所述慢軸準(zhǔn)直透鏡入射端的光程相等；所述慢軸準(zhǔn)直透鏡輸出端后面依次設(shè)有與其同軸放置的所述聚集透鏡、防反鏡、耦合光纖。進(jìn)一步的，所述激光器相對(duì)于所述散熱底板等高。 進(jìn)一步的，所述激光器垂直安裝于所述散熱底板上。進(jìn)一步的，所述激光器直接燒結(jié)在所述熱沉上或通過(guò)過(guò)渡熱沉安裝在所述熱沉上。進(jìn)一步的，所述旁路激光器的輸出光軸與所述基準(zhǔn)光軸垂直放置或傾斜放置。進(jìn)一步的，各所述激光器電極為并聯(lián)或串聯(lián)。進(jìn)一步的，所述聚焦鏡為球面鏡，或非球面鏡，或自聚焦透鏡，或多個(gè)球面、非球面構(gòu)成的鏡組。進(jìn)一步的，所述激光器為相同波長(zhǎng)或不同波長(zhǎng)的激光器。進(jìn)一步的，所述快軸準(zhǔn)直透鏡為微柱透鏡或柱面鏡；所述慢軸準(zhǔn)直透鏡為一柱面鏡。進(jìn)一步的，所述防反鏡為一平板玻璃，對(duì)通過(guò)耦合光纖反射回來(lái)的泵浦光等截止，防止反射光損毀半導(dǎo)體激光器。所述防反鏡的一個(gè)表面或兩個(gè)表面鍍膜，所述膜層對(duì)所述半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)增透，對(duì)泵浦光波長(zhǎng)反射。本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)如圖4所示，將兩個(gè)或兩個(gè)以上的基準(zhǔn)軸激光器I、旁路激光器2分別通過(guò)焊裝方式固定在過(guò)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(shè)計(jì)應(yīng)滿(mǎn)足基準(zhǔn)軸激光器I、旁路激光器2的PN結(jié)結(jié)平面與散熱底板11垂直同時(shí)具有良好的散熱效果，如圖3所示，基準(zhǔn)軸激光器I與耦合光纖9和聚焦鏡7同軸形成基準(zhǔn)光軸，旁路激光器2分布在基準(zhǔn)光軸的同側(cè)或兩側(cè)，其輸出光軸可以與基準(zhǔn)光軸垂直也可不垂直，每個(gè)激光器的前方安裝微柱透鏡3使光束在快軸方向準(zhǔn)直，用共用柱面鏡5對(duì)光束的慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，反射鏡6將基準(zhǔn)光軸同側(cè)或兩側(cè)的旁路激光器2輸出光束的方向變成與基準(zhǔn)光軸平行，同時(shí)壓縮光束之間的間距，通過(guò)調(diào)整反射鏡6的傾斜角度還可以補(bǔ)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(gè)共用柱面鏡5，幾路激光器的初始位置相對(duì)共用柱面鏡5應(yīng)滿(mǎn)足等光程條件。經(jīng)過(guò)改變方向并壓縮了間距的組合平行光束由聚焦鏡7聚焦到耦合光纖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(zhǔn)光軸成一定傾角放置，其至少一個(gè)表面鍍膜，其中所鍍膜層對(duì)半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)增透，對(duì)通過(guò)光纖反射回來(lái)的其他波長(zhǎng)反射(比如用本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器泵浦產(chǎn)生其他波長(zhǎng)的信號(hào)激光時(shí)，可以避免該信號(hào)波長(zhǎng)激光返回，對(duì)本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生損害)。[0021]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的技術(shù)效果為本實(shí)用新型通過(guò)使激光器PN結(jié)結(jié)平面相對(duì)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(shí)性能下降的問(wèn)題，又可以利用反射鏡的角度來(lái)補(bǔ)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(duì)組合熱沉加工精度和芯片焊裝精度的要求；通過(guò)將基準(zhǔn)軸激光器與光纖同軸放置，建立基準(zhǔn)光軸，由此確定了透鏡和光纖的初始相對(duì)位置，再通過(guò)反射鏡使多個(gè)旁路激光器輸出的光束與基準(zhǔn)光軸平行，并進(jìn)行光束間距壓縮，使光路的安裝調(diào)整簡(jiǎn)便易行；上述方法使得幾路激光器可以共用一個(gè)柱面鏡進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直，從而簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化了安裝調(diào)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(duì)半導(dǎo)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(chǎn)效率，又大量節(jié)省生產(chǎn)成本。本實(shí)用新型具有高可靠性，結(jié)構(gòu)緊湊，外形相對(duì)小巧等特點(diǎn)，特別適用于需要高功率密度的材料處理設(shè)備和光纖激光器泵源應(yīng)用。

