CN103368070A - 一种带指示光的光纤耦合半导体激光器及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，包括封装管壳、在封装管壳内安装有半导体激光器、部分反射镜、反射镜a、反射镜b、反射镜c、增益介质和倍频晶体；在半导体激光器出光方向上，由近而远设置部分反射镜和反射镜a；在部分反射镜的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质和倍频晶体；在光路上且在封装管壳上设置有出光孔。本发明所示的半导体激光器，用单个管芯实现同时输出红外光和可见光，减少了可见光电源的引入，并且减小了输出光纤的直径，增加了激光器的整体寿命。

Description

一种带指示光的光纤耦合半导体激光器及其封装方法

技术领域

本发明涉及一种带指示光的光纤耦合半导体激光器及其封装方法，属于半导体激光器输出光带可见光指示的技术领域。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、易于调制及价格低廉等优点，在工业、医学和军事领域得到了广泛的应用。由于光纤耦合输出激光器具备使用灵活，对激光器密封使用，保证激光器工作环境，输出光斑模式优良等诸多优势备受关注。无论是激光手术刀，还是工业激光打标、切割或全固态激光器和光纤激光器的抽运源，都需要具有优良光束、高功率密度并且使用灵活的激光源。通过将半导体激光耦合进入光纤再输出，可以满足这种需求。

同时，在工业、医学和科研领域中广泛地使用808nm、980nm、1064nm等红外激光作为工作光源。这些光属于不可见光，但在应用当中很多情况下需要知道这些工作光的传播路径和照射位置，这就需要可见波长的光来作指示或导引，要解决这个问题，要求激光器要同时输出可见光和红外光。

传统的方法是把已经耦合好的可见光(一般是650nm红光)跟红外半导体激光器经快轴压缩和慢轴准直，然后经空间耦合，同时输出红外光和可见光，这样由于可见光半导体激光器的平均使用寿命小于红外半导体激光器，难于更换，所以整个激光器经常由于指示光失效而整体失效。还有一种方法是，将两个独立的激光器输出光各自耦合进入一个光纤，再将多跟光纤捆成一束输出。这种耦合方式相对简单，但是光纤输出光的有效面积较大，光功率不够高。同时也存在可见光激光器寿命短的问题。

中国专利CN201331604提出了一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，该方法将两束不同波长的半导体激经一个对一个波长的光透射、另一个波长的光反射的双色镜合束，再经透镜-光纤组件聚焦耦合到单一光纤输出。此方法有是将两个不同波长的激光器进行耦合，然后输出不同波长。由于可见光半导体激光器的平均使用寿命小于红外半导体激光器，所以当要输出可见光时，整个激光器经常由于指示光失效而整体失效。

中国专利CN102082391A提出了一种光纤耦合半导体激光器输出光带指示装置，在连接头处增加增益介质、倍频晶体、固定件和固定套管，这种方案确实能实现同一激光器出射可见光和不可见光。但是这种方法不能控制可见光的光强，并且由于增加的套筒不是标准的连接头，无法连接后续设备，在实际应用过程中会有许多麻烦。而本发明是通过封装壳内部的空间耦合，实现同时输出可见和红外光，不会影响后续的设备连接。

中国专利CN201004529Y提出了一种高功率半导体激光器光纤耦合装置，该装置将多个不同波长的激光器通过带通滤波片合束，后通过光学整形系统耦合进光纤。若采用该专利中描述的装置输出双波长激光，必然需要封装两个半导体激光器芯片，这样就会遇到跟专利CN201331604一样的缺点，整个激光器经常由于指示光失效而整体失效。

中国专利CN201331603Y提出了一种将多路半导体激光耦合入单根光纤的激光模块，该方法是将多个位于阶梯热沉上的半导体激光器所发出的光，经快轴和慢轴方向的准直后，通过多个反射镜的反射，并改变光束方向和光束之间的距离，然后耦合进单根光纤。此方法也没有避免可见光激光器的低寿命问题，也会存在整个激光器经常由于指示光失效而整体失效的问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种带指示光的光纤耦合半导体激光器。

本发明还公开一种上述带指示光的光纤耦合半导体激光器的封装方法。

术语解释：

1、光学耦合系统：为现有技术，如中国专利CN201331604中所述的透镜光纤组件即为光学耦合系统，在此系统中放置一自聚焦透镜或非球面透镜，使发散的激光光束会聚到光纤的纤芯。

2、合束：是指使两条以上的光束形成共轴的合束光。

3、部分反射镜：是指在透镜的光入射面上蒸镀有部分反射介质膜，对入射光的一部分进行反射，反射率的调整是通过不同的镀膜系来实现的，比如Ta₂O₅/SiO₂，Si/Al₂O₃，HfO₂/SiO₂等膜系。

