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(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光技術領域，涉及ー種將多路分立半導體激光器發(fā)出的光束經(jīng)過整形和重新排列后合并耦合進入單根光纖的耦合系統(tǒng)。
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。無論是激光手木刀、還是エ業(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(xiàn)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；ニ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 エ藝水平的進步，目前實現(xiàn)難度較大。第二種方法主要依賴于耦合技術的改進，實現(xiàn)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(xiàn)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ー級制作成單片陣列形式，使其并聯(lián)工作，通過整形光學系統(tǒng)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；另ー種方法是采用多只分立的半導體激光器芯片以并聯(lián)或串聯(lián)方式排列，將所有芯片單獨輸出的光，經(jīng)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，并且可以采用単獨制冷，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兀的輸出光各自I禹合進入一根光纖，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。其ニ，采用特殊光學系統(tǒng)將所有激光器芯片或列陣中各単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。由于分立半導體激光器芯片必須安裝在具有一定大小的熱沉上，如果直接將多個半導體激光器的輸出光束進行排列并聚焦耦合，通常由于受到每個芯片和其熱沉體積的限制，合并光束體積較大，很難獲得小芯徑高功率密度的光纖耦合輸出。為減小合并光束的空間體積大小，必須采取一定的措施。已有ー些方案通過采取各種特殊措施將多個分立半導體激光器輸出的光束進行重新排列，使組合光束的空間體積足夠小，再通過透鏡組耦合進入光纖，這些處理一般安裝調試比較復雜，不易于實現(xiàn)。如Polaroid公司的美國專利6324230 號，Nlight Corporation 的美國專利 US 2007/0116071A1 等。
實用新型內容針對現(xiàn)有技術中存在的問題，本實用新型的目的在于提供ー種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，通過這一系統(tǒng)結構可獲得具有微小體積、超高功率、極高功率密度的激光器組件。[0007]本實用新型的技術方案為ー種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，其特征在于包括多路分立半導體激光器，階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)，ー聚焦透鏡，ー耦合光纖；所述聚焦透鏡與所述耦合光纖同軸放置，所述半導體激光器分成兩列分別安裝于所述階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)的階梯平面上，且半導體激光器的PN結結平面與其所在階梯平面平行；每一所述半導體激光器前均設有ー快軸準直透鏡、一使半導體激光器輸出光束以同一方向反射至所述聚焦透鏡入射面的反射棱鏡，該反射棱鏡的輸入面或輸出面為對對應半導體激光器輸出光束進行慢軸準直的柱面；各所述半導體激光器輸出端到其對應反射棱鏡出射面的光程相等。進ー步的，所述階梯熱沉I (3)與所述階梯熱沉2(4)為階梯方向相對放置，且分別位于所述聚焦透鏡光軸的兩側對稱放置。
