CN104377550A - 基于光纤传光束的大功率半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率半导体激光器，特别是一种基于光纤传光束的大功率半导体激光器，可应用于大功率半导体激光器的制造中。本发明的大功率半导体激光器由N(N大于等于1)个大功率半导体激光器发光区、N个成像透镜系统及一个N×M(M大于等于1)传光束组成。其中，N×M传光束有N个输入子传光束和M个输出子传光束，N个输入子传光束为横截面为矩形的带状传光束；成像透镜系统为在两个垂直方向上焦距不同的不对称系统；每个成像透镜系统将一个半导体激光器发光区端面成像到N×M传光束的一个带状输入子传光束的端面上。本发明可以提供效率高、寿命长、体积小、成本低及光束质量高的大功率半导体激光器。

Description

基于光纤传光束的大功率半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光器，特别是一种基于光纤传光束的大功率半导体激光器，可广泛应用于大功率半导体激光器的制造中。

背景技术

与其它形式的激光器相比，半导体激光器具有效率高、寿命长、体积小、成本低等优点。但是，大功率半导体激光器存在以下固有缺陷：

1)大功率半导体激光器芯片的发光区是一个宽高比很大(通常超过100)的矩形区，并且在平行于PN结(通常被称为慢轴)和垂直于PN结(通常被称为快轴)两个方向上光束的发散角差别很大，光束质量差。

2)单个半导体激光器芯片发出的光较小，往往达不到使用要求，为了增加功率，通常需将很多半导体激光器芯片发出的光汇合到一起使用，而通常汇合起来的光束质量会更差。

3)半导体激光芯片可以以多种方式提供，有含有单个发光区的单管，还有含有多个发光区的一维芯片阵列(LD Bar)。由于没有有效的办法将大量单管中的光高亮度的封装在一起，目前大功率半导体激光器主要通过半导体激光器阵列的封装来实现，为了实现大功率，还有的将一维阵列叠放在一起，形成两维阵列(LDstack)。但是，由于阵列器件封装中热管理的困难，大功率激光器的寿命大幅降低。通常单管激光器的寿命大于100000小时，而阵列激光器的寿命小于10000小时。

在实际应用中，为了使用方便，半导体激光器芯片发出的光通常需要耦合到光纤中。目前有两种方法将激光器芯片发出的光耦合到光纤中去。一种方法是将每个芯片发出的光通过透镜系统基本整形到接近圆对称后直接耦合到芯径大于发光区宽度的光纤中，然后将所有光纤的出射端排列在一起输出。这种方式汇集的光束光亮度很低，目前在大功率应用中很少采用。另一种方法是：首先用透镜系统将每个芯片发出的光整形为平行光，且所有光束的传播方向相同；然后对这些平行光束进行空间位置变换，尽可能剔除各光束间无光的区域；最后用透镜系统将光束耦合到光纤中。这种方法采用的光学整形系统非常复杂，结果是价格高、耦合效率低，光束质量差。这两种技术方案属空间合束方案，在这两种技术方案中，还可以加入偏振合束和波长合束技术，进一步提高光束的功率密度。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种能将大量激光器单管发出的光整形封装成大功率激光器的技术，这种结构的激光器将具有高光束质量、低成本和长寿命的特点；同时，这种技术也可以应用到半导体阵列激光器的光整形中，降低系统的复杂度，降低成本。

本发明的技术方案概括如下：

基于光纤传光束的大功率半导体激光器，包括N(N大于等于1)个大功率半导体激光器发光区、N个成像透镜系统及一个N×M(M大于等于1)传光束，其特征是：N×M传光束有N个输入子传光束和M个输出子传光束，N个输入子传光束为横截面为矩形的带状传光束；成像透镜系统为在两个垂直方向上焦距不同的不对称系统；每个成像透镜系统将一个半导体激光器发光区端面成像到N×M传光束的一个带状输入子传光束的端面上。

所述的N×M传光束中的每个输入子传光束为一根横截面为矩形的光导纤维。

所述的N×M传光束中的每个输入子传光束由D(D大于等于2)个光导纤维按一维结构排列而成，各光导纤维的横截面或者是矩形的，或者是方形的，或者是圆形的。

所述的成像透镜系统由两个分别在互相垂直方向上成像的一维柱面透镜系统组成，柱面透镜系统中的柱面透镜或者是圆柱面柱面透镜，或者是非圆柱面柱面透镜。

所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面快轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面短轴方向上成的像的尺寸小于该方向上光导纤维芯的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角；同时，所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面慢轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面长轴方向上成的像的尺寸小于该方向上由最边缘光导纤维的芯确定的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角。