本发明的技术方案如下：

一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，包括封装管壳、在封装管壳内安装有半导体激光器、部分反射镜、反射镜a、反射镜b、反射镜c、增益介质和倍频晶体；在半导体激光器出光方向上依次设置部分反射镜和反射镜a；在部分反射镜的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质和倍频晶体；在光路上且在封装管壳上设置有出光孔。所述半导体激光器发射出的激光光束经部分反射镜反射和增透后，分为两路，一路经反射镜a增透；另一路顺序经反射镜b反射、经增益介质、倍频晶体转换为可见光，即指示光，再经反射镜c、反射镜a反射；最终经反射镜a增透出激光光束与反射镜a反射出的可见光合束沿出光孔射出。在出光孔处设置有光学耦合系统，所述合束的激光和可见光通过光学耦合系统沿光纤射出。

根据本发明优选的，所述部分反射镜的光入射面蒸镀有808nm部分反射介质膜，部分反射镜的光出射面蒸镀有808nm增透膜。所述部分反射介质膜反射率的调整是通过不同的镀膜系来实现的，比如Ta₂O₅/SiO₂，Si/Al₂O₃，HfO₂/SiO₂等膜系。参见由唐婷婷、王锐等人在《半导体光电》2006年4月第27卷第2期发表的《808nm激光器端面镀膜技术》。

根据本发明优选的，所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜，使808nm激光光束全部通过；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及532nm或473nm高反膜两层镀膜，两层镀膜可对808nm激光光束增透，并对532nm或473nm光束全反射。

根据本发明优选的，所述反射镜b的光入射面上蒸镀有808nm高反膜。

根据本发明优选的，所述反射镜c的光入射面上蒸镀有532nm或473nm高反膜。

根据本发明优选的，所述增益介质的光入射面蒸镀808nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及532nm或473nm高反膜三层镀膜；增益介质跟倍频晶体在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体的光出射面蒸镀532nm或473nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜。

根据本发明优选的，所述的增益介质为Nd:YVO4或Nd:YAG，倍频晶体为KDP晶体。

一种上述带指示光的光纤耦合半导体激光器的封装方法，包括如下步骤：

(1)将已经准直的半导体激光器焊接到封装管壳内，使出射的激光光束通过出光孔并对准光学耦合系统的中心；所述已准直的半导体激光器是指：由半导体激光器射出的激光光束顺次经过快轴压缩和慢轴准直；

(2)在半导体激光器出光方向上依次设置部分反射镜和反射镜a；在部分反射镜的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质和倍频晶体；在部分反射镜的光入射面蒸镀部分反射介质膜，对一部分激光光束反射；在部分反射镜的光出射面蒸镀增透膜，对另一部分激光光束透射；

(3)调整部分反射镜及各反射镜的反射方向，使激光光束沿下述路径进行传播：半导体激光器发出的激光光束经柱透镜压缩快轴、微透镜准直慢轴后变为固定的激光光束，激光光束通过部分反射镜后，有一部分激光光束透过部分反射镜，然后又透过反射镜a，沿封装管壳出光孔入射到光学耦合系统中；另一部分激光光束经部分反射镜反射到反射镜b上，经反射镜b反射后入射到增益介质，增益介质吸收激光光束作为泵浦光，然后经过倍频晶体转换为可见光光束，可见光光束经反射镜c和反射镜a后跟部分经反射镜a透射出的激光光束合束，最后经出光孔、光学耦合系统光耦合进入光纤。

步骤(1)中所述的808nm激光光束为平行光。

步骤(2)中，在部分反射镜的光入射面蒸镀部分反射介质膜，对一部分激光光束反射，经反射后的激光光束的功率大于或等于50mw。

根据本发明优选的，所述部分反射镜的光入射面蒸镀有808nm部分反射介质膜，部分反射镜的光出射面蒸镀有808nm增透膜；

所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜，使808nm激光光束全部通过；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及532nm或473nm高反膜两层镀膜，两层镀膜可对808nm激光光束增透，并对532nm或473nm光束全反射；

所述反射镜b的光入射面上蒸镀有808nm高反膜；

所述反射镜c的光入射面上蒸镀有532nm或473nm高反膜；

所述增益介质的光入射面蒸镀808nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及532nm或473nm高反膜三层镀膜；增益介质跟倍频晶体在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体的光出射面蒸镀532nm或473nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜；