進ー步的，位于同一所述階梯熱沉上的半導體激光器在所述聚焦透鏡光軸方向上等間隔排列、在所述階梯平面的垂直方向上具有相等的高度差。進ー步的，各所述半導體激光器的輸出光軸相互平行、且垂直于所述聚焦透鏡的光軸。進ー步的，所述高度差的最小值為所述半導體激光器輸出光束經(jīng)快軸準直后照射到所述反射棱鏡上的快軸方向的光束寬度。進ー步的，所述階梯熱沉2(4)的最低階階梯平面的高度高于所述階梯熱沉1(3)最高階階梯平面的高度。進ー步的，所述階梯熱沉2(4)上的半導體激光器所對應的反射棱鏡安裝在一反射棱鏡座；其中，所述反射棱鏡座的頂部位于所述階梯熱沉1(3)的前上方且具有多個階梯平面，每ー階梯平面安裝一所述反射棱鏡。進ー步的，每一所述半導體激光器通過焊裝方式固定在ー過渡熱沉(2)上，所述過渡熱沉(2)焊裝固定在階梯熱沉的階梯面上。進ー步的，所述半導體激光器為相同波長或不同波長的激光器。所述快軸準直透鏡為微柱透鏡，或柱面鏡。本實用新型的結構如圖I所示，兩列階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)相對聚焦透鏡(8)的光軸對稱放置，階梯方向相反，一列階梯熱沉2 (4)偏高，一列階梯熱沉I (3)偏低，以避免各光路彼此遮擋。各路分立的半導體激光器(I)分別通過焊裝方式固定在過渡熱沉(2)上，每個激光器(I)的前方安裝微柱透鏡(6)使光束在快軸方向準直，之后將過渡熱沉(2)焊裝固定在階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2(4)的階梯面上，階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)的每ー級在Y (Y軸為半導體激光器的輸出光軸方向)和Z(Z軸為半導體激光器的慢軸方向)方向上都平行且尺寸相同，各級間距即級高為Lx (X軸為半導體激光器的快軸方向)，階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)上的每一級半導體激光器(I)都有一個對應的反射棱鏡(7)，為ー全反射棱鏡，入射面或出射面加エ成對光束慢軸準直的柱面，所有反射棱鏡(7)尺寸相同，反射面均相互平行且與各級半導體激光器(I)的輸出光軸成一定角度，經(jīng)快軸準直后的光束照射到反射棱鏡(7)上后，使半導體激光器(I)輸出光軸發(fā)生偏轉，同時反射棱鏡(X)的入射面或出射面為柱面，完成光束的慢軸準直，形成相互平行且等間距的合成光束。對于不同波長的半導體激光器⑴，通過改變半導體激光器(I)與反射棱鏡(7)之間的距離或是反射棱鏡(7)的柱面半徑使其滿足慢軸準直的工作距離要求即可。階梯高度差Lx的最小值為光束經(jīng)快軸準直后照射到反射棱鏡(7)上的X方向的光束寬度，這樣就使得激光光束在快軸、慢軸兩個方向都被準直，光斑經(jīng)重新排列后形成合并的準直光束，再經(jīng)由聚焦透鏡(8)耦合到光纖(9)中輸出。利用本結構，激光器的波長可以是相同的也可以是不同的，具有很強的靈活性；階梯熱沉I、階梯熱沉2的階梯數(shù)量可根據(jù)激光總功率和單個激光器的功率靈活選取。其階梯上限取決于單個激光器經(jīng)快軸準直后的光斑寬度、由像差限制的聚焦透鏡組的最大孔徑、階梯熱沉I和階梯熱沉2的最大容許散熱條件等。現(xiàn)有技術相比，本實用新型的效果為本實用新型所采用的兩組方向相反的階梯熱沉I和階梯熱沉2，可以減小整個系統(tǒng)的長度，更加靈活的實現(xiàn)多路分立半導體激光器的耦合。
圖I是本實用新型實施例I的示意圖；·圖2是本實用新型實施例2的示意圖；圖中1.半導體激光器，2.過渡熱沉，3.階梯熱沉1，4階梯熱沉2，5.反射棱鏡座，
6.微柱透鏡(準直透鏡)，7.反射棱鏡,8.聚焦透鏡,9.光纖。
具體實施方式
