CN103368066B - 一种斜面式多管半导体激光器耦合装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种斜面式多管半导体激光器耦合装置及方法，装置中的多个激光二极管固定在底板的高平整度的倾斜不同台阶面上，工作时激光二极管发出高度不同的光，光通过快轴准直透镜FAC、慢轴准直透镜SAC的准直后变为平行光束，再经过反射镜的转向，将多束光集成在一个区域范围内。集成后的光束经过准直透镜后，将光聚焦进入光纤。本发明中所有的器件全都固定在底板倾斜的不同台阶面上，这种底板倾斜表面易加工，精度高，且高平整度可实现优良的散热性能。<!--1-->

Description

一种斜面式多管半导体激光器耦合装置及方法

技术领域

本发明涉及一种散热效果好、制作简单、耦合效率高、光束质量好的斜面式大功率多管半导体激光器的耦合装置及方法，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，广泛应用于工业、军事、医疗、通讯等众多领域。由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与CO₂激光器、固体YAG激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近几年，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的发展，特别是直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器泵浦源的需求推动了具有大功率，高光束质量的半导体激光器飞速发展。

在我国，使用单管半导体激光器件直接耦合进入光纤获得激光输出的技术趋于成熟，目前国内几家公司使用单管的光纤输出功率和国外水平基本相当。然而，随着半导体激光器应用范围的增加，单芯片的半导体激光器的功率远远不能满足功率和亮度的需求。由于半导体激光器输出光束的不对称性，快轴方向光束质量好，可以整形成宽度只有200μm-300μm的光斑，将多个芯片激光组装在不同的高度进行空间合束，然后耦合进一个光纤输出，不但可以使光纤的输出功率成倍的提升，同时也可以大大的提高光纤输出的亮度。

目前，大多数的多管半导体激光器合束所采用的都是台阶结构，将底板加工为依次上升的台阶，每个台阶上安装一个激光二极管芯片。这种方法有较高的耦合效率，且可靠性较好，但是，这种方法要在底板上加工高度差很小的高精度台阶(如图1所示)，加工难度大且加工成本高，为了保证半导体激光器焊接到台阶后的散热效果，对每个台阶的平整度的要求极高，现有加工设备很难满足要求。

发明内容

本发明的目的为了克服上述现有技术存在的问题，而提供一种斜面式多管半导体激光器耦合装置及方法，本发明的底板有一个经过研磨抛光达到高平整度的要求倾斜面，然后将多个激光二极管焊接安装固定在底板的倾斜面上，激光二极管发出的光通过光学元件整形后聚焦到一根光纤中，实现具有优异散热性能的高功率、高光束质量的半导体激光器。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。

一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，包括底板、多个激光二极管、多个快轴准直镜FAC、多个慢轴准直镜SAC、多个反射镜、准直透镜、光纤；其特征在于：

所述的底板为沿着X轴有一个倾斜的表面，多个激光二极管沿着斜面倾斜方向的一条直线分别平铺固定在底板的不同高度上；多个快轴准直镜FAC、多个慢轴准直镜SAC、多个反射镜分别固定在底板的不同高度上；

每个激光二极管都有相对应的一个快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和一个反射镜；每个激光二极管与相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和反射镜都固定在一条直线上且平行于Y轴；

每个快轴准直镜FAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面；

每个慢轴准直镜SAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面，与快轴准直镜FAC的光轴重合；

每个反射镜与XY面即水平面垂直放置，且同相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC的光轴夹角为45°；

准直透镜光轴平行于X轴放置，将所有反射镜反射的光聚焦在光纤上。

本发明的底板利用斜面来制造激光二极管的高度差，斜面形式的底板易于加工，成本较低且能保证严格的平整度。

本发明还包括多个衬底，多个衬底分别固定在底板，每个激光二极管安装在一个衬底上。所述衬底是由导热效果好且绝缘效果好的材料制成。

所述的底板是由热导率高的材料制作而成，其他相应元件都在底板的倾斜的表面上，元件热扩散均衡。可以将底板固定在制冷装置上(水冷、气冷)。

所有的激光二极管、快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC、反射镜都用焊料或胶固定在底板上。

