CN104868363A - 一种单管半导体激光光纤耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单管半导体激光光纤耦合系统，包括：多个单管半导体激光器、耦合装置以及光纤；多个单管半导体激光器在单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，以使单管半导体激光器发出的激光沿圆弧的半径射向圆心位置；其中，至少两个圆弧为同心圆弧；多个单管半导体激光器在快轴方向设置在至少两个阶梯上，且设置在同一个圆弧上的单管半导体激光器设置在同一个阶梯上，以使多个单管半导体激光器发出的激光会聚于圆心位置；耦合装置设置在圆心位置；光纤的光入射端设置在耦合装置输出的激光会聚的位置。本发明的系统解决现有技术中聚焦镜的通光口径没有充分利用、单管半导体的数量有限以及激光输出功率低的问题。

Description

一种单管半导体激光光纤耦合系统

技术领域

本发明涉及光学领域，具体涉及一种单管半导体激光光纤耦合系统。

背景技术

单管半导体激光器作为半导体激光器的一种封装形式，相较于半导体激光Bar条，具有散热特性更优、寿命更长、发光条宽更窄等优势。由于单管半导体激光器将半导体激光器的每个发光单元独立封装，若想实现大功率的激光输出，必须采用多个模块进行合束。由于半导体激光器的光束质量差，且在快轴与慢轴方向上光束质量不匹配，那么，将半导体激光耦合聚焦入光纤，通过光纤柔性传输可以有效改善半导体激光光束质量。

目前单管半导体激光空间合束的模式为采用发光单元平行出射阶梯排布的空间合束模式或空间合束镜阶梯排布的空间合束模式。

目前单管半导体激光空间合束的模式使得聚焦镜的有效通光口径没有得到充分的利用，同时由于受限于光纤的接收角，密集排布的数量有限，无法实现更高功率的激光输出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是目前单管半导体激光空间合束的模式使得聚焦镜的有效通光口径没有得到充分的利用，同时由于受限于光纤的接收角，密集排布的单管半导体激光器数量有限，无法实现更高功率的激光输出的问题。

为此目的，本发明提出一种单管半导体激光光纤耦合系统，包括：多个单管半导体激光器、耦合装置以及光纤；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，以使所述单管半导体激光器发出的激光沿圆弧的半径射向圆心位置；其中，所述至少两个圆弧为同心圆弧；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的快轴方向设置在至少两个阶梯上，且设置在同一个圆弧上的单管半导体激光器设置在同一个阶梯上，以使所述多个单管半导体激光器发出的激光会聚于所述圆心位置；

所述耦合装置设置在所述圆心位置；

所述光纤的光入射端设置在所述耦合装置输出的激光会聚的位置。

可选的，所述系统还包括：热沉，该热沉至少包括两个阶梯，且每个阶梯由第一面和第二面构成，其中，每个阶梯的第一面为圆弧面，且每个阶梯的第一面为同心圆弧面；

相应地，所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，包括：

所述多个单管半导体激光器以第一预设间隔设置在所述热沉的至少两个阶梯的第一面上。

可选的，所述多个单管半导体激光器发出的激光方向分别设置快慢轴准直装置。

可选的，所述快慢轴准直装置设置在所述热沉的每个阶梯的第二面上且与所述单管半导体激光器发出的激光在同一直线上。

可选的，所述快慢轴准直装置为柱面镜，或入光面与出光面具有不同方向曲率的单透镜。

可选的，所述热沉中设置有有水冷结构或半导体致冷TEC结构。

可选的，所述耦合装置为单凸透镜或组合透镜；其中，组合透镜为平凹透镜与平凸透镜的组合透镜或凹透镜与凸透镜的组合透镜。

可选的，所述光纤的数值孔径为0.15或0.22。

可选的，所述光纤的芯径为105μm或200μm或400μm或800μm。

可选的，所述光纤为圆纤芯光纤或方纤芯光纤。

相比于现有技术，本发明的单管半导体激光光纤耦合系统，将单管半导体激光器出射光束经过柱面镜组的快、慢轴准直后，得到发散角较小的激光光束。多个发光单元在慢轴方向排布在同一半径的圆周上，光束沿圆周半径向圆心方向出射。在快轴方向上，发光单元呈阶梯状排布，且不同阶梯的出射光会聚于上述的圆心位置。这些会聚于同一点的光束经过聚焦耦合系统后，会聚于传输光纤前端面，且光束会聚角满足光纤接收角，因此光束可以在光纤中传输，从而实现大功率单管半导体密集排布的光纤耦合系统。

