CN107565359B - 一种半导体激光器侧面泵浦系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种半导体激光器侧面泵浦系统，结构紧凑、所占径向空间较小，并避免了因半导体激光器之间激光对射而导致损伤的问题。该半导体激光器侧面泵浦系统，包括晶体棒和至少一个半导体激光器，所述半导体激光器的出光方向平行于晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。

Description

一种半导体激光器侧面泵浦系统

技术领域

本发明涉及一种高功率半导体激光器光学系统。

背景技术

半导体激光器作为全固态激光器的泵浦源，是组成全固态激光器的核心部件。目前，国内外常用的半导体激光器侧面泵浦固体激光器模块结构为半导体激光器呈正三角、正五角、正七角均匀分布于晶体棒的周围，比如中国专利“CN201310002609.8-一种半导体激光器侧泵模块”中图2a所公开的正三角形侧泵结构，图3a所公开的正五角星侧泵结构，均是本领域常用的侧面泵浦结构。这种结构存在以下几种缺陷：

1、占用的径向空间较大，装配复杂，对半导体激光器安装位置要求高，且不易拆卸和更换半导体激光器bar条，拆卸后再安装容易产生机械安装偏差。

2、由于半导体激光器直接照射晶体棒，且半导体激光器的环形排布结构易造成半导体激光器之间的激光对射，部分激光在环形泵浦模块空间内发生激光二次反射，导致半导体激光器受到损伤，降低了寿命。

发明内容

本发明提出一种半导体激光器侧面泵浦系统，结构紧凑、所占径向空间较小，并避免了因半导体激光器之间激光对射而导致损伤的问题。

本发明的解决方案如下：

该半导体激光器侧面泵浦系统，包括晶体棒和至少一个半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器的出光方向平行于晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。

这里的尺寸相适配，主要是强调全反射组件在晶体棒周向上所占空间只需满足对半导体激光器出光的全反射即可，即全反射组件和半导体激光器在晶体棒上的投影宽度相当。

全反射组件可设计不同的型式，对于透光的光学器件，发出的光可能经过一次全反射，也可能经过两次以上的全反射，总之最终光路都发生了偏折后进入晶体棒。

在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下重要优化：

所述半导体激光器均沿其快轴方向围绕晶体棒排列，半导体激光器在晶体棒外周竖立的方向为慢轴方向。除此之外，也可以使半导体激光器“平放”。

所述全反射组件为透光的光学器件，至少具有一个反射面和两个透射面，半导体激光器发出的光从其中一个透射面进入，经反射面全反射后最终从另一个透射面出射进入晶体棒；或者，所述全反射组件为反射镜，半导体激光器发出的光经反射镜直接反射后进入晶体棒。

所述透光的光学器件整体为平板型，反射面为平面或者阶梯型，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒表面，平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光。

另外，透光的光学器件也可改为反射镜，其反射面为平面、凸面或者凹面，反射镜与半导体激光器出光端之间还设置有快轴准直镜。由于半导体激光器通常快轴发散角较大，全反射组件为反射镜时，有必要加快轴准直镜。

多个半导体激光器及其全反射组件环绕晶体棒排布。

多个半导体激光器整体设置于晶体棒的一端，或者分为两部分分别位于晶体棒的两端。

位于晶体棒的两端的两部分半导体激光器及其全反射组件插空排列。

在环形排布的一圈半导体激光器及其全反射组件的外围，还扩展有第二圈半导体激光器及其全反射组件。第二圈与第一圈位置无需严格的对应关系，第二圈与第一圈也可插空排列。

在每个全反射组件隔着晶体棒的正对面，还设置有用于杂散光二次利用的光学组件，该光学组件使得未被晶体棒吸收的杂散光被反射回晶体棒实现二次利用。该光学组件的具体形式可以是简单的凹面反射镜，也可以通过延长扇形夹块，使一部分扇形夹块充当光学组件的功能。

在晶体棒表面外周固定设置有液冷通道，液冷通道至少覆盖对应于全反射组件的区域，通道壁为透明材质。

所述全反射组件为透光的平板型光学器件，所述通道壁与全反射组件为一体成型结构，这样还起到了对全反射组件安装定位的作用。

在晶体棒表面，相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块；在全部扇形夹块整体的外周设置有锁紧装置，用于将全部半导体激光器向中心的晶体棒收紧固定；所述扇形夹块延伸至全反射组件所在位置，即也填充于相邻的全反射组件之间，使得所述锁紧装置对半导体激光器及其全反射组件同时产生收紧固定的作用；或者，在全反射组件的外周设置有柱形外壳，柱形外壳内设置有用于固定全反射组件的固定架。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、径向体积小，光源一般可设置在晶体棒的两端，易于拆装。

