CN107293940A - 一种多波长高功率半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长高功率半导体激光器，包括第一激光系统、第二激光系统及激光合束系统。其中第一激光系统和第二激光系统分别为两种输出波长不同的激光芯片呈阶梯状焊接在阶梯热沉上，芯片输出的光经柱透镜、非球面镜进行快慢轴压缩准直，反射镜对光束的传播方向进行偏转，实现多个激光芯片输出光斑的紧密排列，两组不同波长的激光经波长合束器实现光的叠加输出，最后经非球面聚焦透镜聚焦到光纤输出。本发明在保证输出光束质量的同时，实现了多波长激光的高功率输出，具有散热特性好、输出功率高等优点，适用于光纤激光器泵浦源、工业加工等应用。

Description

一种多波长高功率半导体激光器

技术领域

本申请属于激光技术领域，具体地说，涉及一种多波长高功率半导体激光器。

背景技术

半导体激光器具有电光效率高、体积小、寿命长、价格低等优点，在工业、医疗、军事等领域应用的越来越广泛，随着应用需求提升高功率以及高亮度的半导体激光器成为发展趋势。在光纤激光器泵浦应用中，作为激励源其输出功率水平直接限制了光纤激光器输出功率水平，为得到更高功率的激光输出需要高功率的半导体激光器进行激励。

目前实现半导体激光器的高功率输出主要采用两种方式，一种是对多个单芯片输出的激光进行整形聚焦，反射镜结构对传输光路进行偏转，最后聚焦耦合进入光纤，由于采用光路转折将多个芯片输出光偏转到一个平面才能聚焦到光纤输出，限制了芯片个数的进一步增加无法实现更高功率的输出。另一种方法是采用巴条的堆栈结构，经过自由空间光学透镜结构实现光束整形，最后耦合聚焦到光纤输出，采用该方式能得到较高功率的激光输出，但为实现激光尾纤输出其光学整形系统设计复杂，对光学结构的精细度要求极高，增加了激光器设计及调试的难度，同时难以得到高光束质量激光输出，在一定程度上限制了其应用。

发明内容

有鉴于此，本申请所要解决的技术问题是提供了一种多波长高功率半导体激光器，通过两组不同波长的激光系统经波长合束器实现光的叠加输出，实现高功率、高光束质量激光输出。

为了解决上述技术问题，本申请公开了一种多波长高功率半导体激光器，其包括：具有第一激光芯片的第一激光系统；具有与第一激光芯片不同输出波长的第二激光芯片的第二激光系统；将第一激光系统与第二激光系统输出的光束进行叠加耦合，实现尾纤输出的激光合束系统；以及面向激光合束系统的光纤；其中，第一激光系统与第二激光系统包括分别面向第一激光芯片与第二激光芯片的柱透镜、非球面镜及反射镜；激光合束系统包括接收第一激光系统的第一输出光的全反射镜、面向全反射镜且接收第二激光系统的第二输出光的波长合束器、及非球面聚焦透镜，其中波长合束器将第一输出光与第二输出光进行叠加耦合输出，非球面聚焦透镜将叠加后的光聚焦到光纤端面，实现尾纤输出。

根据本发明的一实施方式，其中上述第一激光芯片与第二激光芯片焊接于阶梯热沉，阶梯热沉成阶梯状。

根据本发明的一实施方式，其中上述第一激光芯片与第二激光芯片设置为多个，且分别排列于阶梯热沉。

根据本发明的一实施方式，其中上述第一激光系统与第二激光系统的柱透镜、非球面镜镀有与第一激光芯片及第二激光芯片出射波长匹配的高透过率膜层。

根据本发明的一实施方式，其中上述第一激光系统与第二激光系统的反射镜镀有与第一激光芯片及第二激光芯片出射波长匹配的全反射膜层，且反射镜在阶梯热沉上成预定高度差排列，任一反射镜不遮挡其他反射镜反射光束的传播。

根据本发明的一实施方式，其中上述波长合束器由体布拉格光栅结构构成，两束波长不同的激光光斑重叠并呈布拉格共轭角入射到布拉格光栅上，实现两束光的叠加输出。

根据本发明的一实施方式，其中上述非球面聚焦透镜对合束后的激光聚焦，且表面镀有第一激光芯片与第二激光芯片出射波长匹配的高透过滤膜层。

根据本发明的一实施方式，其中上述光纤为多模光纤，且在光纤端面镀有第一激光芯片及第二激光芯片两种波长的高透过率膜层及相应激射波长的全反膜层。

与现有技术相比，本申请可以获得包括以下技术效果：

1）采用体布拉格光栅结构的波长合束器进行激光合束，实现两种不同波长的激光的高效率合束，两束激光在合束器实现了光斑的叠加满足高功率激光输出的同时保证高光束质量的激光的合束。

