CN111129956A - 一种多芯片脉冲尾纤激光器组件 - Google Patents

一种多芯片脉冲尾纤激光器组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，包括第一双芯片激光器单元、第二双芯片激光器单元、复合镜筒、自聚焦透镜和光纤组件，第一双芯片激光器单元和第二双芯片激光器单元均与复合镜筒固定连接，第一双芯片激光器单元的激光通路上依次设置有复合镜筒、自聚焦透镜和光纤组件，自聚焦透镜和光纤组件均相对固定设置在复合镜筒远离第一双芯片激光器单元的一端；第二双芯片激光器单元的激光通路与第一双芯片激光器单元的激光通路垂直设置；第一双芯片激光器单元和第二双芯片激光器单元发出的激光经过复合镜筒复合成一束光线后耦合进入光纤组件中。

Description

一种多芯片脉冲尾纤激光器组件
技术领域
本发明涉及半导体激光器设备技术领域，尤其涉及一种多芯片脉冲尾纤激光器组件。
背景技术
大功率半导体激光器具有高可靠性和高稳定性，已广泛应用于光存储、光通讯、国防、工业和医疗等领域，其输出激光波长为635—1653nm，功率可调范围大。在大多数应用环境中，大功率激光器的可靠性是一个决定性因素，直接关系到激光器的品质。
常见的半导体激光器TO封装结构的出光管帽的出光侧自带聚焦透镜，可以对其发出的激光进行聚焦后向外射出。半导体激光器的输出端通常需要与光纤进行耦合，是在半导体激光器出光一侧设置同轴的光纤，使得激光发出的光耦合进光纤中。现在激光器大多采用的是单芯片的激光器，单芯片激光器的输出功率比较小，导致器件整体存在出光功率小的不足。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种采用多芯片耦合提高输出功率的多芯片脉冲尾纤激光器组件。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，包括第一双芯片激光器单元(1)、第二双芯片激光器单元(2)、复合镜筒(3)、自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)，第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)均与复合镜筒(3)固定连接，所述第一双芯片激光器单元(1)的激光通路上依次设置有复合镜筒(3)、自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)，自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)均相对固定设置在复合镜筒(3)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端；第二双芯片激光器单元(2)的激光通路与第一双芯片激光器单元(1)的激光通路垂直设置；第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)发出的激光均依次经过复合镜筒(3)和自聚焦透镜(4)复合成一束光线后耦合进入光纤组件(5)中。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述复合镜筒(3)内设置有复合激光的合束镜片(31)，合束镜片(31)嵌设在复合镜筒(3)内部；第一双芯片激光器单元(1)发出的激光透射合束镜片(31)后进入自聚焦透镜(4)中，第二双芯片激光器单元(2)发出的激光经过合束镜片(31)折射后进入自聚焦透镜(4)中。
进一步优选的，所述合束镜片(31)的中心与第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)的激光通路的交点重合，第一双芯片激光器单元(1)到合束镜片(31)的中心的距离与第二双芯片激光器单元(2)到合束镜片(31)的中心的距离不相等。
更进一步优选的，所述第二双芯片激光器单元(2)与复合镜筒(3)之间还设置有环形套管(20)，环形套管(20)分别与第二双芯片激光器单元(2)和复合镜筒(3)固定连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)的结构完全相同。
进一步优选的，所述第一双芯片激光器单元(1)包括TO底座(11)、过渡热沉(12)、正装芯片(13)、倒装芯片(14)、整形透镜(15)和TO管帽(16)，TO底座(11)与复合镜筒(3)的位置相对固定，TO管帽(16)环绕TO底座(11)设置；TO管帽(16)与TO底座(11)合围形成第一内腔(10)，过渡热沉(12)、正装芯片(13)、倒装芯片(14)和整形透镜(15)均位于第一内腔(10)内；
所述TO底座(11)的一端设置有过渡热沉(12)，过渡热沉(12)与TO底座(11)固定连接，过渡热沉(12)的表面设置有正装芯片(13)，正装芯片(13)与过渡热沉(12)固定连接；正装芯片(13)远离过渡热沉(12)的一端设置有倒装芯片(14)，倒装芯片(14)与正装芯片(13)固定连接；正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部相互抵持且出光方向一致；整形透镜(15)相对于过渡热沉(12)固定设置；整形透镜(15)位于正装芯片(13)和倒装芯片(14)发光部的激光通路上。
