CN104979749B - 一种高功率半导体光纤耦合激光器及其耦合方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高功率半导体光纤耦合激光器及其耦合方法，激光二极管在相同高度水平设置，其前端设快轴准直镜FAC；慢轴准直镜SAC直接设置在底板上，为整体倾斜的平凸透镜，且沿与聚焦透镜距离由近及远每个慢轴准直镜SAC的厚度依次递减；激光二极管产生多条相同高度的光束，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，再经各自反射镜反射到聚焦透镜后聚焦到光纤上。本发明采用整体倾斜的慢轴准直镜代替阶梯热沉实现光束调整后的高度差，加工精度容易保证，减少了封装部件，降低了封装难度；所有元件在底板上水平设置，结构更加简单轻巧，体积小、重量轻、消耗材料少，且可以增加耦合的管芯数量，生产更大功率的激光器。

Description

一种高功率半导体光纤耦合激光器及其耦合方法

技术领域

本发明涉及一种激光器，尤其涉及一种无需阶梯热沉而通过倾斜慢轴准直镜SAC使光束产生高度差的高功率半导体光纤耦合激光器及其耦合方法。

背景技术

多管芯耦合技术是半导体激光器技术的一个重要的组成部分，每个单管芯的激光器经过耦合，合并成一束激光，其光束质量更好，效率更好，其耦合方法是决定大功率激光器性能的一个重要环节。

多管芯耦合技术一般包括快轴整形、慢轴整形、光束整形、聚焦和耦合等步骤。其中光束整形是将经过快慢轴调整过的光斑，按照一定的规律调整整齐，其光斑面积越小，越有利于光束耦合到光纤中。

传统的多管芯耦合技术，都是利用阶梯状热沉平台来实现光束整形中光束的高度差的，这种工艺对阶梯热沉的机械加工精度要求很高，通常在10um左右，阶梯越多，积累误差越大，导致多管芯耦合技术直接受阶梯热沉加工精度限制，且耦合管芯的数量受到局限，不能随意增加。

如申请号为201310322502.1(申请日为2013年7月29日)的中国专利，公开了“一种大功率半导体激光器耦合的光纤固定装置”，其所有衬底、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”，其耦合效果直接受台阶加工精度的影响，且采用大面积的台阶，其加工精度更难保证；申请号为201310322539.4(申请日为2013年7月29日)的中国专利公开了“一种斜面式多管半导体激光器耦合装置及方法”，其“多个激光二极管固定在底板的高平整度的倾斜不同台阶面上”，以实现“易加工、精度高”的目的，但是其结构笨重，体积大，重量和材料消耗也会大幅度增加。

发明内容

本发明提供了一种高功率半导体光纤耦合激光器，采用整体倾斜的慢轴准直镜代替阶梯热沉实现光束调整后的高度差，加工精度容易保证，减少了封装部件，降低了封装难度；所有元件在底板上水平设置，结构更加简单轻巧，体积小、重量轻、消耗材料少，且可以增加耦合的管芯数量，生产更大功率的激光器；本发明同时提供了此种激光器的耦合方法。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种高功率半导体光纤耦合激光器，包括集成在底板上的多个一一对应的激光二极管、快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和反射镜，还包括聚焦透镜和光纤，所述激光二极管在相同高度水平设置，其前端设快轴准直镜FAC；慢轴准直镜SAC直接设置在底板上，为整体倾斜的平凸透镜，且沿与聚焦透镜距离由近及远的方向每个慢轴准直镜SAC的厚度依次递减；激光二极管产生多条相同高度的光束，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，再经各自反射镜反射到聚焦透镜后聚焦到光纤上。