圖I是專(zhuān)利US2007/0116071A1所采用的半導(dǎo)體激光器安裝方式PN結(jié)結(jié)平面與散熱底板平行；圖2是專(zhuān)利US2010/0226405A1所采用的半導(dǎo)體激光器安裝方式PN結(jié)結(jié)平面與散熱底板平行；圖3是本實(shí)用新型所采用的半導(dǎo)體激光器安裝方式PN結(jié)結(jié)平面與散熱底板垂直；圖4是本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.基準(zhǔn)軸激光器，2.旁路激光器，3.微柱透鏡(準(zhǔn)直透鏡)，4.過(guò)渡熱沉，5.共用柱面鏡(準(zhǔn)直透鏡)，6.反射鏡,7.聚焦鏡,8.防反鏡,9.稱(chēng)合光纖，10.組合熱沉，11.散熱底板。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。附圖4是本實(shí)用新型的示意圖，以四個(gè)半導(dǎo)體激光器耦合入一根光纖為例，給出了本實(shí)用新型整體結(jié)構(gòu)的頂視圖。在基準(zhǔn)光軸的兩側(cè)放置激光器芯片，四個(gè)激光器共用一個(gè)柱面鏡。將基準(zhǔn)軸激光器I、旁路激光器2直接燒結(jié)或過(guò)渡熱沉方式安裝固定在組合熱沉10上，將基準(zhǔn)軸激光器I、旁路激光器2接上電極，電極連接可以是串聯(lián)也可以是并聯(lián)，然后將組合熱沉10焊裝到散熱底板11上。用高精度的微調(diào)架將一準(zhǔn)直透鏡，即微柱透鏡3和共用柱面鏡5安裝到基準(zhǔn)軸激光器I的前方，使激光器光束在快軸和慢軸方向準(zhǔn)直。將聚焦鏡7安裝到光路中，再將防反鏡8、耦合光纖9放入光路中，調(diào)整耦合光纖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(gè)球面、非球面構(gòu)成的鏡組。在旁路激光器2前放置微柱透鏡3對(duì)其快軸進(jìn)行準(zhǔn)直，在共用柱面鏡5與基準(zhǔn)軸激光器I之間放置反射鏡6,用于改變非基準(zhǔn)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(duì)于不同波長(zhǎng)的旁路激光器2，在熱沉設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)波長(zhǎng)來(lái)設(shè)定旁路激光器2與共用柱面鏡5之間的光程使其滿(mǎn)足 準(zhǔn)直條件。
權(quán)利要求1.一種將多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，包括多路分立半導(dǎo)體激光器，所述半導(dǎo)體激光器通過(guò)熱沉安裝于散熱底板上，其特征在于每一半導(dǎo)體激光器的PN結(jié)結(jié)平面均與所述散熱底板垂直。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于還包括一耦合光纖，一慢軸準(zhǔn)直透鏡， 一聚焦鏡，一防反鏡，每一所述半導(dǎo)體激光器前設(shè)有一快軸準(zhǔn)直透鏡；其中，所述耦合光纖的光軸為基準(zhǔn)光軸，與耦合光纖同軸放置的一半導(dǎo)體激光器為基準(zhǔn)軸激光器，其余放置在基準(zhǔn)光軸的同側(cè)或兩側(cè)的各路激光器為旁路激光器；每一所述旁路激光器前設(shè)有一使該旁路激光器輸出光軸方向與所述基準(zhǔn)光軸平行、且反射到所述慢軸準(zhǔn)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(zhǔn)直透鏡入射端的光程與所述基準(zhǔn)軸激光器光束輸出端到所述慢軸準(zhǔn)直透鏡入射端的光程相等； 所述慢軸準(zhǔn)直透鏡輸出端后面依次設(shè)有與其同軸放置的所述聚集透鏡、防反鏡、耦合光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器相對(duì)于所述散熱底板等聞。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器垂直安裝于所述散熱底板上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2或3或4所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器直接燒結(jié)在所述熱沉上或通過(guò)過(guò)渡熱沉安裝在所述熱沉上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述旁路激光器的輸出光軸與所述基準(zhǔn)光軸垂直放置或傾斜放置。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于各所述激光器電極為并聯(lián)或串聯(lián)；所述快軸準(zhǔn)直透鏡為微柱透鏡或柱面鏡；所述慢軸準(zhǔn)直透鏡為一柱面鏡。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述聚焦鏡為球面鏡，或非球面鏡，或自聚焦透鏡，或多個(gè)球面、非球面構(gòu)成的鏡組。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器為相同波長(zhǎng)或不同波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器。
10.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述防反鏡為一平板玻璃，且與所述基準(zhǔn)光軸成一定傾角放置；所述防反鏡的至少一個(gè)表面鍍膜，其中所鍍膜層對(duì)所述半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)增透，對(duì)通過(guò)所述耦合光纖反射回來(lái)的其他波長(zhǎng)反射。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種將多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，屬于激光技術(shù)領(lǐng)域。本系統(tǒng)包括多路分立半導(dǎo)體激光器，所述半導(dǎo)體激光器通過(guò)熱沉安裝于散熱底板上，其特征在于每一半導(dǎo)體激光器的PN結(jié)結(jié)平面均與所述散熱底板垂直。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型通過(guò)使激光器PN結(jié)結(jié)平面相對(duì)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(shí)性能下降的問(wèn)題，又可以利用反射鏡的角度來(lái)補(bǔ)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(duì)組合熱沉加工精度和芯片焊裝精度的要求。通過(guò)本實(shí)用新型這一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(hào)G02B27/30GK202472126SQ20122000168
公開(kāi)日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月22日
發(fā)明者劉玉鳳, 陳曉華 申請(qǐng)人:北京凱普林光電科技有限公司