进一步优选的，所述正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部位于各芯片远离TO底座(11)的端面的边缘中心处，正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部的端面平齐。
进一步优选的，所述正装芯片(13)远离过渡热沉(12)一端的表面积大于倒装芯片(14)靠近过渡热沉(12)一端的表面积。
进一步优选的，所述第一双芯片激光器单元(1)还包括固定板(17)，固定板(17)与过渡热沉(12)远离TO底座(11)的一端固定连接，整形透镜(15)与固定板(17)固定连接。
进一步优选的，所述正装芯片(13)和倒装芯片(14)的输出波长和输出功率完全相同，正装芯片(13)和倒装芯片(14)均与TO底座(11)并联电性连接。
在以上技术方案的基础上，优选的，还包括连接套(6)，连接套(6)设置在光纤组件(5)与复合镜筒(3)之间；光纤组件(5)嵌设在连接套(6)内并与连接套(6)固定连接；连接套(6)与复合镜筒(3)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端固定连接。
进一步优选的，所述光纤组件(5)包括光纤(51)、插芯(52)和保护套(53)，光纤(51)外环绕设置有插芯(52)，保护套(53)与连接套(6)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端固定连接；保护套(53)内部中空，插芯(52)嵌设在保护套(53)靠近第一双芯片激光器单元(1)的一端，插芯(52)上设置有贯穿的插芯孔，插芯孔内穿置有光纤(51)，光纤(51)与插芯(52)固定连接，光纤(51)正对自聚焦透镜(4)的出光方向设置。
本发明提供的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，相对于现有技术，具有以下有益效果：
(1)本发明通过复合镜筒将两组双芯片激光器单元进行光束复合，使其各自发光部同时发光，激光经耦合进入光纤后，在不增大设备体积的情况下，耦合功率比单个激光器芯片明显提高；
(2)双芯片激光器单元的两个芯片镜像设置，发光部相互紧贴，组合成一个整体的发光部，且发出的激光波长和功率均相同，便于后续耦合；
(3)合束镜片能将4个半导体激光器芯片的激光进行同步融合；
(4)复合镜筒与两组双芯片激光器单元和自聚焦透镜能实现进一步封装；
(5)光纤组件可对光纤部分进行了可靠保护。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的立体图；
图2为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的爆炸状态立体图；
图3为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的第一双芯片激光器单元和第二双芯片激光器单元立体图；
图4为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的第一双芯片激光器单元移除TO管帽后的立体图；
图5为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的复合镜筒、合束镜片和自聚焦透镜的组合状态的立体图图；
图6为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的复合镜筒、合束镜片和自聚焦透镜的组合状态的半剖前视图；
图7为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的自聚焦透镜的立体图；
图8为本发明一种多芯片脉冲尾纤激光器组件的连接套和光纤组件的组合状态的半剖前视图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1结合图2和图4所示，本发明提供了一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，包括第一双芯片激光器单元1、第二双芯片激光器单元2、复合镜筒3、自聚焦透镜4、光纤组件5、环形套管20和连接套6，其中第一双芯片激光器单元1和第二双芯片激光器单元2均与复合镜筒3固定连接，所述第一双芯片激光器单元1的激光通路上依次设置有复合镜筒3、自聚焦透镜4和光纤组件5，自聚焦透镜4和光纤组件5均相对固定设置在复合镜筒3远离第一双芯片激光器单元1的一端；第二双芯片激光器单元2的激光通路与第一双芯片激光器单元1的激光通路垂直设置；第一双芯片激光器单元1和第二双芯片激光器单元2发出的激光均依次经过复合镜筒3和自聚焦透镜4复合成一束光线后耦合进入光纤组件5中。本发明在复合镜筒3上设置了两组双芯片激光器单元，通过将第一双芯片激光器单元1、第二双芯片激光器单元2发出的光进行复合形成一束激光，再经自聚焦透镜4对激光进行光斑调节和压缩，耦合到光纤组件5中向外输出，耦合输出功率大于单个半导体激光器输出功率，器件外形与现有单芯片激光器组件接近，但输出功率会明显提升。
