CN105759411A - 光纤耦合激光器、光纤耦合激光器系统及其优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，该光纤耦合激光器的激光光源包括m个半导体激光短巴条，每个短巴条包括在慢轴方向上的n个单管，光束经快慢轴准直后，在快轴方向上进行空间合束得到光束阵列，随后进行慢轴扩束或快轴压缩，最后经聚焦镜聚焦耦合到目标光纤中。本发明还提供一种包括多个上述光纤耦合激光器的光纤耦合激光器系统。在此基础上，提供一种优化方法，利用慢轴优先设计法确定半导体激光每个短巴条的单管数量和短巴条数目，可以最大限度优化并得到小芯径、高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器输出。

Description

光纤耦合激光器、光纤耦合激光器系统及其优化方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器、光纤耦合激光器系统及其优化方法。

背景技术

大功率半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长等优点，在加工、医疗、军事等各个领域得到了广泛的应用，高亮度的千瓦级半导体激光器已经开始取代千瓦级光纤激光器和CO₂激光器进行金属材料的切割。

为了得到高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器，目前，国内外主要有三种技术路线：一种是基于高功率堆栈(stacks)辅以整形技术，比如美国专利US7860170B2中所提供的方法；一种是基于多个半导体激光长巴条(bars)辅以光学整形的方法，例如公开号为CN201199288Y的中国专利；再一种就是，基于多个半导体激光单管(emitters)或短巴条在快轴方向进行空间合束，例如公开号为WO2008/010966A2、US2007/0195850A1、US2008/0063017A1、WO2007/061515A3等国外专利，公开号为CN104836113A、CN102540472A等中国专利。上述方法再结合偏振合束和波长合束，可更进一步提高输出功率和亮度。

一方面，由于堆栈封装技术的限制导致每个Bar条的指向一致性较差，因此不可避免地严重损坏了光束质量，最终的结果是输出亮度受到限制。而基于多个长巴条的技术路线，虽然通过各自的准直微透镜可调以克服巴条之间的指向性问题，但是单个长巴条的功率密度、亮度往往都不高，而且每个巴条之后常常配以整形单元，结构和优化上都较为复杂。另一方面，基于长巴条或堆栈封装的结构，存在散热难度大和smile效应，功率密度本身就受到限制。因此，基于多个半导体激光单管(emitters)或短巴条在快轴方向进行空间合束是更优的方法。而如果选用独立封装的短巴条进行快轴空间合束，则可以结合基于多个单管方法和基于独立封装的长巴条方法优点，避免各自缺点，得到高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光输出。

目前，虽然有专利涉及到多个单管或短巴条的合束进行光纤耦合，但是都是完全基于快慢轴光束对称的优化原理进行的，这种方法往往并不是最优的。而本发明使用慢轴优先法进行优化，能够最优化选择每个短巴条所需的单管数目和在快轴合束方向上所需的短巴条数目来优化最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器。

发明内容

本发明提供一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，所述激光器包括激光光源、光学耦合装置和目标光纤；所述激光光源包括在m个半导体激光短巴条，每个半导体激光短巴条包括在慢轴方向的n个单管，其中n≥2；光学耦合装置包括与半导体激光短巴条对应的快轴准直器、慢轴准直器、合束器、光束整形器以及聚焦镜；半导体激光短巴条发出的光束依次通过快轴准直器、慢轴准直器以及合束器之后形成光束阵列，再经过光束整形器整形使得光束尺寸在快慢轴方向基本相同，最后经聚焦镜聚焦耦合到目标光纤。

进一步的，每个半导体激光短巴条为独立封装。

进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，为了提高合束质量，所述快轴准直器和/或慢轴准直器尽量选择对光束质量破坏小的微透镜或微透镜阵列进行快、慢轴准直，例如非球面柱透镜或非球面柱透镜阵列等。

进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，选择合适焦距的微透镜对快轴准直，使得准直之后快轴方向的光束宽度d接近相邻光束的间距l。也即，追求空间光束阵列最大的快轴方向光束占空比η_fast。

进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，尽量选择合适焦距的微透镜阵列对慢轴进行准直，使得准直之后慢轴方向上的光束长度s接近相邻光束的间距q，即半导体激光短巴条中相邻单管的间距p。以追求空间光束阵列最大的的慢轴方向光束占空比η_slow。

