CN111048989A - 光纤耦合输出半导体激光器 - Google Patents

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赵鹏飞
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Abstract

本发明公开了一种光纤耦合输出半导体激光器，包括：半导体激光模块，输出激光；光束合束系统，对半导体激光模块输出的激光进行合束；空间‑光纤耦合器，接收合束后的激光并对其进行聚焦；以及光纤，与空间‑光纤耦合器间为快插式连接，实现聚焦后的激光的传输；其中，空间‑光纤耦合器为透镜组和光纤接头的集合体，且透镜组采用消像差设计，光纤接头实现所述快插式连接。本发明提供的该光纤耦合输出半导体激光器，集成光学整形器件、温度、湿度、电压监测器件于一体，实现整个激光器核心器件的实时监控，确保激光器可靠且稳定的运行。

Description

光纤耦合输出半导体激光器
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种高可靠性高功率的光纤耦合输出半导体激光器。
背景技术
高功率光纤耦合输出半导体激光器具有重量轻、体积小、效率高、寿命长等优点，已广泛应用于各个领域，比如：工业加工领域(激光切割、焊接、熔覆、淬火、3D打印等)，军事领域(激光武器等)，生物医疗领域(高光谱成像、激光美容等)。
目前存在的光纤耦合输出半导体激光器系统，包括半导体激光器光源、光纤耦合系统、泵浦源及控制系统以及相应的冷却设备，整个半导体激光器系统可靠性较差，故障率高，在高温高湿环境中，出现光纤损坏等严重故障，甚至导致半导体激光器光源永久损坏，引起激光器停机，给用户带来巨大经济损失。
高功率光纤输出半导体激光器价格比较昂贵，采用统计学方法来确定其可靠性会使得激光器成本剧增。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的是提供一种光纤耦合输出半导体激光器，以解决上述激光器系统存在的可靠性较差的问题。
(二)技术方案
一种光纤耦合输出半导体激光器，包括：
半导体激光模块，输出激光；
光束合束系统，对半导体激光模块输出的激光进行合束；
空间-光纤耦合器，接收合束后的激光并对其进行聚焦；
光纤，与空间-光纤耦合器间为快插式连接，实现聚焦后的激光的传输；以及
激光器外壳，上述半导体激光模块、光束合束系统和空间-光纤耦合器均通过该激光器外壳固定，且该激光器外壳的底部还固定有减震器；
其中，空间-光纤耦合器为透镜组和光纤接头的集合体，且该透镜组采用消像差和/或消色差设计，该光纤接头实现所述快插式连接。
一些实施例中，在光束合束系统和空间-光纤耦合器之间，还设置有耦合光阑，实现激光的滤波。
进一步的，其中：
一些实施例中，半导体激光模块为至少两个，且各个半导体激光模块的输出激光的中心波长不同。
一些实施例中，半导体激光模块设置与水冷板相邻。
一些实施例中，半导体激光模块还设置有充气孔。
一些实施例中，半导体激光模块还内置有温度传感器、湿度传感器和/或电压监测器件。
一些实施例中，光束合束系统包括：
至少一个二向色镜，每个二向色镜设置于一个半导体激光模块的发光面的前端；和/或
至少一个高反镜，每个高反镜设置于一个半导体激光模块的发光面的前端；
该二向色镜和高反镜共同作用实现不同的半导体激光模块的输出激光的合束。
一些实施例中，二向色镜和高反镜均设置于底座上，且该底座设置有进出水口实现通水冷却。
光束合束系统还包括：
激光功率传感器，设置于合束完成的二向色镜的小功率一侧。
(三)有益效果
本发明提供的该光纤耦合输出半导体激光器，具有以下有益效果：
(1)空间-光纤耦合器将半导体激光模块输出的激光进行聚焦，获得峰值功率密度与平均功率密度比值小于2的近均匀分布聚焦光斑(目前通常实现的比值大于3，降低此比值是通过透镜组的光学设计来实现)，有效减小光纤输入端损坏概率，同时使其满足在光纤中的传输条件，半导体激光模块输出的激光通过光纤传输；另外通过空间-光纤耦合器的机械结构设计，使得耦合镜片组一定范围内3维度可调节，并且在5℃-50℃范围内热稳定性较好，提升激光器可靠性；
(2)本发明全部采用模块化结构设计方案，易于实现热冗余可靠性设计，例如半导体激光模块集成光学整形器件、温度、湿度、电压监测器件于一体，实现整个激光器核心器件的实时监控，确保激光器可靠运行，以及在激光器适当位置设置激光功率传感器，使本发明高可靠性高功率的光纤耦合输出半导体激光器具有功率监测与反馈功能；
(3)系统结构简单，可靠，成本低；
(4)本发明在激光器外壳安装弹簧钢丝绳减震器，保证激光器在一定振动环境中可靠运行。
附图说明
图1为本发明实施例的光纤耦合输出半导体激光器的立体图；
图2-图5为本发明实施例的光纤耦合输出半导体激光器的细节结构示意图；
图6为本发明实施例的光纤耦合输出半导体激光器的激光传播路径图。
图中：
半导体激光模块 1、2、3 水冷板 14、24、34
激光器外壳 9 侧壁 97、99、90A、90B
电极 15、25、35、16、26、36 高反镜 4、7
二向色镜 5、6 底座 41、51、61、71
底板 98 挡光板 43、53
圆孔 13、23、33、42、52、62、72、92
合束固定板 41、51、91 激光功率传感器 11
可见光指示光 10 空间-光纤耦合器 8
耦合光阑 81、82
具体实施方式
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，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提供了一种高可靠性高功率的光纤耦合输出半导体激光器，其采用集成光学整形结构的半导体激光模块，进行波长合束，通过空间-光纤耦合系统实现光纤输出。
如图1为本发明实施例的高可靠性高功率的光纤耦合输出半导体激光器的立体图，图2-图5为本发明实施例的高功率光纤耦合输出半导体激光器的结构示意图。如图2所示，高可靠性高功率光纤耦合输出半导体激光器包括：3个半导体激光模块、光束合束系统、空间-光纤耦合器和一体加工激光器外壳。
具体地，该光纤耦合输出半导体激光器包括：
半导体激光模块，输出激光。