附图说明

图1为本发明实施例公开的一种单管半导体激光光纤耦合系统结构图；

图2为本发明实施例公开的在一个圆弧上设置单管半导体激光器示意图；

图3为本发明另一实施例公开的一种单管半导体激光光纤耦合系统结构图；

图4为本发明另一实施例公开的一种热沉结构图；

图5为本发明另一实施例公开的光路图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本实施例公开本发明提出一种单管半导体激光光纤耦合系统，包括：多个单管半导体激光器、耦合装置以及光纤；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，以使所述单管半导体激光器发出的激光沿圆弧的半径射向圆心位置；其中，所述至少两个圆弧为同心圆弧；图2示出了在一个圆弧上设置单管半导体激光器示意图；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的快轴方向设置在至少两个阶梯上，且设置在同一个圆弧上的单管半导体激光器设置在同一个阶梯上，以使所述多个单管半导体激光器发出的激光会聚于所述圆心位置；

所述耦合装置设置在所述圆心位置；

所述光纤的光入射端设置在所述耦合装置输出的激光会聚的位置。

在一个具体的例子中，如图3所示，所述系统还包括：热沉，该热沉至少包括两个阶梯，且每个阶梯由第一面和第二面构成，其中，每个阶梯的第一面为圆弧面，且每个阶梯的第一面为同心圆弧面；图4示出了一种热沉结构示意图。

相应地，所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，包括：

所述多个单管半导体激光器以第一预设间隔设置在所述热沉的至少两个阶梯的第一面上。

在一个具体的例子中，所述多个单管半导体激光器发出的激光方向分别设置快慢轴准直装置。

在一个具体的例子中，所述快慢轴准直装置设置在所述热沉的每个阶梯的第二面上且与所述单管半导体激光器发出的激光在同一直线上。

在一个具体的例子中，所述快慢轴准直装置为柱面镜，或入光面与出光面具有不同方向曲率的单透镜。

在一个具体的例子中，所述热沉中设置有有水冷结构或半导体致冷TEC结构。

在一个具体的例子中，所述耦合装置为单凸透镜或组合透镜；其中，组合透镜为平凹透镜与平凸透镜的组合透镜或凹透镜与凸透镜的组合透镜。

在一个具体的例子中，所述光纤的数值孔径为0.15或0.22。本实施例仅举例说明，并不限定光纤的数值孔径的大小。

在一个具体的例子中，所述光纤的芯径为105μm或200μm或400μm或800μm。本实施例仅举例说明，并不限定光纤的芯径的大小。

在一个的具体的例子中，所述光纤为圆纤芯光纤或方纤芯光纤。本实施例仅举例说明，并不限定光纤的种类。

上述实施例中的系统将密集排布的单管半导体激光入射至耦合聚焦系统，经聚焦系统聚焦后，光束入射至光纤前端面，并经光纤传输。当多个单管半导体激光器出射光束的中心光线以一定的会聚角入射至耦合聚焦系统时，由于会聚角的存在，使得在物空间同一位置可以允许存在更多的单管半导体激光器，因此，系统输出功率相较于现有技术可以得到数倍的提升。

上述实施例中的系统中单管半导体激光器出射光束经过柱面镜组的快、慢轴准直后，得到发散角较小的激光光束。多个发光单元在慢轴方向排布在同一半径的圆周上，光束沿圆周半径向圆心方向出射。在快轴方向上，发光单元呈阶梯状排布，且不同阶梯的出射光会聚于上述的圆心位置。这些会聚于同一点的光束经过聚焦耦合系统后，会聚于传输光纤前端面，且光束会聚角满足光纤接收角，因此光束可以在光纤中传输，从而实现大功率单管半导体密集排布的光纤耦合系统。

上述实施例中的系统中单管半导体激光器出射面镀有相应激光波长的高透膜，激光光束经过快、慢轴准直后，得到发散角较小的激光光束。将发光单元准直模块密集排布于同一半径的圆周上，光束沿圆周半径向圆心方向出射。这些具有会聚角的光束经过耦合系统聚焦后，会聚于传输光纤前端面，且光束会聚角满足光纤接收角，因此光束可以在光纤中传输，从而实现大功率单管半导体激光光纤耦合输出。