如图5、图6和图7所示，复合镜筒3内设置有复合激光的合束镜片31，合束镜片31嵌设在复合镜筒3内部；第一双芯片激光器单元1发出的激光透射合束镜片31后进入自聚焦透镜4中，第二双芯片激光器单元2发出的激光经过合束镜片31折射后进入自聚焦透镜4中。合束镜片31上设置有不同的镀层，合束镜片31朝向第一双芯片激光器单元1一侧的表面设置有增透膜，使得第一双芯片激光器单元1发出的激光能顺利穿透该合束镜片31；而合束镜片31靠近第二双芯片激光器单元2的一侧设置有全反膜，能起到折射效果，使得第二双芯片激光器单元2发出的激光经过合束镜片31反射进入自聚焦透镜4中。自聚焦透镜4嵌设在复合镜筒3一端，自聚焦透镜4又称梯度变折射率透镜，折射率分布式沿着径向渐变的柱状光学透镜，具有聚焦和成像功能，可以对合束镜片31的激光进行二次聚焦。复合镜筒3相当于将第一双芯片激光器单元1、第二双芯片激光器单元2和自聚焦透镜4进行了封装。
因复合镜筒3的形状并不完全对称，为了使两个双芯片激光器单元发出的激光尽量同步进入自聚焦透镜4，合束镜片31的中心与第一双芯片激光器单元1和第二双芯片激光器单元2的激光通路的交点重合，第一双芯片激光器单元1到合束镜片31的中心的距离与第二双芯片激光器单元2到合束镜片31的中心的距离不相等。
如图1所示，第二双芯片激光器单元2与复合镜筒3之间还设置有环形套管20，环形套管20分别与第二双芯片激光器单元2和复合镜筒3固定连接。环形管套20可调整第二双芯片激光器单元2与合束镜片31的中心的距离。
如图1结合图3和图4所示，第一双芯片激光器单元1和第二双芯片激光器单元2的结构完全相同。下面以第一双芯片激光器单元1为例，来说明其结构。第一双芯片激光器单元1包括TO底座11、过渡热沉12、正装芯片13、倒装芯片14、整形透镜15和TO管帽16，TO底座11与复合镜筒3的位置相对固定，TO管帽16环绕TO底座11设置；TO管帽16与TO底座11合围形成第一内腔10，过渡热沉12、正装芯片13、倒装芯片14和整形透镜15均位于第一内腔10内；
具体的，TO底座11的一端设置有过渡热沉12，过渡热沉12与TO底座11固定连接，过渡热沉12的表面设置有正装芯片13，正装芯片13与过渡热沉12固定连接；正装芯片13远离过渡热沉12的一端设置有倒装芯片14，倒装芯片14与正装芯片13固定连接；正装芯片13和倒装芯片14的发光部相互抵持且出光方向一致；整形透镜15相对于过渡热沉12固定设置；整形透镜15位于正装芯片13和倒装芯片14发光部的激光通路上。TO为全封闭式封装的缩写，属于本领域常见名称，在此不做赘述。过渡热沉12能起到传热的作用，将正装芯片13和倒装芯片14的热量进行传递。整形透镜15设置在正装芯片13和倒装芯片14的发光部前方，使得激光能够全部通过整形透镜15进行第一次整形后通过TO管帽16射入合束镜片31中。
为保证正装芯片13和倒装芯片14的发光部对齐，正装芯片13和倒装芯片14的发光部位于各芯片远离TO底座11的端面的边缘中心处，正装芯片13和倒装芯片14的发光部的端面平齐。为保证各芯片能够顺利接线，正装芯片13的P极需要与倒装芯片14的P极相贴合，正装芯片13远离过渡热沉12一端的表面积大于倒装芯片14靠近过渡热沉12一端的表面积。
为进一步对整形透镜15的位置进行固定；第一双芯片激光器单元1还包括固定板17，固定板17与过渡热沉12远离TO底座11的一端固定连接，整形透镜15与固定板17固定连接。固定板17可以粘结固定在过渡热沉12上。
正装芯片13和倒装芯片14除了体积不同，其输出波长和输出功率完全相同，正装芯片13和倒装芯片14均与TO底座11并联电性连接。即两个芯片相对设置而成。
如图8所示，本发明还包括连接套6，连接套6设置在光纤组件5与复合镜筒3之间；光纤组件5嵌设在连接套6内并与连接套6固定连接；连接套6与复合镜筒3远离第一双芯片激光器单元1的一端固定连接。连接套6可将复合镜筒3与光纤组件5进行进一步的连接固定。
如图8所示，本发明中的光纤组件5，包括光纤51、插芯52和保护套53，光纤51外环绕设置有插芯52，保护套53与连接套6远离第一双芯片激光器单元1的一端固定连接；保护套53内部中空，插芯52嵌设在保护套53靠近第一双芯片激光器单元1的一端，插芯52上设置有贯穿的插芯孔，插芯孔内穿置有光纤51，光纤51与插芯52固定连接，光纤51正对自聚焦透镜4的出光方向设置。光纤51用于接收自聚焦透镜4发出的激光并进行耦合；光纤51外部采用了陶瓷材质的插芯52和金属材质的保护套53对其接头部位进行双重防护。
本发明的制作方法如下：
以TO底座11为基准，在TO底座11上焊接过渡热12和正装芯片13，焊接材料为AuSn焊料；在正装芯片13上使用高导热银胶粘结倒装芯片14，使两个芯片的出光部对齐；在TO底座11上粘结固定板17，使用金丝键合打上金丝，使得正装芯片13和倒装芯片14与TO底座11并联设置；然后在固定板17的侧面用UV胶粘结整形透镜15，然后封上TO管帽16，得到第一双芯片激光器单元1和第二双芯片激光器单元2；然后在复合镜筒3的一端的中心孔处放置自聚焦透镜4并进行粘接固定，在复合镜筒3内部固定设置合束镜片31；将第一双芯片激光器单元1与复合镜筒3进行组装和焊接；驱动第一双芯片激光器单元1发出激光，将光纤组件5套设在连接套6内，第一双芯片激光器单元1发出的激光耦合进光纤组件5中，监控光纤组件5输出端的功率达到最大时，将光纤组件5与连接套6进行焊接固定；再次进行耦合，当光纤组件5输出功率最大时，将连接套6与复合镜筒3设置进行激光焊接；第二双芯片激光器单元2与环形套管20固定，以同样的方式将第二双芯片激光器单元2与复合镜筒3进行固定，即可得到成品。