一些实施例中，该半导体激光模块为至少两个，且各个半导体激光模块的输出激光的中心波长不同；和/或，该半导体激光模块设置与水冷板相邻；和/或，该半导体激光模块还设置有充气孔；和/或，该半导体激光模块还内置有温度传感器、湿度传感器和/或电压监测器件。
本实施例中，请参见图2和图5，半导体激光模块1、2、3等间距并排通过水冷板14、24、34固定于激光外壳9中侧壁97上，光学整形结构集成于半导体激光模块，此模块输出光斑大小为15mm×12mm的方形光斑，光束发散全角均为8mrad。半导体激光模块1、2、3中心波长分别为1020nm、980nm、940nm。电极15、25、35的一端分别与半导体激光模块1、2、3的负极相连，另外一端与外接泵浦直流源负极相连。电极16、26、36的一端分别与半导体激光模块1、2、3的正极相连，另外一端与外接泵浦直流源正极相连。半导体激光模块还具有充气孔，通入氮气，确保模块内湿度相对恒定。半导体激光模块还内置温度、湿度传感器，以及电压测量器件，可实时监测半导体激光器模块的温度、湿度及电压。
以及，光束合束系统，对上述半导体激光模块输出的激光进行合束。
一些实施例中，该光束合束系统包括：至少一个二向色镜，每个二向色镜设置于一个半导体激光模块的发光面的前端；和/或，至少一个高反镜，每个高反镜设置于一个半导体激光模块的发光面的前端；且该二向色镜和高反镜共同作用实现不同的半导体激光模块的输出激光的合束。
一些实施例中，该二向色镜和高反镜均设置于底座上，且该底座设置有进出水口实现通水冷却。
优选地，其中，二向色镜的合束效率大于96％，高反镜对半导体激光模块的输出激光波长的反射率大于99％。
本实施例中，再请参见图2和图5，光束合束系统包括2个高反镜4、7和2个二向色镜5、6。高反镜4、7用紫外胶固定于高反镜底座41、71，二向色镜5、6用紫外胶固定于二向色镜底座51、61，底座41、51、61、71固定于激光器外壳9中的底板98上。底座41、51、61、71具有进出水口，通水冷却。高反镜4位于半导体激光模块3发光面的前端，与半导体激光模块3输出激光C成45°夹角，使激光沿逆时针方向偏转90°。二向色镜5位于半导体激光模块2发光面的前端，与半导体激光模块2输出激光B成45°夹角。半导体激光模块3输出的激光C经二向色镜5透射后与半导体激光模块2输出的激光B重合。二向色镜6位于半导体激光模块1发光面的前端，与半导体激光模块1输出的激光A成45°夹角。半导体激光模块2、3输出的激光经二向色镜6透射后与半导体激光模块1输出的激光A重合，形成重合激光D。高反镜7将半导体激光模块1、2、3输出的激光D沿逆时针偏转90°，此激光传播至空间-光纤耦合器8。
一些实施例中，该光束合束系统还包括：激光功率传感器，设置于合束完成的二向色镜的小功率一侧。
基于以上实施方式，本实施例中，再请参见图3，在激光外壳9的孔位62后方还安装有激光功率传感器11，用于监测3个半导体激光模块1、2、3输出功率，同时为激光功率闭环控制提供功率参数，实现激光器工作过程中的功率监测与反馈功能。特别地，在孔位72后方还安装有可见光指示光10，用于激光器使用过程中光斑位置指示，可以在不出激光的安全情况下，预演激光加工的路径。
以及，空间-光纤耦合器，接收合束后的激光并对其进行聚焦，和光纤，与空间-光纤耦合器间为快插式连接，实现聚焦后的激光的传输。且其中，空间-光纤耦合器为透镜组和光纤接头的集合体，且该透镜组采用消像差和/或消色差设计，该光纤接头实现所述快插式连接。
一些实施例中，在光束合束系统和空间-光纤耦合器之间，还设置有耦合光阑，实现激光的滤波。
本实施例中，请参见图2和图5，空间-光纤耦合器8，固定于激光器外壳9中的侧壁90A上，将半导体激光模块1、2、3输出的激光D聚焦，使其满足在光纤中传输条件。激光器外壳9中侧壁90A与90B上固定有耦合光阑81与耦合光阑82。耦合光阑81、82由紫铜材料加工，迎光面采用脉冲激光打黑处理，通光孔径均为20mm。耦合光阑空间滤波，滤掉杂散光，确保空间-光纤耦合器8可靠运行。空间-光纤耦合器8是一种三维可调节的透镜组与光纤接头(QB、QD、LLK等型号标准光纤接头)的集合体。本实施例中采用QB光纤接头。透镜组通过消像差设计，使得在给定光斑大小条件下，聚焦光斑最小。
半导体激光模块1、2、3输出的激光经光束合束系统，合束后的激光进入空间-光纤耦合器8，从而在与空间-光纤耦合器8连接的传输光纤中传输。本实施例中，该传输光纤与空间-光纤耦合器8中的QB光纤接头快插式连接。
以及，激光器外壳，上述半导体激光模块、光束合束系统和空间-光纤耦合器均通过该激光器外壳固定，且该激光器外壳的底部还固定有减震器。
本实施例中，请参见图2-图5，激光器外壳9的侧壁90B上的圆孔13、23、33用于实现半导体激光模块1、2、3的激光输出；激光器外壳9的侧壁99上的圆孔42、52、62、92用于半导体激光模块1、2、3的光路调节；圆孔42、52、92后，分别安装合束固定板41、51、91，同时在圆孔42、52处还设置水冷挡光板43、53，该固定板和挡光板均用于密封光路。激光器外壳9采用整块铝材铣出，长宽高为480×270×170mm，外壳盖与外壳之间放置橡胶密封圈，确保激光整机具有良好的机械稳定性与密封性。外壳底部安装4个弹簧钢丝绳减震器(93、94、95、96)，保证激光器在一定振动环境中可靠且稳定运行。激光器外壳9的材料为铝合金6061，可使激光器具有更轻的重量。
基于上述实施装置，本发明另一实施例通过了一种上述光纤耦合输出半导体激光器的工作方法，请参见图6，为本发明实施例高可靠性高功率的光纤耦合输出半导体激光器的激光传播路径图，半导体激光模块3输出的激光C经高反镜4反射，传播透射过二向色镜5，与半导体激光模块2输出的激光B经二向色镜5反射后合束(重合)。合束光再透射过二向色镜6与半导体激光模块1输出的激光A经二向色镜6反射的光合束(重合)，形成激光D。激光D通过高反镜7反射后，进入空间-光纤耦合器8，其聚焦激光D，使激光D在与空间-光纤耦合器8快插式连接的光纤中传输。
本发明实施例提供的半导体激光模块输出功率为2kW，3个半导体激光模块的激光光束经过光束合束系统合束及空间-光纤耦合器聚焦后，耦合到纤芯800μm和NA＝0.2光纤，经过该光纤耦合输出的功率大于4000W；样机在客户现场终测1000小时，可靠无故障运行。
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 (10)

