CN104836119A - 光纤耦合激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤耦合激光器，包括基板、多个第一发光体、多个第二发光体、多个第一光耦合组件、多个第二光耦合组件、偏振合束器及光纤，第一发光体和第二发光体呈两排交叉梯度分布在基板上，第一、第二光耦合组件分别将第一、第二发光体所发出的光线耦合成第一、第二光束。偏振合束器用于接收第一、第二光束，并将所述第一光束、第二光束合束，以形成第三光束，光纤用于接收第三光束。通过上述布局方式，本发明具有结构紧凑、光路简单的优点。

Description

光纤耦合激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光泵浦模块的耦合结构，应用在医疗、激光印刷、激光武器，高功率光纤激光器泵浦源等领域。

背景技术

随着市场对光纤激光器的功率及效率的要求不断提高，作为光纤激光器的核心光学元部件—高功率光纤耦合半导体激光器，市场对其输出功率、效率、光束质量、寿命、成本等也有了更高的要求；目前市面上千瓦级别的连续高功率光纤激光器，普遍采用100W以上的半导体激光器作为泵浦源。

传统的百瓦以上的光纤耦合半导体激光器，多采用基于多芯片BAR条的封装结构，BAR条集成了多个芯片，存在驱动电流大、散热差、寿命偏短、热应力集中导致光斑变形等问题，而且由于BAR条发光面积大，从而光路设计上需要对光斑做旋转、准直、扩束、合束、压束等一系列复杂整形处理后，最后才能聚焦到光纤中。这样使得半导体激光耦合结构光路复杂，结构亦复杂。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种半导体激光耦合结构，具有结构紧凑、光路简单的优点。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种光纤耦合激光器，包括：

基板，所述基板包括第一安装部、第二安装部和收纳部，所述第一安装部和所述第二安装部相对设置，所述收纳部设置于所述第一安装部和所述第二安装部之间，所述第一安装部包括多个呈阶梯状分布的第一热沉，所述第二安装部包括多个呈阶梯状分布的第二热沉，所述第一热沉和所述第二热沉分别相对设置；

多个第一发光体，分别设于所述多个第一热沉上；

多个第二发光体，分别设于所述多个第二热沉上，且所述多个第一发光体和所述多个第二发光体呈两排交叉梯度分布；

多个第一光耦合组件，设于所述收纳部且分别与所述多个第一发光体相对设置，用于将所述多个第一发光体所发出的光线耦合成第一光束；

多个第二光耦合组件，设于所述收纳部且分别与所述多个第二发光体相对设置，用于将所述多个第二发光体所发出的光线耦合成第二光束，相邻的两个所述第二光耦合组件之间均设有一个述第一光耦合组件；

偏振合束器，用于接收所述第一光束和所述第二光束，并将所述第一光束和所述第二光束合束，以形成第三光束；及

光纤，用于接收所述第三光束。

其中，所述光纤耦合激光器还包括位于所述光纤和所述偏振合束器之间的滤波片，所述滤波片用于对所述第三光束进行滤波，所述偏振合束器的两个入射面的中心间距与所述第一光束和所述第二光束之间的距离相等，且所述偏振合束器两个入射面的接收面积需分别大于所述第一光束的光斑面积和所述第二光束的光斑面积。

其中，所述滤波片为防1064nm激光穿透的滤波片，以避免用做泵浦时激发的1064nm激光沿原路返回损伤所述第一发光体或所述第二发光体。

其中，所述光纤耦合激光器还包括聚焦透镜，设于所述光纤和所述滤波片之间。

其中，所述光纤耦合激光器还包括消杂散光环，所述消杂散光环靠近所述光纤设置，用于把高于0.2NA入射角的杂散光散射掉。

其中，所述消杂散光环的内孔径为d，所述消杂散光环的厚度为W，所述消杂散光环与所述光纤端面之间的距离为L，所述内孔径、所述厚度和所述距离之间的关系满足：d/{2*(L+W)}＝0.2。