所述慢轴准直镜SAC倾斜角度为45～60°，上部朝向反射镜一侧倾斜。

所述聚焦透镜和慢轴准直镜SAC相互垂直设置，反射镜设置在聚焦透镜和慢轴准直镜SAC光路相交处，且与光束反射方向呈45°角设置。

所述反射镜高度不一，且其高度从低到高与对应的慢轴准直镜SAC从厚到薄一一对应。

一种高功率半导体光纤耦合激光器的耦合方法，包括如下步骤：

1)阵列芯片式COS的各激光二极管发出的光经过快轴准直镜FAC的准直后，在垂直于芯片方向变为平行光束；

2)平行光束到达慢轴准直镜SAC，由于各慢轴准直镜SAC的厚度不同，不仅会对平行光束在慢轴方向的发散角进行约束，还会在垂直方向产生一个偏移量，使经过慢轴准直镜SAC的光束形成高度不同的多束平行光束；

3)多束平行光束经过各自对应且呈45°设置的反射镜反射，光束偏转90°后到达聚焦透镜，并且相互叠加形成一个近似长方形的光斑，最后聚焦在光纤上完成耦合。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

采用整体倾斜的慢轴准直镜代替阶梯热沉实现光束调整后的高度差，加工精度容易保证，减少了封装部件，降低了封装难度；所有元件在底板上水平设置，结构更加简单轻巧，体积小、重量轻、消耗材料少，且可以增加耦合的管芯数量，生产更大功率的激光器。

附图说明

图1是本发明所述激光器的结构示意图。

图2a是常规慢轴准直镜SAC的结构示意图。

图2b是本发明所述慢轴准直镜SAC的结构示意图。

图3是光束经过本发明所述慢轴准直镜SAC后的折射效果示意图。

图中：1.底板 2.基座 3.热沉平台 4.激光二极管 5.快轴准直镜FAC 6.慢轴准直镜SAC 7.反射镜 8.聚焦透镜 9.陶瓷片 10.光纤

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

见图1，是本发明所述高功率半导体光纤耦合激光器的结构示意图，本发明一种高功率半导体光纤耦合激光器，包括集成在底板1上的多个一一对应的激光二极管4、快轴准直镜FAC 5、慢轴准直镜SAC 6和反射镜7，还包括聚焦透镜8和光纤10，所述激光二极管4在相同高度水平设置，其前端设快轴准直镜FAC 5；慢轴准直镜SAC 6直接设置在底板1上，为整体倾斜的平凸透镜，且沿与聚焦透镜8距离由近及远的方向每个慢轴准直镜SAC 6的厚度依次递减；激光二极管4产生多条相同高度的光束，经过各自的快轴准直镜FAC 5、慢轴准直镜SAC 6后产生高低不同的平行光束，再经各自反射镜7反射到聚焦透镜8后聚焦到光纤10上。

所述慢轴准直镜SAC 6倾斜角度为45～60°，上部朝向反射镜7一侧倾斜。

所述聚焦透镜8和慢轴准直镜SAC 6相互垂直设置，反射镜7设置在聚焦透镜8和慢轴准直镜SAC 6光路相交处，且与光束反射方向呈45°角设置。

所述反射镜7高度不一，且其高度从低到高与对应的慢轴准直镜SAC 6从厚到薄一一对应。

一种高功率半导体光纤耦合激光器的耦合方法，包括如下步骤：

1)阵列芯片式COS的各激光二极管4发出的光经过快轴准直镜FAC 5的准直后，在垂直于芯片方向变为平行光束；

2)平行光束到达慢轴准直镜SAC 6，由于各慢轴准直镜SAC 6的厚度不同，不仅会对平行光束在慢轴方向的发散角进行约束，还会在垂直方向产生一个偏移量，使经过慢轴准直镜SAC 6的光束形成高度不同的多束平行光束；

3)多束平行光束经过各自对应且呈45°设置的反射镜7反射，光束偏转90°后到达聚焦透镜8，并且相互叠加形成一个近似长方形的光斑，最后聚焦在光纤10上完成耦合。

本发明利用改变慢轴准直镜SAC 6的倾斜角度来改变光的传播路径，通过调整慢轴准直镜SAC 6的厚度实现光束在垂直方向的位移改变，从而使得水平排列的激光二极管4光束经过慢轴准直镜SAC 6后产生高度差，然后经过反射镜7反射，在聚集透镜8上得到想要的光斑图像。

