CN107251343A - 多个二极管激光模块的构造及其操作方法 - Google Patents

Abstract

公开一种具有基部的激光模块，所述基部包括阶梯状平台，所述阶梯状平台相对于邻近平台偏移，每个阶梯状平台容纳激光源。模块至少具有第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台。每个平台容纳作为多个激光源的一部分的一激光源。所述多个激光源设置在单平面中以使每个激光源在垂直于所述平面的相同方向上发射激光辐射。通过与所述第一多个平台关联的激光源产生的激光辐射被结合成第一结合的射束且通过与所述第二多个平台关联的激光源产生的激光辐射被结合成第二结合的射束。第一和第二结合的射束通过光学结合器结合且耦合到光纤中。

Description

多个二极管激光模块的构造及其操作方法

相关申请的交叉引用

本申请要求在2015年1月22日提交的美国申请14/602,418的优先权且是它的延伸，其全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本发明总体涉及具有可选集成冷却系统的多发射器激光模块。

背景技术

单半导体激光器或发射器是紧凑的且在范围广泛的应用中广泛使用。在一些应用中，需要显著大于单发射器的输出的光学输出功率。一种解决方案是生成具有多个单发射器的模块且将各个单发射器的光学输出结合成结合的光学输出。术语单发射器在此使用。单发射器的示例有例如来自捷迪讯光电公司(JDS Uniphase Corporation)的L4二极管激光模块。然而，激光辐射源也能够是一堆或一列或一条半导体激光器或多个激光二极管。激光条的示例是来自TRUMPF公司的TruDiode301。除非特别不同地指出，否则作为单激光二极管的单发射器、和一堆或一条激光二极管或多个激光二极管两者将在此被考虑为单激光源。

多个激光源通常能够组装在模块中，以使得单个源的各个射束光学地堆叠在一个轴中以产生这样的单激光辐射射束，所述单激光辐射射束具有比来自单激光源明显更高的光学功率等级。除了光学堆叠之外，偏振和波长结合被经常使用以进一步增加光学功率和亮度。存在不同的已知方式以将各个激光源定位在模块中且将各个输出结合成更强的结合光学输出。参见例如美国专利No.7,801,190和8,611,389。

边缘发射式激光二极管在现有技术中已知。为了示意目的，这种激光二极管100的示意图在图1中提供，二极管含有包括P层和N层以及辐射层101的多个层，大致具有长的本体和较小的正面侧。所述层101的可识别孔或面是装置100受关注的辐射部分。大致上，激光二极管的发射孔口的形状是矩形的，其中长维度具有通常几十到几百微米的尺寸，而短维度的尺寸通常是一至两微米。衍射效应引起出现的辐射发散，发散角与孔口的尺寸成反比。孔口的短维度与大约一微米的典型激光二极管波长相当：衍射效应导致在这个"快轴"方向上的大射束发散，这可以高达七十五度。发散角的尺寸被已知为数值孔口(NA)，射束在沿着条纹方向上比垂直于条纹具有较低数值孔口。条纹的长维度被已知为激光二极管的慢轴。

准直透镜被应用以将沿快轴和慢轴方向的辐射发散进行校正。概括而言，快轴准直器正对或靠近于激光的输出定位，且可以是柱形或环形形状。在比快轴准直器更远的距离处，慢轴准直器被应用到每个激光源。据此，各个激光源的输出射束通常在被结合之前都被校准。校准的各个源的射束继而必须利用光学结合器结合成单输出射束，例如通过光学多路复用器或通过偏振器结合。

为了能够适当地校准各个射束且适当地对齐射束以实现结合，各个激光源必须通过光学器件设置且对齐，以在结合步骤之前保持各个射束分离且限制各个射束的串扰和干扰。

相关领域提供数种方法以在利用单发射器的激光模块中生成结合的激光射束。在2013年5月7日发布的Du等人的且其全部内容通过引用结合于此的美国专利No.8,437,086示出数种方法、和光学器件及装置的载体构型、集成和布局。所述专利也证实所采用方法固有的一些问题。含有各个单发射器且将它们结合成单光学输出的设备将被称为多个激光模块或仅仅被称为模块。

据此，需要具有符合成本效益的架构和壳体的改进且新颖的多单激光发射器模块。

发明内容

本发明的方面提供系统和方法以结合来自诸如发射器二极管的多个排列激光源的辐射，从而增加能够耦合到光纤中的光学功率。

依据本发明的一方面，激光模块包括基部，所述基部包括第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台和多个激光源，其中，一个激光源紧固在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台的每一个上，以使得所述多个激光源中的每个能够发射辐射，且当在操作中时在第一方向上发射辐射。在一个实施方式中，所述多个激光源在第一共同平面中排列。每个激光源能够发射辐射。依据本发明的这个方面，激光模块也包括第一多个反射器，其中，所述第一多个反射器之一将接收来自定位在所述第一多个阶梯状平台之一上的激光源的辐射且将辐射沿第二方向反射。第二方向在一个实施方式中垂直于第一方向。所述第一多个反射器中的每个优选定位在与所述第一多个激光源的共同平面隔第一距离的所述第一多个反射器自身的共同平面中。

