CN107884884A - 单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，包括M组单管半导体激光器及光学透镜模组，每一组单管半导体激光器包括N个单管半导体激光器；光学透镜模组包括：光束整形透镜，包含快轴光束整形透镜及慢轴光束整形透镜，反射镜，以及聚焦透镜组。聚焦透镜组可将多个单管半导体激光器发射的激光聚焦，于尾纤入射端面处得到一个小于尾纤直径长度的的聚焦光斑，并从尾纤输出端输出光束。

Description

单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置。

背景技术

近年来，单管半导体激光器凭借其散热性能好、电光转换效率高、寿命长、无“微笑”效应等优势逐步成为激光器届的新宠，也成为光纤激光器、固体激光器泵浦源的不二之选，其发展将直接推动激光测距、引信、跟踪、制导、武器模拟、点火引爆、雷达、夜视、目标识别与对抗等技术的更新换代。尤其固态激光武器等高能量应用系统要求泵浦源具有更高密度功率密度输出，但由于单个单管半导体激光器出光功率低、光束质量较差，其应用范围大受限制，而激光合束技术是改善单管模块的重要手段。

常用的单管半导体激光器激光合束技术包括：空间合束、空间合束、偏振合束。激光合束技术可提高单管半导体激光器尾纤耦合模块的出光功率及光功率密度。随着光束整形技术的进步，可以使用简单的透镜完成光束快慢轴发散角的压缩准直，也为激光合束工艺的进步打下良好的基础。优化多单管半导体激光器激光合束模块的结构，将同时可完成光束整形、多个单管半导体激光器的光束合束，并耦合进小芯径尾纤之内的尾纤耦合模组，可以获得高功率、高亮度光束输出，有利于降低工业生产成本，极大拓宽单管半导体激光器的应用范围。

发明内容

鉴于现有方案存在的问题，为了克服目前技术方案的不足，本发明提出了一种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置。

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，包括：

M组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，每组单管半导体激光器均包括N个单管半导体激光器，其中M，N均为正整数；以及

光学透镜模组，设置于各单管半导体激光器的出光方向上，包括：

多个快轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角；

多个慢轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在慢轴方向的发散角；

第一至第M反射镜，分别设置于第一至第M组单管半导体激光器的出光方向上，用于改变第一至第M组单管半导体激光器分别输出的N束激光的光传播方向，各组单管半导体激光器输出的N束激光被反射后均垂直入射至聚焦透镜组的入射面；以及

聚焦透镜组，用于将经第一至第M反射镜反射后垂直入射的M×N束激光聚焦为一聚焦光斑。

可选地，所述散热热沉上设置有M个平行的阶梯座体单元，所述M组单管半导体激光器中每一组单管半导体激光器均设置于所述散热热沉的一个阶梯座体单元上。

可选地，在每一组单管半导体激光器中各单管半导体激光器依次呈平行阶梯状设置，相邻的两单管半导体激光器之间具有一高度差，且各阶梯之间的高度差相等。

可选地，所述各组单管半导体激光器中位于同一阶梯的单管半导体激光器高度相同。

可选地，所述第一至第M反射镜中每个反射镜对应一组单管半导体激光器，第一至第M反射镜呈阶梯式平行设置，第一至第M反射镜的规格相同，且第一至第M反射镜放置的高度相等。

可选地，所述散热热沉上设置的M个平行的阶梯座体单元中，每个阶梯座体单元包括N个台阶，该N个台阶上分别用于设置所述N个单管半导体激光器。

可选地，该散热热沉还设置有：M×N个激光器定位点，分别用于设置M×N个单管半导体激光器；以及N对电极放置台阶，每对电极线放置台阶的高度相同，相邻电极线放置台阶的高度差相等，且等于相邻单管半导体激光器的高度差。

可选地，该尾纤耦合装置还包括：一尾纤，所述聚焦透镜组将M×N束激光聚焦为一聚焦光斑后，该聚焦光斑进入所述尾纤的输入端，并从所述尾纤的输出端输出。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，对M组单管半导体激光器的输出光束进行合束并耦合，获得单一波长、高功率及高功率密度的激光输出；

2)本发明提供的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，多组单管半导体激光器分别采用平行阶梯设置，配合反射镜，减小装置整体的体积；

3)本发明提供的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，每一单管半导体激光器对应一对整形透镜，压缩激光的发散角。

附图说明

图1为本发明一实施例中单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置的结构示意图。

图2位本发明中单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置的光路示意图。

具体实施方式

本发明某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本发明的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此处所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本发明满足适用的法律要求。