2、激光通过全反射组件全反射，光路发生偏折后射入晶体棒，只有少量透过晶体棒的杂散光直接出射，半导体激光器受到的杂散光影响小，避免了半导体激光器由于受光而引起的损伤。

3、传统的半导体激光器叠阵的光斑为方形光斑，光斑方形变为圆形需要进行光学整形，导致成本增加、体积较大。本发明的光源结构中通过扇形夹块将多个半导体激光器组装，形成出光面均衡分布的整体圆面，直接输出圆形光斑，具有较小的体积。而且，由于半导体激光器的快慢轴发散角不一致，传统叠阵结构的光斑在不增加光源整形装置前均匀性差，采用本发明的光源结构，光斑均匀性相对较好，不仅可以用于半导体激光器侧面泵浦，还可以直接在医疗等领域进行应用，尤其是激光脱毛领域。

附图说明

图1、图2为实施例一的外形结构示意图。

图3为图1所示方案中全反射组件(阶梯型反射面)的光路示意图。

图4为基于图1所示方案扩展半导体激光器及其全反射组件的示意图。

图5为图4所示方案中全反射组件的光路示意图。

图6为实施一的一种优化结构(杂散光二次利用、晶体棒表面设置通水通道)。

图7为图6的横截面示意图。

图8为实施例二的外形结构示意图。

图9为实施例三的外形结构示意图。

图10为基于图1所示方案的一种光源封装结构的(一端)示意图。

图11为图10所示结构的剖视图。

图12为基座、外环以及扇形夹块配合连接的示意图。

图13为实施例一封装后的整体外形结构示意图。

图14为对扇形夹块的改型来实现杂散光二次利用的示意图，其中，(a)为基于扇形夹块延伸出反射件，(b)为扇形夹块自身延长，不仅实现杂散光二次利用，还起到对全反射组件的固定。

图15为基于实施例一的一种优化的封装结构拆解图。

附图标号说明：

1-晶体棒；2-半导体激光器；201、202-液体制冷型bar条激光器的水道；3-全反射组件；301-反射面；302-入射面；303-出射面；4-用于杂散光二次利用的光学组件；5-(全反射组件与晶体棒表面之间的)液冷通道；6-扇形夹块；601-扇形夹块上的进水通道，602-扇形夹块上的出水通道；603-扇形夹块的延伸部；7-锁紧装置；701-基座，702-外环；8-整体封装结构的出水口；9-整体封装结构的进水口；10-快轴准直镜；11-(用于固定全反射组件的)柱形外壳。

具体实施方式

如图1所示，该半导体激光器侧面泵浦系统，包括晶体棒1和多个半导体激光器2，多个半导体激光器的出光方向平行于晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。晶体棒为将半导体激光器提供的激光通过光学谐振腔转化为在空间和时间上相干的具有高度平行性和单色性激光的晶体材料。

半导体激光器包括片状制冷器以及键合其上的激光芯片。

半导体激光器可以设置在晶体棒的一端，也可以以对称形式设置在晶体棒的两端，两端的半导体激光器相对出光，这种结构采用了两倍的光源功率，可实现泵浦模块的功率扩展。

图1所示结构中，多个半导体激光器均匀分布于晶体棒的两端，出光方向平行于晶体棒，与半导体激光器一一对应放置全反射组件3。为了缩小侧面泵浦装置的径向体积，两端的半导体激光器相错布置，使得对应的全反射组件插空排列，如图2所示。

半导体激光器均沿其快轴方向围绕晶体棒排列，半导体激光器在晶体棒外周竖立的方向为慢轴方向(按照图3所示，快轴方向即垂直纸面的方向，慢轴方向如图中左侧的箭头方向)。半导体激光器在晶体棒上的安装方向除了以上方式外，还可以使半导体激光器“平放”，如图8所示。

全反射组件3优选透光的平板型光学器件，具体为具有至少一个反射面和两个透射面(激光的入射和出射面)的光学元件，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒表面。反射面可以为平面，也可以为图中所示的阶梯型，阶梯型反射面进一步优化了激光的均匀性，激光在全反射组件中的光路图如图3所示。平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光。

全反射组件3也可以是反射镜，如图9所示，半导体激光器发出的光经反射镜直接反射后进入晶体棒，其反射面为平面、凸面或者凹面。由于半导体激光器通常快轴发散角较大，全反射组件为反射镜时，有必要加快轴准直镜10。

根据需要，还可在环形排布的一圈半导体激光器及其全反射组件的外围，再扩展第二圈半导体激光器及其全反射组件，如图4、图5所示。第二圈与第一圈位置无需严格的对应关系，第二圈与第一圈也可插空排列。