以下結合附圖對本實用新型進行進一步詳細描述。實施例I :如圖I所示，以十個半導體激光器耦合入一根光纖為例，給出了本實用新型整體結構的示意圖。用高精度的微調架和固定材料將ー準直透鏡，即微柱透鏡(6)安裝到每ー個已固定在過渡熱沉(2)上的半導體激光器(I)的前方(激光器(I)可以直接燒結或過渡熱沉方式安裝固定在熱沉上)，使激光器光束在快軸方向準直。安裝過程中通過檢測遠場光斑來校準各光束之間的平行度和準直度。將所有裝好微柱透鏡(6)和激光器(I)的過渡熱沉(2)焊裝在階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2(4)上，將激光器(I)接上電極，電極連接可以是串聯(lián)也可以是并聯(lián)。逐級在反射棱鏡座(5)的每ー級上安裝反射棱鏡(7)，用高精度的五維調整架和適當?shù)膴A具夾住反射棱鏡(7)進行調整，使半導體激光器(I)的光軸折轉90°，并且使得半導體激光器(I)的慢軸方向達到準直。在安裝調試反射棱鏡(7)的過程中，通過檢測遠場光斑來校準各級輸出的激光光束彼此之間的平行度以及光斑的準直度，通過檢測輸出功率保證前ー級的反射棱鏡(7)不會遮擋后ー級的光路；其中，反射棱鏡(7)的出射面加工成對光束慢軸準直的柱面。逐級在階梯熱沉I (3)的每ー級上安裝反射棱鏡(7)，用高精度的五維調整架和適當?shù)膴A具夾住反射棱鏡(7)進行調整，使半導體激光器(I)的光軸折轉90°，并且使得半導體激光器(I)的慢軸方向達到準直。在安裝調試反射棱鏡(7)的過程中，通過檢測遠場光斑來校準各級輸出的激光光束彼此之間的平行度以及光斑的準直度，通過檢測輸出功率保證前ー級的反射棱鏡(7)不會遮擋后ー級的光路；其中，反射棱鏡(7)的出射面加工成對光束慢軸準直的柱面。將聚焦透鏡(8)和光纖(9)安裝到光路中，聚焦透鏡(8)和光纖(9)可以是預先安裝好的同軸組件也可以是分立的，通過高精度的五 維調整架和適當?shù)膴A具夾住二者進行調整，直到獲得最高的光纖輸出功率，用焊接或黏膠的方式將二者固定。這樣就完成了光路的調整。在本結構中，采用光纖芯徑105um 1mm，數(shù)值孔徑O. 1-0. 4的光纖，激光波長從405nm-2um,平均稱合效率高于85%。實施例2 如圖2所示，以十個半導體激光器耦合入一根光纖為例，給出了本實用新型整體結構的示意圖。用高精度的微調架和固定材料將ー準直透鏡，即微柱透鏡(6)安裝到每ー個已固定在過渡熱沉(2)上的半導體激光器(I)的前方(激光器(I)可以直接燒結或過渡熱沉方式安裝固定在熱沉上)，使激光器光束在快軸方向準直。安裝過程中通過檢測遠場光斑來校準各光束之間的平行度和準直度。將所有裝好微柱透鏡(6)和激光器(I)的過渡熱沉(2)焊裝在階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2(4)上，將激光器(I)接上電極，電極連接可以是串聯(lián)也可以是并聯(lián)。逐級在反射棱鏡座(5)的每ー級上安裝反射棱鏡(7)，用高精度的五維調整架和適當?shù)膴A具夾住反射棱鏡(7)進行調整，使半導體激光器(I)的光軸折轉90°，并且使得半導體激光器(I)的慢軸方向達到準直。在安裝調試反射棱鏡(7)的過程中，通過檢測遠場光斑來校準各級輸出的激光光束彼此之間的平行度以及光斑的準直度，通過檢測輸出功率保證前ー級的反射棱鏡(7)不會遮擋后ー級的光路；其中，反射棱鏡(7)的入射面加工成對光束慢軸準直的柱面。逐級在階梯熱沉I (3)的每ー級上安裝反射棱鏡(7)，用高精度的五維調整架和適當?shù)膴A具夾住反射棱鏡(7)進行調整，使半導體激光器(I)的光軸折轉90°，并且使得半導體激光器(I)的慢軸方向達到準直。在安裝調試反射棱鏡(7)的過程中，通過檢測遠場光斑來校準各級輸出的激光光束彼此之間的平行度以及光斑的準直度，通過檢測輸出功率保證前ー級的反射棱鏡(7)不會遮擋后ー級的光路；其中，反射棱鏡(7)的入射面加工成對光束慢軸準直的柱面。將聚焦透鏡(8)和光纖(9)安裝到光路中，聚焦透鏡(8)和光纖(9)可以是預先安裝好的同軸組件也可以是分立的，通過高精度的五維調整架和適當?shù)膴A具夾住二者進行調整，直到獲得最高的光纖輸出功率，用焊接或黏膠的方式將二者固定。這樣就完成了光路的調整。在本結構中，采用光纖芯徑105um 1mm，數(shù)值孔徑O. 1-0. 4的光纖，激光波長從405nm-2um,平均稱合效率高于85%。