依据本发明的这个方面，激光模块还包括第二多个反射器，其中，所述第二多个反射器之一将接收来自定位在所述第二多个阶梯状平台之一上的激光源的辐射且沿第三方向反射辐射，第三方向在一个实施方式中相反于第二方向。所述第二多个反射器中的每个优选定位在与所述第二多个激光源的共同平面隔第二距离的所述第二多个反射器自身的共同平面中。第三距离大于第二距离。

依据本发明的这个方面，激光模块也包括光学结合器，所述光学结合器将所述第一多个激光源和第二多个激光源的辐射结合成能够耦合到光纤中的单射束。

依据本发明的另一方面，所述多个激光源是单发射器二极管激光。

依据本发明的另一方面，光学结合器在所述第一多个阶梯状平台和所述第二多个阶梯状平台之间定位在激光模块中。

依据本发明的另一方面，激光模块的基部和本体由单件金属加工。

替换性的，激光模块的基部和本体被生产为结构集成陶瓷。

依据本发明的另一方面，体布拉格光栅定位在激光模块中以接收来自光学结合器的辐射。

依据本发明的另一方面，快轴准直器和慢轴准直器在辐射路径中紧固在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台中的每个中，辐射路径位于定位在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台中的每个中的激光源和反射器之间。

依据本发明的另一方面，阶梯状平台能够以多种方式设置。例如，所述第一多个阶梯状平台能够朝向所述第二多个阶梯状平台向下成阶梯状，以及所述第二多个阶梯状平台能够朝向所述第一多个阶梯状平台向下成阶梯状。

依据本发明的另一方面，所述第一多个阶梯状平台中的每个与在所述第一多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第一预先设定阶梯高度，且所述第二多个阶梯状平台中的每个与在所述第二多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第二预先设定阶梯高度。

本发明也包括结合在激光模块中的辐射的方法。所述方法的一个实施方式包括下述步骤：利用在第一阶梯状平台和第二阶梯状平台上的多个激光源发射辐射，每个辐射在第一方向上；而后通过利用定位在第一共同平面中的第一多个反射器反射来自第一阶梯状平台中的所述多个激光器中的每个的辐射而在大致垂直于第一方向的第二方向上产生第一组辐射。同样，通过利用定位在第二共同平面中的第二多个反射器反射来自第二阶梯状平台中的所述多个激光器中的每个的辐射而在大致相反于第二方向的第三方向上产生第二组辐射，其中，第一共同平面和第二共同平面是不同平面。通过利用反射器反射第一组辐射而产生第三组辐射。通过利用偏振器或波长结合器结合第二组辐射和第三组辐射而产生结合的辐射。结合的辐射继而耦合到光纤中。在所述方法的优选实施方式中，所述第一多个激光源和第二多个激光源也在与第一共同平面和第二共同平面不同平面的共同平面中排列，且所述第一多个反射器和第二多个反射器的共同平面各自与所述多个激光源的共同平面隔不同距离地定位。

依据所述方法的一方面，结合的辐射穿过体布拉格光栅。同样，依据本发明的另一方面，来自所述多个激光源中的每个的辐射在通过各个反射器反射之前穿过快轴准直器和慢轴准直器。

在本发明的另一实施方式中，激光模块包括光学构件，以将来自多个激光器的辐射引导到光纤。光纤的前端结合到端盖，所述端盖在位置上紧固到平台中的结构。依据本发明的一个方面，所述结构是凹槽。依据本发明的另一方面，凹槽是V型凹槽。也能够使用其它结构。例如，端盖也能够紧固到杆柱或∩形卡扣、或能够牢固地保持端盖的任何结构。依据本发明的一方面，环氧树脂涂层被施涂到光纤的开始区段以将光纤固定在壳体内侧。依据本发明的另一方面，任何光纤套在该开始区段中移除以暴露光纤包层，且环氧树脂涂层的折射率是与光纤包层的折射率相同或大于光纤包层的折射率，以使得耦合到光纤包层中的光能够漏出且得到吸收。这种光纤耦合构型能够使用到任意激光模块架构，但是其对于在本发明的其它实施方式中描述的模块布局尤其适合。

