CN105629390B - 一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法，通过慢轴优先设计，在快轴方向上进行空间合束，从而得到大功率高亮度的光纤耦合半导体激光器输出。慢轴优先设计时，根据BPP_s ²≤BPP² _max/2计算出最大单管数n_max，根据计算出的n_max，反算出此时短巴条慢轴光束参数积BPP_s，结合耦合光纤的最大BPP_max，根据,计算出快轴方向上最大光束参数积BPP_f，从而反算出快轴方向上最大巴条数m_max。

Description

一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器光纤耦合技术领域，尤其涉及一种大功率高亮度慢轴优先光纤耦合半导体激光器及其制造方法。

背景技术

大功率半导体激光器由于其体积小、重量轻、效率高、寿命长、光谱线窄等优点，在加工、医疗、泵浦、相控、军事等各个领域得到了广泛的应用，近年来，在激光加工领域，已经尝试采用大功率高亮度的千瓦级半导体激光器取代千瓦级光纤激光器和CO₂激光器进行金属材料的切割。

为了得到大功率高亮度的光纤耦合半导体激光器，目前国际上主要有三种技术路线。一种是基于大功率堆栈技术，一种是基于多个长巴条技术，一种是基于多个单管技术。

对于大功率堆栈技术而言，由于受限于堆栈封装技术，每个巴条的指向一致性差，严重影响了光束质量，亮度大大受到抑制。而对于基于多个长巴条技术而言，虽然克服了巴条的指向性问题，但其需要对光束进行整形，需要辅以整形单元，所以结构上变复杂，对称光束质量设计变复杂。所以，越来越多的研究者选择采用基于多个单管进行快轴空间合束的技术实现大功率高亮度。

然而，现有技术中，对于基于多个单管或短巴条的合束进行光纤耦合的技术，基本上都是基于快慢轴对称光束质量进行设计。但是，经过本申请团队研究发现，这种设计还存在优化的可能。在简化结构的基础上，还能够进一步提高发光亮度，本发明正是提供这样一种基于多个单管或短巴条半导体激光器，通过慢轴优先设计，最优化选择单管数量和快轴合束方向上短巴条数量来实现最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器。

对于如上所述的光束质量而言，通常采用M²因子来评判。M²因子指的是实际光束的束腰半径乘以实际光束的远场发散角(或者基膜高斯光束的束腰半径乘以基膜发散角)，而在某个方向上的光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积通常用光束参数积BPP(beamparameter product，简称BPP，单位常常取mm·mrad)表示。光束参数积衍射极限(或称为基模)光的M²因子为1，高阶模则远远大于1。

目前市售短巴条发光宽度一般为80～100μm，中心间距为500μm，发散角全角为10°，光束质量为多模。快轴方向的发光宽度为1～2μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限。对于半导体激光器，通常规定垂直于pn结平面方向为快轴方向，平行于pn结平面方向为慢轴方向。

对于快轴方向，由于是基模，因此其快轴参数积BPP_f为λ/π，λ为光束波长。

对于常用980nm短巴条半导体激光器的单管，其慢轴方向的光束质量比快轴差了至少一个数量级。即，其慢轴的光束质量相当于十多个单管在快轴方向上的叠加。

对于耦合光纤，设光纤半径为r，对应的接受角为α，则理论上可耦合进光纤的最大光束参数积BPP_max为rα。

对于合束的激光光束阵列，光束阵列的合束光束参数积BPP_spot与快轴光束参数积BPP_f和慢轴光束参数积BPP_s形成椭圆关系，即：，根据光束阵列的光束参数积BPP_spot不大于光纤的最大光束参数积BPP_max的光纤耦合原则，满足

BPP_spot≤BPP_max的关系。

现有技术中，此时，基本上都是按照快轴、慢轴对称的方式对快轴和慢轴方向上可容纳的单管数进行设计的，即BPP_s ²≤BPP² _max/2，BPP_f ²≤BPP² _max/2，然后根据该公式反算出快轴可容纳的单管数量。然而，根据该计算方式计算出的单管数量往往很粗糙，其并非最优配置结果。