一种斜面式多管半导体激光器耦合方法，其特征在于：

1)每个激光二极管发出的光经过相对应快轴准直镜FAC的准直后，光在垂直于斜面方向汇聚为平行光；

2)经过快轴准直镜FAC准直后的光到达相对应慢轴准直镜SAC，经过慢轴准直镜SAC的整形后，光在斜面倾斜方向汇聚为平行光；

3)经过快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC准直后的光经过相对应反射镜的反射后，光路偏转了90°；

4)经过偏转后的所有平行光到达准直透镜，光经过准直透镜后聚焦在光纤上。

多个激光二极管固定在倾斜的表面上，因此产生多个高低不同的光束，经过各自的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC后产生高低不同的平行光束；经过反射镜的反射后到达准直透镜，多个高低不同的平行光束经过准直透镜后聚焦在光纤上。

斜面的倾角使得相邻激光二极管在Z轴方向的高度差等于经过快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC整形后的平行光束在Z轴上的宽度。

本发明所使用的反射镜的尺寸大小相同，安装调试简单，相邻反射镜在Z轴方向的高度差等于相邻激光二极管在Z轴方向的高度差，反射镜可以将相应光束完全反射，且距离准直透镜较近的反射镜不会遮挡距离准直透镜较远的反射镜反射回的光。

本发明对比已有技术具有以下效果：

本发明将多个激光器二极管发出的光耦合在一起，实现了高功率的半导体激光器。本发明的方法实现了较高的耦合效率，并且光束质量好，可靠性高。

本发明中使用的加工有倾斜面的底板，易加工，平整度较高，和传统方法相比，具有易加工、低成本和散热性能好的优点。

附图说明

图1为现有台阶式的半导体激光器耦合装置结构示意图。

图2为本发明的结构示意图。

图3为本发明多个平行光束到达准直透镜前的光斑示意图。

标号说明：1.1－1.6分别为激光器二极管，2.1－2.6分别为快轴准直透镜FAC，3.1－3.6分别为慢轴准直透镜SAC，4.1－4.6分别为反射镜，5-准直透镜，6-光纤，7-底板，8.1－8.6分别为衬底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图2所示，本发明包括底板7、六个激光二极管(1.1－1.6)、六个快轴准直镜FAC(2.1－2.6)、六个慢轴准直镜SAC(3.1－3.6)、六个反射镜(4.1－4.6)、准直透镜5、光纤6、六个衬底(8.1－8.6)；其特征在于：

所述的底板7为沿着X轴有一个倾斜的表面，六个衬底(8.1－8.6)沿着斜面倾斜方向的一条直线分别平铺固定在底板7的不同高度上，六个激光二极管(1.1－1.6)分别安装在六个衬底(8.1－8.6)；六个快轴准直镜FAC(2.1－2.6)、六个慢轴准直镜SAC(3.1－3.6)、六个反射镜(4.1－4.6)分别固定在底板的不同高度上；

每个激光二极管都有相对应的一个快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和一个反射镜；每个激光二极管与相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和反射镜都固定在一条直线上且平行于Y轴；

每个快轴准直镜FAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面；

每个慢轴准直镜SAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面，与快轴准直镜FAC的光轴重合；

每个反射镜与XY面即水平面垂直放置，且同相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC的光轴夹角为45°；

准直透镜5光轴平行于X轴放置，并将所有反射镜反射的光聚焦在光纤6上。

由于所有激光器二极管由于波导结构导致其远场光束严重不对称。垂直于斜面方向的光轴为快轴，光在快轴的发散角较大；斜面倾斜方向的光轴为慢轴，光在慢轴的发散角较小。

其中衬底是由导热效果好且绝缘效果好的材料制成，激光器二极管安装在衬底上，组成CoS(chip-on-submount)；

底板7是由较高导热率的材料制成，底板的上表面在X轴的方向有一个斜面，这个斜面的倾斜的角度为θ，θ可由下面公式计算：

$\sin 2\mathrm{\&theta;}=\frac{2h}{l}$

其中，h为光斑的在快轴方向的宽度，l为相邻衬底在沿着斜面倾斜方向上的间距。

六个衬底沿着斜面倾斜方向分散固定在底板7的倾斜面上，使得每个激光二极管发出的光沿着Y轴方向传播。

六个快轴准直镜FAC是一个柱透镜，在垂直于斜面方向上对激光器二极管发出的光进行整形，整形后的光束在垂直于斜面方向变为平行光。每个快轴准直镜FAC用胶固定在相对应的衬底上。