2）采用阶梯结构的热沉作为激光芯片的固定基板，提高芯片散热基板的热容积率的同时，使各个芯片出射的光斑实现一定量的偏移，实现了多激光的匀化输出，提高聚焦光斑的均匀性。

当然，实施本申请的任一产品必不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本发明一实施方式的多波长高功率半导体激光器示意图；

图2是图1的激光传输示意图；

图3是本发明一实施方式的阶梯热沉示意图；

图4是本发明一实施方式的体布拉格光栅合束原理示意图。

附图标记

第一激光系统10，第一激光芯片11，柱透镜12，非球面镜13，反射镜14，第二激光系统20，第二激光芯片21，激光合束系统30，全反射镜31，波长合束器32，非球面聚焦透镜33，光纤40，阶梯热沉50，第一输出光A，第二输出光B。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

请一并参考图1与图2，图1是本发明一实施方式的多波长高功率半导体激光器示意图；图2是图1的激光传输示意图。如图所示，一种多波长高功率半导体激光器包括具有第一激光芯片11的第一激光系统10；具有与第一激光芯片11不同输出波长的第二激光芯片21的第二激光系统20；将第一激光系统10与第二激光系统20输出的光束进行叠加耦合，实现尾纤输出的激光合束系统30；以及面向激光合束系统30的光纤40；其中，第一激光系统10与第二激光系统20包括分别面向第一激光芯片11与第二激光芯片21的柱透镜12、非球面镜13及反射镜14；激光合束系统30包括接收第一激光系统10的第一输出光A的全反射镜31、面向全反射镜31且接收第二激光系统20的第二输出光B的波长合束器32、及非球面聚焦透镜33，其中波长合束器32将第一输出光A与第二输出光B进行叠加耦合输出，非球面聚焦透镜33将叠加后的光聚焦到光纤40端面，实现尾纤输出。

在本发明一实施方式中，第一激光系统10和第二激光系统20分别由两种输出波长不同的第一激光芯片11、第二激光芯片21构成，采用柱透镜12及非球面镜13对激光芯片第一激光芯片11、第二激光芯片21发出的光束第一输出光A、第二输出光B进行快慢轴压缩准直，反射镜14对光束传播方向进行偏转。第一激光系统10及第二激光系统20中两种紧密排列的不同波长的激光经波长合束器32进行叠加两束光中其中一束光能完全透过波长合束器32而另一波长的激光在波长合束器32上全部反射束，实现两束光的耦合输出，非球面聚焦透镜33将叠加后的光束聚焦到光纤40，实现多波长高功率半导体激光器输出。

接下来，请继续参考图1与图3，图3是本发明一实施方式的阶梯热沉50示意图。如图所示，第一激光芯片11与第二激光芯片21焊接于阶梯热沉50，阶梯热沉50成阶梯状。在其他一实施方式中，第一激光芯片11与第二激光芯片21设置为多个，且分别排列于阶梯热沉50。本发明将阶梯热沉50设置为阶梯状，一方面提高散热，另一方面也是在提高芯片散热基板的热容积率的同时，使各个芯片出射的光斑实现一定量的偏移，实现多激光的匀化输出，提高聚焦光斑的均匀性。

值得一提的是，本发明的第一激光系统10与第二激光系统20的柱透镜12、非球面镜13镀有与第一激光芯片11及第二激光芯片21出射波长匹配的高透过率膜层，实现半导体激光的高效率透过，同时对相应光纤激光器应用中回返的光束进行反射，对半导体激光器中各透镜系统及激光芯片进行有效保护。

另外，第一激光系统10与第二激光系统20的反射镜14镀有与第一激光芯片11及第二激光芯片21出射波长匹配的全反射膜层，且反射镜14在阶梯热沉50上成预定高度差排列，任一反射镜14不遮挡其他反射镜14反射光束的传播。在本发明一实施方式中，全反射膜层实现第一激光芯片11或者第二激光芯片21输出光的高效率反射，同时将反射镜14呈高度差排列在阶梯热沉50上，致使任一反射镜14的反射中心低于另一反射镜14的顶部，由此实现任一反射镜14反射的光束不被其他反射镜14阻挡，实现光束的有效传播，结构简单，操作方便。