其中，每个所述第一光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，所述第一发光体所发出的光线先经过所述快轴准直透镜，再经过所述慢轴准直透镜，然后通过所述反射片反射并形成所述第一光束。

其中，每个所述第二光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，所述第二发光体所发出的光线先经过所述第二光耦合组件之所述快轴准直透镜，再经过所述第二光耦合组件之所述慢轴准直透镜，然后通过所述第二光耦合组件之所述反射片反射并形成所述第二光束。

其中，所述多个呈阶梯状分布的第一热沉的阶梯高度差大于所述第一发光体发出的光线经过所述第一光耦合组件之所述快轴准直透镜后的光束的光斑最大尺寸。

其中，所述多个第一发光体相互分开，且分别焊接至所述第一热沉上，所述多个第一发光体之间串联；所述多个第二发光体相互分开，且分别焊接至所述第二热沉上，所述多个第二发光体之间串联。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明通过在基板上设置多个呈阶梯状分布的第一热沉和多个呈阶梯状分布的第二热沉，并将多个第一发光体和所述多个第二发光体呈两排交叉梯度分布在第一、第二热沉上，这样的第一发光体和第二发光体的分布方式，两排交叉梯度分布能够充分利用空间，使得本发明之光纤耦合激光器结构紧凑、光路也简单。

附图说明

图1是本发明实施方式的光纤耦合激光器的立体示意图；

图2是本发明实施方式的光纤耦合激光器的平面示意图；

图3是本发明实施方式的光纤耦合激光器的另一平面示意图。

具体实施方式

参阅图1、图2和图3，本发明涉及一种光纤耦合激光器，包括基板10、多个第一发光体20、多个第二发光体30、多个第一光耦合组件40、多个第二光耦合组件50、偏振合束器60及光纤70。光纤耦合激光器将多个第一发光体20发出的光线和多个第二发光体30发出的光线进行合束处理，并耦合至光纤70进行输出。

基板10作为光纤耦合激光器的壳体，用于承载其它元件，本实施方式中，基板10为金属板，金属板有利于提供第一发光体20和第二发光体30的散热。所述基板10包括第一安装部12、第二安装部14和收纳部16，所述第一安装部12和所述第二安装部14相对设置，所述收纳部16设置于所述第一安装部12和所述第二安装部14之间，所述第一安装部12包括多个呈阶梯状分布的第一热沉122，所述第二安装部14包括多个呈阶梯状分布的第二热沉142，所述第一热沉122和所述第二热沉142分别相对设置。第一安装部12和第二安装部14呈台阶状，每个第一热沉122作为第一安装部12的其中一个台阶，多个第一热沉122的形状和尺寸均相等，第二热沉142的结构和尺寸和第一热沉122相同。第一热沉122和第二热沉142的材质为高导热率的材料，例如无氧铜。

多个第一发光体20分别设于所述多个第一热沉122上，本实施方式中，每个第一发光体20均包括单芯片和陶瓷基板，将单芯片通过共晶焊接到陶瓷基板上，再将陶瓷基板焊接到第一热沉122上，多个单芯片通过焊线机串联起来，使得每个第一发光体20单独发光，多个单芯片分开焊接到呈阶梯分布的第一热沉122上，然后再串联起来发光，可以很好地解决发热集中的问题，也就是将热分散开来，能够提高单芯片寿命和光纤耦合激光器的稳定性，能降低驱动电流。而且单芯片相对BAR条光束具有结构简单、光路简洁、光束质量高、耦合效率好、发散光少的优点。本实施方式中，所述单芯片为半导体激光二极管。

多个第二发光体30分别设于所述多个第二热沉142上，第二发光体30的结构与第一发光体20相同，不再详述。所述多个第一发光体20和所述多个第二发光体30呈两排交叉梯度分布，换言之，第二发光体30对应设置在两个第一发光体20之间的位置，第一发光体20和第二发光体30不是正对的关系，第二发光体30的分布较第一发光体20错开，以投影的角度来讲，第二发光体30在第一安装部12上的投影位于相邻的两个第一发光体20之间，排列在最后的一个第二发光体30位于最后一个第一发光体20的后面，每个第一发光体20的后面排布一个第二发光体30。