所述的N×M传光束的每个输出子传光束后面依次设置一个耦合透镜系统和一根传能光纤，耦合透镜系统将N×M传光束的每个输出子传光束发出的光耦合到一个相应的传能光纤中。

所述成像透镜系统中设置有偏振合束装置，每个成像透镜系统可以将两个半导体激光器发光区的光耦合到N×M传光束中的一个输入带状子传光束中。

所述的N×M传光束的输出子传光束输出的光为偏振光，在两根这种N×M传光束的输出子传光束后依次设置一偏振合束系统和一根传能光纤，偏振合束系统将两根N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中；这两根输出子传光束或者来自同一根N×M传光束，或者来自两根不同的N×M传光束。

所述的成像透镜系统中设置有波分复用装置，每个成像透镜系统可以将N1(N1大于等于2)个半导体激光器发光区的不同波长的光耦合到N×M传光束中的一个输入带状子传光束中。

所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出的光为某一波长附近的窄带光，即汇聚了N个波长基本相同的半导体激光器发光区发出的光，在N1根这种分别汇聚了N1个不同波长的N×M传光束的输出子传光束后依次设置一波分复用系统和一根传能光纤，波分复用系统将N1根分别来自N1个N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中。

所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出光或者所述的传能光纤输出的光为某一波长附近的通过偏振合束的窄带光，含有2N个半导体发光区输出的光，在N1根这种分别汇聚了N1个不同波长的N×M传光束的输出子传光束的输出端或者传能光纤的输出端后依次设置一波分复用系统和一根传能光纤，波分复用系统将N1根分别来自N1个N×M传光束的输出子传光束发出的光或者将N1根传能光纤发出的光耦合到一根传能光纤中。

所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出的光为NN1个半导体发光区输出的偏振光，在两根这种N×M传光束的汇聚端后依次设置一偏振合束系统和一根传能光纤，偏振合束系统将两根N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中，这两根输出子传光束或者来自同一根N×M传光束，或者来自两根不同的N×M传光束。

本发明的效果在于：可以提供效率高、寿命长、体积小、成本低及光束质量高的大功率激光器。

附图说明

图1为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的结构示意图。

图2A为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的采用的N×M传光束中带状子传光束的一种截面结构示意图。

图2B为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的采用的N×M传光束中带状子传光束的第二种截面结构示意图。

图2C为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的采用的N×M传光束中带状子传光束的第三种截面结构示意图。

图2D为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的采用的N×M传光束中带状子传光束的第四种截面结构示意图。

图3A、图3B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的一种成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。

图4A、图4B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的第二种成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。

图5A、图5B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的采用的设置有偏振合束装置的成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。

图6A、图6B及图6C分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的柱面透镜几种可能的结构示意图。

图7A为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将N×M传光束汇聚端输出的光耦合到传能光纤中的一种结构示意图。

图7B为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将N×M传光束汇聚端输出的光耦合到传能光纤中的另一种结构示意图。

图8A为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中偏振合束系统的一种结构示意图。

图8B为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中偏振合束系统的另一种结构示意图。

图9为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的波分复用合束系统的一种结构示意图。

图10为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的波分复用合束系统的另一种结构示意图。

图11为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将偏振合束系统输出的光进一步用波分复用系统合束的一种结构示意图。

图12为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将波分复用合束系统输出的光进一步用偏振合束系统合束的一种结构示意图。

其中：

1为N个大功率半导体激光器发光区，1(1)、1(2)、1(N-1)及1(N)分别为具体的某个半导体激光器发光区；1(i，λ₁)、1(i，λ₂)、1(i，λ₃)、...、1(i，λ_N1)为第i组进行波分复用合束操作的系统中发光波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1的半导体激光器发光区，A、A1为某个半导体激光器发光区端面。

2为N个成像透镜系统，2(1)、2(2)、...、2(N-1)及2(N)分别为具体的某个像透镜系统；FL1、FL2和FL3为快轴柱面透镜，SL1、SL2和和SL3为慢轴柱面透镜；PBS为偏振分束镜，P(λ/2)为λ/2波片。

