CN107204566A - 一种光纤耦合输出半导体激光器 - Google Patents

一种光纤耦合输出半导体激光器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高功率光纤耦合输出半导体激光器,包括半导体激光模块、光束合束系统、慢轴二次准直、光闸、光束缩束系统、光纤耦合系统、吸收体和平台。所有模块都固定在平台上,四个半导体激光模块的激光光束经过波长合束和空间合束后,再经过慢轴二次准直、光束缩束系统及光纤耦合系统,最后耦合到纤芯800μm和NA=0.2光纤,实现6000W高功率光纤耦合输出。

Description

一种光纤耦合输出半导体激光器
技术领域
本发明属于半导体激光器技术领域,具体涉及一种高功率光纤耦合输出半导体激光器。
背景技术
光纤耦合输出半导体激光器具有重量轻、体积小、效率高、可靠性好、寿命长等优点,已广泛应用于各个领域,比如:作为光纤激光器或固体激光器的泵浦源,医疗领域,工业加工和军事领域。
目前存在的光纤耦合输出半导体激光器系统,包括半导体激光器光源、光束传输系统、光纤耦合系统和相应的冷却设备,整个半导体激光器系统体积较大,集成度较差,系统密封性较差,稳定性较差,不能在恶劣的环境下工作。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种高功率光纤耦合输出半导体激光器,以解决上述激光器系统存在的集成度差、密封性差和稳定性差的问题。
(二)技术方案
一种光纤耦合输出半导体激光器,包括:光源、光束合束系统、光闸、光束缩束系统、光纤耦合系统和吸收体;
光源发出的光经过光束合束系统,光闸为打开状态时,合束后的光经光闸反射进入光束缩束系统进行缩束,缩束后的光进入光纤耦合系统,对激光进行聚焦和光纤耦合后输出;光闸为关断状态时,合束后的光进入吸收体被吸收。
优选地,还包括慢轴二次准直,设置在光束合束系统与光闸之间。
优选地,所述光源包括至少两个半导体激光模块;
所述光束合束系统包括至少一组高反镜和至少一组二向色镜;
半导体激光模块发出的光通过高反镜和二向色镜实现波长合束和空间合束。
优选地,所述光闸包括电机和扇形介质镜,用于控制激光的输出;
电机带动扇形介质镜进入光路,光闸为打开状态,光束被扇形介质镜反射进入光束缩束系统;
电机带动扇形介质镜脱离光路,光闸为关断状态,光束被吸收体吸收。
优选地,所述光束缩束系统包括一组柱透镜,用于将快轴的光宽压缩为原来的一半。
优选地,所述光纤耦合系统包括耦合器底座、聚焦镜组和保护线,保护线固定在耦合器底座上。
优选地,还包括45°高透镜,45°高透镜设置在慢轴二次准直与光闸之间,用于将一部分入射光反射到功率计进行功率探测,另一部分光直接通过。
优选地,还包括45°高反镜,45°高反镜设置在光闸之后,光闸为关断状态时,将合束后的光束反射到吸收体中,被吸收体吸收。
优选地,还包括平台;
所述光源、光束合束系统、光闸和光束缩束系统均设置有保护罩和上盖板;
所述半导体激光器设置有温度与湿度检测电路板、漏水检测线和通气孔,用于对半导体激光器内部环境条件实时检测与控制。
优选地,所述光源包括第一半导体激光模块、第二半导体激光模块、第三半导体激光模块和第四半导体激光模块;
第一半导体激光模块和第二半导体激光模块相对设置,且底部均设置有垫块,第一半导体激光模块和第二半导体激光模块分别经一组高反镜和二向色镜实现波长合束,合束光为C1;
第三半导体激光模块和第四半导体激光模块相对设置,且在出光方向均设置有连接筒,第三半导体激光模块和第四半导体激光模块分别经另一组高反镜和二向色镜实现波长合束,合束光为C2;
所述光束C1和光束C2空间合束,所述第一、第二、第三和第四半导体激光模块的光束从发光端面到达慢轴二次准直的光程相等。
(三)有益效果
(1)本发明全部采用模块化结构设计方案,高功率光纤耦合输出半导体激光器系统集成度高;
(2)半导体激光器设置温度与湿度检测电路板、漏水检测线和通气孔可以对半导体激光器内部环境条件做到实时检测与控制;
(3)各部分保护罩上下表面均设置密封槽,可使高功率光纤耦合输出半导体激光器系统防水、防尘,能够胜任在恶劣的环境条件下连续稳定工作;
(4)系统结构简单,调节方便,成本低。
附图说明
图1为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器立体图。
图2为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器的结构示意图。
图3为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器激光传播路径图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的高功率光纤耦合输出半导体激光器采用模块化结构设计的半导体激光模块,进行空间合束和波长合束,再进行慢轴二次准直、快轴缩束,最后通过光纤耦合系统实现光纤输出。