多个第一光耦合组件40设于所述收纳部16且分别与所述多个第一发光体20相对设置，用于将所述多个第一发光体20所发出的光线耦合成第一光束。每个所述第一光耦合组件40均包括快轴准直透镜42、慢轴准直透镜44和反射片46，所述第一发光体20所发出的来先经过所述快轴准直透镜42，再经过所述慢轴准直透镜44，然后通过所述反射片46反射并形成所述第一光束。

多个第二光耦合组件50设于所述收纳部16且分别与所述多个第二发光体30相对设置，用于将所述多个第二发光体30所发出的光线耦合成第二光束，相邻的两个所述第二光耦合组件50之间均设有一个述第一光耦合组件40。每个所述第二光耦合组件50均包括快轴准直透镜52、慢轴准直透镜54和反射片56，所述第二发光体30所发出的来先经过所述第二光耦合组件50之所述快轴准直透镜52，再经过所述第二光耦合组件50之所述慢轴准直透镜54，然后通过所述第二光耦合组件50之所述反射片56反射并形成所述第二光束。

偏振合束器60，用于接收所述第一光束和所述第二光束，并将所述第一光束和所述第二光束进行偏振合束，以形成第三光束。偏振合束器60包括两个入射面和一个出光面。光纤70用于接收所述第三光束。

所述光纤耦合激光器还包括位于所述光纤70和所述偏振合束器60之间的滤波片80，所述滤波片80用于对所述第三光束进行滤波，所述偏振合束器60的两个入射面的中心间距与所述第一光束和所述第二光束之间的距离相等，且所述偏振合束器60两个端面的接收面积需分别大于所述第一光束的光斑面积和所述第二光束的光斑面积。

具体而言，所述滤波片80为防1064nm激光穿透的滤波片，以避免用做泵浦时激发的1064nm激光沿原路返回损伤所述第一发光体20或所述第二发光体30。

进一步而言，所述光纤耦合激光器还包括聚焦透镜90，设于所述光纤70和所述滤波片80之间，用于对第三光束进行聚焦后再传送至光纤70。

所述光纤耦合激光器还包括消杂散光环95，所述消杂散光环95靠近所述光纤70端面设置，用于把高于0.2NA入射角的杂散光散射掉，避免了光纤70过热烧毁，换言之，消杂散光环95能够挡住高于0.2NA入射角的杂散光，避免高于0.2NA入射角的杂散光打在光纤70包层上，造成光束端面过热烧毁。请参阅图2和图3，所述消杂散光环95的内孔径为d，所述消杂散光环95的厚度为W，所述消杂散光环95与所述光纤70端面之间的距离为L，所述内孔径、所述厚度和所述距离之间的关系满足：d/{2*(L+W)}＝0.2。光纤70的端面正对消杂散光环95的内孔的中心。

所述多个呈阶梯状分布的第一热沉122的阶梯高度差大于所述第一发光体20发出的光线经过所述第一光耦合组件40之所述快轴准直透镜42后的光束的光斑最大尺寸，一种实施方式中，所述多个呈阶梯状分布的第一热沉122的阶梯高度差较所述第一发光体20发出的光线经过所述第一光耦合组件40之所述快轴准直透镜42后的光束的光斑最大尺寸大25um。

所述多个第一发光体20相互分开，且分别焊接至所述第一热沉122上，所述多个第一发光体20之间串联；所述多个第二发光体30相互分开，且分别焊接至所述第二热沉142上，所述多个第二发光体30之间串联。这种串联的结构能够降低驱动电流，整体激光模块驱动电流小，降低了激光驱动电源的要求。

本发明通过在基板10上设置多个呈阶梯状分布的第一热沉122和多个呈阶梯状分布的第二热沉142，并将多个第一发光体20和所述多个第二发光体30呈两排交叉梯度分布在第一、第二热沉142上，这样的第一发光体20和第二发光体30的分布方式，两排交叉梯度分布能够充分利用空间，使得本发明之光纤耦合激光器结构紧凑、光路也简单。本发明第一发光体20之间热干扰小，基本不存在热应力，可靠性高，而且本发明耦合工艺简单，适合大批量生产，单芯片发光的光束的质量高，耦合效率高。

