CN107884885A - 三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，包括三组单管半导体激光器和光学透镜模组，每一组单管半导体激光器包括X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，波长合束镜，聚焦透镜组以及反射镜。聚焦透镜组可将多个单管半导体激光器发射的激光消像差及聚焦，于光纤入射端面处得到一个小于光纤直径长度的的聚焦光斑，并从光纤输出端输出光束。

Description

三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，特别涉及一种三波长多单管半导体激 光器的光纤耦合装置。

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秀，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，但单支单管半导体激光器的功率较低和光束质量较差成为限制 其应用范围拓展的主要因素。光束整形技术及多单管合束技术均是提高光 功率及光功率密度的有效途径，将二者结合可以使单管半导体激光器模块 的应用范围大大拓展。

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，本发明提供了一种三波长多单管半导体激光 器的光纤耦合装置，其中，包括：

三组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，包括：

第一组单管半导体激光器，包括X个第一单管半导体激光器，所 述第一单管半导体激光器发射具有第一波长的第一激光；其中X为大于等 于1的正整数；

第二组单管半导体激光器，包括X个第二单管半导体激光器，所 述第二单管半导体激光器发射具有第二波长的第二激光；以及

第三组单管半导体激光器，包括X个第三单管半导体激光器，所 述第三单管半导体激光器发射具有第三波长的第三激光；

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；以及

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；

第一反射镜，用于改变第一组单管半导体激光器输出的X个具有 第一波长的第一激光的光传播方向，将该X个具有第一波长的第一激光反 射至第一波长合束镜的入射面；

第一波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜及第二激光的高 反射膜，用于改变第二组单管半导体激光器输出的X个具有第二波长的第 二激光的光传播方向，将X个具有第一波长的第一激光与X个具有第二 波长的第二激光合束为X个双波长合束激光；

第二波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜、第二激光的高 透射膜及第三激光的高反射膜，用于改变第三组单管半导体激光器输出的 X个具有第三波长的第三激光的光传播方向，将X个双波长合束激光与X 个具有第三波长的第三激光合束为X个三波长合束激光；

第二反射镜，用于改变X个三波长合束激光的光传播方向，使其 入射至聚焦透镜组的入射面；以及

聚焦透镜组，用于消除X个三波长合束激光的像差并聚焦得到一 聚焦光斑。

可选地，所述三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，所述散热热沉上设置有三个平 行的阶梯座体单元。

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呈阶梯状 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，所述散热热沉上设置的三个平行的阶梯座体单元具体包括： 第一阶梯座体单元，包括X个台阶，该X个台阶上分别用于设置所述X 个第一单管半导体激光器；第二阶梯座体单元，包括X个台阶，该X个 台阶上分别用于设置所述X个第二单管半导体激光器；以及第三阶梯座体 单元，包括X个台阶，该X个台阶上分别用于设置所述X个第三单管半 导体激光器。

可选地，该散热热沉还设置有：第一激光器定位台阶组，包含X个激 光器定位台阶，用于X个第一单管半导体激光器的定位；第二激光器定位 台阶组，包含X个激光器定位台阶，用于X个第二单管半导体激光器的 定位；以及X对电极放置台阶，用于连接单管半导体激光器的电源接线。

可选地，所述第一反射镜设置于第一组单管半导体激光器的出光方向 上，所述第一波长合束镜设置于第二组单管半导体激光器的出光方向上， 所述第二波长合束镜设置于第三组单管半导体激光器的出光方向上。

可选地，该光纤耦合装置还包括：一光纤，所述聚焦透镜组将三波长 合束激光聚焦为一聚焦光斑后，该聚焦光斑进入所述光纤的输入端，并从 所述光纤的输出端输出。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明提供的这种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置， 对三组单管半导体激光器的输出光束进行合束并耦合，获得三波长、高功 率及高功率密度的激光输出；

2)本发明提供的这种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置， 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)本发明提供的这种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置， 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三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置 的结构示意图。

图2位本发明中三波长多单管半导体激光器的光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三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装 置，包括三组单管半导体激光器和光学透镜模组，其中：

三组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，包括：第一组单 管半导体激光器，包括X个第一单管半导体激光器，所述第一单管半导体 激光器发射具有第一波长的第一激光；其中X为大于等于1的正整数；第 二组单管半导体激光器，包括X个第二单管半导体激光器，所述第二单管 半导体激光器发射具有第二波长的第二激光；以及第三组单管半导体激光 器，包括X个第三单管半导体激光器，所述第三单管半导体激光器发射具 有第三波长的第三激光。