在本说明书中，下述用于描述本发明原理的各种实施例只是说明，不应该以任何方式解释为限制本发明的范围。参照附图的下述描述用于帮助全面理解由权利要求及其等同物限定的本发明的示例性实施例。下述描述包括多种具体细节来帮助理解，但这些细节应认为仅仅是示例性的。因此，本领域普通技术人员应认识到，在不悖离本发明的范围和精神的情况下，可以对本文中描述的实施例进行多种改变和修改。此外，为了清楚和简洁起见，省略了公知功能和结构的描述。此外，贯穿附图，相同附图标记用于相似功能和操作。

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，对本发明进一步详细说明。

本发明一实施例提供一种单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，包括M组单管半导体激光器和光学透镜模组，其中：

M组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，每组单管半导体激光器均包括N个单管半导体激光器，其中M，N均为正整数。

光学透镜模组，设置于各单管半导体激光器的出光方向上，包括多个快轴整形透镜、多个慢轴整形透镜、第一至第M反射镜和聚焦透镜组，其中：多个快轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角；多个慢轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在慢轴方向的发散角；第一至第M反射镜，分别设置于第一至第M组单管半导体激光器的出光方向上，用于改变第一至第M组单管半导体激光器分别输出的N束激光的光传播方向，各组单管半导体激光器输出的N束激光被反射后均垂直入射至聚焦透镜组的入射面；聚焦透镜组，用于将经第一至第M反射镜反射后垂直入射的M×N束激光聚焦为一聚焦光斑。

图1为本发明一实施例中单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置的结构示意图，图1中的尾纤耦合装置以M＝5，N＝3为例，即尾纤耦合装置包括五组单管半导体激光器，每组单管半导体激光器包括三个单管半导体激光器。如图1所示，尾纤耦合装置100包括散热热沉1，所述散热热沉1上设置有五个阶梯座体单元2，分别为第一、第二、第三、第四以及第五阶梯座体单元，五个阶梯座体单元2与散热热沉1可以是分体结构，也可以与散热热沉1一体形成，也就是说五个阶梯座体单元2可以是散热热沉1的一部分，五个阶梯座体单元在散热热沉1上相邻设置，同一阶梯座体单元的相邻台阶的高度差相同，且每组阶梯座体单元的台阶的高度均可以一一对应。

五组单管半导体激光器5使用金属或者合金焊料焊接的方式固定到五个阶梯座体单元2上，每一阶梯座体单元2包括三个台阶，该三个台阶上分别设置所述三个完全相同的单管半导体激光器5，且单管半导体激光器5出光方向相同。

光学透镜模组包括快轴光束整形透镜6、慢轴光束整形透镜7、第一至第五反射镜8和聚焦透镜组9。其中：

快轴光束整形透镜6和慢轴光束整形透镜7分别与单管半导体激光器一一对应，设置在相应单管半导体激光器的输出方向上，本实施例中快轴光束整形透镜6可以固定于激光器出光面处，慢轴光束整形透镜7可以设置在相应的单管半导体激光器对应的阶梯座体单元2的台阶上，光束整形透镜的作用为分别对相应单管半导体激光器发出激光的快轴方向和慢轴方向进行发散角压缩，保障各单管半导体激光器发出激光具有较小的发散角。

第一至第五反射镜8表面镀有与半导体激光器发射激光的波长相对应的高反射膜，可对该激光进行传播方向的改变。经第一至第五反射镜8反射后的5×3束激光均以垂直于聚焦透镜组的入射面的方向入射到聚焦透镜组9。图2展示了第一组三支单管半导体激光器LD1、第二组三支单管半导体激光器LD2、第三组三支单管半导体激光器LD3、第四单管半导体激光器组LD4、第五组三支单管半导体激光器LD5出射的15束激光合为含有15束相同激光的空间合束激光的过程。

聚焦透镜组9将空间合束激光聚焦，并在尾纤端面形成一个小于尾纤10直径长度的的聚焦光斑，聚焦透镜组9可包含一块或多块光学透镜，其作用为对激光进行聚焦。在其他实施例中可以使用其他数量或类型的聚焦透镜或者聚焦透镜组。

聚焦后的一束空间合束激光沿尾纤10的入射端面中心法线的方向垂直入射到尾纤的端面，即可完成尾纤耦合工艺，并从所述尾纤10的输出端输出，即可实现高耦合效率、高输出功率以及高亮度激光光束的输出。

请再参照图1，五组激光器均为单管半导体激光器，且所有单管半导体激光器的波长相同。每行单管半导体激光器之间靠金带相连，每行两端通过电极引线与电源相连以对单管半导体激光器供电。每两个相邻激光器定位台阶之间的长度D可以根据需求，包括反射镜8的大小，单管半导体激光器5的大小，慢轴光束整形透镜7的大小等条件进行调控，且D可以调节整个模块的大小。

每个单管半导体激光器在焊接到散热热沉1之前，需对其分别进行快轴方向整形，在其每个单管半导体激光器的出光端面附近会胶粘设置一个快轴光束整形透镜6。之后，采用金属或合金焊料焊接的方式将单管半导体激光器5焊接到散热热沉1上。