3为N×M传光束，3in(1)、3in(2)、...、3in(N-1)及3in(N)分别为N×M传光束的输入子传光束，3in(i)为N×M传光束的第i个输入子传光束；3out(1)、3out(2)、...、3out(M-1)及3out(M)分别为N×M传光束的输出子传光束，3out(i)为N×M传光束的第i个输出子传光束。3out-1和3out-2表示N×M传光束的偏振输出子传光束，此时，其输出光为线偏振光。3out(i，λ₁)、3out(i，λ₂)、3out(i，λ₃)、...、3out(i，λ_N1)表示分别来自N1个N×M传光束的的第i个输出子传光束，此时其输出的光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1所示的波长区，B为N×M传光束的某个输入子传光束的端面；3out-1(i)和3out-2(i)分别表示N×M传光束的第i组输出子传光束，此时，其输出光为线偏振光，汇聚了N组光束，每组光束又含有N1个波长的光。3out(n，i，λ₁)、3out(n，i，λ₂)、3out(n，i，λ₃)、...、3out(n，i，λ_N1)表示分别来自N1个N×M传光束的第i个输出子传光束，此时其输出光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1波长区域，每个输出的光包含了2组偏振方向正交的光，每组光来自N个半导体激光器发光区。

4为传能光纤。4(i)表示第i个传能光纤，它传输来自N个发光区的光。4(n，i)表示一种传能光纤，其内部包括两组偏振方向正交的光，每一组光来自N个发光区。4(n，i，λ₁)、4(n，i，λ₂)、4(n，i，λ₃)、...、4(n，i，λ_N1)表示一种传能光纤，此时其输出的光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1所示的波长区，每个输出的光包含了2组偏振方向正交的光，每组光来自N个半导体激光器发光区。

5L1、5L2为耦合透镜。

6L(1)、6L(2)、6L(3)为偏振合束系统中的透镜，6L(PBS)为偏振分束镜，6(λ/2)为λ/2波片。

7L(1)、7L(2)、7L(3)、...、7L(N1)、7L(N1+1)为波分复用系统中的透镜，7BS(1)、7BS(2)、7BS(3)、...、7BS(N1-1)为波分复用系统中的滤波片。7FL(1)、7FL(2)、7FL(3)、...、7FL(N1)、7FL(N1+1)为具有波分复用合束功能的成像系统中的快轴准直透镜，7SL(1)、7SL(2)、7SL(3)、...、7SL(N1)、7SL(N1+1)为具有波分复用合束功能的成像系统中的慢轴准直透镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明提出的各种基于光纤传光束的大功率半导体激光器。

图1为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的结构示意图。其中：

1表示N个(N大于等于1)大功率半导体激光器的发光区，1(1)、1(2)、...、1(N-1)及1(N)分别为某个具体的半导体激光器发光区。这些发光区可以是半导体激光器单管的发光区，也可以是半导体激光器阵列(LD Bar)上的发光区。它们在空间可以任意排列，也可以排成一维或两维阵列，比如形成两维阵列(LD stack)。每个发光区的端面都是一个条状发光区。

2表示N个成像透镜系统，2(1)、2(2)、...、2(N-1)及2(N)分别为某个具体的成像透镜系统。这些成像系统都是在两个垂直方向上焦距不同的非对称系统。通常，每个成像透镜系统由两个分别在互相垂直方向上成像的一维柱面透镜系统组成。柱面透镜系统中的柱面透镜可以是圆柱面柱面透镜，也可以是非圆柱面柱面透镜。图6给出了几种典型的柱面透镜结构，其中，图6A给出的是圆柱面柱面透镜在两个垂直方向上的投影图；图6B给出的是三个面是平面，一个面是曲面的柱面透镜在两个垂直方向上的投影图，其中的曲面可以是圆柱面，也可以是任意形状的可实现光束汇聚的柱面；图6C给出的是二个面是平面，二个面是曲面的柱面透镜在两个垂直方向上的投影图，其中的曲面可以是圆柱面，也可以是任意形状的可实现光束汇聚的柱面。

