CN105071224A - 一种激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器，包括基板，基板上设置有第一阶梯部、第二阶梯部、第一平板部、第二平板部和隔板，第一阶梯部包括多个呈阶梯状分布的第一台阶和第二台阶，第一阶梯部包括多个呈阶梯状分布的第三台阶和第四台阶；每个第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上均设置有激光芯片；多个光耦合组件，分别将多个激光芯片所发射的光束各自耦合形成第一、第二、第三和第四光束；偏振合束器，将第一、第二、第三和第四光束合束形成合束激光；压束器，对合束激光进行压束；聚焦透镜，对压束后的合束激光聚焦输出。通过上述方式，本发明通过简单的光路耦合输出高功率的激光，结构简单，易于生产。

Description

一种激光器

技术领域

本发明涉及激光处理技术领域，特别是涉及一种激光器。

背景技术

随着市场对光纤激光器的功率和效率的要求不断提高，作为光纤激光器的核心部件的半导体激光器也朝着功率更高、寿命更长、成本更低的方向发展。

目前，传统的高功率半导体激光器大多采用多条封装好的BAR条半导体激光器耦合输出高功率的激光，但是多条封装好的BAR条半导体激光器耦合输出高功率的激光至少存在如下几个问题：

1.由于BAR条半导体激光器基本上是cm级的阵列，若将多条BAR条半导体激光器的激光耦合进入200μm的光纤，则需要非常复杂的光学耦合系统，耦合工艺难度大、耦合效率低并且成本也非常高。

2.需要较大的驱动电流大，由于百瓦级的单条BAR条半导体激光器都需要数十安培甚至上百安培的驱动电流，则多条封装好的BAR条半导体激光器藕合则需要数倍于十安培或者百安培的驱动电流。

3.由于BAR条半导体激光器的效率较低，在相同功率输出的条件下其会产生更多的热量，使得高功率半导体激光器容易出散热不及时、热应力集中等缺陷。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种激光器，其能够输出高功率的激光，并且结构简单，易于生产；另外，还有效地避免了激光芯片之间的热和杂散光干扰，提高激光器的可靠性。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种激光器，包括基板，所述基板上设置有第一阶梯部、第二阶梯部、第一平板部、第二平板部，所述第一阶梯部包括第一安装部、第二安装部和第一合束部，所述第一安装部、第二安装部分别包括多个呈阶梯状分布的第一台阶和第二台阶，所述第二阶梯部包括第三安装部、第四安装部和第二合束部，所述第三安装部、第四安装部分别包括多个呈阶梯状分布的第三台阶和第四台阶，所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上均设置有激光芯片；

多个光耦合组件，均设置于所述第一合束部、第二合束部，并且分别与所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片相对设置，用于将所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片所发出的光线各自耦合成第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；偏振合束器，设置于第一平板部；第一光学组件，设置于第一平板部并且位于任一所述光耦合组件的前方，用于接收所述第一光束或第二光束并改变其传输方向以入射至所述偏振合束器；第二光学组件，设置于第二平板部上并且位于所述光耦合组件的前方，用于接收第三光束或第四光束并改变该两束光束的传输方向以入射至所述偏振合束器；所述偏振合束器，还位于所述第一光学组件相对的所述光耦合组件的前方，用于将接收到的第一光束、第二光束、第三光束以及第四光束合束，以形成合束激光；压束器，位于所述偏振合束器的前方，用于对所述合束激光进行压束处理；聚焦透镜，位于所述压束器的前方，用于对所述合束激光进行聚焦输出。

其中，所述激光器还包括：隔板，其中，所述第一阶梯部和第一平板部位于所述隔板的一侧，所述第二阶梯部和第二平板部位于所述隔板的另一侧，所述隔板设置有窗口，所述窗口对应所述偏振合束器和第二光学组件。

其中，所述压束器包括平凸镜和平凹镜；所述平凸镜和平凹镜均设置于第一平板部，并且所述平凸镜位于所述偏振合束器的前方，所述平凹镜位于所述平凸镜的前方。

其中，所述压束器的压束比为平凸镜与平凹镜之间的焦距比与预定比例系数之积。

其中，所述激光器还包括：滤波片，设置于所述第一平板部并且位于所述压束器与所述聚焦透镜之间。

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激光芯片。

其中，每个所述光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片所发出的光线分别依次经过相对的所述快轴准直透镜和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、第二光束、第三光束和第四光束。

其中，所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶的高度分别大于各自的激光芯片发出的光线经过所述快轴准直透镜后的垂直方向光束的光斑最大尺寸。