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：包括第一双芯片激光器单元(1)、第二双芯片激光器单元(2)、复合镜筒(3)、自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)，第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)均与复合镜筒(3)固定连接，所述第一双芯片激光器单元(1)的激光通路上依次设置有复合镜筒(3)、自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)，自聚焦透镜(4)和光纤组件(5)均相对固定设置在复合镜筒(3)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端；第二双芯片激光器单元(2)的激光通路与第一双芯片激光器单元(1)的激光通路垂直设置；第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)发出的激光均依次经过复合镜筒(3)和自聚焦透镜(4)复合成一束光线后耦合进入光纤组件(5)中。
2.如权利要求1所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述复合镜筒(3)内设置有复合激光的合束镜片(31)，合束镜片(31)嵌设在复合镜筒(3)内部；第一双芯片激光器单元(1)发出的激光透射合束镜片(31)后进入自聚焦透镜(4)中，第二双芯片激光器单元(2)发出的激光经过合束镜片(31)折射后进入自聚焦透镜(4)中。
3.如权利要求2所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述合束镜片(31)的中心与第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)的激光通路的交点重合，第一双芯片激光器单元(1)到合束镜片(31)的中心的距离与第二双芯片激光器单元(2)到合束镜片(31)的中心的距离不相等。
4.如权利要求1所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述第一双芯片激光器单元(1)和第二双芯片激光器单元(2)的结构完全相同。
5.如权利要求4所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述第一双芯片激光器单元(1)包括TO底座(11)、过渡热沉(12)、正装芯片(13)、倒装芯片(14)、整形透镜(15)和TO管帽(16)，TO底座(11)与复合镜筒(3)的位置相对固定，TO管帽(16)环绕TO底座(11)设置；TO管帽(16)与TO底座(11)合围形成第一内腔(10)，过渡热沉(12)、正装芯片(13)、倒装芯片(14)和整形透镜(15)均位于第一内腔(10)内；
所述TO底座(11)的一端设置有过渡热沉(12)，过渡热沉(12)与TO底座(11)固定连接，过渡热沉(12)的表面设置有正装芯片(13)，正装芯片(13)与过渡热沉(12)固定连接；正装芯片(13)远离过渡热沉(12)的一端设置有倒装芯片(14)，倒装芯片(14)与正装芯片(13)固定连接；正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部相互抵持且出光方向一致；整形透镜(15)相对于过渡热沉(12)固定设置；整形透镜(15)位于正装芯片(13)和倒装芯片(14)发光部的激光通路上。
6.如权利要求5所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部位于各芯片远离TO底座(11)的端面的边缘中心处，正装芯片(13)和倒装芯片(14)的发光部的端面平齐。
7.如权利要求5所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述正装芯片(13)远离过渡热沉(12)一端的表面积大于倒装芯片(14)靠近过渡热沉(12)一端的表面积。
8.如权利要求5所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述第一双芯片激光器单元(1)还包括固定板(17)，固定板(17)与过渡热沉(12)远离TO底座(11)的一端固定连接，整形透镜(15)与固定板(17)固定连接。
9.如权利要求1所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：还包括连接套(6)，连接套(6)设置在光纤组件(5)与复合镜筒(3)之间；光纤组件(5)嵌设在连接套(6)内并与连接套(6)固定连接；连接套(6)与复合镜筒(3)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端固定连接。
10.如权利要求9所述的一种多芯片脉冲尾纤激光器组件，其特征在于：所述光纤组件(5)包括光纤(51)、插芯(52)和保护套(53)，光纤(51)外环绕设置有插芯(52)，保护套(53)与连接套(6)远离第一双芯片激光器单元(1)的一端固定连接；保护套(53)内部中空，插芯(52)嵌设在保护套(53)靠近第一双芯片激光器单元(1)的一端，插芯(52)上设置有贯穿的插芯孔，插芯孔内穿置有光纤(51)，光纤(51)与插芯(52)固定连接，光纤(51)正对自聚焦透镜(4)的出光方向设置。
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