通过权利要求、说明书以及附图将理解本发明的其它优点。上文已经提及和在下文中更加详细列出的特征也可以单独使用或以任何结合方式一起使用。示出且描述的实施方式并非旨在被理解为限定性列举，而是作为示例性特征以描述本发明。

附图说明

图1和图2以示意图示出激光二极管的结构。

图3以俯视图示出依据本发明的一方面的激光模块。

图4以示意图示出依据本发明的一方面的激光模块的本体的截面。

图5和6示出依据本发明的一方面的在基板上的激光发射器封装。

图7以3D示意图示出依据本发明的一方面的激光源，其定位在激光模块的本体基部上的平台的激光源安装部分上。

图8以剖视图示出依据本发明的各个方面的激光源，其定位在激光模块中的平台的激光器安装部分上。

图9以俯视图示出依据本发明的一方面的激光模块的一区段。

图10以俯视图示出依据本发明的一方面的激光模块。

图11以3D示意图示出依据本发明的一方面的激光模块。

图 12以俯视图示出依据本发明的一方面的激光模块中的电连接器。

图13示出依据本发明的一方面的激光模块的一部分。

图14、15和16示出依据本发明的各个方面的射束结合器。

具体实施方式

本发明的一个方面旨在用于单发射器模块的符合成本效益的架构和壳体，其导致对于光学堆叠辐射进行优化的单发射器的梯状构型，以实现光纤的功率和亮度增加。在本发明的一个实施方式中，激光模块包括基部，所述基部包括第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台，所述第一多个平台和第二多个平台中的每个容置激光源和反射器，其中，反射器接收来自激光源的辐射且反射辐射。所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台中的每个激光源在共同平面中排列；所述第一多个平台中的每个反射器与共同平面隔第一距离地排列，且所述第二多个平台中的每个反射器与共同平面隔第二距离地排列，其中，第二距离大于第一距离。激光模块包括转向反射器，所述转向反射器定位成将来自所述第一多个镜部的辐射反射到偏振器或波长结合器，所述波长结合器将所述多个激光源的辐射结合成耦合到光纤中的单射束。

依据本发明的一方面，激光源是高功率的单发射器激光二极管。基板200上的激光二极管100在图2中示出。基板可以大于激光源的占用面积，基板也可以等于或小于激光源的占用面积。本发明使用堆叠在阶梯状平台上的多个激光二极管100。

依据本发明的一方面的多发射器模块的一个实施方式在图3、4和5中示出。图3、4和5的示意图示出模块的阶梯状布局。图3是模块300的俯视图。模块300具有集成本体301，包括本体的外侧或框架，包括集成凸缘和连接孔302。模块的内侧含有阶梯状结构，阶梯或平台a、b、c、d、e、f和g设置在模块的左侧中，如在图3的俯视图中示出的。阶梯或平台h、i、j、k、1、m和n设置在模块的右侧中，如所示。模块300的截面在图4中示出且应该有利地结合图3考虑和观察，以说明模块的构造。

图4在本发明的一个实施方式中示出本体301是一件体，其由单件金属加工或生成为单体陶瓷。在本发明的一个实施方式中，本体301是金属体，且所有阶梯、拐角、腔体、槽口以及其它特征能够通过利用计算机数控(CNC)机器加工诸如铜的金属实心块而生成。特征将在下文中进一步说明。在本发明的另一实施方式中，本体301完全由陶瓷制造。这能够例如通过下述生成不同层的陶瓷材料而完成：特征自每层切除，且所有陶瓷层以对齐的方式堆叠以及在熔炉或烤炉中烘干从而生成单体301。陶瓷实施方式比加工金属优越的一点是显著降低成本。而且，AlN和BeO的热导率非常好且其热膨胀类似于砷化镓，砷化镓是用于高功率激光二极管的共同材料。

如依据本发明的一方面提供的激光模块具有在单平面中或在单平台上的单子单元，所述单子单元包括在基板上的单激光发射器303，所述单激光发射器通过电流提供动力、且辐射穿过快轴准直器304和慢轴准直器305到反射器306上。准直器305和反射器306are定位和紧固在本体中的阶梯或平台a上。阶梯a具有相对于基部高度g的预定义高度，所述基部高度是相对于本体的底部高度401而言。具有基部高度和阶梯状平台的本体301以其总体称为基部。基部设有壁和附连凸缘类似物302，它们以其总体称为激光模块的本体。在这个示例中，模块的左侧具有7个不同的向下阶梯或平台a、b、c、d、e、f和g，它们从左至右、从最高高度a至最低高度g地向下。每个阶梯或平台具有其自身的发射器、快速和慢速准直器和反射器。因此，从各个发射器303发射的辐射将穿过准直器304和305以撞击反射器306且通过反射器反射到沿朝向定位在高度或平台g上的结合光学器件310的光轴的方向上。在本发明的一个实施方式中的结合光学器件310是具有偏振涂层的板或棱镜；在另一实施方式中，结合光学器件能够是二向色反射器以结合具有不同波长的激光辐射。