其中，所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片之间串联连接。

其中，所述基板、第一阶梯部、第二阶梯部、第一平板部、第二平板部和隔板为一体成型的，并且均为铜。

其中，所述第二光学组件为反射镜，所述第一光学组件为潜望镜。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，在本发分别将多个激光芯片呈四排交叉梯度分布基板的第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶，通过多个光耦合组件将多个激光芯片所发射的光束各自耦合形成第一、第二、第三和第四光束，偏振合束器将第一、第二、第三和第四光束合束形成合束激光，压束器对合束激光进行压束，通过聚焦透镜进行聚焦后输出，综上所述，本发明激光器通过简单的光路耦合输出高功率的激光，结构简单，易于生产；另外，本发明充分基板的空间布设用于光路耦合的元件器，使激光器的结构更紧凑，体积更小；进一步的，基板上还设置有隔板，隔板将第一台阶和第二台阶上的激光芯片以及间隔在一侧，以及，将第三台阶和第四台阶上的激光芯片间隔在另一侧，能够有效地避免了激光芯片之间的热和杂散光干扰，提高激光器的可靠性。

附图说明

图1是本发明激光器实施方式的立体示意图；

图2是本发明激光器实施方式的府视图；

图3是本发明激光器实施方式中光路合束的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进行详细说明。

请参阅图1～图3，激光器20包括基板21、多个光耦合组件24、偏振合束器25、第一光学组件26、第二光学组件27、压束器28和聚焦透镜29。

基板21上设置有第一阶梯部211、第二阶梯部212、第一平板部213和第二平板部214，第一阶梯部211包括第一安装部2111、第二安装部2112和第一合束部2113，第一安装部2111和第二安装部2112分别包括多个呈阶梯状分布的第一台阶(未标示)和二台阶(未标示)，第二阶梯部212包括第三安装部2121、第四安装部2122和第二合束部2123，第三安装部2121和第四安装部2122分别包括多个呈阶梯状分布的第三台阶(未标示)和第四台阶(未标示)。每个第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶的每阶阶梯上均设置有激光芯片22，并激光芯片22呈交叉梯度分布。

多个光耦合组件24均设置于第一合束部2113和第二合束部2123，并且分别与第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶的激光芯片22相对设置，分别用于将第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片22所发出的光线各自耦合成第一光束、第二光束、第三光束和第四光束。在本实施方式中，优选的，第一合束部2113位于第一安装部2111和第二安装部2112之间,第二合束部2123位于第三安装部2121和第四安装部2122之间,多个光耦合组件24在第一合束部2113和第二合束部2123上交错设置，大大缩小激光器20的体积，使得激光器的整体结构更小巧紧凑，有利于激光器20的小型化。

偏振合束器25设置于第一平板部213。第一光学组件26设置于第一平板部213并且位于任一光耦合组件24的前方，用于接收第一光束或者第二光束并改变其传输方向以入射至偏振合束器25。第二光学组件27设置于第二平板部214，用于接收第三光束和第四光束并改变其传输方向，以入射至偏振合束器25。偏振合束器25还用于将接收到的第一光束、第二光束、第三光束和第四光束合束，以形成合束激光。在本实施方式中，多个光耦合组件24分成四排设置，并分别与第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片相对设置。

压束器28位于偏振合束器25的前方，用于对合束激光进行压束处理。聚焦透镜29位于压束器28的前方，用于对合束激光进行聚焦输出。具体的，压束器28包括平凸镜281和平凹镜282，平凸镜281和平凹镜282均设置于第一平板部213，并且平凸镜281位于偏振合束器25的前方，平凹镜282位于平凸镜281的前方。平凸镜281和平凹镜282构成的压束器28对合束激光进行水平方向的压束，其压束倍数为平凸镜281和平凹镜282的焦距之比与预定比例系数之积，其中，预定比例系数为非零的实数。在本实式方式中，优选的，预定比例系数优选为1.58，在此设置下能有效平衡聚焦光斑的直径和NA值并且降低耦合工艺难度；平凸镜281为非球面平凸柱透镜，平凹镜282为非球面的平凹柱透镜，平凸镜281的焦距为20毫米，平凹镜282的焦距为12.7毫米。

每个光耦合组件24均包括快轴准直透镜242、慢轴准直透镜243和反射片241，第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片22所发出的光线先经过快轴准直透镜242和慢轴准直透镜243分别准直后，然后通过反射片241反射并形成第一光束、第二光束、第三光束和第四光束。

进一步的，第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶的高度分别大于各自上的激光芯片22发出的光线经过快轴准直透镜242后的垂直方向光束的光斑最大尺寸，从而使得各激光芯片22所输出的光束分别经过光耦合组件24后，在垂直空间上重叠而不重合，进而形成第一光束、第二光束、第三光束和第四光束。