3为N×M传光束，3in(1)、3in(2)、...、3in(N-1)及3in(N)分别为N×M传光束中的输入子传光束，3out(1)、3out(2)、...、3out(N-1)及3out(N)分别为N×M传光束中的输出子传光束。该传光束中的N个输入子传光束为横截面为矩形的带状传光束。这种N×M传光束中的输入子传光束的一种结构是子传光束为一根横截面为矩形的光导纤维，如图2A所示。这种N×M传光束中的输入子传光束的另外一种结构是子传光束由D(D大于等于2)个光导纤维按一维结构排列而成，各光导纤维的横截面可以是矩形的，如图2B所示；也可以是方形的，如图2C所示；还可以是圆形的，如图2D所示。N×M传光束的输出子传光束的横截面可以排列成方、园形或者是矩形，以满足不同应用对光斑形状的要求。

这种激光器的激光合束原理是：每个大功率半导体激光器发光区端面发出的光，通过一个成像透镜系统成像在N×M传光束中的一个输入带状子传光束的端面上，所有N个发光区发出的光最后汇聚并分配到N×M传光束的输出子传光束中。

实际应用对激光器的要求差异很大，有些应用要求激光器有大的功率，而有些应用除了功率要求，还有光束质量要求，在输出端采用分束结构，可以得到好的光束质量。

在这种激光器中，为了提高光耦合效率，半导体激光器发光区端面光学参数、透镜系统参数和N×M传光束中的输入带状子传光束的参数必须满足下列关系：

(1)成像透镜系统使半导体激光器发光区端面快轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面短轴方向上成的像的尺寸小于并尽可能接近该方向上光导纤维芯的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于并尽可能接近由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角；

(2)成像透镜系统使半导体激光器发光区端面慢轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面长轴方向上成的像的尺寸小于并尽可能接近该方向上由最边缘光导纤维的芯确定的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于并尽可能接近由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角。

图3A、图3B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的一种成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。其中，快轴方向的成像系统由两个柱面透镜构成，透镜FL1将位于A处的发光区端面发出的快轴方向的光准直为平行光，透镜FL2将该平行光聚焦到N×M传光束中位于B处的输入带状子传光束矩形端面短轴方向上光导纤维芯确定的区域内；慢轴方向的成像系统为一个柱面透镜SL1，它将位于A处的发光区端面发出的慢轴方向的光成像到N×M传光束中位于B处的输入带状子传光束矩形端面长轴方向上，并位于由最边缘光导纤维的芯确定的区域内。

图4A、图4B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的第二种成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。其中，快轴方向的成像系统由两个柱面透镜FL1和FL2构成，透镜FL1将位于A处的发光区端面发出的快轴方向的光准直为平行光，透镜FL2将该平行光聚焦到N×M传光束中位于B处的输入带状子传光束矩形端面短轴方向上光导纤维芯确定的区域内；慢轴方向的成像系统为两个柱面透镜SL1和SL2组成，SL1将位于A处的发光区端面发出的慢轴方向的光变成平行光，SL2将该方向上的平行光汇聚到位于B处的输入带状子传光束矩形端面长轴方向上，并位于由最边缘光导纤维的芯确定的区域内。

上述两种成像透镜系统中的第一种适合半导体发光区与光纤传光束输入子传光束直接耦合的情况，第二种适合系统中加入其它功能器件时的情况。如，加入偏振合束和波分复用合束器件、甚至隔离功能器件。

本发明所采用的矩形、方形和园形光导纤维可以由石英材料制造，也可以由多组分玻璃制造。通常，这种光导纤维的成本要高于常规的石英大芯径传能光纤，而实际使用中有时需要光纤传输的距离较长，这时可以将N×M传光束中输出子传光束输出的光耦合到石英大芯径传能光纤中，用于向远处传输。

图7A为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的将N×M传光束输出子传光束输出的光耦合到传能光纤中采用的一种结构示意图。该方案利用成像透镜5L1将N×M传光束的某个输出子传光束3out(i)输出的光耦合到传能光纤4(i)中。为了提高耦合效率，N×M传光束中光导纤维的数值孔径要小于传能光纤数值孔径与成像系统放大率的比值。这种结构适合N×M传光束中光导纤维的数值孔径较小的情况。

图7B为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的将N×M传光束输出子传光束输出的光耦合到传能光纤中采用的另一种结构示意图。该方案利用成像透镜5L1将N×M传光束的某个输出子传光束3out(i)输出的光准直成平行光，然后由透镜5L2耦合到传能光纤4(i)中。为了提高耦合效率，N×M传光束中光导纤维的数值孔径要小于传能光纤数值孔径与成像系统放大率的比值。这种结构适合N×M传光束中光导纤维的数值孔径较大的情况。