本发明避免了使用阶梯状热沉台带来的加工成本高、加工精度要求严格，累计误差影响产品性能等缺点，并为更多管芯的激光二极管4光束整形提供了可靠保证，同时也降低了更高功率半导体激光器的制造门槛。

根据光的折射原理，一束光非垂直入射穿过一个两侧表面平行的介质时，光的传播路径将发生平移，且光束平移的距离与入射角、介质的折射率和光在介质中传播的距离有关。根据光的这个特性，本发明将常规直立的慢轴准直镜SAC 6整体倾斜一定角度，当激光二极管4发射的光非垂直入射慢轴准直镜SAC 6时，可以使光束沿垂直方向平移一定的距离。同时由于每个慢轴准直镜SAC6的厚度不同，使每个光束经过对应慢轴准直镜SAC 6后的位移量不同，因此产生一定的高度差。

如图2a所示，常规慢轴准直镜SAC的结构由两部分组成，其中部分I是为了方便夹持，部分II是为了使光束汇聚，实现慢轴整形的作用。如图2b所示，本发明所述慢轴准直镜SAC 6的结构，其整体倾斜一定的角度，部分I的作用除了方便夹持外，根据其厚度的不同，光束射到其表面并穿过慢轴准直镜SAC 6时会产生一个向下平行的偏移量ΔZ(如图3所示)，且偏移量为

式中：d--慢轴准直镜SAC 6的水平厚度；

α--慢轴准直镜SAC 6的倾斜角；

n—慢轴准直镜SAC 6的折射率；

其推导过程为：

L＝dcos(90°-σ)＝dsina

m＝L/cosβ

ΔZ＝msin(90°-a-β)＝mcos(a+β)＝Lcos(a+β)/cosβ

＝L(cosacosβ-sinasinβ)/cosβ

n＝sin(90°-a)/sinβ

式中：L为慢轴准直镜SAC 6的法向长度；

m为光线在慢轴准直镜SAC 6内的折射段长度。

偏移量ΔZ即是激光二极管4发出光束产生的纵向偏移量，也就是传统设计中采用阶梯热沉实现的高度差。

以下实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。下述实施例中所用方法如无特别说明均为常规方法。

【实施例】

如图1所示，本实施例中高功率半导体光纤耦合激光器中平行设有三个激光二极管4，其下方设有散热用的金属热沉平台3，并通过基座2固定在底板1上使其达到设计高度；每个激光二极管4都有一个对应的快轴准直镜FAC 5、慢轴准直镜SAC 6和反射镜7；所有激光二极管4都水平放置，每个激光二极管4之间间隔一定的间距。

激光二极管4发出的未经调制的光束是发散的，会向快轴、慢轴方向发散，将快轴准直镜FAC 5放置在激光二极管4前方，调制后的光束在快轴方向的发散角会受到约束。在快轴准直镜FAC 5透镜前方放置慢轴准直镜SAC 6，其整体倾斜45°，且每个慢轴准直镜SAC6的厚度是不一样的，距离聚焦透镜8近的一侧放置最厚的慢轴准直镜SAC 6，然后依次从厚到薄放置。慢轴准直镜SAC 6不仅会约束光束慢轴方向的发散角，而且会给光束一个水平方向的平移量。

按照慢轴准直镜SAC 6从厚到薄的顺序，依次对应放置从低到高的反射镜7，反射镜7与光束方向成45°角放置，这样经过快轴准直镜FAC 5、慢轴准直镜SAC 6准直后的光束，再经过反射镜7反射后，光路会偏转90°，并使得激光二极管4发射出的光，水平方向重合，垂直方向有一定的高度差。经过这样的一系列光束整形，原来一字水平排列的光束，互相叠加成了一个近似的长方形光斑。