以上述常用980nm短巴条半导体激光器的单管为例，由于合束光束阵列的慢轴光束参数积BPP_s只能是单管的慢轴光束参数积BPP_s0的整数倍。单管慢轴光束参数积BPP_s0约为4.37mm·mrad，而对于芯径为100μm，孔径为0.22的耦合光纤，其可接受最大光束参数积BPP_max为11mm·mrad，因此快慢轴最大的光束参数积BPP_f、BPP_s可以达到然而，在这样的设计中，单管慢轴方向只能有一个单管，此时可选择的光束阵列的慢轴光束参数积BPP_s只能是4.37mm·mrad，远小于按照对称方式计算的如果仍然按照对称方式设计，则快轴也选择 此时的光束阵列的光束参数积BPP_spot只能为：远小于光纤的最大光束参数积BPP_max＝11mm·mrad，因此此设计并非最优化设计，存在很大提升空间。

此时，如果在根据BPP_s ²≤BPP² _max/2原则下结合每个单管的慢轴光束参数积BPP_so确定慢轴单管个数然后确定合束光束的慢轴光束参数积BPP_s后，我们在快轴方向上如果不按对称原则计算快轴的BPP_f，而是按照椭圆关系：来确定，就可以选择更大的BPP_f。这就意味着在快轴方向上能够容纳更多的单管激光器，从而提高光纤输出的亮度和功率。这就是我们发明团队提出的慢轴优先设计法的核心思想。

还以上述常用980nm短巴条半导体激光器的单管为例，还是选用上述100μm/0.22的耦合光纤，如果用对称设计法，光束阵列快轴的最大光束参数积BPP_f为7.77mm·mrad，而使用上述慢轴优先法设计得到的光束阵列快轴的最大光束参数积BPP_f远大于7.77，为此时快轴方向可以排列更多的单管，从而提高光纤输出的亮度和功率。

发明内容

鉴于上述技术问题，本发明目的在于提供一种结构简单、实现最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器及其制造方法。

具体的，本发明提供一种光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，提供激光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数)个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器构成，每个短巴条半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数)个单管半导体激光器，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜、慢轴准直镜和平板玻璃，所述短巴条半导体激光器发射的激光束经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃上的反射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜和耦合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经过快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜后射入耦合光纤；其中，所述单管半导体激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直镜设置于单管半导体激光器的出射端，所述m个短巴条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述n个单管半导体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平高度，对于给出的耦合光纤，根据其芯径和孔径，确定其可接收光束的最大光束参数积BPP_max，根据BPP_s ²≤BPP² _max/2,计算出慢轴方向上最大光束参数积BPP_s，并且根据短巴条里的每个单管激光器慢轴方向的光束参数积BPP_s0，计算出每个短巴条半导体激光器最大单管数量n_max，根据计算出的n_max，反算出此时短巴条的慢轴实际光束参数积BPP_s，结合所述耦合光纤的最大光束参数积BPP_max，计算出快轴方向上最大光束参数积BPP_f，根据该快轴方向上最大光束参数积BPP_f，以及每个短巴条在快轴方向的光束参数积BPP_f0，反算出快轴方向上最大巴条数m_max。

如上述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述单管半导体激光器为相同波长相同偏振态的单管半导体激光器。

如上述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述光束阵列在快轴或慢轴方向上通过所述缩束器或扩束器进行缩束或扩束，以调整所述光束阵列的尺寸和发散角。