平台b从高度或平台a向下成阶梯。与平台b关联的发射器、准直器和反射器相对于高度g或基部高度401定位在平台a的发射器、准直器和反射器的下方。与平台b关联的反射器将与平台b关联的发射器的辐射反射到结合光学器件310并反射到聚焦透镜311以例如聚焦在接收光纤上。由于平台a和b之间的高度差异，相关发射器的辐射沿朝向310的轴是平行的但不彼此干扰，因为所述两个射束的光轴在不同高度。平台c、d、e、f和g上的发射器和光学器件以类似的不干扰的方式操作。驱动电流被引导穿过连接器308和309。

模块300优选在模块的右侧上设置的镜部中具有类似构型。这在图3和图4中示出为平台h、i、j、k、1、m和n，图4中示出穿过如图3所示的模块的一部分的模块的截面图。

发射器500的细节在图5和图6中示出。激光二极管芯片505结合到基板501上，所述基板可以是陶瓷基板，且所述基板继而在特定高度处焊接到模块基部上。基板的顶部表面分离成两个金属化区域，N金属化层502和P金属化层503，从而形成用于激光器的正触头和负触头。焊线504被用于将激光二极管的顶部(通常是N侧)连接到基板的负接触区域502。快轴准直器透镜506由于非常小的后焦距非常接近地附连到激光器的正面。图7以3D示意图示出依据本发明的一方面的平台的实施方式。所述平台至少是模块的激光辐射沿其被引导到反射器的部分。平台可以是平坦的或不是。平台平行于彼此延伸。一个平台沿双箭头509标示。这个平台具有光学装置载体区段511，所述区段容置慢轴准直器508和未示出的对应的反射器。在本发明的一个实施方式中，基板上的发射器或发射器封装优选定位在光学装置载体部分511的表面上方0.5-2mm。平台区段510可以比区段511更高。这个区段称为平台509的激光源安装部分510。据此，平台具有光学装置或光学构件载体部分以及激光源安装部分。甚至如果这些部分不从同一部件制造，它们仍然是单平台的部分。也可以说激光源安装部分对应于如图7所示的特定平台或与之关联。

沿平台509的截面图在图8中示出。图8示出发射器封装500，其定位在激光源安装部分510上，以使得由封装500发射的辐射充分扫过作为光学构件载体部分的区段511。

在本发明的一个实施方式中，模块的本体例如通过CNC机器由诸如铜或陶瓷材料的单件材料加工。在本发明的另一实施方式中，模块的本体由堆叠材料层制造。在那种情况下，有利的是限制制造阶梯的数量。优选的是使仅一个厚度的层被堆叠。当所述层由烘干的陶瓷制造时，层之间的差异可随着陶瓷层被结合而消失。

不要求模块的右侧被准确镜像，且在本发明的一个实施方式中，在模块的左侧和右侧上的阶梯不被准确镜像且不在相同高度上。模块的左侧到右侧上的镜像大致围绕在图3和图4中示出的虚线315发生。注意到仅模块的在线316以上的部分在图3中被镜像。

在图9中提供围绕结合器310的区域600的详细说明，所述结合器可以是偏振结合器或偏光结合器。也可以构想诸如波长多路复用器的其它结合器。到线315的右部和线316的上部的区域是模块的左侧的镜像复制。其具有阶梯或平台h、i、j、k、1、m和n。阶梯或高度h是与平台或高度g相同的高度。平台h、i、j、k、1、m和n中的每个具有可以是单激光发射器的激光源、以及快轴准直器(在图9中都未示出)、慢轴准直器323和反射器322。为了防止图3有附图标记变得太拥挤，现在图9中标记的一些元件在图3中未标记。这包括将结合的射束聚焦到输出光纤327中的柱形透镜325和326。而且，可选的体布拉格光栅324能够定位在结合偏振器310和柱形透镜325之间。可选的体布拉格光栅324被应用以稳定结合的激光辐射的波长。

在图9中还示出的是半波片321，在这个示意性示例中用于在平台或阶梯h、i、j、k、1、m和n上的激光源的输出射束。发射器的输出射束通过反射器320反射到结合偏振器310且与在模块的左侧上的发射器的输出结合。来自模块的每侧的各个校准的发射器或激光源射束沿在左侧上的共同轴辐射，但是被光源和光学器件的阶梯状或交错状位置分离，且在结合偏振器310中结合。来自模块的右侧上的发射器或激光源的射束也沿共同轴辐射但是由于阶梯状平台交错，且经由反射器320被朝向结合偏振器310引导。反射器320和结合偏振器310所需的空间添加到模块的附加深度或宽度，所述附加深度或宽度超过用于具有激光源或发射器的单排阶梯状平台所需的深度或宽度。