举例来说，单管半导体激光器出光面镀有相应波长的高透膜，出射光束经过快、慢轴准直后，得到发散角较小的光束。将光纤快慢轴准直装置固定于热沉上，该热沉呈阶梯弧面装，可以保证每一阶梯上的出射光束指向同一点，且不同阶梯上的出射光束指向同一点。耦合系统由平凹透镜与平凸透镜组成，平凸透镜物方焦点与上述光线会聚点重合，因此，经过平凹透镜后，得到近似平行的激光光束。该近似平行光束进过平凸透镜聚焦后，聚焦于平凸透镜像方焦点，且光纤前端面与平凸透镜像方焦点位置重合，光束入射光线满足全反射条件，实现大功率单管半导体激光的光纤耦合传输。

举例来说，耦合系统可为单凸透镜，当会聚光束透射出该单透镜后，光束会聚于单透镜像方焦点的近焦位置，且光纤前端面与该光束会聚点重合，光束入射光纤满足全反射条件，实现大功率单管半导体激光的光纤耦合传输。图5示出了本实施例中的光路图。

上述实施例中的系统的单管半导体激光器出光面镀有相应波长高透膜，出射光束经快、慢轴准直后密集排布于热沉上，位于耦合装置物空间，且单管半导体激光器的出射光束相对于耦合装置呈会聚形态。经耦合装置聚焦后，光束会聚于输出光纤的前端面，激光在光纤内传输满足全反射条件，从而实现高功率单管半导体激光光束的光纤耦合传输。

上述实施例中的系统中的单管半导体激光波长是紫外波段，或是可见光波段，或是红外波段。

上述实施例中的系统中的光纤快慢轴准直装置是分离型的柱面镜系统，或是如光面与出光面具有不同方向曲率的单透镜，或是中间具有连接结构的柱面镜系统。

上述实施例中的系统中的单管半导体激光器的密集排布方式在快轴方向是按照满足光纤接收角的入射角全角分布，或是按照满足光纤接收角的入射角下方半角分布。

上述实施例中的系统中的单管半导体激光器密集排布方式是排布于圆心位置确定的圆周面上，或是同一平面上，或是非等轴二次曲面上。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种单管半导体激光光纤耦合系统，其特征在于，包括：多个单管半导体激光器、耦合装置以及光纤；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，以使所述单管半导体激光器发出的激光沿圆弧的半径射向圆心位置；其中，所述至少两个圆弧为同心圆弧；

所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的快轴方向设置在至少两个阶梯上，且设置在同一个圆弧上的单管半导体激光器设置在同一个阶梯上，以使所述多个单管半导体激光器发出的激光会聚于所述圆心位置；

所述耦合装置设置在所述圆心位置；

所述光纤的光入射端设置在所述耦合装置输出的激光会聚的位置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：热沉，该热沉至少包括两个阶梯，且每个阶梯由第一面和第二面构成，其中，每个阶梯的第一面为圆弧面，且每个阶梯的第一面为同心圆弧面；

相应地，所述多个单管半导体激光器在所述单管半导体激光器的慢轴方向以第一预设间隔设置在至少两个圆弧上，包括：

所述多个单管半导体激光器以第一预设间隔设置在所述热沉的至少两个阶梯的第一面上。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，所述多个单管半导体激光器发出的激光方向分别设置快慢轴准直装置。

4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述快慢轴准直装置设置在所述热沉的每个阶梯的第二面上且与所述单管半导体激光器发出的激光在同一直线上。

5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述快慢轴准直装置为柱面镜，或入光面与出光面具有不同方向曲率的单透镜。

6.根据权利要求2所述系统，其特征在于，所述热沉中设置有有水冷结构或半导体致冷TEC结构。

7.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述耦合装置为单凸透镜或组合透镜；其中，组合透镜为平凹透镜与平凸透镜的组合透镜或凹透镜与凸透镜的组合透镜。

8.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤的数值孔径为0.15或0.22。

9.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤的芯径为105μm或200μm或400μm或800μm。

10.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述光纤为圆纤芯光纤或方纤芯光纤。