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、第一反射镜、第一波长合束镜、第二 波长合束镜、第二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 一反射镜，用于改变第一组单管半导体激光器输出的X个具有第一波长的 第一激光的光传播方向，将该X个具有第一波长的第一激光反射至第一波 长合束镜的入射面；第一波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜及第 二激光的高反射膜，用于改变第二组单管半导体激光器输出的X个具有第 二波长的第二激光的光传播方向，将X个具有第一波长的第一激光与X 个具有第二波长的第二激光合束为X个双波长合束激光；第二波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜、第二激光的高透射膜及第三激光的高 反射膜，用于改变第三组单管半导体激光器输出的X个具有第三波长的第 三激光的光传播方向，将X个双波长合束激光与X个具有第三波长的第 三激光合束为X个三波长合束激光；第二反射镜，用于改变X个三波长 合束激光的光传播方向，使其入射至聚焦透镜组的入射面；聚焦透镜组，用于消除X个三波长合束激光的像差并聚焦得到一聚焦光斑。

图1为本发明一实施例中三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置 的结构示意图，图1中以X＝5为例，三波长多单管半导体激光器的光纤耦 合装置100包括散热热沉1，所述散热热沉1上设置有三个阶梯座体单元 2，分别为第一、第二、第三阶梯座体单元，三个阶梯座体单元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，也就是说三个阶 梯座体单元2可以是散热热沉1的一部分。

第一单管半导体激光器组5使用金属或者合金焊料焊接的方式，紧靠 激光器定位台阶4固定到第一阶梯座体单元2上；第二单管半导体激光器 组5使用金属或者合金焊料焊接的方式，紧靠激光器定位台阶4固定到第 二阶梯座体单元2上；第三半导体激光器使用金属或者合金焊料焊接的方 式，紧靠电极引线台阶3固定到第三阶梯座体单元2上。

第一阶梯座体单元包括X个台阶，相邻台阶的高度差为固定值，X个 台阶沿A方向依次降低，每一台阶上设置一第一单管半导体激光器5，第 一单管半导体激光器5沿方向A发射第一波长的第一激光。

第二阶梯座体单元亦包括X个台阶，其与第一阶梯座体单元的X个 台阶的高度一一对应，每一台阶上设置一第二单管半导体激光器5，第二 单管半导体激光器沿方向A发射第二波长的第二激光。

第三阶梯座体单元亦包括X个台阶，其与第一阶梯座体单元的X个 台阶的高度一一对应，每一台阶上设置一第三单管半导体激光器5，第三 单管半导体激光器沿方向A发射第三波长的第三激光。

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 反射镜8、第一波长合束镜9、第二波长合束镜10、第二反射镜11、聚焦 透镜组12以及上述的耦合光纤13。

光学透镜模组中，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。

波长合束镜9表面镀有第一波长激光的高透射膜，以及第二波长激光 的高反射膜；波长合束镜10表面镀有第一波长激光和第二波长的高透射 膜，以及第三波长激光的高反射膜。

经第一反射镜8反射后的X个第一激光沿B方向传播，与沿A方向 传播的X个第二激光经过双波长合束镜9之后合束为沿B方向传播的X 个双波长合束激光，再与沿A方向传播的X个第三激光经过第二波长合 束镜10合束为沿B方向传播的X个三波长合束激光。X个三波长合束激 光再经过第二反射镜11改变传播方向至C方向，并到达聚焦透镜组12的 入射面上。图2为本发明中单管半导体激光器的波长合束模块的光路示意 图，展示了第一单管半导体激光器组LD1、第二单管半导体激光器组LD2、 第三单管半导体激光器组LD3出射的3X个激光合为X个三波长合束激光 的过程。在其他实施例中，X可以为任何正整数。同时，单管半导体激光 器组也不限于三种，即可以含有不限于可出射三种波长的单管半导体激光器。相应的，所使用波长合束镜的数量会增加或者减少，但其数量横等于 单管半导体激光器种类数减1，表面也镀有相应的高反射膜和高投射膜。

聚焦透镜组12将X个三波长合束激光聚焦并在光纤端面形成一个小 于耦合光纤13芯径的的聚焦光斑，聚焦透镜组12可包含一块或多块 光学透镜，其作用为消除三波长合束激光的像差，同时对其进行聚焦。在 其他实施例中可以使用其他数量或类型的单聚焦透镜或者聚焦透镜组。

聚焦后的一束三波长激光沿耦合光纤13的入射端面中心法线的方向 垂直入射到耦合光纤13的端面，即可完成光纤耦合工艺，并从所述耦合 光纤13的输出端输出，即可实现高耦合效率、高输出功率、高光亮度以 及多波长激光光束的输出。