如上述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述快轴和慢轴采用不同的所述聚焦透镜进行聚焦。

如上述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，采用对称的聚焦透镜对快轴和慢轴方向同时聚焦。

本发明还提供一种半导体激光器，采用如上述光纤耦合半导体激光器的制造方法制造。

根据本发明，可以以很简单的结构，简单的设计得到大功率高亮度的光纤耦合半导体激光输出。如果对偏振态和多个波长进行设计，能够进一步提高发光功率。

附图说明

图1是示出本发明一实施方式的基于多个短巴条半导体激光器的单波长、单偏振的快轴合束的光纤耦合模块示意图。

实施方式

下面将参照附图结合本发明具体实施方式，对本发明作出详细描述。本领域技术人员应该懂得，该描述是示例性的，本发明并不限于该实施方式中。

图1是示出本发明一实施方式的基于多个短巴条半导体激光器的单波长、单偏振的快轴合束的光纤耦合模块示意图。

如图1所示，本发明提供的慢轴优先半导体激光器及其制造方法中，提供激光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数，本实施例中，为计算方便，取值为20个)个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器11构成，每个短巴条半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数，本实施例中，单管相距500微米，n取值为2)个单管半导体激光器，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜12、慢轴准直镜13和平板玻璃14，所述短巴条半导体激光器11发射的激光束经过所述快轴准直镜12和所述慢轴准直镜13后，射入粘接于平板玻璃上的反射棱镜15上，每路光束经过不同高度(本实施方式中，高度差设计为1mm)的所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器(为图面简化，图中和扩束器均标记为16)、慢轴扩束器16(为图面简化，图中和缩束器均标记为16)、聚焦透镜17和耦合光纤18，所述反射棱镜15反射的光线先后经过快轴缩束器16、慢轴扩束器16、聚焦透镜17后射入耦合光纤18；其中，所述单管半导体激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直镜设置于单管半导体激光器的出射端，所述m个短巴条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述n个单管半导体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平高度。

在本实施方式中，以常用980nm短巴条半导体激光器的单管为例，选用上述100μm/0.22的耦合光纤。所述单管输出功率12W；慢轴方向上的发光长度为80μm，发散角全角为10°；快轴方向的发光宽度为1μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限；每个单管之间的间距微500μm。

耦合光纤的参数为：芯径100μm，数值孔径NA＝0.22，对应的参数为r＝0.05mm，α＝220mrad。耦合光纤的最大光束参数积BPP_max为11mm·mrad

最大慢轴光束参数积BPP_s为：

每个单管的慢轴光束参数积BPP_s0为：

(式中，w为慢轴发光长度，一般取为80-100μm，θ为发散角。)

每个单管的慢轴光束质量为：

如果采用焦距为fs＝2.65mm的非球面微透镜阵列作为慢轴准直器，准直后的单管在慢轴方向上束腰半径为：

每个单管准直后的发光长度为w＝2ωs＝463.16μm。光束而相邻单管的间距为500μm，所以慢轴光束占空比ηslow＝463.16/500＝92.6％，

每个短巴条含有的单管数量n为：

由于是基模，每个短巴条的快轴光束参数积BPP_f0为：

如果选用焦距为f_f＝0.75mm的快轴准直器，准直后快轴的光束束腰为：

因此光束宽度d＝2w＝0.94mm。每个单管的高度相差1mm，即l＝1mm,d＝0.94mm，快轴方向的光束占空比η_fast＝d/l＝94％。

因此，所需短巴条数量m为：

由此可见，通过计算，本实施方式中激光光源最大可使用24个短巴条半导体激光器。

Claims (5)

1.一种光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，提供激光光源，该激光光源由m个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器构成，m为大于等于2的正整数，每个短巴条半导体激光器含有n个单管半导体激光器，n为大于等于2的正整数，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜、慢轴准直镜和平板玻璃，所述短巴条半导体激光器发射的激光束经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃上的反射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜和耦合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经过快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜后射入耦合光纤；其中，所述单管半导体激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，快轴准直镜和慢轴准直镜设置于单管半导体激光器的出射端，m个短巴条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，n个单管半导体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平高度，对于给出的耦合光纤，根据其芯径和孔径，确定其可接收光束的最大光束参数积BPP_max，根据BPP_s ²≤BPP² _max/2,计算出慢轴方向上最大光束参数积BPP_s，并且根据短巴条里的每个单管激光器慢轴方向的光束参数积BPP_s0，计算出每个短巴条半导体激光器最大单管数量n_max，根据计算出的n_max，反算出此时短巴条的慢轴实际光束参数积，结合所述耦合光纤的最大光束参数积BPP_max，计算出快轴方向上最大光束参数积BPP_f，根据该快轴方向上最大光束参数积BPP_f，以及每个短巴条在快轴方向的光束参数积BPP_f0，反算出快轴方向上最大巴条数m_max。

2.如权利要求1所述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述单管半导体激光器为相同波长相同偏振态的单管半导体激光器。

3.如权利要求1所述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述快轴和慢轴采用不同的所述聚焦透镜进行聚焦。

4.如权利要求1所述光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，采用对称的聚焦透镜对快轴和慢轴方向同时聚焦。

5.一种半导体激光器，采用如权利要求1～4任一项所述光纤耦合半导体激光器的制造方法制造。