CN101364707B - 熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，属于半导体激光器领域。包括半导体激光列阵(1)、快轴准直透镜(2)、对准固定套(3)、熔锥光纤耦合器(4)和输出固定套(5)。本发明采用将半导体激光列阵发光单元与光纤一一对应的方法，使半导体激光耦合进光纤束，通过光纤束熔融拉锥的方法实现激光束之间的耦合，提高了耦合效率。本发明将光纤束分成两部分，将两部分交叉排列，方向为相向，耦合光直接进入相应的发光单元，无需外腔反馈镜，结构简单，反馈损耗低。
Description
技术领域
本发明是一种熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，属于半导体激光器领域。
背景技术
半导体激光列阵由于具有体积小、重量轻、寿命长、效率高等优点，在军事、工业、医疗等领域有广阔的应用前景和巨大的潜在市场，因而已成为世界各国竞相追逐的研究热点。半导体激光列阵是实现高功率输出的有效技术途径。由于半导体激光列阵的固有的结构缺陷，各发光单元的输出光束质量很差，且各发光单元是非相干的，所以激光器的输出在空间上也是非相干的。外腔锁相相干耦合技术在半导体激光阵列外形成新的谐振腔来锁定每个激光单元的位相，可以获得相干耦合的输出，从而改善了输出光的光束质量。
为了提高半导体激光列阵的光束质量，主要有两种方法。一种是在列阵后加整形元件，将列阵输出的光束分割和重排，使矩形光斑变为圆形光斑，但结构复杂，功率损失比较大。另一种是外腔锁相技术，将列阵原有的谐振腔破坏，加入锁相光学元件后组成新的外谐振腔，得到强的相干光输出，于是列阵整体的光束质量得到提高。目前的外腔锁相技术，通过在半导体激光器外加入具有一定反射率的外腔镜，利用光线在外腔中传播时发生的衍射以及外腔镜的反馈作用，人们成功地实现了阵列发光单元间的相互耦合。同时在外腔中插入可调相位元件、空间滤波器，或使外腔镜位于整数、分数倍TALBOT距离处实现外腔锁相。这些外腔结构，大多存在结构复杂，损耗大，调节精度高，难于实用化等缺点。但外腔锁相相干耦合技术只能保证相邻发光单元之间有很强的耦合，并不能形成真正意义上的“并联耦合”，这是造成不能获得大功率相干激光输出的一个主要原因。只有当每个半导体发光单元同时与多个发光单元之间产生耦合时，整个半导体激光列阵才能会有强耦合，从而提高列阵的光束质量。
发明内容
本发明提供了一种熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，该激光器能在半导体激光列阵的各发光单元之间实现强的并联耦合，同时还具有结构简单、损耗小的优点。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，其特征在于：包括沿光束的传播方向依次放置的半导体激光列阵、快轴准直透镜、熔锥光纤耦合器和输出固定套。半导体激光列阵、快轴准直透镜、对准固定套、熔锥光纤耦合器和输出固定套一起构成外谐振腔。半导体激光列阵的输出端面镀增透膜，发光单元发出的激光束，经过快轴准直透镜准直后，耦合进入熔锥光纤耦合器，熔锥光纤耦合器由数根光纤集束而成，光纤数目与半导体激光列阵的发光单元数目相等，将熔锥光纤耦合器中的光纤分成数目相等的两部分，两部分沿相向的方向交叉排列在一起，使相邻光纤中的激光束的传播方向相反；对交叉部分熔融拉锥，形成熔锥区，在熔锥区，光纤的形状变为圆锥型，光纤束紧密结合在一起，光纤之间无空隙。经过熔锥区后的光纤构成熔锥光纤耦合器的输出端，熔锥光纤耦合器的输出端与输出固定套相连，激光束从输出固定套输出。
所述的熔锥光纤耦合器的输入端由对准固定套固定，保证每根光纤对准一个发光单元。所述的对准固定套包括底板和盖板，底板上设置有用来卡住光纤的V型槽。
本发明的优点：利用光纤柔软，排列灵活的特点，熔锥光纤耦合器可以将半导体激光列阵的发光单元的一维排列，变为光纤束的二维排列，使得发光单元之间可以产生强的并联耦合。光纤经过拉锥后，在圆锥形区间发生耦合的激光束几乎可以全部进入相邻光纤，泄漏损失很小。由于相邻光纤中传播的激光束方向相反，熔锥光纤耦合器同时起到了耦合器和输出反馈镜的双重作用，无需再单独设置输出反馈镜，使得整个外腔的结构简化，损耗小，效率高。实现了光学相干性高，效率高，结构简单，实现容易的熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器。