如图1为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器立体图,图2为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器的结构示意图。如图1和图2所示,高功率光纤耦合输出半导体激光器包括:四个半导体激光模块、光束合束系统、慢轴二次准直、光闸、光束缩束系统、光纤耦合系统、吸收体和用于固定模块的平台。所述的光束合束系统、慢轴二次准直、光闸、光束缩束系统、光纤耦合系统和吸收体均位于半导体激光模块的出光方向上。
半导体激光模块分为A组(A1和A2)和B组(B1和B2),其中,半导体激光模块A1和B1相对设置,且均固定在垫块34上,垫块34位于平台36的一端。半导体激光模块A2和B2相对设置,均直接固定在平台36上,且在其出光方向均连接有一个连接筒7,连接筒用于光路密封。A组半导体激光模块的中心波长是938nm,B组半导体激光模块的中心波长是976nm。所采用的四个半导体激光模块结构完全相同,半导体激光模块包括壳底热沉13A、保护罩10A、上盖板10、通气孔、正极接线柱8、负极接线柱9、进水口5、出水口6和窗口镜。保护罩上设置有通气孔,通过填充干净干燥空气使模块内部保持干燥;正极接线柱与外接电源的正极相接,负极接线柱与外接电源的负极相接;壳底热沉开有安装孔,半导体激光模块A1和B1固定在垫块34上,半导体激光模块A2和B2固定在平台36上;壳底热沉13A上开有进水口5和出水口6,用于与外部的冷水机相连接;保护罩和上盖板开有安装孔,用于两者相互固定;垫块34上开有安装孔35,用于固定在平台36上,平台36固定在平台底座37上。
光束合束系统包括两个高反镜18A、18B,和两个二向色镜19A、19B。其中,高反镜18A固定于半导体激光模块A1发光面的前端,二向色镜19A固定于半导体激光模块B1发光面的前端;高反镜18B固定于半导体激光模块A2发光面的前端,二向色镜19B固定于半导体激光模块B2发光面的前端。镜片18A、18B、19A和19B均固定在通水底座16上,通水底座设置有通水口17;光束合束系统设置有漏水检测线15,用于检测平台是否有水;光束合束系统设置有保护罩11和上盖板,并且保护罩11上设置4个通光孔,分别与各半导体激光模块窗口镜相连通;光束合束系统在出光方向还设置有一通光孔,允许激光光束通过;光束合束系统保护罩内侧开有安装孔,用于将保护罩固定在平台上;光束合束系统保护罩和上盖板开有安装孔,用于二者的相互固定;光束合束系统保护罩上下表面均设置凹槽,通过硅胶密封圈来对整个保护罩进行密封。
慢轴二次准直包括慢轴准直镜(SAC)20,位于光束合束系统的出光方向,用于将慢轴光斑大小变换为所需大小,慢轴准直镜(SAC)设置在通水块上,通水块上开有进水口与出水口。
光闸包括电机23和扇形介质镜22,光闸与激光入射方向呈45°放置,可将激光光束偏转90°。扇形介质镜22上镀有相应波长的高反膜。电机驱动器27控制电机的转动,带动扇形介质22镜进入或脱离光路。光闸用来控制激光的输出,当为打开状态时,光纤耦合输出激光;当为关断状态时,光纤耦合不能输出激光,激光偏转进入吸收体32,,被吸收体32吸收。
慢轴二次准直20和光闸23外部设置保护罩12,保护罩12设置通光孔,用于与光束合束系统、光束缩束系统和吸收体相连通。保护罩上下表面均设置凹槽14,通过硅胶密封圈来对整个保护罩进行密封,保护罩外部连接有指示光支架,指示光25设置在指示光支架26,指示光用于激光器在使用过程中指示激光的实际位置。
光束缩束系统用来将快轴的光宽压缩为原来的一半,包括一组柱透镜29、扩束镜架28、保护罩13和上盖板,柱透镜29设置在扩束镜架28上,扩束镜架28设置进水口与出水口,扩束镜架28开有安装孔,用于将扩束镜架固定在平台36上,保护罩13和上盖板开有安装孔,用于将上盖板固定在保护罩上。
光纤耦合系统用来使空间传输的激光聚焦后在光纤中传输,包括耦合器底座30、聚焦镜组和保护线31,保护线31固定在耦合器底座30上,用于检测耦合器与光纤接头32是否连接,耦合器底座开有安装孔,固定在光束缩束系统保护罩13上,聚焦镜组设置在耦合器底座内,用于聚焦经过光束缩束系统的激光。
吸收体32设置有通水口33,用来对吸收体进行冷却。
半导体激光器还包括45°高透镜21和45°高反镜24,45°高透镜21设置在慢轴准直镜20与扇形介质镜22之间,用于对经过光束合束系统的激光取样监测,并换算为实时激光功率;45°高反镜24设置在扇形介质镜22之后,用于将光束反射到吸收体中,被吸收体吸收。45°高透镜21和高反镜24均设置在通水块上,通水块上开有进水口与出水口。45°高反镜24镀有增反膜,用于增加相应波长范围光束的反射,45°高透镜21镀有增透膜,用于增加相应波长范围光束的透射。
垫块34、平台36、上盖板10材料为铝合金,可以使高功率光纤耦合输出半导体激光器具有更轻的重量。通水底座16、26材料为不锈钢。
