CN101435918B - 一种激光二极管列阵/面阵的尾纤耦合输出装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光二极管列阵/面阵的尾纤耦合输出装置，涉及半导体激光器光束整形和耦合。用于制造高效大功率尾纤输出激光二极管列阵或面阵。带快轴准直的激光二极管列阵或面阵的发光面紧贴输入端面为长条形的光纤锥形体或输入端面为正方形的光纤锥形体的输入端面；输入端面为长条形的光纤锥形体或输入端面为正方形的光纤锥形体的末端分别位于第一个抛物面反射镜或第二个抛物面反射镜的焦点上；第一个抛物面反射镜或第二个抛物面反射镜分别位于第一个球形聚焦透镜或第二个球形聚焦透镜一侧的焦距上；单模光纤或双包层光纤分别位于第一个球形聚焦透镜或第二个球形聚焦透镜另一侧的焦距上。

Description

一种激光二极管列阵/面阵的尾纤耦合输出装置

技术领域

本发明属于半导体激光器的光束整形和耦合技术领域。可用于制造高效大功率尾纤输出的激光二极管列阵或面阵。

背景技术

大功率的双包层光纤激光器和放大器在国防军事，工业上先进的激光制造加工，精密焊接以及激光雷达等方面有着至关重要的应用。此类大功率的双包层光纤激光器和放大器的泵浦源一般为激光二极管阵列和面阵。因此，如何将激光二极管列阵和面阵的泵浦光高效的耦合进双包层光纤中便成了制作大功率光纤激光器和放大器的技术关键。

泵浦耦合技术作为高功率光纤激光器和放大器的核心技术，目的是要把几百瓦甚至上千瓦的激光二极管列阵和面阵的泵浦光功率耦合进直径只有数百微米的双包层光纤内包层，以获得高的泵浦效率。但由于二极管列阵和面阵的发光面积比较大，而且输出光束具有长宽比极其不对称，较大的像散，发散角很大等诸多缺点，所以在耦合进光纤前必须进行必要的光束整形，使其能高效的耦合进光纤里。

针对激光二极管列阵和面阵的结构特点和输出光束特性，先后发展出多种光束整形和耦合的方法和装置。例如利用光纤列阵匹配激光二极管列阵的发光面，然后将光纤合束成单根光纤输出的尾纤耦合输出方法，参见[中国专利申请号：0510016766.X用于高功率半导体激光列阵光束准直、聚焦装置和中国专利申请号：0610072502.0用于高功率半导体激光列阵的光束转换整形装置]，此类方法的不足在于光纤列阵中的每个光纤都要与激光二极管列阵的每个发光区精确对准，轻微的位置偏移就会引起耦合效率的严重下降。

或是利用棱镜和反射镜对激光二极管列阵和面阵的输出光束进行分割，旋转和重排，达到均衡快慢轴光束质量方便进一步的聚焦和耦合进尾纤，这类技术参见[中国专利申请号：0510011495.9折反棱镜堆实现条阵半导体激光器整形的方法，中国专利申请号：0510011241.7同轴对称型微反射镜阵实现半导体激光器光束整形方法，中国专利申请号：0710063249.7实现大功率激光二极管堆光束整形的装置和中国专利申请号：0710056218.9一种面阵半导体激光器的光束整形装置]，此类方法的不足在于光学整形器件十分的精细和复杂，不仅制作成本高而且不易调节。

发明内容

本发明是解决带快轴准直的激光二极管列阵或面阵的尾纤耦合输出时，耦合输出效率与器件的制作工艺以及实现成本之间的矛盾问题，为大功率掺杂光纤激光器以及放大器的制作提供高效大功率尾纤输出的半导体泵浦源，为实现激光制造加工，精密焊接以及制作大功率激光武器提供可能。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