进一步的，在快慢轴准直之后，光束列阵在快慢轴方向尺寸可能相同，也可能不同。当快慢轴方向尺寸不同时，光束列阵可以在快轴方向通过缩束器或慢轴方向上通过扩束器进行光学整形，以调整光束列阵在各个方向的尺寸和发散角。

进一步的，为了得到合束光束阵列，m个半导体激光短巴条可以以特定的方式安装。优选的以半导体激光短巴条平行于底板在快轴方向平行设置，再通过多个不同高度的直角反射镜进行合束，即，m个半导体激光短巴条沿其快轴方向顺序设置，合束器为m个反射镜，与m个半导体激光短巴条一一对应，在m个半导体激光短巴条的出射方向上错开设置。

进一步的，在对光束列阵向目标光纤进行耦合聚焦的过程中，可以分别在快慢轴方向上设置不同的聚焦系统分别聚焦，也可以使用对称的聚焦系统在快慢轴方向同时聚焦。

进一步的，所述激光光源还包括在慢轴方向设置一个或多个半导体激光短巴条。

本发明还提供一种包括多个上述光纤耦合激光器的光纤耦合激光器系统，多个光纤耦合激光器之间采用偏振合束和/或波长合束，进一步提高光纤耦合输出的亮度和功率。

本发明还提供一种如前所述的光纤耦合激光器或光纤耦合激光器系统的优化方法，基于多个半导体激光短巴条，按照慢轴优先的设计原则确定所需的短巴条数目以及每个短巴条所需的单管数目，通过快轴空间合束、扩束/缩束、聚焦耦合，实现高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器输出，包括如下步骤：

1)根据目标光纤的参数，确定可接收光束的最大光束参数积BPP_fiber；

2)根据光纤耦合原则，确定慢轴方向上允许的最大光束参数积BPP_slow；

3)根据每个单管的慢轴光束参数积BPP_1/slow，计算出每个半导体激光短巴条最多可容纳的单管数目n_max，根据n≤n_max确定单管数目n；

4)根据计算出的n，算出此时半导体激光短巴条的实际慢轴光束参数积BPP’_slow，并结合可接收光束的最大光束参数积BPP_fiber，算出快轴方向上允许的最大光束参数积BPP_fast；

5)根据每个半导体激光短巴条的快轴光束参数积BPP_1/fast，计算出快轴方向上最多可容纳的半导体激光短巴条数目m_max，根据m≤m_max确定半导体激光短巴条数量m，

优选的，n＝n_max，m＝m_max。

本发明中所涉及的光束质量方面使用M²因子来评判，M²因子的定义为：

$M^2=\frac{\mathrm{\π}\mathrm{\ω}\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}BPP$

其中，ω为光束束腰，θ为光束远场发散角。而两者的乘积，称为光束参数积(beamparameterproduct，简称BPP，单位取mm·mrad)。衍射极限(或称为基模)光束的M²因子为1，而高阶模则远远大于1。

典型侧向发射的半导体激光短巴条的结构如附图1a和1b所示。导体激光短巴条芯片12安装在热沉11和电极13之间，在慢轴方向生长了n个发光宽度为w、中心间距为p的单管。目前可商用的短巴条单管宽度w一般为80～100μm，中心间距p为500μm，慢轴方向发散角全角为10°，光束质量为多模。快轴方向(垂直于P-N节的方向)的发光宽度为1～2μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限。目前的商用短巴条每个单管输出光在980nm波段时功率可以达到12W。

以下内容是针对慢轴优先设计方法的理论依据：

对于快轴方向，由于是基模，因此其参数积BPP_λ/fast为：

${\mathrm{BPP}}_{\mathrm{\λ}/fast}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}---\left(1\right)$

对于常见商用的980nm波段半导体激光短巴条，快轴BPP_1/fast为：

${\mathrm{BPP}}_{1/fast}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}=\frac{0.98}{3.14}=0.31(mm\·mrad)---\left(2\right)$

而在慢轴方向，每个单管的参数积BPP_1/slow为

${\mathrm{BPP}}_{1/slow}=\mathrm{\ω}\mathrm{\θ}=\frac{w}{2}\×\frac{{\mathrm{\θ}}_{slow}}{2}---\left(3\right)$

w是单管慢轴的发光长度，θ_slow是慢轴的发散角全角。

对于常见商用的980nm波段半导体激光短巴条，每个单管发光长度为100μm、发散角全角为10°，在慢轴方向上每个单管发出激光的光束参数积BPP_1/slow具体为：