在此提供的具有单排阶梯状或交错状发射器或激光源、一排反射器以及与所述一排发射器不同距离的第二排反射器的激光模块的构造提供额外益处：生成用于输出光学器件或诸如光纤耦合区段的其它输出结构的空间。

因此，本发明的一个方面在于激光源在一排或共同平面中排列。依据本发明的一方面，这意味着激光源的边缘沿共同平面排列。替换性的，共同平面中的排列能够意味着激光源能够排列，以使得所述多个激光源的任何部分能够在共同平面中排列。第一阶梯状平台中的所述多个反射器也定位在与激光源或与第一共同平面隔第一距离的第二共同平面中。第二阶梯状平台中的所述多个反射器也定位在第三共同平面中，第三共同平面与激光源或与第一共同平面隔更远的第二距离。

这种构型允许光纤聚焦透镜和一长段光纤邻近于反射器容置在激光模块中。这导致提高密度的构件和更有效地冷却在模块空间内部的光纤。

依据本发明的一方面，所述第一多个阶梯状平台朝向所述第二多个阶梯状平台向下成阶梯状且所述第二多个阶梯状平台朝向所述第一多个阶梯状平台向下成阶梯状。所述第一多个阶梯状平台中的每个能够与所述第一多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第一预先设定阶梯高度，且所述第二多个阶梯状平台中的每个能够与所述第二多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第二预先设定阶梯高度。

每个发射器或激光源和慢轴准直器323之间的所需最小距离确定模块的宽度或深度。不期望的是来自各个发射器的辐射和在模块的一侧上的辐射与在模块的另一侧上产生的辐射干扰。来自各个发射器的辐射的干扰通过利用阶梯状或交错状平台被防止。这再次在图4、7、9、10和11中示出。箭头701和703是各个发射器的校准辐射的轴线和方向的示例性指示。激光源的辐射由于平台和校准是平行的且在不同平面中，且在模块700中向下指向。慢轴准直器取决于光学的考虑基本定位在一个平面中。各个射束被各个反射器朝向使用(在模块的右侧上)或不使用(在模块的左侧上)共同反射器的结合器反射。反射的各个射束的共同方向对于模块的左侧被箭头702指示且对于模块的右侧被箭头704指示。反射的各个射束在指示的共同方向上的单平面内基本交错。

为了防止来自沿箭头702和704的射束的任何可能的干扰或串扰，这些结合的射束定位在不同平面中，所以沿箭头704的射束不能撞击或反射在沿702的结合射束的任何反射器上。这在这个示意性示例中通过将沿箭头704的模块右侧的所述一排反射器布置得比在左侧上更靠近于所述一排慢轴准直器而实现，这在图10中被清楚示出，但是并非必然成正确的比例。通过将在模块右侧上的反射器布置得比在左侧上更靠近于准直器，朝向模块壳体底部生成用于反射器的空间，用于将沿704的射束在图9中通过反射器320朝向结合偏振器310反射。这生成自由空间710，其中，结合光学器件和光纤耦合区段能够定位。这个优点使得模块、包括其壳体与已知的具有光纤输出的多发射器模块相比相对紧凑且更耐用。

同样，更易于将模块的组装自动化，因为所有单发射器在相同方向上定向。在所述多个激光源中的每个沿共同平面排列的情况下尤其如此。充足空间也可用于将诸如可选的布拉格光栅324的附加装置定位到模块中，而无需延长模块的长度。这与可购得的例如如更早引用的美国专利No.8,437,086中描述的多发射器模块不同。

在图5A、6A和8A中示出的那篇公开美国专利No.8,437,086的多发射器构造教导的是示出的模块壳体在长度方面必须延长超过发射器的位置以容纳用于模块的共同光学器件。如依据本发明的一个或多个方面提供的多发射器实施方式的构造提供的益处在于在类似模块占用面积内的输出光纤的改进冷却，从而使得模块能够处理150W及以上的输出功率。