为了降低驱动激光器的驱动电流，第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片22之间串联连接。这种串联的结构能够降低驱动电流，从而使得激光器20的整体驱动电流小，降低了激光驱动电源的要求。

为了避免了激光芯片之间的热和杂散光干扰，激光器还包括隔板215，其中，第一阶梯部211和第一平板部213位于隔板215的一侧,第二阶梯部212和第二平板部214位于隔板215的另一侧。隔板215设置有窗口2151，窗口2151对应偏振合束器25和第二光学组件27。第三光束和第四光束从窗口2151穿过，入射至偏振合束器25。通过隔板215将形成第一光束的多个光耦合组件24和位于第一台阶上的激光芯片，以及，形成第二光束的多个光耦合组件24和位于第二台阶上的激光芯片间隔在一侧；将形成第三光束的多个光耦合组件24和位于第三台阶上的激光芯片，以及，形成第四光束的多个光耦合组件24和位于第四台阶上的激光芯片间隔在另一侧，能够有效地避免了激光芯片之间的热和杂散光干扰，提高激光器20的可靠性。为了提高激光器20的散热性，优选的，基板21、第一阶梯部211、第二阶梯部212、第一平板部213、第二平板部214和隔板215为一体成型的，并且均为铜，激光芯片通过焊锡焊接在第一、第二、第三和第四台阶上，由于铜的散热效果好，有利于提高对激光芯片的散热效果，另外，铜的硬度也较高，能够提高激光器20的机械结构的稳定性。在本实施方式中，第二光学组件27为反射镜，第一光学组件26为潜望镜，采用了潜望镜和反射镜，将第二、第三、第四光束入射至偏振合束器25，避免采用折叠反射镜组等复杂结构，有利于节省空间。

为了避免输出至光纤的激光返回激光器20，损伤激光器20，激光器20还包括滤波片30，滤波片30设置于第一平板部213并且位于压束器28与聚焦透镜29之间。在本实施方式中，优选为的，滤波片30为防1064nm激光穿透的滤波片30，以避免用做泵浦时激发的1064nm激光沿原路返回损伤激光芯片22。

需要说明的是：本发明采用单个激光芯片发光，并且聚焦透镜29、光耦合组件24的快轴准直镜242均采用非球面结构，有效的降低了光路中的像差，使得整体耦合效率更高。

当然，为了更好地保护激光器20，激光器20还可以包括罩体(图未示)，罩体盖罩在基板21上，其中，激光芯片、偏振合束器25、压束器28、聚焦透镜29、第一光学组件26、第二光学组件27和滤波片30均位于罩体内。

为了让读者更好的地理解本发明，以下举例进行说明。其中，激光芯片分成四排，分别为第一激光芯片、第二激光芯片、第三激光芯片和和第四激光芯片，其中，第一激光芯片、第二激光芯片、第三激光芯片和和第四激光芯片分别位于第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上，并且第一激光芯片、第二激光芯片、第三激光芯片和第四激光芯片的数量均为N个，共4*N个，N为大于等于1的正整数。光耦合组件24也分成四排，分别为第一、第二、第三、和第四光耦合组件，第一、第二光耦合组件位于第一光合束部，并且第一、第二光耦合组件分别与第一、第二台阶上的激光芯片相对应，第三、第四光耦合组件位于第二光合束部，并且第三、第四光耦合组件分别与第三、第四台阶上的激光芯片相对应,偏振合束器位于第一光耦合组件的前方，直接接收第一光耦合组件耦合出来的第一光束，第二光耦组件耦合出来的第二光束通过第一光学组件入射偏振合束器，第三、第四光耦合组件耦合出来的第三、第四光束通过第二光学组件入射至偏振合束。

第一激光芯片、第二激光芯片、第三激光芯片和第四激光芯片的发光尺寸优选为100*1微米，每个激光芯片发射的光会变成宽、高为定值的矩形平行光束，N个第一、第二、第三、第四激光芯片的光束重叠后，形成宽、高为较大第一、第二、第三、第四光束。其中，第一、第二、

第三、第四光耦合组件的慢轴准直镜的垂轴放大率优选为1.9，第一、第二、第三、第四光耦合组件的快轴准直镜的快轴垂轴放大率优选为50，则第一、第二、第三、第四光束合束后输出至光纤时，在光纤端面形成一个的矩形光斑，NA值小于光纤直径。通过本发明的光路结合空间合束和偏振合束方法，实现在相同孔径的光纤输出下激光强度放大4倍，功率从nW提高到4*nW，n为大于等于12的正整数。