由此可见，对于常见的商用的980nm波段半导体激光短巴条，其中每个单管的慢轴光束质量比快轴差了一个以上的数量级。原则上，一个慢轴的光束质量相当于十多个单管在快轴方向上的叠加，因此通常需要在快轴方向通过空间合束来达到与慢轴相同的光束质量。

对于耦合的目标光纤，其光纤半径为r，数值孔径为NA，对应的接收角为α，则理论上可耦合进光纤的最大光束BPP_fiber为

BPP_fiber＝rα(5)

对于合束的激光光束阵列，光束阵列的综合的束参数BPP_beam为：

${\mathrm{BPP}}_{beam}=\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{fast}^2+{\mathrm{BPP}}_{slow}^2}---\left(6\right)$

光纤耦合的原则是光束阵列的综合参数BPP_beam不大于光纤的最大光束BPP_fiber

BPP_beam≤BPP_fiber(7)

目前出现的专利或文献，都是基于快轴、慢轴对称的要求同时对快轴和慢轴方向上可容纳的单管数进行设计，也就是以

${\mathrm{BPP}}_{fast}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}},{\mathrm{BPP}}_{slow}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}}---\left(8\right)$

来确定快、慢轴最大光束参数积，在此基础上计算快轴可容纳的单管数量。可是，在通常情况下，这种方法并不是最优化的。

如图2a所示，由于光束阵列的慢轴光束参数积BPP_slow只能是单管的慢轴光束参数积BPP_1/slow的整数倍。按照上述方案计算，单管慢轴光束参数积BPP_1/slow约为4.37mm·mrad，而100μm/0.22目标光纤的可接受最大光束参数积BPP_fiber为100/2×0.22＝11mm·mrad，因此快慢轴的最大光束参数积BPP_fast、BPP_slow可以达到可见在基于快轴、慢轴对称设计方法里，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_slow只能是4.37mm·mrad，远远小于的设计目标值。并且，由于快轴同样选用此时光束列阵的综合光束参数积BPP_beam为：

${\mathrm{BPP}}_{beam}=\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{slow}^2+{\mathrm{BPP}}_{fiber}^2/2}=\sqrt{{4.37}^2+{7.77}^2}=8.92mm\·mrad$

这个值也远远小于光纤的可接受光束参数积BPP_fiber＝11mm·mrad，因此不是最优化设计。

而本发明的慢轴优先设计法，如附图2b所示，则是先根据原则结合每个单管的实际BPP_1/slow确定慢轴单管的个数，然后计算慢轴的实际BPP’_slow后，最后按照

${\mathrm{BPP}}_{fast}\≤\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{fiber}^2-{{\mathrm{BPP}}^{,}}_{slow}^2}---\left(9\right)$

来确定，就可以得到明显增大的BPP_fast。这就意味着在快轴方向上可以最大限度地容纳更多的半导体激光短巴条，因而能有效地、最大限度的提高光纤输出亮度和功率

继续以上述半导体激光短巴条耦合到100μm/0.22的目标光纤为例，使用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_fast为远远大于使用快慢轴对称设计法获得的快轴最大光束参数积7.77。这就意味着快轴方向可以排列更多的激光短巴条，使得最终功率和亮度为对称优化法的10.09/7.77＝129.8％。

本发明中的激光光源由m个独立封装的半导体激光短巴条，每个半导体激光短巴条含有n个单管。

m个半导体激光短巴条在快慢轴准直之后，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列。

优化的原则是：对于确定的目标光纤，确定其可接收光束的最大BPP_fiber，按照光束阵列的综合参数积BPP_beam不大于目标光纤的可接收光束的最大BPP_fiber的原则，首先根据计算出慢轴方向上允许的最大的光束参数积BPP_slow。根据短巴条里的每个单管慢轴方向的光束参数积BPP_1/slow，计算出每个半导体激光短巴条最多可容纳的单管数目n_max，根据n≤n_max确定单管数目n；根据确定单管数目n，算出此时短巴条的实际慢轴光束参数积BPP’_slow。结合目标光纤的可接收光束的最大BPP_fiber，算出快轴方向上允许的最大光束参数积BPP_fast；根据快轴方向上允许的最大光束参数积BPP_fast，计算出快轴方向上最大可容纳的半导体激光短巴条数m_max，根据m≤m_max确定半导体激光短巴条数量m。在选取n＝n_max、m＝m_max时可以得到最高输出功率和亮度。