一排各个单发射器的光学辐射均首先在快轴中校准以生成典型的0.5mm的射束高度(x轴)，且随后在慢轴(y轴)中校准以生成典型的2mm的射束宽度。各个校准射束继而通过反射器在快轴(x轴)中光学堆叠以将射束在z-y平面中重新导向优选90度。在本发明的一个实施方式中，模块具有设置在一个壳体中的2排堆叠的单发射器，所述单发射器通过偏振或波长复用被光学结合成一个射束。对于本领域技术人员明显的是其它构型也是可以的，诸如多于2排的发射器以及每排中任意数量的发射器、以及具有各排的交织射束路径的光学构型。同样本发明的方面不受限于单发射器，而是能够包括激光二极管条或迷你条。

诸如图3的示意图示出单发射器，每个平台模块具有两排单发射器，每排包括七个单发射器。所述两排沿模块的一侧设置，以使得光学堆叠射束不会干扰并在发射射束到光纤中之前被偏振复用。图11示出模块700的3D图。

依据本发明的一方面，提供结合激光模块中的辐射的方法。首先，辐射由第一阶梯状平台和第二阶梯状平台上的在共同平面中排列的多个激光源发射。通过利用与共同平面隔第一距离定位的第一多个反射器反射来自第一阶梯状平台的所述多个激光器中的每个辐射，在第一方向上产生第一组辐射。通过利用与共同平面隔第二距离定位的所述第二多个反射器反射来自第二阶梯状平台中的所述多个激光器中的每个的辐射，在大致相反于第一方向的第二方向上产生第二组辐射，其中，第二距离大于第一距离。继而通过利用反射器反射第一组辐射而产生第三组辐射。通过利用结合器将第二组辐射和第三组辐射结合成耦合到光纤中的单射束，产生结合的辐射。

依据所述方法的其它方面，来自结合器的结合的辐射穿过体布拉格光栅。同样，来自所述多个激光源中的每个的辐射在被各个反射器反射之前穿过快轴准直器和慢轴准直器。

图12示出经由传导层901的在模块以内的电流和相对电势。

依据本发明的一个或多个方面，如在此提供的激光模块的布局允许新颖的光纤耦合，所述光纤耦合增加由激光模块提供的功率。所述布局提供定位在激光模块的本体内侧的用于光纤耦合的空间。这个空间已经在图10中示出为用于光纤耦合的区域710。由于新颖的布局，区域710的可用性是意料之外的但是在已经紧凑的设计中是受欢迎的益处。依据本发明的一方面，提供由在激光模块的本体内侧的构件产生的激光辐射至出口光纤的新颖的光纤耦合。注意到在已知激光模块设计中非常有限的空间可用于执行光纤耦合，如下文描述的。在那些情况下激光模块的出口功率与依据本发明的一个或多个方面提供的以下光纤耦合相比受限。还注意到的是，在此依据本发明的一个或多个方面提供的光纤耦合能够在需要将来自模块的激光辐射耦合到外部装置或用品的任何激光模块中使用。如在此提供的光纤耦合设计因此不但明确地不受限于阶梯状平台激光模块，而且能够在需要输出激光辐射的不同模块设计中使用。

图13是围绕出口光纤1506的区域的模块的3D示图。其展示慢轴准直器1503和反射器1501和射束1504。在本发明的一个实施方式中，光纤1506具有模式剥离区域，用于在激光模块的本体内侧的有效包层光移除。光纤在其进入点具有端盖1505，所述端盖帮助保护光纤面且协助固定光纤位置。端盖1505接收辐射的聚焦射束且将所述辐射向下传输到光纤1506。端盖1505坐置在凹陷中，所述凹陷在一个实施方式中可以是凹槽，且在另一实施方式中可以是V型凹槽1507以准确定位端盖。可以应用将端盖设定在固定位置的任何尺寸的V型凹槽。图13中的端盖示出为定位在可以是基部的一部分的平台上。端盖可以固定到任何其它结构，所述结构固定或能够固定到激光模块的基部或壳体以紧固地保持端盖。也能够使用附连到平台的结构以将端盖紧固到平台。

包层模式剥离可以通过将具有例如环氧树脂的涂层施涂到出口光纤1506而实现，所述环氧树脂的折射率等于或高于包层的折射率。在包层外侧的任何光纤套被移除，以使得诸如环氧树脂涂层的涂层围绕光纤1506的包层，且包层围绕光纤1506的芯体。环氧树脂的折射率优选不小于包层的折射率，更优选在比包层的折射率高1-5％的范围中、且最优选比包层的折射率高5％或更高。包层可具有1.45的折射率，且环氧树脂具有1.52的折射率。优选至少部分地涂覆出口光纤的包层和优选光纤在壳体或激光模块的本体内侧的仅一部分。旨在剥离的辐射功率不到达在激光模块的本体外侧的连接器。