所述的增益介质为Nd:YVO4或Nd:YAG，倍频晶体为KDP晶体。

本发明的优点在于：

本发明所述的封装管壳内设置有多个反射镜、增益介质和倍频晶体，采用单个激光源实现了激光与可见光的有效耦合：使部分激光光束转换成可见光，然后将可见光与剩余部分的激光光束耦合，实现了激光器同时输出激光光束和可见光的技术效果，完成可见光的指示作用，无需单独的可见光源，并减少了可见光电源的引入，并且减小了输出光纤的直径。本发明是通过封装管壳内部的空间耦合，实现同时输出可见光与激光光束，不会影响后续的设备连接。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中：1、半导体激光器，2、部分反射镜，3、增益介质，4、倍频晶体；5、光学耦合系统，6、光纤，7、封装管壳；8、出光孔；其中a为反射镜a，b为反射镜b，c为反射镜c。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。

在本发明中，选不同的增益介质和不同的倍频晶体组合，并在部分反射镜和各反射镜上蒸镀增透膜、高反膜和部分反射介质膜，使各种波长的激光光束经本发明所述的带指示光的光纤耦合半导体激光器后，倍频出不同波长的可见光。最终实现可见光与激光光束的合束。现优选实施例1-4对本发明做详细的说明：

实施例1为实现808nm激光光束与532nm可见光光束合束的带指示光的光纤耦合半导体激光器；

实施例2为实施例1所述半导体激光器的封装方法；

实施例3为实现808nm激光光束与473nm可见光光束合束的带指示光的光纤耦合半导体激光器；

实施例4为实施例3所述半导体激光器的封装方法。

实施例1、

一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，包括封装管壳7、在封装管壳7内安装有半导体激光器1、部分反射镜2、反射镜a、反射镜b、反射镜c、增益介质3和倍频晶体4；在半导体激光器1出光方向上依次设置部分反射镜2和反射镜a；在部分反射镜2的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质3和倍频晶体4；在光路上且在封装管壳7上设置有出光孔8。所述半导体激光器1发射出的激光光束经部分反射镜2反射和增透后，分为两路，一路经反射镜a增透，另一路顺序经反射镜b反射、经增益介质3、倍频晶体4转换为可见光，再经反射镜c、反射镜a反射；最终经反射镜a增透出激光光束与反射镜c反射出的可见光合束沿出光孔8射出。在出光孔8处设置有光学耦合系统5，所述合束的激光和可见光通过光学耦合系统5沿光纤6射出。

所述部分反射镜2的光入射面蒸镀有808nm部分反射介质膜，部分反射镜的光出射面蒸镀有808nm增透膜。

所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜，使808nm激光光束全部通过；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及532nm高反膜两层镀膜，两层镀膜可对808nm激光光束增透，并对532nm光束全反射。

所述反射镜b的光入射面上蒸镀有808nm高反膜。

所述反射镜c的光入射面上蒸镀有532nm高反膜。

所述增益介质3的光入射面蒸镀808nm增透膜、1064nm高反膜以及532nm高反膜三层镀膜；增益介质3跟倍频晶体4在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体4的光出射面蒸镀532nm增透膜、1064nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜。所述的增益介质3为Nd:YVO4，倍频晶体4为KDP晶体。

实施例2、

一种如实施例1述带指示光的光纤耦合半导体激光器的封装方法，包括如下步骤：

(1)将已经准直的半导体激光器1焊接到封装管壳7内，使出射的激光光束通过出光孔8并对准光学耦合系统5的中心；所述已准直的半导体激光器1是指：由半导体激光器1射出的激光光束顺次经过快轴压缩和慢轴准直；所述的激光光束为平行光；

(2)在半导体激光器1出光方向上依次设置部分反射镜2和反射镜a；在部分反射镜2的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质3和倍频晶体4；在部分反射镜2的光入射面蒸镀808nm部分反射介质膜，对一部分808nm激光光束反射，经反射后的808nm激光光束的功率大于或等于50mW；在部分反射镜2的出光射面蒸镀808nm增透膜，对另一部分808nm激光光束透射；

(3)调整部分反射镜2及各反射镜的反射方向，使激光光束沿下述路径进行传播：半导体激光器1发出的激光光束经柱透镜压缩快轴、微透镜准直慢轴后变为波长为808nm的激光光束，以下简称808nm激光光束；808nm激光光束通过部分反射镜2后，有一部分808nm的激光光束透过部分反射镜2，然后又透过反射镜a，沿封装管壳出光孔8入射到光学耦合系统5中；另一部分808nm的激光光束经部分反射镜2反射到反射镜b上，经反射镜b反射后入射到增益介质3，增益介质3吸收808nm激光光束作为泵浦光，激发出1064nm激光光束，然后经过倍频晶体4转换为532nm可见光光束，532nm可见光光束经反射镜c和反射镜a后跟部分经反射镜a透射出的808nm激光光束合束，最后经出光孔8、光学耦合系统5光耦合进入光纤6。

实施例3、

如实施例1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其区别在于：

所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜，使808nm激光光束全部通过；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及473nm高反膜两层镀膜，两层镀膜可对808nm激光光束增透，并对473nm光束全反射。

