CN103401136A - 一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，大功率半导体激光器的所有衬底、快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC、反射镜分别固定在底座的不同台阶上，每个激光二极管固定在一个衬底上，多个激光二极管产生多个高低不同光束，经过各自快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC后产生高低不同平行光束；经过各自反射镜反射后到达准直透镜，多个高低不同平行光束经过准直透镜后聚焦在光纤上；在底座上光纤固定位置处设计一个凸台，且凸台和底座为一体，并在凸台上表面沿着准直透镜聚焦后的平行光束的方向设计一个V形槽，将光纤放置于V形槽内并用玻璃焊料填充及固定，这种光纤固定方式将包层中的光剥离，避免烧坏光纤。玻璃焊料上的热量通过底座迅速散出去。

Description

一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光器光纤耦合的光纤固定装置，该装置具有光纤散热效果好、可靠性高的特点，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，特别是在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已经成熟，目前国内几家公司使用单管的出纤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多样化的需求。多个芯片激光的合束是必然的，这将使半导体激光器的功率成倍的提升。目前，多个芯片的激光合束最直接的是空间合束。由于快轴方向光束质量好，可以整形成宽度只有200μm-300μm的光斑，因此可以将芯片组装在不同的高度进行合束。 

多管半导体激光器合束的光最终耦合进入光纤中，目前，大多数多管半导体激光器装置采用将准直透镜和光纤点胶固定在一个刚性金属套筒中，然后将金属套筒焊接在底座的方式来固定光纤，这种方法简单，易实现，但是，大功率的光进入光纤后，小部分光进入光纤包层，在包层内产生热量，传统光纤固定方法缺乏有效散热通道，散热效果较差，导致光纤固定金属套筒和光纤点胶位置的温度升高，以至胶水老化和高温产生的应力，烧坏光纤，从而导致整个半导体激光器的失效。 

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，而提供一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，本发明将多个激光二极管发出的光通过光学元件耦合到一根光纤后，将光纤上的热量有效的散发出去，实现高功率，高可靠性的大功率半导体激光器。 

本发明的目的是通过下述技术方案实现的。 

一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，大功率半导体激光器包括多个管激光二极管、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、底座、衬底、玻璃焊料；多个衬底、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座的不同台阶上，每个激光二极管固定在一个衬底上，多个激光二极管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；经过各自反射镜的反射后到达共同的准直透镜，多个高低不同的平行光束经过共同的准直透镜后聚焦在光纤上； 

其特征在于：在底座上光纤固定位置处设计一个凸台，且凸台和底座为一体，并在凸台上表面沿着准直透镜聚焦后的平行光束的方向设计一个V形槽，将光纤放置于V形槽内并用玻璃焊料填充及固定。 

所述的底座是由热导率高的材料制作而成，其他元件都在底座上，元件热扩散均衡。可以将底座固定在制冷装置上（水冷、气冷）。 

所述的玻璃焊料材料的折射率比光纤包层的折射率大，大功率的光进入光纤后，少部分光从包层漏出，漏出的光能进入玻璃焊料中，有效剥离了包层光并能将包层光吸收产生的热量通过底座迅速散发出去。 

本发明对比已有技术具有以下有益效果： 

本发明提出了一种新型的光纤固定装置，使得大功率激光进入光纤后，光纤上的包层光被有效剥离，包层光吸收产生的热量能迅速散发出去，保护了光纤和其他器件。有助于实现高功率，高可靠性的半导体激光器。 

附图说明

图1为本发明应用在多管半导体激光器装置的结构示意图； 

图2为本发明光纤固定装置示意图； 

标号说明： 

1.1－1.3分别为-激光器二极管，2.1－2.3分别为快轴准直透镜FAC，3.1－3.3分别为慢轴准直透镜SAC，4.1－4.3分别为反射镜，5-准直透镜，6-光纤，7-底座，8.1－8.3分别为衬底，9-玻璃焊料。 

