CN108196347A - 一种光纤、半导体激光模块及光纤制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤、半导体激光模块及光纤制作方法。其中，该光纤用于耦合激光束，光纤包括用于耦合激光束的端面，端面与垂直于光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，入射的激光束的轴线与光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与光纤的轴线同轴。因此，一方面，激光束在光纤端面上的反射光束与入射光束在空间上充分分离，反射光束不会沿原光路返回损伤激光发射模组。另一方面，折射入光纤的激光束与光纤的轴线同轴传输，因此不会产生激光亮度恶化的现象。

Description

一种光纤、半导体激光模块及光纤制作方法
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，尤其涉及一种光纤、半导体激光模块及光纤制作方法。
背景技术
高功率光纤激光器以其稳定可靠、免维护的优点，正逐步取代传统的气体或固体激光器，成为薄板金属切割、焊接领域的重要加工工具。目前，高功率光纤激光器中普遍使用半导体激光模块作为其泵浦源。
半导体激光模块包括激光发射模组与光纤，激光发射模组发送激光束，并将激光束耦合至光纤，请参阅图1，入射激光束的轴线与光纤的轴线同轴，光纤的轴线垂直于光纤的端面，其中，光纤端面镀有增透膜。
发明人在实现本发明的过程中，发现传统技术至少存在以下问题：一方面，垂直入射的激光束容易原路返回至激光发射模组，从而损伤激光发射模组。另一方面，激光束耦合至光纤后，由于激光的全反射角比较大，因此，折射后激光的发散角较大，从而导致光纤输出的激光束的亮度出现恶化，例如，亮度降低。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明实施例的一个目的旨在提供一种光纤、半导体激光模块及光纤制作方法，其避免反射光束原路返回以及激光束亮度恶化的现象。
在第一方面，本发明实施例提供一种光纤，用于耦合激光束，所述光纤包括用于耦合激光束的端面，所述端面与垂直于所述光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，入射的激光束的轴线与所述光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与所述光纤的轴线同轴。
可选地，所述耦合角与所述倾斜角存在以下关系：
其中，n为所述光纤的折射率，α为所述耦合角，β为所述倾斜角。
在第二方面，本发明实施例提供一种半导体激光模块，包括：
壳体，包括收容腔；
任一项所述的光纤；以及，
激光发射模组，其收容于所述壳体内，所述激光发射模组用于发送激光束，并将所述激光束耦合至所述光纤。
可选地，所述激光发射模组包括：
多路激光单元，用于发射激光束；
聚焦透镜，用于聚焦所述激光束并将所述激光束耦合至所述光纤。
可选地，每路所述激光单元皆包括：
半导体激光芯片，用于产生激光；
快轴准直镜，其设置于所述半导体激光芯片的输出端，用于准直处理所述激光；
慢轴准直镜，其设置于所述快轴准直镜的输出端，用于准直处理经过所述快轴准直镜处理后的激光；
反射镜，其设置于所述慢轴准直镜的输出端，用于反射并空间叠加经过所述慢轴准直镜处理后的激光以形成激光束，并通过所述聚焦透镜将所述激光束耦合至所述光纤。
可选地，所述半导体激光模块还包括陶瓷插芯或金属插芯，所述光纤通过所述陶瓷插芯或所述金属插芯固定在所述壳体上。
在第三方面，本发明实施例提供一种光纤制作方法，所述方法包括：
提供光纤；
形成所述光纤端面，其中，所述端面与垂直于所述光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，并在所述光纤端面耦合激光束时，入射的激光束的轴线与所述光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与所述光纤的轴线同轴。
可选地，所述耦合角与所述倾斜角存在以下关系：
其中，n为所述光纤的折射率，α为所述耦合角，β为所述倾斜角。
可选地，所述耦合角由研磨机研磨所述光纤形成，或者，由光纤切刀切割形成。
可选地，所述端面是经过精密抛光处理的。
在本发明实施例提供的光纤、半导体激光模块及光纤制作方法中，光纤包括用于耦合激光束的端面，端面与垂直于光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，入射的激光束的轴线与光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与光纤的轴线同轴。因此，一方面，激光束在光纤端面上的反射光束与入射光束在空间上充分分离，反射光束不会沿原光路返回损伤激光发射模组。另一方面，折射入光纤的激光束与光纤的轴线同轴传输，因此不会产生激光亮度恶化的现象。