合束后的光束阵列，经扩束、聚焦，耦合进目标光纤进行输出，得到高功率高亮度的激光，基于该装置的优化方法具体计算步骤如下。

按照快慢轴光束质量对称原则，即空间合束后光束阵列的快轴参数积BPP_fast和慢轴参数积BPP_slow相当：

BPP_fast≈BPP_slow

此时，合束后光束阵列的综合光束参数积BPP_beam为

${\mathrm{BPP}}_{beam}=\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{fast}^2+{\mathrm{BPP}}_{slow}^2}\≈\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{slow}\≤{\mathrm{BPP}}_{fiber}$

可得：

对于含有n个单管的短巴条，在慢轴方向上的光束参数积BPP_slow为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{BPP}}_{slow}={\mathrm{nBPP}}_{1/slow}/{\mathrm{\η}}_{slow}\\ =3.49\×n/{\mathrm{\η}}_{slow}(mm\·mrad)\end{array}---\left(11\right)$

其中，η_slow为慢轴方向的光束占空比

${\mathrm{\η}}_{slow}=\frac{s}{q}$

其中，s为光束准直后在慢轴方向上的光束长度；q为光束准直后在慢轴方向相邻两个光束之间的间距，等于短巴条中相邻单管之间的间距。

结合公式(10)和(11)，可得短巴条应该含有的单管数n为：

$n\≤n_{max}=Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{\mathrm{\η}}_{slow}\right)---\left(12\right)$

此时，光束阵列在慢轴方向上的光束参数积BPP’_slow为：

$\begin{array}{c}{{\mathrm{BPP}}^{,}}_{slow}={\mathrm{nBPP}}_{1/slow}/{\mathrm{\η}}_{slow}\\ =Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{\mathrm{\η}}_{slow}\right){\mathrm{BPP}}_{1/slow}/{\mathrm{\η}}_{slow}(mm\·mrad)\end{array}---\left(13\right)$

光束阵列在快轴方向上，m个独立的短巴条快轴合束，光束阵列的快轴BPP_fast为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{BPP}}_{fast}={\mathrm{mBPP}}_{1/fast}/{\mathrm{\η}}_{fast}\\ =0.312\×m/{\mathrm{\η}}_{fast}(mm\·mrad)\end{array}---\left(14\right)$

η_fast为快轴合束的光束占空比，如图3b所示：

${\mathrm{\η}}_{fast}=\frac{d}{l}$

其中，d为单个短巴条准直后快轴方向上的光束宽度，l为快轴合束后相邻两个短巴条光束之间的间距，等于相邻两个短巴条在快轴方向上的距离。

结合公式(9)(11)(12)(13)，可得：

$m\≤m_{max}=Int\left(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}{\mathrm{\η}}_{fast}\right)}^2-{\left(n\frac{{\mathrm{\η}}_{fast}}{{\mathrm{\η}}_{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}\right)}^2}\right)---\left(15\right)$

依据本发明的优化方法，可以很方便地得到高亮度、高功率、小芯径的光纤耦合半导体激光输出。如果结合偏振合束和3～5个波长合束，可以在光纤芯径不变的情况下功率再提高6～10倍。