包层模式剥离使耦合到光纤的包层而非芯体中的辐射的功率消散。光纤通常是固定到在激光模块的本体外侧的连接器。未移除的包层中的额外的功率可能例如通过烧毁光纤而不利地影响耦合系统。当辐射从光纤包层逃逸且被连接器吸收时，连接器可能显著升温且坏掉。本发明的以上方面在辐射离开激光模块之前除去包层辐射是有利的。依据本发明的一方面，包层中的至少20Watt的辐射功率能够被在激光模块内侧的模式剥离移除，且也可能移除包层中30Watt或更多的辐射功率。假设95％的光纤耦合效率到光纤芯体中，则本发明能够用于具有500W或更高输出功率的激光模块。为了实现包层模式剥离的优选级别，最小5-10mm的出口光纤被环氧树脂涂覆且优选10-20mm之间的出口光纤在激光模块的本体内侧被环氧树脂涂覆。

实验示出当光纤仅通过环氧树脂涂层固定时，在操作期间环氧树脂的升温可能引起光纤相对于透镜移动，辐射从所述透镜耦合到光纤面中，从而引起光纤面错位。本发明的数个方面被提供以稳定这个光纤入口点。端盖1505熔融到光纤的入口面。端盖优选是熔融的硅玻璃柱体，且端盖的入口面优选被抗反射(AR)涂覆以改进光纤耦合效率。端盖柱体的尺度优选设计成容纳光纤的数值孔口(NA)。在本发明的一个实施方式中，端盖对于具有0.22NA的光纤具有3mm的长度和1mm的直径。柱体的轴线优选与光纤的轴线对齐。与光纤直径相比较大直径的端盖允许将AR涂层方便地施涂到端盖的入口侧，这对于施涂到显著较小的光纤入口面明显更难。

依据本发明的一方面，提供平台1510以支撑或至少容置端盖1505。为了进一步稳定端盖，v型凹槽设置在平台1510中以接收和布置端盖。优选的，环氧树脂自与端盖一段距离起覆盖出口光纤，所述距离优选远离光纤和端盖之间的熔融部至少1mm。这生成稳定和对齐的光纤耦合，其剥离包层辐射且对于耗散热的排布不敏感。

注意到在此描述的紧固的端盖和环氧树脂涂覆的光纤光学实施方式能够在任何类型的激光发射器模块架构上使用。然而，由于从光学结合器到光纤出口端口可用的长路径长度，此处的光纤耦合实施方式尤其适合于根据本发明的其它方面的激光模块架构。

图14、15和16示出本发明中的偏振结合装置的数种实施方式，以结合由不同激光源产生的辐射。图14示出用于具有镜部1601加上偏振器片1602的波片1600的本发明的一实施方式。这种实施方式的优点在于这是种不带有胶合界面的非常灵活的实施方式。缺点在于需要对于各个光学器件准确排布。

图15示出具有镜部1700的结合器的实施方式，所述镜部具有偏振棱镜1702。偏振棱镜也具有波片1701。镜部1700能够被对齐以校正射束偏移且棱镜1702无需对齐。缺点可能是存在两个胶合界面。图16示出具有波片1800和两个棱镜部分1801和1802的集成结合器的实施方式。这个实施方式的优点在于其是具有最低对齐要求的一件式设计。这个实施方式的缺点可能是存在通过对齐的仅部分射束校正，且存在两个胶合界面。

图14、15和16的结合器是射束结合器的示意性示例且其它实施方式是可行的。

虽然已经如施加到本发明的优选实施方式那样示出、描述且指出本发明的基本新颖特征，但是将理解的是在不偏离本发明的精神的情况下，本领域技术人员可以对示出的方法和系统以及其操作的形式和细节做出各种省略和替换以及改变。因此，本发明仅如由权利要求的范围指示地限制。

Claims (22)

1.一种激光模块，包括：

基部，其包括第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台(a-g，h-n)；

多个激光源(303)，其中仅一个激光源紧固在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台中的每一个上，所述多个激光源中的每个能够在第一方向上发射辐射；

第一多个反射器(306)，其中所述第一多个反射器之一紧固到所述第一多个阶梯状平台(a-g)之一，以接收来自定位在所述第一多个阶梯状平台(a-g)之一上的激光源(303)的辐射且在第二方向上反射所述辐射，其中所述第一多个反射器中的每个定位在第一平面中；

第二多个反射器(306)，其中所述第二多个反射器之一紧固在所述第二多个阶梯状平台(h-n)之一上，以接收来自定位在所述第二多个阶梯状平台(h-n)之一上的激光源(303)的辐射且在大致相反于第二方向的第三方向上反射辐射，其中所述第二多个反射器中的每个定位在第二平面中，第二平面相比于第一平面距所述多个激光源更大的距离；以及