附图说明
一个或多个实施例通过与之对应的附图进行示例性说明，这些示例性说明并不构成对实施例的限定，附图中具有相同参考数字标号的元件表示为类似的元件，除非有特别申明，附图中的图不构成比例限制。
图1是传统技术提供一种激光束耦合至光纤的示意图；
图2是发明实施例提供一种半导体激光模块的结构示意图；
图3是发明实施例提供一种激光发射模组的结构示意图；
图4是发明实施例提供一种半导体激光模块的工作原理示意图；
图5是发明实施例提供一种激光单元的结构示意图；
图6是本发明实施例提供一种激光束耦合至光纤的示意图；
图7是本发明实施例提供一种光纤制作方法的流程示意图。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面结合附图和具体实施例，对本发明进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”、“内”、“外”以及类似的表述只是为了说明的目的。
除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
此外，下面所描述的本发明不同实施例中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
为了方便更加深入理解本发明的目的，传统技术除了在背景技术所阐述的缺点之外，其至少还存在以下缺点：
如前所述，光纤的端面镀有增透膜，因此，用户需要耗费高成本、时间制作此类光纤。
增透膜的损伤阈值比较低，对于高功率光纤激光器而言，为了在工业使用过程中能够长期稳定工作，通常需要保证光纤端面上的激光功率密度低于10MW/cm2。
然而，随着半导体激光技术的进步，半导体激光模组的输出功率越来越大，亮度越来越高。显然，传统技术已经无法满足大功率、高亮度半导体激光模组中对光纤输入端的高损伤阈值的要求了。
基于此，本发明实施例提供一种半导体激光模块。请参阅图2，该半导体激光模块100包括壳体200、光纤300、激光发射模组400及光纤固定件(图未示)。
壳体200包括收容腔，壳体200可以呈任意合适的形状。
光纤300通过光纤固定件固定在壳体200上，其中，该光纤固定件包括陶瓷插芯或金属插芯，光纤300通过陶瓷插芯或金属插芯固定在壳体200上。在一些实施例中，壳体200可以同时安装多条光纤，激光发射模组400同时通过多条光纤输出各路激光束，因此，本实施例提供的半导体激光模块100可以为多路半导体激光模块。
在一些实施例中，光纤300包括单包层光纤或双包层光纤。
激光发射模组400收容于壳体200内，激光发射模组400用于发送激光束，并将激光束耦合至光纤300。
请参阅图3，激光发射模组400包括：多路激光单元41与聚焦透镜42。
多路激光单元41用于发射激光束，每一路激光单元41皆可以产生激光，并将各路激光叠加形成激光束。
聚焦透镜42用于聚焦激光束并将激光束耦合至光纤300。
请参阅图4，每路激光单元41皆包括：半导体激光芯片411、快轴准直镜412、慢轴准直镜413及反射镜414。
半导体激光芯片411用于产生激光。由于激光发射模组400包括多路激光单元41，因此，本实施例提供的半导体激光模块100可以为多芯片的半导体激光模块。
快轴准直镜412设置于半导体激光芯片411的输出端，用于准直处理激光。
慢轴准直镜413设置于快轴准直镜412的输出端，用于准直处理经过快轴准直镜412处理后的激光。
反射镜414设置于慢轴准直镜413的输出端，用于反射并空间叠加经过慢轴准直镜413处理后的激光以形成激光束，并通过聚焦透镜42将激光束耦合至光纤300。
在一些实施例中，请参阅图5，每路激光单元41还包括用户交互单元415、驱动单元416及控制单元417。
用户交互单元415用于耦合用户输入的激光功率模式。例如，对于激光切割不同物体时，其所需的激光功率是不同的，其中，控制单元715预存有物体类别与激光功率之间的关联表，当用户在用户交互单元415输入第一激光功率模式，用于切割物体A时，其对应的激光功率为第一激光功率。当用户在用户交互单元415输入第二激光功率模式，用于切割物体B时，其对应的激光功率为第二激光功率。
用户交互单元415可以为显示模组，该显示模组显示有用户界面，该用户界面设置有各类参数。
驱动单元416与反射镜414连接，用于调整反射镜414的角度。驱动单元416包括连杆传动机构与步进电机，连杆传动机构的一端与反射镜414连接，连杆传动机构的另一端与步进电机的驱动轴连接。