附图说明

图1a为商用半导体激光短巴条微封装的结构示意图；

图1b是短巴条的尺寸示意图；

图2a为使用对称法确定快慢轴光束参数积的示意图；

图2b为使用慢轴优先法确定快慢轴光束参数积的示意图；

图3a是基于半导体激光短巴条的光纤耦合激光器光路图；

图3b为快轴方向合束后的光束阵列示意图；

图4a是快轴准直器的结构图；

图4b是慢轴准直器的结构图；

图5是另一实施方式的基于半导体激光短巴条的光纤耦合激光器光路图；

图6是慢轴方向上有两个半导体激光短巴条的变形例光路图。

具体实施方式

下面将结合本发明中的具体实施案例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

综上所述，参考图3a，m个独立封装的、由n个单管组成的短巴条半导体激光器21沿其快轴方向顺序设置，所发射光束通过快轴准直器22和慢轴准直器23准直后，在快轴方向上实现空间合束，其合束器为m个反射镜，与m个半导体激光短巴条21一一对应，在m个半导体激光短巴条21的出射方向上错开设置，光束在快轴方向上等间距排列形成光束阵列，如同3b所示。此后，在慢轴扩束或快轴缩束后，由聚焦镜透镜26实现聚焦，耦合到目标光纤27中，得到高亮度、高功率光纤耦合半导体激光输出。其中，如附图4a所示，快轴准直器22采用非球面柱透镜；如附图4b所示，慢轴准直器23采用非球面柱透镜阵列。

实施例1

在本实施方案中，选用980nm的短巴条，其中每个单管技术参数如下：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为500μm。

目标光纤的参数为：芯径100μm，数值孔径NA＝0.22，对应的参数为r＝0.05mm，α＝220mrad。由公式(5)可得，目标光纤的最大可接受光束的BPP_fiber为：

BPP_fiber＝rα＝0.05mm×220mrad＝11mm·mrad

由慢轴优先设计原理导出的公式(10)可知，允许的最大慢轴光束参数积BPP_slow为：

${\mathrm{BPP}}_{slow}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}}=\frac{11}{\sqrt{2}}=7.78(mm\·mrad)$

对于本实施方案所使用的短巴条，其中每个单管的慢轴光束参数积为：

因此，每个单管的慢轴光束质量为：

$M_{1/slow}^2=\frac{\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}=\frac{3.14}{0.98}\×3.49=11.2$

设置由焦距为f_slow＝2.65mm的、含2个非球面微透镜阵列作为慢轴准直器，准直后的每个单管在慢轴方向上的束腰半径为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{slow}={\mathrm{\ω}}_{0-slow}\frac{f_{slow}}{z_0}{M}_{1/slow}^2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\frac{f_{slow}}{{\mathrm{\ω}}_0}{M}_{1/slow}^2\\ =\frac{0.98\mathrm{\μ}m}{3.14}\frac{2650\mathrm{\μ}m}{40\mathrm{\μ}m}\×11.2=231.58\left(\mathrm{\μ}m\right)\end{array}$

因此每个单管准直后的光束长度为s＝2ω_slow＝463.16μm。而相邻单管的间距为500μm，因此慢轴方向的光束占空比为：

η_slow＝463.16/500＝92.6％

由公式(12)可以计算出每个短巴条应该含有的单管数目n：

$n\≤Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{\mathrm{\η}}_{slow}\right)=Int\left(\frac{7.78}{3.49}\×92.6\%)\right)=2$

每个短巴条的快轴光束参数积BPP_1/fast为：

${\mathrm{BPP}}_{1/fast}=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}=\frac{0.98}{3.14}=0.31(mm\·mrad)$

选用焦距为f_fast＝0.75mm的快轴准直器，准直后每个单管在快轴方向上的光束束腰半径为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\ω}}_{fast}={\mathrm{\ω}}_{0-fast}\frac{f}{z_0}{M}_{fast}^2=\frac{\mathrm{\λ}}{\mathrm{\π}}\frac{f}{{\mathrm{\ω}}_{0-fast}}{M}_{fast}^2\\ =\frac{0.98\mathrm{\μ}m}{3.14}\frac{750\mathrm{\μ}m}{0.5\mathrm{\μ}m}\×1.0=470\left(\mathrm{\μ}m\right)\end{array}$

因此每个单管准直后光束宽度d＝2w_fast＝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为：η_fast＝d/l＝94％

由公式(14)可以得出所需要的短巴条数目m为：

$\begin{array}{c}m\≤Int\left(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}{\mathrm{\η}}_{fast}\right)}^2-{\left(n\frac{{\mathrm{\η}}_{fast}}{{\mathrm{\η}}_{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}\right)}^2}\right)\\ =Int\left(\sqrt{{(\frac{11}{0.31}\×0.94)}^2-{(2\×\frac{0.94}{0.926}\×\frac{3.49}{0.31})}^2}\right)\\ =Int\left(24.29\right)=24\end{array}$