一种激光二极管列阵/面阵的尾纤耦合输出装置，构成该装置的器件之间的连接：带快轴准直的激光二极管列阵的发光面紧贴输入端面为长条形的光纤锥形体或带快轴准直的激光二极管面阵的发光面紧贴输入端面为正方形的光纤锥形体；输入端面为长条形的光纤锥形体的末端或输入端面为正方形的光纤锥形体的末端分别位于第一个抛物面反射镜或第二个抛物面反射镜的焦点上；第一个抛物面反射镜或第二个抛物面反射镜分别位于第一个球形聚焦透镜或第二个球形聚焦透镜的一侧的焦距位置；单模光纤或双包层光纤位于第一个球形聚焦透镜或第二个球形聚焦透镜的另一侧的焦距位置。

输入端面为长条形的光纤锥形体的输入端的横截面为10mm*1mm的长条形，输出端横截面是直径为200um的圆形；

输入端面为正方形的光纤锥形体的输入端的横截面为14mm*14mm的正方形，输出端横截面直径为400um的圆形；

输入端面为长条形的光纤锥形体和输入端面为正方形的光纤锥形体的总长度均为30cm，同时沿着长度方向，横截面的大小是均匀变小，侧向表面是旋转扭曲变化的。

第一个抛物面反射镜和第二个抛物面反射镜的材质为金或银，第一个抛物面反射镜和第二个抛物面反射镜的抛物面所遵循抛物线方程y²＝2px，第一个抛物面反射镜的参数p为4～6；第二个抛物面反射镜的参数p为8～10。

本发明和已有技术相比所具有的有益效果：具有明显的简化工艺，降低成本的效果和巨大的经济潜力。

首先，带快轴准直的激光二极管列阵或面阵紧贴与其发光面匹配的光纤锥形体的输入端面，保证了最大效率的将激光二极管列阵或面阵的出射光耦合进光纤锥形体中；借用成熟的光纤拉丝工艺来制作用于压缩光束的光纤锥形体。由于光纤锥形体由横截面为10mm*1mm的长条形或14mm*14mm的正方形分别变化成为输出端横截面是直径为200um或400um的圆形，因此光纤锥形体的横截面是扭曲旋转变化的，使激光二极管列阵或面阵的输出光束的快慢轴在压缩光斑大小的同时相互耦合，均匀两个互相垂直方向上的光束质量。

其次，利用了“抛物线准直所有从其焦点发出的光束”这个基本特性，将光纤锥形体的输出末端放置在具有高反射率的抛物面反射镜的焦点上，对光纤锥形体所输出的所有光束进行准直，实现了对激光二极管列阵或面阵的快慢轴光束同时准直的功能，简化了光束准直这一步骤。

最后，将抛物面反射镜放置在具有合适曲率半径的球形聚焦透镜的焦距上，将单模光纤或双包层光纤放置在球形聚焦透镜另一侧的焦距位置上，利用标准球形聚焦透镜将经过抛物面反射镜准直后的光束进行有效的聚焦，并将其耦合进单模光纤或双包层光纤中，实现激光二极管列阵和面阵的尾纤耦合输出。

本发明所需要的光学整形器件都具有制作工艺简单成熟，制作成本低廉的优点，而且整个光束整形，聚焦耦合的原理和过程都十分简单易行，可以立即得到实际的应用，产生经济效益。

附图说明

图1输入端面为长条形的光纤锥形体的激光二极管列阵的尾纤耦合输出实验装置示意图。

图2输入端面为正方形的光纤锥形体的激光二极管面阵的尾纤耦合输出实验装置示意图。

图3输入端面为长条形的光纤锥形体的激光二极管列阵的尾纤耦合输出装置的光路示意图。

图4图1中抛物面反射镜局部放大的光路示意图。

图5输入端面为正方形的光纤锥形体的激光二极管面阵的尾纤耦合输出装置的光路示意图。

图中：带快轴准直的激光二极管列阵1，激光器平台支架2，输入端面为长条形的光纤锥形体3，精密三维调节平台4，第一个抛物面反射镜5，第一个球形聚焦透镜6，单模光纤7，光纤固定支架8，功率探测器9，带快轴准直的激光二极管面阵10，输入端面为正方形的光纤锥形体11，第二个抛物面反射镜12，第二个球形聚焦透镜13，双包层光纤14。