为了进一步增加大功率半导体激光器输出光的功率密度，本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的技术方案中还可以加入偏振合束技术，使功率密度翻倍。

图5A、图5B分别为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器采用的设置有偏振合束装置的成像透镜系统在两个相互垂直截面上的透镜结构及成像光路示意图。其中，偏振合束装置由偏振分束镜PBS和λ/2波片P(λ/2)组成；透镜FL1和SL1将位于A处的发光区端面发出的快轴方向和慢轴方向的光的准直为平行光，透镜FL3和SL3将位于A1处的发光区端面发出的快轴方向和慢轴方向的光的准直为平行光，这两束光中的一束光通过一个λ/2波片P(λ/2)，使其偏振方向旋转90度，之后，这两个偏振方向相互垂直的光通过偏振分束镜PBS后合为一束，然后由透镜FL2和SL2将其汇聚到位于B处的N×M传光束的某个输入带状子传光束3in(i)的矩形端面上，并位于由最边缘光导纤维的芯确定的区域内。这时，N×M传光束的输出子传光束中的包含2N个半导体激光器有源区发出的光，光束的功率密度提高一倍。

由于矩形光导纤维和方形光导纤维具有保偏特性，偏振合束功能还可以在N×N传光束的输出子传光束后端实现。

图8A为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的偏振合束系统的一种结构示意图。其中，3out-1(i)、3out-2(i)分别为N×M传光束的输出子传光束的第i组进行偏振合束的输出子传光束，通过旋转使它们输出光的偏振方向互相垂直：透镜6L(1)、6L(2)分别将3out-1(i)、3out-2(i)的输出光准直成平行光，经偏振分束镜6(PBS)后合成为一束光，然后，透镜透镜6L(3)将其耦合到传能光纤4(n，i)的输入端。这时，传能光纤中的光将包含2N个半导体激光器有源区发出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束技术时提高一倍。

图8B为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的偏振合束系统的另一种结构示意图。其中，3out-1(i)、3out-2(i)分别为N×M传光束的第i组进行偏振合束输出子传光束，通过旋转使它们输出光的偏振方向相同；透镜6L(1)、6L(2)分别将3out-1(i)、3out-2(i)的输出光准直成平行光，其中一束光经λ/2波片6(λ/2)，使其偏振方向旋转90度，之后，这两个偏振方向相互垂直的光通过偏振分束镜6(PBS)后合为一束，然后，透镜透镜6L(3)将其耦合到传能光纤4(n，i)的输入端。这时，传能光纤中的光将包含2N个半导体激光器有源区发出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束技术时提高一倍。

需要指出的是，在这两种偏振合束方案中，两个输出子传光束3out-1(i)、3out-2(i)可以来自同一个N×M传光束，也可以来自两个不同的N×M传光束。当来自同一个N×M传光束时，可以将光束的质量参数提高一倍。

为了进一步增加大功率半导体激光器输出光的功率密度，本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的技术方案中还可以加入波分复用合束技术，使功率密度增加多倍。

图9为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的波分复用合束系统的一种结构示意图。其中，1(i，λ₁)、1(i，λ₂)、1(i，λ₃)、...、1(i，λ_N1)为第i组进行波分复用合束操作的系统中发光波长分别为λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1的半导体激光器发光区，3in(i)为N×M传光束的第i个输入子传光束；7BS(1)、7BS(2)、7BS(3)、...、7L(N1-1)为波分复用系统中的滤波片；7FL(1)、7FL(2)、7FL(3)、...、7FL(N1)、7FL(N1+1)为具有波分复用合束功能的成像系统中的快轴准直透镜，7SL(1)、7SL(2)、7SL(3)、...、7SL(N1)、7SL(N1+1)为具有波分复用合束功能的成像系统中的慢轴准直透镜。由1(i，λ₁)发出的光的快轴和慢轴方向分别由7FL(1)和7SL(1)准直，由1(i，λ₂)发出的光的快轴和慢轴方向分别由7FL(2)和7SL(2)准直，这两束光由7BS(1)合为一束；由1(i，λ₃)发出的光的快轴和慢轴方向分别由7FL(3)和7SL(3)准直，该光束与7BS(1)输出的合束光由7BS(2)合为一束；依次类推，由1(i，λ_N1)发出的光的快轴和慢轴方向分别由7FL(N1)和7SL(N1)准直，该光束与前面输出的合束光由7BS(N1-1)合为一束，由快轴准直透镜7FL(N1+1)和慢轴准直透镜7SL(N1＋1)耦合到N×M传光束的第i个输入子传光束3in(i)中。这时，N×M传光束的输出子传光束中汇聚了NN1个半导体激光器发光区发出的光，光束的功率密度比不采用波分复用合束技术时提高了(N1-1)倍。