可见，在本方案中激光光源最多可使用24个独立封装的短巴条、每个短巴条含有2个单管的半导体激光器。

为了给调节等环节留冗余，选取使用20个独立封装的短巴条、每个短巴条含有2个单管的半导体激光器。即最终取m＝20，n＝2。如图3a所示，本实施例最终优化的多个半导体激光短巴条由安装在底板上相同高度(半导体激光短巴条间距为1mm)的m＝20个半导体激光短巴条21，每个短巴条含有间距500微米的n＝2个单管组成，光束经过快轴准直器22和慢轴准直23之后在快轴方向上依次排列，每路光束经不同高度(高度差为1mm)的直角反射镜24反射后实现空间合束，此时输出光为一个综合光束参数积BPP_beam不大于目标光纤27的可接收的光束的最大BPP_fiber的光束列阵。合束后的光束阵列到准直后焦面的距离为300mm，下面计算300mm处合束光在快轴和慢轴方向的尺寸。

准直后慢轴的发散角为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{slow}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{slow}}{M}_{1/slow}^2\\ =\frac{0.98\mathrm{\μ}m}{3.14\×231.58\mathrm{\μ}m}\×11.2=15.094\left(mrad\right)\end{array}$

因此在L＝300mm后的光束阵列在慢轴方向的尺寸约为：

D_slow＝(n-1)w+q+2Lθ_slow

＝0.463mm+0.5mm+300mm×15.094mrad×2/1000＝10.023(mm)

准直后快轴的发散角为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{fast}=\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\π\ω}}_{fast}}{M}_{1/fast}^2\\ =\frac{0.98\mathrm{\μ}m}{3.14\×470\mathrm{\μ}m}\×1.0=0.664\left(mrad\right)\end{array}$

因此在L＝300mm后的光束阵列在快轴方向的尺寸约为：

D_fast＝(m-1)d+l+2Lθ_fast

＝(20-1)×0.94mm+1.00mm+300mm×0.664mrad×2/1000＝19.26(mm)

可见，光束阵列在快轴方向上的尺寸明显大于慢轴方向上的尺寸。倍数M为：

$M=\frac{D_{fast}}{D_{slow}}=\frac{19.26}{10.023}=1.922$

因此，在本实施方案中，选用缩束倍数为1.922的快轴缩束器25对快轴方向上的光束尺寸进压缩(当然，也可以选用扩束倍数为1.922倍的慢轴扩束器对慢轴方向上的光束尺寸进行扩束)，压缩之后光束在快慢轴方向上的尺寸都为约10.023mm。此时快慢轴对角线上的尺寸为

$D=\sqrt{D_{slow}^2+D_{fast}^2}\≈\sqrt{2}{D}_{slow}=\sqrt{2}\×10.023=14.17\left(mm\right)$

选用F＝35mm的非球面聚焦透镜，即最终把光束阵列耦合到100μm、数值孔径NA＝0.22的光纤中。

此时聚焦耦合光的最大数值孔径为

NA＝sin[atan(14.17/2/35)]＝0.198

发散角为:

β＝asin(0.198)＝199.63(mrad)

光束阵列的综合光束参数积BPP_beam为：

$\begin{array}{c}{\mathrm{BPP}}_{beam}=\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{fast}^2+{\mathrm{BPP}}_{slow}^2}\\ =\sqrt{{\left\{\frac{\[(m-1)d+l\]{\mathrm{\θ}}_{fast}}{2}\right\}}^2+{\left\{\frac{\[(n-1)w+q\]{\mathrm{\θ}}_{slow}}{2}\right\}}^2}\\ =\sqrt{{\[(19\×0.94+1.00)\×0.664/2\]}^2+{\[(0.463+0.5)\×15.094/2\]}^2}\\ =\sqrt{{6.26}^2+{7.268}^2}\\ =9.593(mm\·mrad)\end{array}$

聚焦到光纤入射面上的光斑尺寸为

$R=2\frac{BPP}{\mathrm{\β}}=2\×\frac{9.593}{199.63}=96.11\left(\mathrm{\μ}m\right)$

此时的输入总功率为

P＝m×(n×P_single)

＝20×2×12W＝480(W)

假设镜片、光纤等器件端面都进行了理想的增透处理(如镀增透膜)，原则上可以得到480W的光纤输出。

可见，通过本发明的慢轴优先优化方法，原则上可以得到输出功率为480W的单波长光纤，光斑尺寸为100μm。如果结合偏振合束，合束效率95％，则光纤输出功率可为480×2×95％＝912W。当然，还可以结合3～5个波长的光进行合束，输出功率进一步提高3～5倍。