具体实施方式

实施例一

一种带快轴准直的激光二极管列阵的尾纤耦合输出装置，见图1。该装置所采用的器件为：带有快轴准直的激光二极管列阵1；激光器平台支架2；输入端面为长条形的光纤锥形体3；精密三维调节平台4；第一个抛物面反射镜5的参数p＝4；第一个球形聚焦透镜6的曲率半径为3mm，单模光纤7，光纤固定支架8。

构成该装置的以上器件之间的连接：带快轴准直的激光二极管列阵1的发光面紧贴输入端面为长条形的光纤锥形体3的输入端面；输入端面为长条形的光纤锥形体3的末端位于第一个抛物面反射镜5的焦点上；第一个抛物面反射镜5位于第一个球形聚焦透镜6的一侧的焦距位置，第一个球形聚焦透镜6对第一个抛物面反射镜5准直后的光束进行聚焦；单模光纤7位于第一个球形聚焦透镜6的另一侧的焦距位置上，将聚焦后的光束耦合尾纤输出。

输入端面为长条形的光纤锥形体3是利用光纤拉丝塔对横截面为矩形(10mm*1mm)的光纤预制棒，进行倒拔锥处理，通过精确控制拉丝塔的工作电流，温度和牵引速度，使光纤预制棒的横截面由10mm*1mm均匀变小至直径为200um、总长度为30cm的裸光纤(图1、3)，直径的变化与光纤预制棒的长度成线性的正比关系。利用这个直径渐变的输入端面为长条形的光纤锥形体3将带快轴准直的激光二极管列阵1所输出的光束压缩至200um。对拉制后的光纤锥形体的输入端进行精细研磨和抛光处理，以减小在输入端面的菲涅尔反射损耗，并利用光纤切割机将光纤锥形体的输出端面切成倾斜面，以减小整形后的光束在输出端的反射损耗。输入端面为长条形的光纤锥形体3的输入端的横截面最小为10mm*1mm，最大为12mm*1.5mm，取两者之间的任意值也可以达到比较好的整形效果。

第一个抛物面反射镜5的材质为金(图4)，抛物线方程y²＝2px，参数p等于4，按其参数定做。第一个抛物面反射镜5对输入端面为长条形的光纤锥形体3输出的近似点光束进行准直。第一个抛物面反射镜5的参数p最小为4，最大为6，取两者之间任意值皆可。

经过第一个抛物面反射镜5准直后的光束被第一个球形聚焦透镜6聚焦(图1、3)，将聚焦后的光束高效率的耦合进单模光纤7中输出。第一个球形聚焦透镜6的曲率半径最小为3mm，最大为5mm，取两者之间的任意值也可以达到比较好的效果。

图1为输入端面为长条形的光纤锥形体的激光二极管列阵的尾纤耦合输出实验装置示意图。位于光路上的所有光学器件放置在相应的实验支架上：带快轴准直的激光二极管列阵1放置在激光器平台支架2上；输入端面为长条形的光纤锥形体3放置在精密三维调节平台4上；单模光纤7放置在光纤固定支架8。

实施例二

一种带快轴准直的激光二极管面阵的尾纤耦合输出装置，见图2、5。该装置所采用的器件为：带有快轴准直的激光二极管面阵10，激光器平台支架2，输入端面为正方形的光纤锥形体11，精密三维调节平台4，第二个抛物面反射镜12的参数p＝8，第二个球形聚焦透镜13的曲率半径为6mm，双包层光纤14的直径为300um，光纤固定支架8。