请再参照图1，由右向左的三列激光器均为单管半导体激光器，且每 列单管半导体激光器的波长相同，三列半导体激光器的波长均不相同。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，包括波长合束镜8，9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也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胶粘一个快轴光 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。首先，图1最 右边一列单管激光器组(图1中是5个单管半导体激光器，但是不限于5 个)对应图2中的Ld1，Ld1发射波长假设为x nm；图1中间一列单管激 光器组(图1中是5个单管半导体激光器，但是也不限于5个)对应图2 中的Ld2，Ld2发射波长假设为y nm；图1最左边一列单管激光器组(图 1中是5个单管半导体激光器，但是也不限于5个)对应图2中的Ld3， Ld3发射波长假设为z nm。

Ld1的光束经反射镜8反射而改变方向，以45度入射的方式到达第 一波长合束镜9的第一面。Ld2发射的光束也以45度入射的方式到达第 一波长合束镜9的第二面。因为第一波长合束镜表面镀有x nm波长光束 的高透射膜以及y nm波长光束的高反射膜，且横向相邻的单管半导体激 光器的台阶高度相同，因此相应光束的二者可以合为一束光束。

以同样的道理，含有x nm及y nm波长的光束以45度入射的方式到 达第二波长合束镜10的第一面，Ld3的发射的znm的波长的光束也以45 度入射的方式到达第二波长合束镜10的第二面。因为第二波长合束镜表 面镀有x nm及y nm波长的光束的高透射膜，及z nm波长的光束的高反 射膜，且横向相邻的单管半导体激光器的台阶高度相同，因此相应光束的 三者可以何为一束光。

含有三种波长的光束经过反射镜11反射，入射到聚焦透镜组12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13的纤芯直径也越小。

本发明实施例提供的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，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3列5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)

1.一种三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，其中，包括：

三组单管半导体激光器，并行设置于一散热热沉上，包括：

第一组单管半导体激光器，包括X个第一单管半导体激光器，所述第一单管半导体激光器发射具有第一波长的第一激光；其中X为大于等于1的正整数；

第二组单管半导体激光器，包括X个第二单管半导体激光器，所述第二单管半导体激光器发射具有第二波长的第二激光；以及

第三组单管半导体激光器，包括X个第三单管半导体激光器，所述第三单管半导体激光器发射具有第三波长的第三激光；

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；

第一反射镜，用于改变第一组单管半导体激光器输出的X个具有第一波长的第一激光的光传播方向，将该X个具有第一波长的第一激光反射至第一波长合束镜的入射面；

第一波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜及第二激光的高反射膜，用于改变第二组单管半导体激光器输出的X个具有第二波长的第二激光的光传播方向，将X个具有第一波长的第一激光与X个具有第二波长的第二激光合束为X个双波长合束激光；

第二波长合束镜，表面镀有第一激光的高透射膜、第二激光的高透射膜及第三激光的高反射膜，用于改变第三组单管半导体激光器输出的X个具有第三波长的第三激光的光传播方向，将X个双波长合束激光与X个具有第三波长的第三激光合束为X个三波长合束激光；

第二反射镜，用于改变X个三波长合束激光的光传播方向，使其入射至聚焦透镜组的入射面；以及

聚焦透镜组，用于消除X个三波长合束激光的像差并聚焦得到一聚焦光斑。

2.根据权利要求1所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，其中，所述散热热沉上设置有三个平行的阶梯座体单元，所述三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所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，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所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，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所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，其中，所述散热热沉上设置的三个平行的阶梯座体单元具体包括：

第一阶梯座体单元，包括X个台阶，该X个台阶上分别用于设置所述X个第一单管半导体激光器；

第二阶梯座体单元，包括X个台阶，该X个台阶上分别用于设置所述X个第二单管半导体激光器；以及

第三阶梯座体单元，包括X个台阶，该X个台阶上分别用于设置所述X个第三单管半导体激光器。

6.根据权利要求5所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，该散热热沉还设置有：

第一激光器定位台阶组，包含X个激光器定位台阶，用于X个第一单管半导体激光器的定位；

第二激光器定位台阶组，包含X个激光器定位台阶，用于X个第二单管半导体激光器的定位；以及

X对电极放置台阶，用于连接单管半导体激光器的电源接线。

7.根据权利要求5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。

8.根据权利要求1所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，其中，所述第一反射镜设置于第一组单管半导体激光器的出光方向上，所述第一波长合束镜设置于第二组单管半导体激光器的出光方向上，所述第二波长合束镜设置于第三组单管半导体激光器的出光方向上。

9.根据权利要求1所述的三波长多单管半导体激光器的光纤耦合装置，其中，该光纤耦合装置还包括：

一光纤，所述聚焦透镜组将三波长合束激光聚焦为一聚焦光斑后，该聚焦光斑进入所述光纤的输入端，并从所述光纤的输出端输出。