值得说明的是：以上只是举例说明四排激光芯片所发射光束合束形成高功率的合束激光，并不是为限定只能通过四排激光芯片合束形成高功率的合束激光，本领域的技术人员也可以根据本发明的技术思想扩展至六排、八排、十排等等更多排数的激光芯片所发射的光束合束形成更高功率的合束激光。

在本发明实施方式中，分别将多个激光芯片呈四排交叉梯度分布基板的第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶，通过多个光耦合组件将多个激光芯片所发射的光束各自耦合形成第一、第二、第三和第四光束，偏振合束器将第一、第二、第三和第四光束合束形成合束激光，压束器对合束激光进行压束，通过聚焦透镜进行聚焦后输出，综上所述，本发明激光器通过简单的光路耦合输出高功率的激光，结构简单，易于生产；另外，本发明充分基板的空间布设用于光路耦合的元件器，使激光器的结构更紧凑，体积更小；进一步的，基板上还设置有隔板，隔板将第一台阶和第二台阶上的激光芯片以及间隔在一侧，以及，将第三台阶和第四台阶上的激光芯片间隔在另一侧，能够有效地避免了激光芯片之间的热和杂散光干扰，提高激光器的可靠性。

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变换，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 (11)

1.一种激光器，其特征在于，包括：

基板，所述基板上设置有第一阶梯部、第二阶梯部、第一平板部、第二平板部，所述第一阶梯部包括第一安装部、第二安装部和第一合束部，所述第一安装部、第二安装部分别包括多个呈阶梯状分布的第一台阶和第二台阶，所述第二阶梯部包括第三安装部、第四安装部和第二合束部，所述第三安装部、第四安装部分别包括多个呈阶梯状分布的第三台阶和第四台阶，所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上均设置有激光芯片；

多个光耦合组件，均设置于所述第一合束部、第二合束部，并且分别与所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片相对设置，用于将所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片所发出的光线各自耦合成第一光束、第二光束、第三光束和第四光束；

偏振合束器，设置于所述第一平板部；

第一光学组件，设置于第一平板部并且位于所述光耦合组件的前方，用于接收所述第一光束或第二光束并改变其传输方向以入射至所述偏振合束器；

第二光学组件，设置于第二平板部上并且位于所述光耦合组件的前方，用于接收第三光束或第四光束并改变该两束光束的传输方向以入射至所述偏振合束器；

所述偏振合束器，还位于所述第一光学组件相对的所述光耦合组件的前方，用于将接收到的第一光束、第二光束、第三光束以及第四光束合束，以形成合束激光；

压束器，位于所述偏振合束器的前方，用于对所述合束激光进行压束处理；

聚焦透镜，位于所述压束器的前方，用于对所述合束激光进行聚焦输出。

2.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，

所述激光器还包括：隔板，其中，所述第一阶梯部和第一平板部位于所述隔板的一侧，所述第二阶梯部和第二平板部位于所述隔板的另一侧，所述隔板设置有窗口，所述窗口对应所述偏振合束器和第二光学组件。

3.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，

所述压束器包括平凸镜和平凹镜；

所述平凸镜和平凹镜均设置于第一平板部，并且所述平凸镜位于所述偏振合束器的前方，所述平凹镜位于所述平凸镜的前方。

4.根据权利要求3所述的激光器，其特征在于，

所述压束器的压束比为平凸镜与平凹镜之间的焦距比与预定比例系数之积。

5.根据权利要求1所述的激光器，其特征在于，

所述激光器还包括：

滤波片，设置于所述第一平板部并且位于所述压束器与所述聚焦透镜之间。

6.根据权利要求5所述的激光器，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激光芯片。

7.根据权利要求1～6任意一项所述的激光器，其特征在于，

每个所述光耦合组件均包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜和反射片，第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片所发出的光线分别依次经过相对的所述快轴准直透镜和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、第二光束、第三光束和第四光束。

8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，

所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶的高度分别大于各自的激光芯片发出的光线经过所述快轴准直透镜后的垂直方向光束的光斑最大尺寸。

9.根据权利要求1～6任意一项所述的激光器，其特征在于，

所述第一台阶、第二台阶、第三台阶和第四台阶上的激光芯片之间串联连接。

10.根据权利要求1～6任意一项所述的激光器，其特征在于，

所述基板、第一阶梯部、第二阶梯部、第一平板部、第二平板部和隔板为一体成型的，并且均为铜。

11.根据权利要求1～6任意一项所述的激光器，其特征在于，

所述第二光学组件为反射镜，所述第一光学组件为潜望镜。