CN111146685A - 光纤耦合半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光纤耦合半导体激光器，涉及半导体激光器技术领域，包括管壳、半导体激光器芯片、非球透镜、柱透镜以及球透镜；管壳的内腔底部设有热沉，管壳的侧壁上还设有耦合光纤；半导体激光器芯片设置于热沉上且远离耦合光纤；非球透镜设置于半导体激光器芯片与耦合光纤之间，且非球透镜靠近半导体激光器芯片；柱透镜设置于非球透镜与耦合光纤之间且靠近非球透镜；球透镜设置于柱透镜与耦合光纤之间。本发明提供的光纤耦合半导体激光器，采用非球透镜、柱透镜和球透镜结合的方式，能够分别从快轴和慢轴方向上实现对半导体激光器的输出光场的有效整形，保证了输出光功率的稳定性，提高了半导体激光器的耦合效率。

Description

光纤耦合半导体激光器

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，更具体地说，是涉及一种光纤耦合半导体激光器。

背景技术

光纤耦合器是一种用于实现光信号分路或合路，或用于延长光纤链路的元件，属于光被动元件。半导体激光器的光纤耦合模块具有体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、成本低的优点，目前已经广泛应用于国民经济的各个领域，比如激光器泵浦、光纤传感、通信及工业加工等领域。

受限于半导体的结构，激光器输出的光束在快轴、慢轴两个方向上并不对称，且发散角较大，因此需要对半导体激光器输出的光场进行整形。目前最常使用的方案是采用柱透镜对快轴方向上光束进行准直，以便提高耦合效率。但是，实际使用过程中，存在光束整形效果差，功率稳定性低的缺点，严重降低了耦合效率、造成了输出光功率波动等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤耦合半导体激光器，以解决现有技术中存在的光束整形效果差、功率稳定性低的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种光纤耦合半导体激光器，包括管壳、半导体激光器芯片、非球透镜、柱透镜以及球透镜；管壳的内腔底部设有热沉，所述管壳的侧壁上还设有由外向内延伸的耦合光纤；半导体激光器芯片设置于所述热沉上且远离所述耦合光纤；非球透镜设置于所述半导体激光器芯片与所述耦合光纤之间，且非球透镜靠近所述半导体激光器芯片；柱透镜设置于所述非球透镜与所述与所述耦合光纤之间，且柱透镜靠近所述非球透镜；球透镜设置于所述柱透镜与所述耦合光纤之间。