控制单元417分别与用户交互单元415和驱动单元416中步进电机连接。控制单元417用于根据用户交互单元415的激光功率模式，调整反射镜414的位置，以改变入射至光纤300的激光束与光纤300端面之间的夹角，输出对应的激光功率。例如，承上所述，第一激光功率小于第二激光功率，切割物体A时，控制单元417向步进电机输入第一控制信号，步进电机根据第一控制信号调整反射镜414的位置，调整入射至光纤300的激光束与光纤300端面之间的夹角为第一夹角。同理，切割物体B时，控制单元417向步进电机输入第二控制信号，步进电机根据第二控制信号调整反射镜414的位置，调整入射至光纤300的激光束与光纤300端面之间的夹角为第二夹角，其中，第一夹角大于第二夹角。
在上述各个实施例中，光纤300包括用于耦合激光束的端面31，此处，为了便于理解，该激光束包括入射的激光束32与折射后的激光束33，其中，折射后的激光束33由入射的激光束32耦合至光纤300而形成的。
请参阅图6，端面31与垂直于光纤300轴线的平面之间的耦合角α不等于0，入射的激光束32的轴线与光纤300的轴线之间的夹角为倾斜角β，以使折射后的激光束33的轴线与光纤300的轴线同轴。
因此，一方面，激光束在光纤端面上的反射光束与入射光束在空间上充分分离，反射光束不会沿原光路返回损伤激光发射模组。另一方面，折射入光纤的激光束与光纤的轴线同轴传输，因此不会产生激光亮度恶化的现象。
在一些实施例中，耦合角α与倾斜角β存在以下关系：
其中，n为光纤300的折射率，α为耦合角，β为倾斜角。
在上述各个实施例中，光纤300取消如传统技术中的增透膜的设计，由于石英材料的损伤阈值非常高(1GW/cm2)，因此本实施例提供的光纤端面的损伤阈值远远高于传统技术。
在一些实施例中，耦合角由研磨机研磨所述光纤形成，或者，由光纤切刀切割形成。
在一些实施例中，端面31是经过精密抛光处理的。
为了便于更加深入理解本发明实施例，本发明实施例结合具体示例详细阐述本发明实施例的目的，具体如下：
多路激光单元41中相邻的激光单元存在高度差，该高度差为0.35毫米。
半导体激光芯片411的输出功率为28瓦，输出波长为915纳米，其慢轴方向发光区为100微米，发散角为8°(半高全宽)，其快轴方向发光区为1微米，发散角为28°(半高全宽)。
快轴准直镜412为焦距等于0.3毫米的非球面柱透镜，慢轴准直镜413为焦距等于10毫米的球面柱透镜。
半导体激光芯片411的输出激光，分别经过各自的快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直后，入射至反射镜414。反射镜414上镀有高反射率介质膜，对915纳米光的反射率大于99.5％，入射角45±3°内有效。反射镜414将8路激光单元的输出激光在快轴方向进行空间叠加，并确保各激光单元的输出激光的指向性一致。
聚焦透镜42的焦距为11毫米。8路激光单元组合而成的激光束7经过聚焦透镜42聚焦后，入射至带有耦合角的光纤300的端面31，光纤300端面31中心处的功率密度约10MW/cm2。光纤300为纤芯直径105微米，包层直径125微米的单包层光纤。
光纤300的耦合角为4.8度，光纤300与入射的激光束32的轴线间的夹角10为2.2度。入射的激光束32折射入光纤8的光束12与光纤300同轴，通过光纤300传输出半导体激光模块。入射的激光束32在光纤300端面31上的反射光束与入射光束在空间上充分分离，反射光束不会沿原光路返回损伤激光芯片。最终激光模块输出激光功率约180W，输出激光数值孔径小于0.15。
作为本发明实施例的另一方面，本发明实施例提供一种光纤制作方法。请参阅图7，光纤制作方法700包括：
步骤71、提供光纤；
步骤72、形成光纤端面，其中，端面与垂直于所述光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，并在所述光纤端面耦合激光束时，入射的激光束的轴线与所述光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与所述光纤的轴线同轴。
因此，一方面，激光束在光纤端面上的反射光束与入射光束在空间上充分分离，反射光束不会沿原光路返回损伤激光发射模组。另一方面，折射入光纤的激光束与光纤的轴线同轴传输，因此不会产生激光亮度恶化的现象。
在一些实施例中，耦合角与所述倾斜角存在以下关系：
其中，n为所述光纤的折射率，α为所述耦合角，β为所述倾斜角。
在一些实施例中，耦合角由研磨机研磨光纤形成，或者，由光纤切刀切割形成。