波长合束器32由体布拉格光栅结构构成，两束波长不同的激光光斑重叠并呈布拉格共轭角入射到布拉格光栅上，实现两束光的叠加输出。

详细而言，请参考图4，图4是本发明一实施方式的体布拉格光栅合束原理示意图。当一束光入射到体布拉格光栅上时，其衍射效率可由下式计算：

其中：λ₀为光栅的中心波长，t为光栅的厚度，n_av为光栅的平均折射率，光栅的折射率按正弦函数周期性变化，δ_n为折射率调制的振幅，f为光栅的空间频率，Δλ为入射光波与λ₀的波长差。当平面波波长和入射至光栅的角度满足波长λ₀对应的布拉格条件，即Δλ = 0 时，获得了最大的衍射效率η₀，由下式表示：

当入射光波长和角度满足布拉格条件时，衍射效率最大，近似于1，而对于其他偏离布拉格波长条件的波长而言，衍射效率近似为0。所以当两束具有一定波长差的光束以共轭的角度入射至光栅且相互重叠时，满足布拉格条件的光束在光栅上反射传输，而另一束光束经光栅投射传输，实现两束波长不同的光的合束输出。

请复参考图1及图2，非球面聚焦透镜33对合束后的激光聚焦，且表面镀有第一激光芯片11与第二激光芯片21出射波长匹配的高透过滤膜层，实现多束激光的透射，同时提高效率。

另外，本发明的光纤40为多模光纤，且在光纤40端面镀有第一激光芯片11及第二激光芯片21两种波长的高透过率膜层及相应激射波长的全反膜层，实现半导体激光的高效率透过，同时对相应光纤激光器应用中回返的光束进行反射，对半导体激光器中各透镜系统及激光芯片进行有效保护，实现多波长高功率半导体激光器输出。

值得一提的是，本发明优选一个实施例，采用11个915nm的出光为12W的第一激光芯片11呈梯状焊接贴在阶梯热沉50上，对每个第一激光芯片11采用柱透镜12进行快轴压缩、非球面镜13进行慢轴压缩准直，输出光经反射镜14实现光束传播角度偏转，最终11个第一激光芯片11输出的光斑实现了紧密的排列，另一组由11个975nm出光功率为12W的第二激光芯片21进行同样快慢轴压缩操作实现光束的紧密排列。两列波长不同的光同时经过体布拉格光栅结构的波长合束器32，实现两束光的叠加输出，最后通过非球面聚焦透镜33耦合进105um纤芯直径的多模光纤40，实现功率达220W的多波长高功率半导体激光尾纤输出。

上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种多波长高功率半导体激光器，其特征在于，包括：

具有第一激光芯片的第一激光系统；

具有与所述第一激光芯片不同输出波长的第二激光芯片的第二激光系统；

将所述第一激光系统与所述第二激光系统输出的光束进行叠加耦合，实现尾纤输出的激光合束系统；以及

面向所述激光合束系统的光纤；

其中，所述第一激光系统与所述第二激光系统包括分别面向所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的柱透镜、非球面镜及反射镜；

所述激光合束系统包括接收所述第一激光系统的第一输出光的全反射镜、面向所述全反射镜且接收所述第二激光系统的第二输出光的波长合束器、及非球面聚焦透镜，其中所述波长合束器将第一输出光与所述第二输出光进行叠加耦合输出，非球面聚焦透镜将叠加后的光聚焦到所述光纤端面，实现尾纤输出。

2.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述第一激光芯片与所述第二激光芯片焊接于阶梯热沉，所述阶梯热沉成阶梯状。

3.根据权利要求2所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述第一激光芯片与所述第二激光芯片设置为多个，且分别排列于所述阶梯热沉。

4.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述第一激光系统与所述第二激光系统的所述柱透镜、所述非球面镜镀有与所述第一激光芯片及所述第二激光芯片出射波长匹配的高透过率膜层。

5.根据权利要求3所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述第一激光系统与所述第二激光系统的所述反射镜镀有与所述第一激光芯片及所述第二激光芯片出射波长匹配的全反射膜层，且所述反射镜在所述阶梯热沉上成预定高度差排列，所述任一反射镜不遮挡其他所述反射镜反射光束的传播。

6.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述波长合束器由体布拉格光栅结构构成；两束波长不同的激光光斑重叠并呈布拉格共轭角入射到布拉格光栅上，实现两束光的叠加输出。

7.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述非球面聚焦透镜对合束后的激光聚焦，且表面镀有所述第一激光芯片与所述第二激光芯片出射波长匹配的高透过滤膜层。

8.根据权利要求1所述的多波长高功率半导体激光器，其特征在于，其中所述光纤为多模光纤，且在所述光纤端面镀有所述第一激光芯片及所述第二激光芯片两种波长的高透过率膜层及相应激射波长的全反膜层。