所述反射镜c的光入射面上蒸镀有473nm高反膜。

所述增益介质3的光入射面蒸镀808nm增透膜、946nm高反膜以及473nm高反膜三层镀膜；增益介质3跟倍频晶体4在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体4的光出射面蒸镀473nm增透膜、946nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜。

所述的增益介质3为Nd:YAG，倍频晶体4为KDP晶体。

实施例4、

一种如实施例2述带指示光的光纤耦合半导体激光器的封装方法，其区别在于，

所述步骤(3)所述增益介质3吸收808nm激光光束作为泵浦光，激发出946nm激光光束，然后经过倍频晶体4转换为473nm可见光光束，473nm可见光光束经反射镜c和反射镜a后跟部分经反射镜a透射出的808nm激光光束合束，最后经出光孔8、光学耦合系统5光耦合进入光纤6。

Claims (10)

1.一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，其包括封装管壳、在封装管壳内安装有半导体激光器、部分反射镜、反射镜a、反射镜b、反射镜c、增益介质和倍频晶体；在半导体激光器出光方向上依次设置部分反射镜和反射镜a；在部分反射镜的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质和倍频晶体；在光路上且在封装管壳上设置有出光孔。

2.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述部分反射镜的光入射面蒸镀有808nm部分反射介质膜，部分反射镜的光出射面蒸镀有808nm增透膜。

3.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及532nm或473nm高反膜两层镀膜。

4.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述反射镜b的光入射面上蒸镀有808nm高反膜。

5.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述反射镜c的光入射面上蒸镀有532nm或473nm高反膜。

6.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述增益介质的光入射面蒸镀808nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及532nm或473nm高反膜三层镀膜；增益介质跟倍频晶体在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体的光出射面蒸镀532nm或473nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜。

7.根据权利要求1所述的一种带指示光的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述的增益介质为Nd:YVO4或Nd:YAG，倍频晶体为KDP晶体。

8.一种如权利要求1所述带指示光的光纤耦合半导体激光器的封装方法，其特征在于，其包括如下步骤：

(1)将已经准直的半导体激光器焊接到封装管壳内，使出射的激光光束通过出光孔并对准光学耦合系统的中心；所述已准直的半导体激光器是指：由半导体激光器射出的激光光束顺次经过快轴压缩和慢轴准直；

(2)在半导体激光器出光方向上，由近而远设置部分反射镜和反射镜a；在部分反射镜的下方设置有反射镜b，在反射镜a下方设置有反射镜c；在反射镜b和反射镜c之间设置有增益介质和倍频晶体；在部分反射镜的光入射面蒸镀部分反射介质膜，对一部分激光光束反射；在部分反射镜的光出射面蒸镀增透膜，对另一部分激光光束透射；

(3)调整部分反射镜及各反射镜的反射方向，使激光光束沿下述路径进行传播：半导体激光器发出的激光光束经柱透镜压缩快轴、微透镜准直慢轴后变为固定的激光光束，激光光束通过部分反射镜后，有一部分激光光束透过部分反射镜，然后又透过反射镜a，沿封装管壳出光孔入射到光学耦合系统中；另一部分激光光束经部分反射镜反射到反射镜b上，经反射镜b反射后入射到增益介质，增益介质吸收激光光束作为泵浦光，然后经过倍频晶体转换为可见光光束，可见光光束经反射镜c和反射镜a后跟部分经反射镜a透射出的激光光束合束，最后经出光孔、光学耦合系统光耦合进入光纤。

9.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，步骤(1)中所述的808nm激光光束为平行光；步骤(2)中，在部分反射镜的光入射面蒸镀部分反射介质膜，对一部分激光光束反射，经反射后的激光光束的功率大于或等于50mW。

10.根据权利要求8所述的封装方法，其特征在于，所述部分反射镜的光入射面蒸镀有808nm部分反射介质膜，部分反射镜的光出射面蒸镀有808nm增透膜；所述反射镜a的光入射面上蒸镀有808nm增透膜；反射镜a的光出射面上蒸镀有808nm增透膜以及532nm或473nm高反膜两层镀膜；所述反射镜b的光入射面上蒸镀有808nm高反膜；所述反射镜c的光入射面上蒸镀有532nm或473nm高反膜；所述增益介质的光入射面蒸镀808nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及532nm或473nm高反膜三层镀膜；增益介质跟倍频晶体在进行键合，两者接触面不需要镀膜；所述倍频晶体的光出射面蒸镀532nm或473nm增透膜、1064nm或946nm高反膜以及808nm高反膜三层镀膜；所述的增益介质为Nd:YVO4或Nd:YAG，倍频晶体为KDP晶体。

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