在一些实施例中，端面是经过精密抛光处理的。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；在本发明的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本发明的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光纤，用于耦合激光束，其特征在于，所述光纤包括用于耦合激光束的端面，所述端面与垂直于所述光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，入射的激光束的轴线与所述光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与所述光纤的轴线同轴。
2.根据权利要求1所述的光纤，其特征在于，所述耦合角与所述倾斜角存在以下关系：
其中，n为所述光纤的折射率，α为所述耦合角，β为所述倾斜角。
3.一种半导体激光模块，其特征在于，包括：
壳体，包括收容腔；
如权利要求1或2所述的光纤；以及，
激光发射模组，其收容于所述壳体内，所述激光发射模组用于发送激光束，并将所述激光束耦合至所述光纤。
4.根据权利要求3所述的半导体激光模块，其特征在于，所述激光发射模组包括：
多路激光单元，用于发射激光束；
聚焦透镜，用于聚焦所述激光束并将所述激光束耦合至所述光纤。
5.根据权利要求4所述的半导体激光模块，其特征在于，每路所述激光单元皆包括：
半导体激光芯片，用于产生激光；
快轴准直镜，其设置于所述半导体激光芯片的输出端，用于准直处理所述激光；
慢轴准直镜，其设置于所述快轴准直镜的输出端，用于准直处理经过所述快轴准直镜处理后的激光；
反射镜，其设置于所述慢轴准直镜的输出端，用于反射并空间叠加经过所述慢轴准直镜处理后的激光以形成激光束，并通过所述聚焦透镜将所述激光束耦合至所述光纤。
6.根据权利要求3所述的半导体激光模块，其特征在于，所述半导体激光模块还包括陶瓷插芯或金属插芯，所述光纤通过所述陶瓷插芯或所述金属插芯固定在所述壳体上。
7.一种光纤制作方法，其特征在于，包括：
提供光纤；
形成所述光纤端面，其中，所述端面与垂直于所述光纤轴线的平面之间的耦合角不等于0，并在所述光纤端面耦合激光束时，入射的激光束的轴线与所述光纤的轴线之间的夹角为倾斜角，以使折射后的激光束的轴线与所述光纤的轴线同轴。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述耦合角与所述倾斜角存在以下关系：
其中，n为所述光纤的折射率，α为所述耦合角，β为所述倾斜角。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述耦合角由研磨机研磨所述光纤形成，或者，由光纤切刀切割形成。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述端面是经过精密抛光处理的。
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PB01 Publication
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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CB02 Change of applicant information

Address after: 518000 5th floor, building B4, xujingchang Industrial Park, No. 39, Haoye Road, Xinhe community, Fuhai street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province

Applicant after: Shenzhen Xinghan Laser Technology Co.,Ltd.

Address before: 518000 No.301, A22, second industrial zone, Fuwei community, Fuyong street, Bao'an District, Shenzhen City, Guangdong Province

Applicant before: SHENZHEN XINGHAN LASER TECHNOLOGY Co.,Ltd.

CB02 Change of applicant information
WW01 Invention patent application withdrawn after publication

Application publication date: 20180622

WW01 Invention patent application withdrawn after publication