在反射镜7反射光路的前方，放置一个聚焦透镜8，使经过光束整形后的光束聚焦，最后，调整光纤10的位置，并通过陶瓷片9调整光纤10的高度，使光束进入到光纤10中完成耦合。

本实施例中，高功率半导体光纤耦合激光器的封装过程为：

1)二次贴片

将焊料涂在水平的热沉平台3上，把要耦合的激光二极管4放在焊料上，加热固化，在电极以及激光二极管4间打线，使之供电后可以点亮激光二极管4；

2)粘贴快轴准直镜FAC 5

将快轴准直镜FAC 5粘贴在激光二极管4上，调整快轴准直镜FAC 5的位置和方向，使光斑在快轴方向上的发散角度最小，调整后将快轴准直镜FAC 5进行预固化；

3)粘贴慢轴准直镜SAC 6

按照顺序依次把倾斜的、不同厚度的慢轴准直镜SAC 6固定在壳体底板1上，调整位置和方向使光斑在慢轴方向的发散度最小，同时光束经过不同厚度的慢轴准直镜SAC 6折射后，产生一个垂直方向上的位移量，预固化慢轴准直镜SAC 6；

4)粘贴反射镜7

按照与慢轴准直镜SAC 6镜片厚度对应的顺序摆放反射镜7，最低的反射镜7对应最厚的慢轴准直镜SAC 6，这样光束经过慢轴准直镜SAC 6后产生的高度差，可以与反射镜7本身的高度差相配合，既不互相遮挡，又可以完全反射。调节位置和方向使激光二极管4发射出的光斑经过快轴准直镜FAC 5、慢轴准直镜SAC 6、反射镜7后，在聚焦透镜8上呈现出想要的光斑图像；

5)光纤耦合

固定陶瓷片9，调整光纤10的位置和方向，在光纤10尾端连接功率检测设备，先用小电流输出，直到输出功率满足要求后固定光纤10；再输入大电流检测，确保输出功率达到要求后，对壳体内所有部件进行加固处理。

Claims (5)

1.一种高功率半导体光纤耦合激光器，包括集成在底板上的多个一一对应的激光二极管、快轴准直镜FAC、慢轴准直镜SAC和反射镜，还包括聚焦透镜和光纤，其特征在于，所述激光二极管在相同高度水平设置，其前端设快轴准直镜FAC；慢轴准直镜SAC直接设置在底板上，为整体倾斜的平凸透镜，且沿与聚焦透镜距离由近及远的方向每个慢轴准直镜SAC的厚度依次递减；激光二极管产生多条相同高度的光束，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，再经各自反射镜反射到聚焦透镜后聚焦到光纤上。

2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体光纤耦合激光器，其特征在于，所述慢轴准直镜SAC倾斜角度为45～60°，上部朝向反射镜一侧倾斜。

3.根据权利要求1所述的一种高功率半导体光纤耦合激光器，其特征在于，所述聚焦透镜和慢轴准直镜SAC相互垂直设置，反射镜设置在聚焦透镜和慢轴准直镜SAC光路相交处，且与光束反射方向呈45°角设置。

4.根据权利要求1所述的一种高功率半导体光纤耦合激光器，其特征在于，所述反射镜高度不一，且其高度从低到高与对应的慢轴准直镜SAC从厚到薄一一对应。

5.根据权利要求1所述的一种高功率半导体光纤耦合激光器的耦合方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)阵列芯片式COS的各激光二极管发出的光经过快轴准直镜FAC的准直后，在垂直于芯片方向变为平行光束；

2)平行光束到达慢轴准直镜SAC，由于各慢轴准直镜SAC的厚度不同，不仅会对平行光束在慢轴方向的发散角进行约束，还会在垂直方向产生一个偏移量，使经过慢轴准直镜SAC的光束形成高度不同的多束平行光束；

3)多束平行光束经过各自对应且呈45°设置的反射镜反射，光束偏转90°后到达聚焦透镜，并且相互叠加形成一个近似长方形的光斑，最后聚焦在光纤上完成耦合。