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1所示，一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，大功率半导体激光器包括三个管激光二极管（1.1－1.3）、三个快轴准直镜FAC（2.1－2.3）、三个慢轴准直镜SAC（3.1－3.3）、三个反射镜（4.1－4.3）、 准直透镜5、光纤6、底座7、衬底（8.1－8.3）、玻璃焊料9；三个衬底（8.1－8.3）、三个快轴准直镜FAC（2.1－2.3）、三个慢轴准直镜SAC（3.1－3.3）、三个反射镜（4.1－4.3）分别固定在底座7的不同台阶上，每个激光二极管固定在一个衬底上，三个激光二极管产生三个高低不同的光束，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；经过各自反射镜的反射后到达共同的准直透镜5，三个高低不同的平行光束经过共同的准直透镜5后聚焦在光纤6上；在底座7上光纤固定位置处设计一个凸台，且凸台和底座为一体，并在凸台上表面沿着准直透镜聚焦后的平行光束的方向（也就是X轴）设计一个V形槽，将光纤放置于V形槽内并用玻璃焊料9填充及固定；所述的底座是由热导率高的材料制作而成，其他元件都在底座上，元件热扩散均衡。可以将底座固定在制冷装置上（水冷、气冷）。所述的玻璃焊料材料的折射率比光纤包层的折射率大，大功率的光进入光纤后，少部分光从包层漏出，漏出的光能进入玻璃焊料中，有效剥离了包层光并能将包层光吸收产生的热量通过底座迅速散发出去。 

三个激光器二极管（1.1－1.3）由于波导结构导致其远场光束严重不对称。Z轴方向的光轴为快轴，光在快轴的发散角较大；X轴方向的光轴为慢轴，光在慢轴的发散角较小。 

其中衬底（8.1－8.3）是由导热效果好且绝缘效果好的材料制成，三个激光器二极管（1.1－1.3）分别安装在三个衬底（8.1－8.3）上，组成CoS（chip-on-submount）。 

底座7是由较高导热率的材料制成，底座上的螺纹孔可以将整个装置固定在制冷设备上。平行于XY平面的底座7上表面上加工有多个台阶，台阶在X轴的宽度大于等于衬底的宽度，在Z轴的高度大于等于单个激光二极管经过快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC整形后的平行光束在Z轴上的宽度。衬底分散固定在底座7的台阶上，使得每个激光二极管发出的光沿着Y轴方向传播。 

快轴准直镜FAC是一个柱透镜，在Z轴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Z轴方向变为平行光。快轴准直镜FAC用胶固定在衬底上。 

慢轴准直镜SAC也是一个柱透镜，在X轴方向上对经过快轴准直镜FAC准直后的光进行整形，整形后的光束在X轴方向变为平行光。慢轴准直镜SAC用胶固定在底座7上。 

经过快轴准直镜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，光束为扁平状，光束在慢轴方向的长度较长，在慢轴方向的长度较短。 

反射镜与X轴和Y轴的夹角都为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。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。 

底座7在光纤6固定的位置加工有一个凸台，这个凸台的上表面沿着X轴加工有一个V形槽，V形槽的深度h和角度θ有下列关系： 

$h=r(1+\frac{1}{\sin \frac{\mathrm{\θ}}{2}})$

其中，r为光纤半径，θ为V形槽的角度。凸台在Z轴方向的高度H和光纤中心线在Z轴方向的高度H’的关系如下式： 

H=H’+r，r为光纤半径。 

将光纤6放置在底座7上的V形槽后，使用激光将玻璃焊料9熔化，填充在V形槽中，冷却后光纤6、玻璃焊料9、底座7就紧紧的连接在一起。 

玻璃焊料9的折射率比光纤包层的折射率大。这样漏出的光就会从包层导入到玻璃焊料9中，而不是滞留在包层中烧坏光纤。玻璃焊料产生的温度可以迅速散到底座7中，底座7有高导热率。将底座7固定在制冷装置上，可以保持相对恒定的温度，这样就提高了整个器件的寿命和可靠性。 

Claims (4)

1.一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，大功率半导体激光器包括多个管激光二极管、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、底座、衬底、玻璃焊料；多个衬底、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座的不同台阶上，每个激光二极管固定在一个衬底上，多个激光二极管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；经过各自反射镜的反射后到达共同的准直透镜，多个高低不同的平行光束经过共同的准直透镜后聚焦在光纤上；

其特征在于：在底座上光纤固定位置处设计一个凸台，且凸台和底座为一体，并在凸台上表面沿着准直透镜聚焦后的平行光束的方向设计一个V形槽，将光纤放置于V形槽内并用玻璃焊料填充及固定。

2.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，其特征在于：所述的底座是由热导率高的材料制作而成。

3.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，其特征在于：所述的玻璃焊料的折射率比光纤包层的折射率大。

4.根据权利要求1所述的一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置，其特征在于：所述V形槽的深度h和角度θ有下列关系：

，其中r为光纤半径，θ为V形槽的角度。

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