六个慢轴准直镜SAC也是一个柱透镜，在斜面倾斜方向上对经过相对应的快轴准直镜FAC准直后的光进行整形，整形后的光束在斜面倾斜的方向汇聚为平行光。每个慢轴准直镜SAC用胶固定在底板7上。

六束光分别经过相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC准直后的平行光束在垂直于传播方向上光的横截面如图3中A、B、C、D、E、F所示，光束为扁平状，光束在慢轴方向的长度较长，在快轴方向的长度较短。

反射镜垂直于XY面放置，和相对应光轴夹角45°。光经过反射镜后方向改变了90°。光束经过反射镜之前沿着Y轴前进，经过反射镜后沿着X轴前进。

光经过反射镜的反射后多个光束在X、Y轴方向重叠在一起，在Z轴方向上高低不同，形成光束堆。图3为光束进入准直透镜5之前光束堆的横截面。

多个平行光束形成的光束堆经过准直透镜5后，光聚焦在准直透镜5的焦点上。

光纤6的端面对准准直透镜5的焦点，且光纤端面垂直于光轴。

Claims (7)

1.一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，包括底板、多个激光二极管、多个快轴准直镜FAC、多个慢轴准直镜SAC、多个反射镜、准直透镜、光纤；其特征在于：

所述的底板为沿着X轴有一个倾斜的表面，多个激光二极管沿着斜面倾斜方向的一条直线分别固定在底板的不同台阶面上；多个快轴准直镜FAC、多个慢轴准直镜SAC、多个反射镜分别固定在底板的不同台阶面上；

每个激光二极管都有相对应的一个快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和一个反射镜；每个激光二极管与相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和反射镜都固定在一条直线上且平行于Y轴；

每个快轴准直镜FAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面；

每个慢轴准直镜SAC的光轴对准相对应的激光二极管的发光面，与快轴准直镜FAC的光轴重合；

每个反射镜与XY面垂直放置，且同相对应的快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC的光轴夹角为45°；

准直透镜光轴平行于X轴放置，将所有反射镜反射的光聚焦在光纤上。

2.根据权利要求1所述的一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，其特征在于：还包括多个衬底，多个衬底分别固定在底板，每个激光二极管安装在一个衬底上。

3.根据权利要求1所述的一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，其特征在于：所述底板是由热导率高的材料制作而成。

4.根据权利要求2所述的一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，其特征在于：所述衬底是由导热效果好且绝缘效果好的材料制成。

5.根据权利要求1或2所述的一种斜面式多管半导体激光器耦合装置，其特征在于：所有的激光二极管、快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC、反射镜都用焊料或胶固定在底板上。

6.一种斜面式多管半导体激光器耦合方法，其特征在于：

1）每个激光二极管发出的光经过相对应快轴准直镜FAC的准直后，光在垂直于斜面方向汇聚为平行光；

2）经过快轴准直镜FAC准直后的光到达相对应慢轴准直镜SAC，经过慢轴准直镜SAC的整形后，光在斜面倾斜方向汇聚为平行光；

3）经过快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC准直后的光经过相对应反射镜的反射后，光路偏转了90°；

4）经过偏转后的所有平行光到达准直透镜，光经过准直透镜后聚焦在光纤上。

7.根据权利要求6所述的一种斜面式多管半导体激光器耦合方法，其特征在于：斜面的倾角使得相邻激光二极管在Z轴方向的高度差等于经过快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC整形后的平行光束在Z轴上的宽度。