图3为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器激光传播路径图,如图3所示,半导体激光模块A1发出的光经过高反镜18A反射,与半导体激光模块B1发出的光通过二向色镜19A进行波长合束,波长合束后的光束为C1。半导体激光模块A2和B2的光束合束与A1和B1的光束合束过程相同,A2和B2波长合束后的光束为C2,两组半导体激光模块(A1和B1、A2和B2)分别经过波长合束后,C1与C2在传播方向(即图2中的竖直方向)存在一定的高度差,可以使C1和C2实现空间合束。
4个半导体激光模块经过光束合束系统实现波长合束和空间合束后,4个半导体激光模块的光束从发光端面到达慢轴二次准直镜20(SAC)的光程相等,保证了各模块激光光斑亮度的一致性(光程差相等)。光束经过慢轴准直后,通过45°高透镜21,一少部分光被反射到功率计进行功率探测,另一部分光直接通过。电机23被电机驱动器27控制,当电机打开时,扇形介质镜22进入光路,光束被扇形介质镜22反射,通过一组柱透镜29将快轴方向的光宽压缩为原来的一半,最后通过耦合器底座30将光束耦合到光纤接头中,半导体激光模块输出功率为2kW,4个模块合束后,经过光纤耦合输出功率大于6000W;当电机关闭时,扇形介质镜22脱离光路,光束被45°高反镜24反射到吸收体32内,从而被吸收。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,包括:光源、光束合束系统、光闸、光束缩束系统、光纤耦合系统和吸收体;
光源发出的光经过光束合束系统,光闸为打开状态时,合束后的光经光闸反射进入光束缩束系统进行缩束,缩束后的光进入光纤耦合系统,对激光进行聚焦和光纤耦合后输出;光闸为关断状态时,合束后的光进入吸收体被吸收。
2.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,还包括慢轴二次准直,设置在光束合束系统与光闸之间。
3.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,
所述光源包括至少两个半导体激光模块;
所述光束合束系统包括至少一组高反镜和至少一组二向色镜;
半导体激光模块发出的光通过高反镜和二向色镜实现波长合束和空间合束。
4.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,所述光闸包括电机和扇形介质镜,用于控制激光的输出;
电机带动扇形介质镜进入光路,光闸为打开状态,光束被扇形介质镜反射进入光束缩束系统;
电机带动扇形介质镜脱离光路,光闸为关断状态,光束被吸收体吸收。
5.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,所述光束缩束系统包括一组柱透镜,用于将快轴的光宽压缩为原来的一半。
6.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,所述光纤耦合系统包括耦合器底座、聚焦镜组和保护线,保护线固定在耦合器底座上。
7.如权利要求2所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,还包括45°高透镜,45°高透镜设置在慢轴二次准直与光闸之间,用于将一部分入射光反射到功率计进行功率探测,另一部分光直接通过。
8.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,还包括45°高反镜,45°高反镜设置在光闸之后,光闸为关断状态时,将合束后的光束反射到吸收体中,被吸收体吸收。
9.如权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,还包括平台;
所述光源、光束合束系统、光闸和光束缩束系统均设置有保护罩和上盖板;
所述半导体激光器设置有温度与湿度检测电路板、漏水检测线和通气孔,用于对半导体激光器内部环境条件实时检测与控制。
10.如权利要求3所述的光纤耦合输出半导体激光器,其特征在于,所述光源包括第一半导体激光模块、第二半导体激光模块、第三半导体激光模块和第四半导体激光模块;
第一半导体激光模块和第二半导体激光模块相对设置,且底部均设置有垫块,第一半导体激光模块和第二半导体激光模块分别经一组高反镜和二向色镜实现波长合束,合束光为C1;
第三半导体激光模块和第四半导体激光模块相对设置,且在出光方向均设置有连接筒,第三半导体激光模块和第四半导体激光模块分别经另一组高反镜和二向色镜实现波长合束,合束光为C2;
所述光束C1和光束C2空间合束,所述第一、第二、第三和第四半导体激光模块的光束从发光端面到达慢轴二次准直的光程相等。
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