光学结合器(310)，其将所述多个激光源的辐射结合成输入到光纤上的单射束。

2.根据权利要求1所述的激光模块，其中所述多个激光源是单发射器二极管激光器。

3.根据权利要求1所述的激光模块，其中光学结合器在所述第一多个阶梯状平台和所述第二多个阶梯状平台之间定位在激光模块中。

4.根据权利要求1所述的激光模块，其中激光模块的基部和本体由单件金属加工。

5.根据权利要求1所述的激光模块，其中激光模块的基部和本体被生产为结构集成式陶瓷。

6.根据权利要求1所述的激光模块，还包括体布拉格光栅，其定位在激光模块中以接收来自光学结合器的辐射。

7.根据权利要求1所述的激光模块，还包括快轴准直器和慢轴准直器，所述快轴准直器和慢轴准直器在辐射路径中紧固在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台中的每个中，辐射路径位于在所述第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台的每个中定位的激光源和反射器之间。

8.根据权利要求1所述的激光模块，其中所述第一多个阶梯状平台朝向所述第二多个阶梯状平台向下成阶梯状，且其中所述第二多个阶梯状平台朝向所述第一多个阶梯状平台向下成阶梯状。

9.根据权利要求1所述的激光模块，其中所述多个激光源中的每个在第三平面中排列。

10.根据权利要求1所述的激光模块，其中所述第一多个阶梯状平台中的每个与所述第一多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第一预先设定阶梯高度，且其中所述第二多个阶梯状平台中的每个与所述第二多个阶梯状平台中的邻近平台偏移第二预先设定阶梯高度。

11.根据权利要求1所述的激光模块，其中所述第一多个阶梯状平台在一个方向上向下成阶梯状且所述第二多个阶梯状平台在相反方向上向下成阶梯状。

12.一种激光模块，包括：

基部，其包括第一多个阶梯状平台和第二多个阶梯状平台(a-g，h-n)，所述第一多个平台和第二多个平台中的每个容置激光源(303)和反射器(306)，其中反射器(306)接收来自激光源(303)的辐射且反射所述辐射，其中所述第一多个平台和第二多个平台(a-g，h-n)中的每个中的激光源在第一方向上发射辐射；

所述第一多个平台中的每个反射器(306)在第一平面中排列，且所述第二多个平台中的每个反射器(306)在第二平面中排列，其中第一平面和第二平面是不同平面且第二平面相比于第一平面距激光源中的每个更大的距离；以及

光学结合器(310)，其将所述多个激光源的辐射结合成输入到光纤中的单射束。

13.一种结合激光模块中的辐射的方法，包括：

利用第一阶梯状平台和第二阶梯状平台(a-g，h-n)上的多个激光源(303)发射辐射，所述多个激光源(303)中的每个在第一方向上辐射；

通过利用第一多个反射器(306)反射来自与第一阶梯状平台关联的所述多个激光源(303)中的每个的辐射而在垂直于第一方向的第二方向上产生第一组辐射射束，所述第一多个反射器中的每个定位在第一平面中；

通过利用定位在第二平面中的第二多个反射器(306)反射来自与第二阶梯状平台关联的所述多个激光源(303)中的每个的辐射而在大致相反于第二方向的第三方向上产生第二组辐射射束；

通过利用反射器反射第一组辐射射束而产生第三组辐射射束；

通过利用结合器将第二组辐射射束和第三组辐射结合成输入到光纤中的单射束而产生结合的辐射。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个激光源是单发射器二极管激光器。

15.根据权利要求13所述的方法，还包括使结合的辐射穿过体布拉格光栅。

16.根据权利要求13所述的方法，还包括在反射来自所述多个激光源中的每个的辐射之前使来自所述多个激光源中的每个的辐射穿过快轴准直器和慢轴准直器。

17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一多个阶梯状平台朝向所述第二多个阶梯状平台向下成阶梯状，且其中所述第二多个阶梯状平台朝向所述第一多个阶梯状平台向下成阶梯状。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个激光源中的每个在第三平面中排列。

19.根据权利要求13所述的方法，其中光学结合器定位在第二平面中。

20.一种激光模块，包括：

具有平台(a-g，h-n)的壳体；

紧固到平台的一个或多个激光源(303)；

将来自所述一个或多个激光器的辐射引导到端盖(1505)的光学构件，端盖在位置上紧固到平台中的结构；

在壳体内侧紧固到端盖(1506)的光纤；

在壳体内侧施涂到所述光纤的包层的环氧树脂涂层，其中涂层的折射率与包层的折射率相同或大于包层的折射率。

21.根据权利要求20所述的激光模块，其中所述结构是平台中的凹槽。

22.根据权利要求21所述的激光模块，其中所述凹槽是V型凹槽。