1.一种光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，包括：
半导体激光模块，输出激光；
光束合束系统，对所述半导体激光模块输出的激光进行合束；
空间-光纤耦合器，接收合束后的激光并对其进行聚焦；以及
光纤，与所述空间-光纤耦合器间为快插式连接，实现聚焦后的激光的传输；
其中，所述空间-光纤耦合器为透镜组和光纤接头的集合体，且所述透镜组采用消像差和/或消色差设计，所述光纤接头实现所述快插式连接。
2.根据权利要求1所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，在所述光束合束系统和所述空间-光纤耦合器之间，还设置有耦合光阑，实现激光的滤波。
3.根据权利要求1或2所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光模块为至少两个，且各个所述半导体激光模块的输出激光的中心波长不同。
4.根据权利要求3所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光模块设置与水冷板相邻。
5.根据权利要求3所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光模块还设置有充气孔。
6.根据权利要求3所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光模块还内置有温度传感器、湿度传感器和/或电压监测器件。
7.根据权利要求3所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述光束合束系统包括：
至少一个二向色镜，每个所述二向色镜设置于一个所述半导体激光模块的发光面的前端；和/或
至少一个高反镜，每个所述高反镜设置于一个所述半导体激光模块的发光面的前端；
所述二向色镜和所述高反镜共同作用实现不同的所述半导体激光模块的输出激光的合束。
8.根据权利要求7所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述二向色镜和所述高反镜均设置于底座上，且所述底座设置有进出水口实现通水冷却。
9.根据权利要求8所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，所述光束合束系统还包括：
激光功率传感器，设置于合束完成的二向色镜的小功率一侧。
10.根据权利要求9所述的光纤耦合输出半导体激光器，其特征在于，还包括：
激光器外壳，所述半导体激光模块、光束合束系统和空间-光纤耦合器均通过所述激光器外壳固定，且所述激光器外壳的底部还固定有减震器。
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