本发明可在高功率光纤70耦合半导体激光器封装领域得到广泛应用，采用本发明结构制作高功率200W光纤70耦合半导体激光器，可以简化工艺难度，降低驱动电流，提高器件的可靠性和性能。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光纤耦合激光器，其特征在于，包括：

基板，所述基板包括第一安装部、第二安装部和收纳部，所述第一安装部和所述第二安装部相对设置，所述收纳部设置于所述第一安装部和所述第二安装部之间，所述第一安装部包括多个呈阶梯状分布的第一热沉，所述第二安装部包括多个呈阶梯状分布的第二热沉，所述第一热沉和所述第二热沉分别相对设置；

多个第一发光体，分别设于所述多个第一热沉上；

多个第二发光体，分别设于所述多个第二热沉上，且所述多个第一发光体和所述多个第二发光体呈两排交叉梯度分布；

多个第一光耦合组件，设于所述收纳部且分别与所述多个第一发光体相对设置，用于将所述多个第一发光体所发出的光线耦合成第一光束；

多个第二光耦合组件，设于所述收纳部且分别与所述多个第二发光体相对设置，用于将所述多个第二发光体所发出的光线耦合成第二光束，相邻的两个所述第二光耦合组件之间均设有一个所述第一光耦合组件；

偏振合束器，用于接收所述第一光束和所述第二光束，并将所述第一光束和所述第二光束合束，以形成第三光束；及

光纤，用于接收并传输所述第三光束。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于，还包括位于所述光纤和所述偏振合束器之间的滤波片，所述滤波片用于对所述第三光束进行滤波，所述偏振合束器的两个入射面的中心间距与所述第一光束和所述第二光束之间的距离相等，且所述偏振合束器两个入射面的接收面积需分别大于所述第一光束的光斑面积和所述第二光束的光斑面积。

3.根据权利要求2所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述滤波片为防1064nm激光穿透的滤波片，以避免用做泵浦时激发的1064nm激光沿原路返回损伤所述第一发光体或所述第二发光体。

4.根据权利要求2所述的光纤耦合激光器，其特征在于，还包括聚焦透镜，设于所述光纤和所述滤波片之间。

5.根据权利要求3所述的光纤耦合激光器，其特征在于，还包括消杂散光环，所述消杂散光环靠近所述光纤设置，用于把高于0.2NA入射角的杂散光散射掉。

6.根据权利要求5所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述消杂散光环的内孔径为d，所述消杂散光环的厚度为W，所述消杂散光环与所述光纤端面之间的距离为L，所述内孔径、所述厚度和所述距离之间的关系满足：d/{2*(L+W)}＝0.2。

7.根据权利要求1至6任意一项所述的光纤耦合激光器，其特征在于，每个所述第一光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，所述第一发光体所发出的光线先经过所述快轴准直透镜，再经过所述慢轴准直透镜分别准直后，然后通过所述反射片反射并形成所述第一光束。

8.根据权利要求7所述的光纤耦合激光器，其特征在于，每个所述第二光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，所述第二发光体所发出的光线先经过所述第二光耦合组件之所述快轴准直透镜，再经过所述第二光耦合组件之所述慢轴准直透镜分别准直后，然后通过所述第二光耦合组件之所述反射片反射并形成所述第二光束。

9.根据权利要求8所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述多个呈阶梯状分布的第一热沉的阶梯高度差大于所述第一发光体发出的光线经过所述第一光耦合组件之所述快轴准直透镜后的垂直方向光束的光斑最大尺寸。

10.根据权利要求1至6任意一项所述的光纤耦合激光器，其特征在于，所述多个第一发光体相互分开，且分别焊接至所述第一热沉上，所述多个第一发光体之间串联；所述多个第二发光体相互分开，且分别焊接至所述第二热沉上，所述多个第二发光体之间串联，并且第一，第二发光体之间也串联。