作为本申请另一实施例，非球透镜的外周设有用于与热沉相连的第一安装座，柱透镜的外周设有用于与热沉相连的第二安装座，球透镜的外周设有用于与热沉相连的第三安装座。

作为本申请另一实施例，热沉上设有上下贯通的容纳孔，第二安装座和第三安装座分别位于容纳孔内，且第二安装座和第三安装座的两侧壁分别与容纳孔的内壁相连。

作为本申请另一实施例，第二安装座与容纳孔的内壁采用紫外胶连接；第三安装座与容纳孔的内壁采用紫外胶连接。

作为本申请另一实施例，热沉上还设有两个分别位于容纳孔的两侧且用于与第一安装座的两侧面相连的连接架，连接架的底面与热沉固接，且连接架向容纳孔的中心处延伸。

作为本申请另一实施例，第一安装座与连接架采用激光焊接连接。

作为本申请另一实施例，热沉和管壳的底面之间还设有半导体制冷器。

作为本申请另一实施例，非球透镜、柱透镜与球透镜的光轴重合，且非球透镜、柱透镜与球透镜的光轴与耦合光纤的主轴重合。

作为本申请另一实施例，非球透镜的前焦点与半导体激光器芯片的出光面重合，非球透镜的后焦点与柱透镜的前焦点重合，球透镜的后焦点位于耦合光纤的端面上。

本发明提供的光纤耦合半导体激光器的有益效果在于：与现有技术相比，本发明提供的光纤耦合半导体激光器，采用非球透镜、柱透镜和球透镜结合的方式实现对半导体激光器的输出光场的有效整形，提高了半导体激光器的耦合效率。在快轴方向上，非球透镜能够对半导体激光器芯片的出光面的光束起到有效的准直作用，极大的压缩了快轴方向的发散角，使该方向的光束近似平行，经过没有光焦度的柱透镜后，利用球透镜实现光束的有效聚焦，并耦合进耦合光纤，有效的提高了耦合效率；在慢轴方向上，利用非球透镜与柱透镜构成了近似望远镜的系统，半导体激光器芯片的光束经过非球透镜与柱透镜后可以近似为平行光，最后经过球透镜聚焦并耦合进光纤，也能有效提高耦合效率。

本发明还提供了一种制作光纤耦合半导体激光器的方法，包括以下步骤：

安装半导体激光器芯片：安装半导体激光器芯片至热沉上；

安装非球透镜：调整非球透镜的位置，至非球透镜的出射光束在快轴方向上的发散角最小，激光焊接非球透镜至热沉上；

安装柱透镜：调整柱透镜的位置，至柱透镜的出射光束在慢轴方向上的发散角最小，紫外胶固化柱透镜至热沉上；

安装球透镜：调整球透镜的位置，至球透镜的出射光束聚焦成点，紫外胶固化球透镜至热沉上；

安装耦合光纤：将耦合光纤穿过管壳的侧壁，调整耦合光纤的位置至球透镜的后焦点处，紫外胶固化或激光焊接耦合光纤至热沉上。

本发明提供的制作光纤耦合半导体激光器的方法，采用非球透镜、柱透镜和球透镜结合的方式实现对半导体激光器的输出光场的有效整形，提高了半导体激光器的耦合效率。在快轴方向上，非球透镜能够对半导体激光器芯片的出光面的光束起到有效的准直作用，极大的压缩了快轴方向的发散角，使该方向的光束近似平行，经过没有光焦度的柱透镜后，利用球透镜实现光束的有效聚焦，并耦合进耦合光纤，有效的提高了耦合效率；在慢轴方向上，利用非球透镜与柱透镜构成了近似望远镜的系统，半导体激光器芯片的光束经过非球透镜与柱透镜后可以近似为平行光，最后经过球透镜聚焦并耦合进光纤，也能有效提高耦合效率。上述安装方式保证了非球透镜准确的准直效果，达到压缩快轴方向发散角的作用，提高了光纤的耦合效率，保证了功率稳定性，避免了输出光的功率波动。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光纤耦合半导体激光器的结构示意图；

图2为图1中Ⅰ的局部放大结构示意图；

图3为图1的俯视结构示意图；

图4为本发明实施例提供的光纤耦合半导体激光器慢轴方向上的光路图；

图5为本发明实施例提供的光纤耦合半导体激光器快轴方向上的光路图。

其中，图中各附图标记：

图中：100、管壳；110、半导体激光器芯片；111、芯片载体；120、耦合光纤；200、非球透镜；210、第一安装座；300、柱透镜；310、第二安装座；400、球透镜；410、第三安装座；500、热沉；510、容纳孔；520、连接架；530、半导体制冷器。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1至图5，现对本发明提供的光纤耦合半导体激光器进行说明。光纤耦合半导体激光器，包括管壳100、半导体激光器芯片110、非球透镜200、柱透镜300以及球透镜400；管壳100的内腔底部设有热沉500，管壳100的侧壁上还设有由外向内延伸的耦合光纤120；半导体激光器芯片110设置于热沉500上，且半导体激光器芯片110远离耦合光纤120；非球透镜200设置于半导体激光器芯片110与耦合光纤120之间，且非球透镜200靠近半导体激光器芯片110；柱透镜300设置于非球透镜200与耦合光纤120之间，且柱透镜300靠近非球透镜200；球透镜400设置于柱透镜300与耦合光纤120之间。需要说明的是，当元件被称为“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中，为了方便描述，统一将部件靠近半导体激光器芯片110的一侧称为前侧，将部件靠近耦合光纤120的一侧称为后侧。