图10为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中采用的波分复用合束系统的另一种结构示意图。其中，3out(i，λ₁)、3out(i，λ₂)、3out(i，λ₃)、...、3out(i，λ_N1)分别表示N1个汇聚不同波长的N×N传光束的第i个输出子传光束，此时其输出的光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1所示的波长区，每个输出光含有N个半导体激光器发光区发出的光，7L(1)、7L(2)、7L(3)、...、7L(N1)、7L(N1+1)为波分复用系统中的透镜，7BS(1)、7BS(2)、7BS(3)、...、7L(N1-1)为波分复用系统中的滤波片，4(i)为第i个传能光纤。由3out(i，λ₁)发出的光由7L(1)准直，由3out(i，λ₂)发出的光由7L(2)准直，这两束光由7BS(1)合为一束；由3out(i，λ₃)发出的光的由7L(3)准直，该光束与7BS(1)输出的合束光由7BS(2)合为一束；依次类推，由3out(i，λ_N1)发出的光的由7L(N1)准直，该光束与前面输出的合束光由7BS(N1-1)合为一束，由准直透镜7L(N1+1)耦合到传能光纤4(i)中。这时，传能光纤中4(i)汇聚了NN1个半导体激光器发光区发出的光，光束的功率密度比不采用波分复用合束技术时提高了(N1-1)倍。

为了进一步增加大功率半导体激光器输出光的功率密度，本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器的技术方案中还可以同时加入波分复用合束技术和偏振合束技术。

图11为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将偏振合束系统输出的光进一步用波分复用系统合束的一种结构示意图。该方案是将前面图5和图8给出的方案所输出的光在波长域中进一步合束。其中，3out(n，i，λ₁)、3out(n，i，λ₂)、3out(n，i，λ₃)、...、3out(n，i，λ_N1)表示分别来自N1个N×M传光束的某个输出子传光束，此时其输出光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1波长区域，每个输出的光包含了2组偏振方向正交的光，每组光来自N个半导体激光器发光区。4(n,i,λ₁)、4(n，i，λ₂)、4(n,i,λ₃)、...、4(n，i，λ_N1)分别表示传能光纤，此时其输出的光分别处在λ₁、λ₂、λ₃、...、λ_N1所示的波长区，每个输出的光包含了2组偏振方向正交的光。

当该方案的输入光为图5所示方案的输出光时，其工作原理为：由3out(n，i，λ₁)发出的光由7L(1)准直，由3out(n，i，λ₂)发出的光由7L(2)准直，这两束光由7BS(1)合为一束：由3out(n,i,λ₃)发出的光的由7L(3)准直，该光束与7BS(1)输出的合束光由7BS(2)合为一束；依次类推，由3out(n，i，λ_N1)发出的光的由7L(N1)准直，该光束与前面输出的合束光由7BS(N1-1)合为一束，由准直透镜7L(N1+1)耦合到传能光纤4(i)中。这时，传能光纤4(i)中汇聚了2NN1个半导体激光器发光区发出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束和波分复用合束技术时提高了(2N1-1)倍。

当该方案的输入光为图8所示方案的输出光时，其工作原理为：由4(n，i，λ₁)发出的光由7L(1)准直，由4(n,i,λ₂)发出的光由7L(2)准直，这两束光由7BS(1)合为一束；由4(n，i，λ₃)发出的光的由7L(3)准直，该光束与7BS(1)输出的合束光由7BS(2)合为一束；依次类推，由4(n，i，λ_N1)发出的光的由7L(N1)准直，该光束与前面输出的合束光由7BS(N1-1)合为一束，由准直透镜7L(N1+1)耦合到传能光纤4(i)中。这时，传能光纤4(i)中光束的功率密度比不采用偏振合束和波分复用合束技术时提高了(2N1-1)倍。