实施例2

在本实施例中，分别使用传统的对称设计法以及本发明的慢轴优先设计法进行对比。

安装方式和实施例1相同，所使用的短巴条的单管参数为另一组参数：输出功率8W，慢轴方向上的发光长度为60μm，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为500μm。

目标光纤的参数依然为：芯径100μm，数值孔径NA＝0.22，对应的参数为r＝0.05mm，α＝220mrad。由公式(5)可得，目标光纤的最大可接受光束的BPP_fiber依然为11mm·mrad。

由对称优化原理导出的公式(10)可知，允许的最大的慢轴光束参数积BPP_slow为：

${\mathrm{BPP}}_{slow}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}}=\frac{11}{\sqrt{2}}=7.78(mm\·mrad)$

对于本实施方案所使用的短巴条，每个单管的慢轴光束参数积为：

快轴方向的光束占空比η_fast＝d/l＝94％，慢轴光束占空比92.6％。

a、使用对称设计法

由公式(12)可得可以计算出每个短巴条应该含有的单管数目n：

$n\≤Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{\mathrm{\η}}_{slow}\right)=Int\left(\frac{7.78}{2.62}\×92.6\%)\right)=Int\left(2.75\right)=2$

使用对称法，在快轴方向上也需要符合：

${\mathrm{BPP}}_{fast}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}}$

因此，在快轴方向上可含有的短巴条数目m为：

$m\≤Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}{\mathrm{\η}}_{fast}\right)=Int\left(\frac{7.78}{0.31}\×94\%)\right)=Int\left(23.59\right)=23$

此时的输入总功率为

P＝m×(n×P_single)

＝23×2×8W＝368(W)

假设镜片、光纤等器件端面都进行了理想的增透处理(如镀增透膜)，原则上可以得到368W的光纤输出。

b、使用慢轴优先设计法

在使用慢轴优先法的设计原则下，快轴方面的限制不再是而是公式(9)在快轴方向上可含有的短巴条数目m通过公式(14)为：

$\begin{array}{c}m\≤Int\left(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}{\mathrm{\η}}_{fast}\right)}^2-{\left(n\frac{{\mathrm{\η}}_{fast}}{{\mathrm{\η}}_{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}\right)}^2}\right)\\ =Int\left(\sqrt{{(\frac{11}{0.31}\×0.94)}^2-{(2\×\frac{0.94}{0.926}\×\frac{2.62}{0.31})}^2}\right)\\ =Int\left(28.6\right)=28\end{array}$

此时的输入总功率为

P＝m×(n×P_single)

＝28×2×8W＝448(W)

假设镜片、光纤等器件端面都进行了理想的增透处理(如镀增透膜)，原则上可以得到448W的光纤输出。

从本实施例的对比结果可知，在这种情况下，慢轴设计法优化得到的功率和亮度比传统的对称法有显著提高，提高比例高达(1-448/368)＝21.7％。

此外，此慢轴优优化方法也可以推广到在慢轴方向使用多个短巴条的情况，如附图5所示，m个半导体激光短巴条沿其慢轴方向依次设置，同时在快轴方向上相互错开，分为左右两组，通过快、慢轴准直器后，通过相同高度在快轴方向依次错开设置的直角反射镜、直角反射棱镜，从而在快轴方向上实现空间合束，经慢轴扩束或快轴缩束后，由聚焦镜透镜实现聚焦，耦合到目标光纤中附图5中的短巴条在直角反射镜的一侧设置。

也可以如附图6所示，半导体激光短巴条关于合束器对称设置，m个半导体激光短巴条两两相对发光设置，两两关于一个合束器对称设置；所述合束器具有两个直角反射面，两两相对的半导体激光短巴条分别与其中一个直角反射面相对；两两相对的半导体激光短巴条所发射的光束经快慢轴准直后，通过各自对应的合束器直角反射面、直角反射棱镜进行合束。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，包括激光光源、光学耦合装置和目标光纤(27)，其特征在于：所述激光光源包括m个半导体激光短巴条(21)，每个半导体激光短巴条(21)包括在慢轴方向的n个单管，其中n≥2；光学耦合装置包括与半导体激光短巴条(21)对应的快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)、合束器、光束整形器(25)以及聚焦镜(26)；半导体激光短巴条(21)发出的光束依次通过快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)以及合束器之后形成光束阵列，再经过光束整形器(25)整形，使得光束尺寸在快慢轴方向基本相同，最后经聚焦镜(26)聚焦耦合到目标光纤(27)。