输入端面为正方形的光纤锥形体11是利用光纤拉丝塔对横截面为边长14mm的正方形的光纤预制棒进行倒拔锥处理，通过精确控制拉丝塔的工作电流，温度和牵引速度，使光纤预制棒均匀变小至直径为400um、总长度为30cm的裸光纤(图2、5)，直径的变化与光纤预制棒的长度成线性的正比关系。利用这个直径渐变的输入端面为正方形的光纤锥形体11将激光二极管面阵10所输出的光束压缩至400um。输入端面为正方形的光纤锥形体11的输入端的横截面最小为14mm*14mm，最大为16mm*16mm，取两者之间的任意值也可以达到比较好的整形效果。

抛物面反射镜12与抛物面反射镜5一样均是使用金或银作为材料，按抛物面的参数p为8，抛物线方程为y＝16*x²定做。第二个抛物面反射镜12的参数p最小为8，最大为10，取两者之间任意值皆可。

经过第二个抛物面反射镜12准直后的光束被第二个球形聚焦透镜13聚焦(图2、5)，将聚焦后的光束高效率的耦合进双包层光纤14中输出。第二个球形聚焦透镜13的曲率半径最小为6mm，最大为8mm，取两者之间的任意值也可以达到比较好的效果。

构成该装置的以上器件之间的连接：激光二极管面阵10的发光面紧贴输入端面为正方形的光纤锥形体11，保证最大的输入效率；输入端面为正方形的光纤锥形体11的末端位于第二个抛物面反射镜12的焦点上；第二个抛物面反射镜12位于第二个球形聚焦透镜13的一侧的焦距位置，双包层光纤14位于第二个球形聚焦透镜13的另一侧的焦距位置，将聚焦后的光束耦合进双包层光纤中输出。

图2为输入端面为正方形的光纤锥形体的激光二极管面阵的尾纤耦合输出实验装置示意图。位于光路上的所有光学器件放置在相应的实验支架上：带快轴准直的激光二极管面阵10放置在激光器平台支架2上；输入端面为正方形的光纤锥形体11放置在精密三维调节平台4上；双包层光纤14放置在光纤固定支架8。

Claims (3)

1.一种激光二极管列阵/面阵的尾纤耦合输出装置，其特征是，构成该装置的各个器件之间按以下顺序进行连接：带快轴准直的激光二极管列阵(1)的发光面紧贴输入端面为长条形的光纤锥形体(3)的长条形端面或带快轴准直的激光二极管面阵(10)的发光面紧贴输入端面为正方形的光纤锥形体(11)的正方形端面；

输入端面为长条形的光纤锥形体(3)的末端或输入端面为正方形的光纤锥形体(11)的末端分别位于第一个抛物面反射镜(5)或第二个抛物面反射镜(12)的焦点上；

第一个抛物面反射镜(5)或第二个抛物面反射镜(12)分别位于第一个球形聚焦透镜(6)或第二个球形聚焦透镜(13)的一侧的焦距位置；

单模光纤(7)或双包层光纤(14)分别位于第一个球形聚焦透镜(6)或第二个球形聚焦透镜(13)的另一侧的焦距位置。

2.根据权利要求1所述的一种激光二极管列阵/面阵尾纤的耦合输出装置，其特征是，输入端面为长条形的光纤锥形体(3)的输入端的横截面为10mm*1mm的长条形，输出端横截面是直径为200um的圆形；

输入端面为正方形的光纤锥形体(11)的输入端的横截面为14mm*14mm的正方形，输出端横截面是直径为400um的圆形；

输入端面为长条形的光纤锥形体(3)和输入端面为正方形的光纤锥形体(11)的总长度均为30cm，同时沿着长度方向，横截面的面积是均匀递减，侧向表面是旋转扭曲变化的。

3.根据权利要求1所述的一种激光二极管列阵/面阵尾纤的耦合输出装置，其特征是，第一个抛物面反射镜(5)和第二个抛物面反射镜(12)的材质为金或银，第一个抛物面反射镜(5)和第二个抛物面反射镜(12)的抛物面的抛物线方程式为y²＝2px，第一个抛物面反射镜(5)的参数p为4～6；第二个抛物面反射镜(12)的参数p为8～10。

Images