附图说明
图1熔锥光纤耦合器的结构示意图
图2熔锥光纤耦合器中熔锥区光纤排列方式示意图
图3对准固定套结构示意图
图4输出固定套示意图
图中：1、半导体激光列阵，2、快轴准直透镜，3、对准固定套，4、熔锥光纤耦合器，5、输出固定套，6、熔锥区，7、白色光纤，8、黑色光纤，9、光纤，10、底板，11、盖板，12、套管。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。
如图1所示，本实施例包括沿光束传播方向依次放置的半导体激光列阵1、快轴准直透镜2、对准固定套3、熔锥光纤耦合器4、输出固定套5。半导体激光列阵1输出端面镀增透膜，快轴准直透镜2是直径105um的圆柱形透镜，轴向平行于半导体激光列阵1的发光端面放置。发光单元发射的激光束快轴方向发散角为30～40度，经过快轴准直透镜后，快轴方向发散角小于0.25度，然后射入熔锥光纤耦合器4。熔锥光纤耦合器4的输入端由对准固定套固定，保证每根光纤对准一个发光单元。熔锥光纤耦合器中的光纤被分为数量相等的两部分，两部分方向相向的交叉排列在一起，使相邻光纤中的激光束的传播方向相反。对光纤束的交叉段加热后拉伸，使光纤由圆柱形变成圆锥形，这样光纤中的激光束可以部分耦合进入相邻光纤，直接进入该相邻光纤对应的发光单元。未耦合的激光束由熔锥光纤耦合器输出。熔锥光纤耦合器的输出端由输出固定套固定，输出固定套的作用是保持光纤束紧密排列在一起，所有光纤的端面保持在同一平面。
对准固定套3的具体结构如图2所示，包括底板10和盖板11，底板10上设置有用来卡住光纤9的V型槽，V型槽的周期与半导体激光列阵1的周期相同。对准固定套3与半导体激光列阵1相对应的端面抛光。
熔锥光纤耦合器4的光纤数目与半导体激光列阵1的发光单元数目相等，光纤芯径105um，每根光纤的输入端都卡在对准固定套3的一个V型槽中，如图3所示。光纤束被分成数目相等的两部分，将两部分相向放置，交叉排列在一起，光纤为二维排列，互相之间无空隙。对排列后的光纤束加热至熔融态后拉伸，形成熔锥区6，拉伸长度3mm。光纤束在进入熔锥区6之前的排列顺序是从a至f，从熔锥区6出来后排列顺序相反，变为从f至a，如图1所示。光纤在熔锥区内的交叉排列形式如图2所示，白色光纤7中激光束传播方向出纸面，黑色光纤8中激光束的传播方向入纸面。
熔锥光纤耦合器4的输出端由输出固定套5固定，输出固定套5包括光纤9和套管12，套管12的材料可为玻璃或金属或陶瓷，输出端面抛光。
大功率半导体激光列阵1为无铝量子阱结构，中心波长为808nm，发光单元宽度100um，周期500um，在输出端面镀808nm的增透膜。工作电流20A时，无外腔情况下，半导体激光列阵1的输出功率6.5W，光谱宽度(FWHM)是1.8nm，加入快轴准直透镜2、对准固定套3、熔锥光纤耦合器4、输出固定套5组成的外谐振腔后，光谱宽度减小为0.6nm，输出功率为2.9W。可见，本外腔得到了窄光谱，高相干性的半导体激光输出。
Claims (2)
1.熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，其特征在于：包括沿光束的传播方向依次放置的半导体激光列阵(1)、快轴准直透镜(2)、熔锥光纤耦合器(4)和输出固定套(5)；半导体激光列阵(1)的输出端面镀增透膜，发光单元发出的激光束，经过快轴准直透镜(2)准直后，耦合进入熔锥光纤耦合器(4)，熔锥光纤耦合器(4)由数根光纤集束而成，光纤数目与半导体激光列阵(1)的发光单元数目相等，将熔锥光纤耦合器(4)中的光纤分成数目相等的两部分，两部分沿相向的方向交叉排列在一起，使相邻光纤中的激光束的传播方向相反，对交叉部分熔融拉锥，形成熔锥区(6)；经过熔锥区后的光纤构成熔锥光纤耦合器的输出端，熔锥光纤耦合器(4)的输出端与输出固定套(5)相连，激光束从输出固定套(5)输出。
2.根据权利要求1所述的熔锥光纤相向交叉耦合外腔半导体激光器，其特征在于：所述的熔锥光纤耦合器(4)的输入端由对准固定套(3)固定，保证每根光纤对准一个发光单元；所述的对准固定套(3)包括底板(10)和盖板(11)，底板(10)上设置有用来卡住光纤(9)的V型槽。
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