2.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述每个半导体激光短巴条为独立封装。

3.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述快轴准直器(22)和/或慢轴准直器(23)为对光束质量破坏小的微透镜或微透镜阵列。优选的，所述微透镜为非球面柱透镜，或者微透镜阵列为非球面柱透镜阵列。

4.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述快轴准直器(22)的焦距设置为使得准直后快轴方向上光束宽度d接近相邻光束的快轴间距l。

5.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述慢轴准直器(23)的焦距设置为使得准直后慢轴方向上光束长度s接近相邻光束的慢轴间距q。

6.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述光束整形器(25)为慢轴扩束器或快轴缩束器。

7.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述聚焦镜(26)为在快慢轴方向同时聚焦的对称透镜，或者所述聚焦镜(26)为分别在快轴和慢轴方向上设置的透镜。

8.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：m个半导体激光短巴条(21)沿其快轴方向顺序设置，所述合束器为m个反射镜，与m个半导体激光短巴条(21)一一对应，在m个半导体激光短巴条(21)的出射方向上错开设置。

9.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述激光光源还包括在慢轴方向设置一个或多个半导体激光短巴条。

10.一种光纤耦合激光器系统，其特征在于：包括多个如权利要求1-9之一所述的光纤耦合激光器，多个光纤耦合激光器之间采用偏振合束和/或波长合束。

11.一种如权利要求1-9中任一项所述的光纤耦合激光器或如权利要求10所述的光纤耦合激光器系统的优化方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)根据目标光纤的参数，确定可接收光束的最大光束参数积BPP_fiber；

2)根据光纤耦合原则，确定慢轴方向上允许的最大光束参数积BPP_slow；

3)根据每个单管的慢轴光束参数积BPP_1/slow，计算出每个半导体激光短巴条最多可容纳的单管数目n_max，根据n≤n_max确定单管数目n；

4)根据已确定的单管数目n，计算此时半导体激光短巴条的实际慢轴光束参数积BPP’_slow，并结合可接收光束的最大光束参数积BPP_fiber，算出快轴方向上允许的最大光束参数积BPP_fast；

5)根据每个半导体激光短巴条的快轴光束参数积BPP_1/fast，计算快轴方向上最多可容纳的半导体激光短巴条数量m_max，根据m≤m_max确定半导体激光短巴条数量m。优选的，n＝n_max，m＝m_max。

12.如权利要求11所述的优化方法，其特征在于：

步骤1)采用如下公式计算：

BPP_fiber＝rα，

其中，r为目标光纤参数的半径，α为对应的接收角；

步骤2)采用如下公式计算：

${\mathrm{BPP}}_{slow}\≤\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}};$

步骤3)采用如下公式计算：

$n\≤n_{max}=Int\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{\sqrt{2}{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{\mathrm{\η}}_{slow}\right),$

η_slow为慢轴方向的光束占空比，其中，s为光束准直后在慢轴方向上的光束长度，q为光束准直后在慢轴方向相邻两个光束之间的间距，即半导体激光短巴条中相邻单管之间的间距；

步骤4)采用如下公式计算：

BPP’_slow＝nBPP_1/slow/η_slow，

${\mathrm{BPP}}_{fast}\≤\sqrt{{\mathrm{BPP}}_{fiber}^2-{\mathrm{BPP}}_{slow}^{,2}};$

步骤5)采用如下公式计算：

$m\≤m_{max}=Int\left(\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{BPP}}_{fiber}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}{\mathrm{\η}}_{fast}\right)}^2-{\left(n\frac{{\mathrm{\η}}_{fast}}{{\mathrm{\η}}_{slow}}\frac{{\mathrm{BPP}}_{1/slow}}{{\mathrm{BPP}}_{1/fast}}\right)}^2}\right),$

η_fast为快轴方向的光束占空比：其中，d为光束准直后在快轴方向上的光束宽度，l为光束准直后在快轴方向相邻两个条光束之间的间距，即相邻两个半导体激光短巴条的间距。