将焊接到散热热沉1上的单管半导体激光器之间连接好金带，接上电源，再对其进行慢轴方向的光束整形。选择合适的慢轴光束整形透镜7，可以根据慢轴光束整形透镜7的规格，作用距离及焦距调控如图1所示的台阶长度L的长短，且L也可以影调节整个模块的大小。慢轴光束整形透镜7的高度需小于台阶的高度，且慢轴光束整形透镜7也可以采用胶粘的方式连接到散热热沉1上。

整形之后，将对光束实现波长合束工艺，如图2所示，图2展示了第一组三支单管半导体激光器LD1、第二组三支单管半导体激光器LD2、第三组三支单管半导体激光器LD3、第四单管半导体激光器组LD4、第五组三支单管半导体激光器LD5出射的15束激光合为含有15束相同激光的空间合束激光的过程。

LD1的光束经反射镜8反射而改变方向，以垂直入射至聚焦透镜组9的入射面。LD2至LD5发射的光束也以垂直入射至聚焦透镜组9的入射面。LD1至LD5发射的光束经过反射镜8反射，入射到聚焦透镜组9进行聚焦。通过光学设计软件ZEMAX模拟，聚焦透镜组的方式能对光束更好地聚焦，且聚焦光斑相比于单个聚焦透镜聚焦得到的聚焦光斑更小。实际中，可以根据对聚焦光斑大小的需求来设计并选择相应的聚焦透镜组。此处无固定要求。因为本发明采用的是垂直对接耦合的方式，故聚焦光斑越小，可选的耦合光纤10的纤芯直径也越小。

本发明实施例提供的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，采用单管半导体激光器与散热热沉直接相连的方式，减少了多次焊料焊接出现空气空洞的几率。因此激光器的散热更加优良。多波长合束可以增大单管半导体光纤耦合模块的出光功率。每列的单管半导体激光器数量及单管半导体激光器的列数均可以增加，不限定为5列3行，可以调控以得到特定功率的输出，因此这种设计的可延伸弹性更好。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值；

实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”“水平”“垂直”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围；

实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。

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 (9)

1.一种单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，包括：

M组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，每组单管半导体激光器均包括N个单管半导体激光器，其中M，N均为正整数；以及

光学透镜模组，设置于各单管半导体激光器的出光方向上，包括：

多个快轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角；

多个慢轴整形透镜，用于压缩各单管半导体激光器输出的激光在慢轴方向的发散角；

第一至第M反射镜，分别设置于第一至第M组单管半导体激光器的出光方向上，用于改变第一至第M组单管半导体激光器分别输出的N束激光的光传播方向，各组单管半导体激光器输出的N束激光被反射后均垂直入射至聚焦透镜组的入射面；以及

聚焦透镜组，用于将经第一至第M反射镜反射后垂直入射的M×N束激光聚焦为一聚焦光斑。

2.根据权利要求1所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，所述散热热沉上设置有M个平行的阶梯座体单元，所述M组单管半导体激光器中每一组单管半导体激光器均设置于所述散热热沉的一个阶梯座体单元上。

3.根据权利要求2所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，在每一组单管半导体激光器中各单管半导体激光器依次呈平行阶梯状设置，相邻的两单管半导体激光器之间具有一高度差，且各阶梯之间的高度差相等。

4.根据权利要求2所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，所述各组单管半导体激光器中位于同一阶梯的单管半导体激光器高度相同。

5.根据权利要求2所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，所述第一至第M反射镜中每个反射镜对应一组单管半导体激光器，第一至第M反射镜呈阶梯式平行设置，第一至第M反射镜的规格相同，且第一至第M反射镜放置的高度相等。

6.根据权利要求2所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，所述散热热沉上设置的M个平行的阶梯座体单元中，每个阶梯座体单元包括N个台阶，该N个台阶上分别用于设置所述N个单管半导体激光器。

7.根据权利要求6所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，该散热热沉还设置有：

M×N个激光器定位点，分别用于设置M×N个单管半导体激光器；以及

N对电极放置台阶，每对电极线放置台阶的高度相同，相邻电极线放置台阶的高度差相等，且等于相邻单管半导体激光器的高度差。

8.根据权利要求6所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，所述快轴光束整形透镜固定于各单管半导体激光器的出光面处，所述慢轴光束整形透镜设置在各单管半导体激光器对应的阶梯座体单元的台阶上。

9.根据权利要求1所述的单一波长多单管半导体激光器的尾纤耦合装置，其中，该尾纤耦合装置还包括：

一尾纤，所述聚焦透镜组将M×N束激光聚焦为一聚焦光斑后，该聚焦光斑进入所述尾纤的输入端，并从所述尾纤的输出端输出。