權利要求1.ー種將多路分立半導體激光耦合入單根光纖的耦合系統(tǒng)，其特征在于包括多路分立半導體激光器，階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2 (4)，ー聚焦透鏡，ー耦合光纖；所述聚焦透鏡與所述耦合光纖同軸放置，所述半導體激光器分成兩列分別安裝于所述階梯熱沉I (3)、階梯熱沉2(4)的階梯平面上，且半導體激光器的PN結結平面與其所在階梯平面平行；每一所述半導體激光器前均設有ー快軸準直透鏡、一使半導體激光器輸出光束以同一方向反射至所述聚焦透鏡入射面的反射棱鏡，該反射棱鏡的輸入面或輸出面為對對應半導體激光器輸出光束進行慢軸準直的柱面；各所述半導體激光器輸出端到其對應反射棱鏡出射面的光程相坐寸ο
2.如權利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述階梯熱沉I(3)與所述階梯熱沉2 (4)為階梯方向相對放置，且分別位于所述聚焦透鏡光軸的兩側對稱放置。
3.如權利要求2所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于位于同一所述階梯熱沉上的半導體激光器在所述聚焦透鏡光軸方向上等間隔排列、在所述階梯平面的垂直方向上具有相等的高度差。
4.如權利要求3所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于各所述半導體激光器的輸出光軸相互平行、且垂直于所述聚焦透鏡的光軸。
5.如權利要求3所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述高度差的最小值為所述半導體激光器輸出光束經(jīng)快軸準直后照射到所述反射棱鏡上的快軸方向的光束寬度。
6.如權利要求I至5任一所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述階梯熱沉2(4)的最低階階梯平面的高度高于所述階梯熱沉1(3)最高階階梯平面的高度。
7.如權利要求6所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述階梯熱沉2(4)上的半導體激光器所對應的反射棱鏡安裝在一反射棱鏡座；其中，所述反射棱鏡座的頂部位于所述階梯熱沉I (3)的前上方且具有多個階梯平面，每ー階梯平面安裝一所述反射棱鏡。
8.如權利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于每一所述半導體激光器通過焊裝方式固定在ー過渡熱沉(2)上，所述過渡熱沉(2)焊裝固定在階梯熱沉的階梯面上。
9.如權利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導體激光器為相同波長或不同波長的激光器。
10.如權利要求I所述的耦合系統(tǒng)，其特征在于所述快軸準直透鏡為微柱透鏡，或柱面鏡。
專利摘要本實用新型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(tǒng)，屬于激光技術領域。本系統(tǒng)包括多路分立半導體激光器，兩階梯熱沉(3)、(4)，一聚焦透鏡，一耦合光纖；聚焦透鏡與耦合光纖同軸放置，半導體激光器分成兩列分別安裝于所述階梯熱沉(3)、(4)的階梯平面上，且半導體激光器的PN結結平面與其所在階梯平面平行；每一半導體激光器前均設有一快軸準直透鏡、一使半導體激光器輸出光束以同一方向反射至聚焦透鏡入射面的反射棱鏡，該反射棱鏡的輸入面或輸出面為對對應半導體激光器輸出光束進行慢軸準直的柱面；各半導體激光器輸出端到其對應反射棱鏡出射面的光程相等。本系統(tǒng)可更加靈活的實現(xiàn)多路半導體激光器的耦合。
文檔編號G02B27/09GK202600259SQ20122001899
公開日2012年12月12日 申請日期2012年1月16日 優(yōu)先權日2012年1月16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