如图6所示，在全反射组件之间增加用于杂散光二次利用的光学组件4，光路原理如图7所示。光学组件位于全反射组件的反射光出射的正对方向，包括设置于晶体棒上的透射面和远离晶体棒的反射面，使得未被晶体棒吸收的杂散光在光学组件内被反射回晶体棒完成二次利用。

该光学组件的具体形式可以是简单的凹面反射镜，也可以利用封装结构中的固定结构件，如图14所示，通过延长扇形夹块，使一部分扇形夹块充当光学组件的功能(扇形夹块延伸部的内侧面作为反射面)，其中，(a)为基于扇形夹块延伸出反射件，(b)为扇形夹块自身延长，不仅实现杂散光二次利用，还起到对全反射组件的固定。

本实施例中给出的整体封装结构如图10、图11所示：在晶体棒表面，相邻的半导体激光器2之间填充扇形夹块6；在全部扇形夹块整体的外周设置锁紧装置7，用于将全部半导体激光器向中心的晶体棒收紧固定。为了优化晶体棒的散热，如图11所示，在全反射组件和晶体棒之间增加通水通道，通道壁为透明材质，全反射组件的透射面紧贴通水通道的通道壁。这样，通道壁与全反射组件可以为一体成型结构，也便于固定全反射组件。

如图11所示，半导体激光器可采用液体制冷型bar条激光器，所有扇形夹块上均设置有进水通道和出水通道，与液体制冷型bar条激光器(液体制冷器)的水道连通，相接处使用O型圈对水道进行密封，在压紧状态下，液体制冷器与扇形夹块间的O型圈受压缩达到密封要求。更靠近芯片的位置为整体封装结构的进水口，远离芯片的地方为整体封装结构的出水口。

为了更可靠地对全反射组件进行固定，如图14所示，扇形夹块延伸至全反射组件所在位置，即也填充于相邻的全反射组件之间，使得锁紧装置对半导体激光器及其全反射组件同时产生收紧固定的作用；或者，如图15所示，在全反射组件的外周设置有柱形外壳11，柱形外壳内设置有用于固定全反射组件的固定架。

Claims (11)

1.一种半导体激光器侧面泵浦系统，包括晶体棒和至少一个半导体激光器，其特征在于：所述半导体激光器的出光方向平行于晶体棒，每一个半导体激光器的出光方向上单独设置有尺寸相适配的全反射组件，发出的光经过全反射组件发生光路偏折后进入晶体棒。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：所述半导体激光器均沿其快轴方向围绕晶体棒排列，半导体激光器在晶体棒外周竖立的方向为慢轴方向。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：所述全反射组件为透光的光学器件，至少具有一个反射面和两个透射面，半导体激光器发出的光从其中一个透射面进入，经反射面全反射后最终从另一个透射面出射进入晶体棒；或者，所述全反射组件为反射镜，半导体激光器发出的光经反射镜直接反射后进入晶体棒。

4.根据权利要求3所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：所述透光的光学器件整体为平板型，反射面为平面或者阶梯型，入射面设置在半导体激光器的出光位置，出射面设置在晶体棒表面，平板两侧面镀有反射膜以防止侧面漏光；或者，所述透光的光学器件替换为反射镜，其反射面为平面、凸面或者凹面，反射镜与半导体激光器出光端之间还设置有快轴准直镜。

5.根据权利要求3所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：多个半导体激光器及其全反射组件环绕晶体棒排布。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：多个半导体激光器整体设置于晶体棒的一端，或者分为两部分分别位于晶体棒的两端。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：位于晶体棒的两端的两部分半导体激光器及其全反射组件插空排列。

8.根据权利要求5或6所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：在环形排布的一圈半导体激光器及其全反射组件的外围，还扩展有第二圈半导体激光器及其全反射组件。

9.根据权利要求5所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：在每个全反射组件隔着晶体棒的正对面，还设置有用于杂散光二次利用的光学组件，该光学组件使得未被晶体棒吸收的杂散光被反射回晶体棒实现二次利用。

10.根据权利要求5所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：在晶体棒表面外周固定设置有液冷通道，液冷通道至少覆盖对应于全反射组件的区域，通道壁为透明材质。

11.根据权利要求5所述的半导体激光器侧面泵浦系统，其特征在于：在晶体棒表面，相邻的半导体激光器之间填充有扇形夹块；在全部扇形夹块整体的外周设置有锁紧装置，用于将全部半导体激光器向中心的晶体棒收紧固定；

所述扇形夹块延伸至全反射组件所在位置，即也填充于相邻的全反射组件之间，使得所述锁紧装置对半导体激光器及其全反射组件同时产生收紧固定的作用；或者，在全反射组件的外周设置有柱形外壳，柱形外壳内设置有用于固定全反射组件的固定架。