图12为本发明提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器中将波分复用合束系统输出的光进一步用偏振合束系统合束的一种结构示意图。该方案将前面图9给出的方案所输出的光在波长域中进一步合束。图10所示方案由于传能光纤不保偏，不能进一步增加功率密度。在图12A和12B所示方案中，3out-1(i)和3out-2(i)分别表示两个经波分复用合束的两个N×M传光束的第i组进行偏振合束的输出子传光束的输出端，此时，其输出光为线偏振光，汇聚了N组光束，每组光束又含有N1的波长的光。6L(1)、6L(2)、6L(3)为偏振合束系统中的透镜，6L(PBS)为偏振分束镜，6(λ/2)为λ/2波片，4(i)为传能光纤。

图12A所示方案工作原理为：通过旋转3out-1(i)和3out-2(i)使它们输出光的偏振方向互相垂直；透镜6L(1)、6L(2)分别将3out-1(i)、3out-2(i)的输出光准直成平行光，经偏振分束镜6(PBS)后合成为一束光，然后，透镜透镜6L(3)将其耦合到传能光纤4(i)的输入端。这时，传能光纤中的光将包含2NN1个半导体激光器有源区发出的光，光束的功率密度是不采用波分复用合束技术和偏振合束技术时的2N1倍。

图12B所示方案工作原理为：通过旋转3out-1(i)和3out-2(i)使它们输出光的偏振方向平行；透镜6L(1)、6L(2)分别将3out-1(i)、3out-2(i)的输出光准直成平行光，其中一束光经λ/2波片6(λ/2)，使其偏振方向旋转90度，之后，这两个偏振方向相互垂直的光通过偏振分束镜6(PBS)后合为一束，然后，透镜透镜6L(3)将其耦合到传能光纤4(i)的输入端。这时，传能光纤中的光将包含2NN1个半导体激光器有源区发出的光，光束的功率密度是不采用波分复用合束技术和偏振合束技术时的2N1倍。

下面我们给出一些实际采用本发明技术方案的激光器的例子。所采用的半导体激光器单管的波长分别为915、940、975纳米，功率为12瓦，发光区域90微米长、1微米宽，快轴95％能量对应的发散角为58度，慢轴95％能量对应的发散角为12度。

我们的第一种激光器采用15×1传光束进行光的耦合，传光束有15个输入子传光束和一个输出端，每个输入子传光束为一带状光导纤维，其截面采用图2A所示结构，尺寸为91×6um²，芯部区域尺寸为90.2×5.2um²，输出端汇聚区域为91×90um²方形区域，光导纤维的数值孔径为0.1。成像透镜系统采用图3A所示结构，FL1采用图6A所示圆柱面柱面镜，FL2采用图6B所示柱面镜，FL2的焦距是FL1的5.2倍。SL采用图6A所示圆柱面柱面镜。采用图1所示结构，将15个波长为940纳米的上述激光器单管发出的光耦合到15×1传光束的15个输入子传光束中，在输出端得到155瓦的光功率，耦合效率约85％。

为了提高光功率密度，将两个这种激光器采用图8B所示结构进行偏振合束，在芯径100微米数值孔径0.1的传能光纤中，得到280瓦的光功率。

为了进一步提高光功率密度，我们采用图11所示技术方案，将波长分别位于915、940和975的三个上述激光器进行波分复用合束，在芯径100微米数值孔径0.1的传能光纤中，得到800瓦的光功率。

这种光束质量的大功率半导体激光器在许多应用中可以取代大功率半导体激光器泵浦的固体激光器。

我们的第二种激光器采用1×2传光束进行光的耦合，传光束有1个输入传光束和2个输出子传光束。输入传光束为一带状传光束，其截面采用图2B所示结构，由6根矩形光导纤维组成，光导纤维的尺寸为16×6um²，芯部区域尺寸为15.2×5.2um²，两个输出子传光束分别由3根光导纤维叠成16×18um²的近方形区域，光导纤维的数值孔径为0.1。成像透镜系统采用图3A所示结构，FL1采用图6A所示圆柱面柱面镜，FL2采用图6B所示柱面镜，FL2的焦距是FL1的5.2倍。SL采用图6A所示圆柱面柱面镜。采用图1所示结构，将1个波长为940纳米的上述激光器单管发出的光耦合到1×2传光束中，在两个输出端分别得到5.1瓦的光功率，耦合效率约85％。

为了提高光功率密度，将该激光器的两个输出端采用图8B所示结构进行偏振合束，在芯径18微米数值孔径0.1的传能光纤中，得到8.5瓦的光功率。

为了进一步提高光功率密度，我们采用图11所示技术方案，将波长分别位于915、940和975的三个上述激光器进行波分复用合束，在芯径18微米数值孔径0.1的传能光纤中，得到25瓦的光功率。

这种光束质量的激光器，在有些应用中可以取代半导体激光器泵浦的光纤激光器。

本发明的提出的基于光纤传光束的大功率半导体激光器使光的耦合效率提高、功率密度提高、成本降低及寿命增长。可增加大功率半导体激光器相对其它种激光器的竞争力。

Claims (12)

1.一种基于光纤传光束的大功率半导体激光器，包括N(N大于等于1)个大功率半导体激光器发光区、N个成像透镜系统及一个N×M(M大于等于1)传光束，其特征是：N×M传光束有N个输入子传光束和M个输出子传光束，N个输入子传光束为横截面为矩形的带状传光束；成像透镜系统为在两个垂直方向上焦距不同的不对称系统；每个成像透镜系统将一个半导体激光器发光区端面成像到N×M传光束的一个带状输入子传光束的端面上。

2.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束中的每个输入子传光束为一根横截面为矩形的光导纤维。

3.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束中的每个输入子传光束由D(D大于等于2)个光导纤维按一维结构排列而成，各光导纤维的横截面或者是矩形的，或者是方形的，或者是圆形的。

4.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的成像透镜系统由两个分别在互相垂直方向上成像的一维柱面透镜系统组成，柱面透镜系统中的柱面透镜或者是圆柱面柱面透镜，或者是非圆柱面柱面透镜。

5.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面快轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面短轴方向上成的像的尺寸小于该方向上光导纤维芯的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角：同时，所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面慢轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面长轴方向上成的像的尺寸小于该方向上由最边缘光导纤维的芯确定的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角。

6.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束的每个输出子传光束后面依次设置一个耦合透镜系统和一根传能光纤，耦合透镜系统将N×M传光束的每个输出子传光束发出的光耦合到一个相应的传能光纤中。

7.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述成像透镜系统中设置有偏振合束装置，每个成像透镜系统可以将两个半导体激光器发光区的光耦合到N×M传光束中的一个输入带状子传光束中。

8.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束的输出子传光束输出的光为偏振光，在两根这种N×M传光束的输出子传光束后依次设置一偏振合束系统和一根传能光纤，偏振合束系统将两根N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中；这两根输出子传光束或者来自同一根N×M传光束，或者来自两根不同的N×M传光束。

9.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的成像透镜系统中设置有波分复用装置，每个成像透镜系统可以将N1(N1大于等于2)个半导体激光器发光区的不同波长的光耦合到N×M传光束中的一个输入带状子传光束中。

10.根据权利要求1所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出的光为某一波长附近的窄带光，即汇聚了N个波长基本相同的半导体激光器发光区发出的光，在N1根这种分别汇聚了N1个不同波长的N×M传光束的输出子传光束后依次设置一波分复用系统和一根传能光纤，波分复用系统将N1根分别来自N1个N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中。

11.根据权利要求7或权利要求8所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出光或者所述的传能光纤输出的光为某一波长附近的通过偏振合束的窄带光，含有2N个半导体发光区输出的光，在N1根这种分别汇聚了N1个不同波长的N×M传光束的输出子传光束的输出端或者传能光纤的输出端后依次设置一波分复用系统和一根传能光纤，波分复用系统将N1根分别来自N1个N×M传光束的输出子传光束发出的光或者将N1根传能光纤发出的光耦合到一根传能光纤中。

12.根据权利要求9所述的基于光纤传光束的大功率半导体激光器，其特征是：所述的N×M传光束的每个输出子传光束输出的光为NN1个半导体发光区输出的偏振光，在两根这种N×M传光束的汇聚端后依次设置一偏振合束系统和一根传能光纤，偏振合束系统将两根N×M传光束的输出子传光束发出的光耦合到传能光纤中，这两根输出子传光束或者来自同一根N×M传光束，或者来自两根不同的N×M传光束。