本发明提供的光纤耦合半导体激光器，与现有技术相比，本发明提供的光纤耦合半导体激光器，采用非球透镜200、柱透镜300和球透镜400结合的方式实现对半导体激光器的输出光场的有效整形，提高了半导体激光器的耦合效率。在快轴方向上，非球透镜200能够对半导体激光器芯片110的出光面的光束起到有效的准直作用，极大的压缩了快轴方向的发散角，使该方向的光束近似平行，经过没有光焦度的柱透镜300后，利用球透镜400实现光束的有效聚焦，并耦合进耦合光纤120，有效的提高了耦合效率；在慢轴方向上，半导体激光器芯片110的光束经过非球透镜200与柱透镜300后可以近似为平行光，最后经过球透镜400聚焦并耦合进耦合光纤120，有效地提高了耦合效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，非球透镜200的外周设有用于与热沉500相连的第一安装座210，柱透镜300的外周设有用于与热沉500相连的第二安装座310，球透镜400的外周设有用于与热沉500相连的第三安装座410。本实施例中，非球透镜200在使用和安装中，可以握持设置在非球透镜200外周的第一安装座210，以避免对非球透镜200的表面产生污染，进而可以有效的保证非球透镜200的光学效果，省去需要重新擦拭的繁琐。另外，第一安装座210还便于进行非球透镜200的安装，利用第一安装座210的外壁或者底面实现与热沉500的有效连接，提高连接的稳定性。第二安装座310和第三安装座410的结构与第一安装座210的结构类似，且作用相同，在此不再赘述。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，热沉500上设有上下贯通的容纳孔510，第二安装座310和第三安装座410分别位于容纳孔510内，且第二安装座310和第三安装座410的两侧壁分别与容纳孔510的内壁相连。本实施例中，容纳孔510的设置，能够使柱透镜300和球透镜400在上下方向上的位置进行方便地调整，容纳孔510在上下方向上为柱透镜300和球透镜400预留出了一定的位置空间，当柱透镜300或球透镜400的高度高于半导体激光器芯片110出光面高度时，则下移柱透镜300或球透镜400至容纳孔510内，便于保证柱透镜300和球透镜400的光轴与半导体激光器芯片110等高的效果，提高半导体激光器的耦合效率。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，第二安装座310与容纳孔510的内壁采用紫外胶连接；第三安装座410与容纳孔510的内壁采用紫外胶连接。由于光束在快轴方向上发散角较大，且只有通过非球透镜200才能在快轴方向上对光束进行准直，非球透镜200的安装位置对输出光功率的影响至关重要，微小的位移可能造成十分严重的光功率损失，因此非球透镜200在管壳100内的安装采用激光焊接的方式，避免非球透镜200受环境温湿度的影响产生微小位移的问题，进而避免因非球透镜200位置变化造成的耦合功率下降。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，热沉500上还设有两个分别位于容纳孔510的两侧且用于与第一安装座210的两侧面相连的连接架520，连接架520的底面与热沉500固接，且连接架520向容纳孔510的中心处延伸。本实施例中，非球透镜200在容纳孔510宽度方向上的尺寸较小，为了便于安装，在热沉500上位于非球透镜200的两侧分别设置了连接架520。连接架520采用封接合金材质，又称定膨胀合金或可伐合金，是一种在-70至500℃温度范围内，具有比较恒定的较低或中等程度膨胀系数的合金。主要类型有铁镍、铁镍钴、铁镍铬系合金，主要用于电子工业及电真空工业作封接材料。本实施例中，连接架520与第一安装座210之间采用激光焊接连接，所以连接架520采用可伐合金，便于实现更有效焊接，提高非球透镜200安装位置的准确性。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，第一安装座210与连接架520采用激光焊接连接。由于柱透镜300只对慢轴方向的光束具有准直作用，而半导体激光器芯片110的出光面上的光束在慢轴方向上发散角比较小，因此柱透镜300的安装可以容纳的位移量比较大，也就是柱透镜300安装容差较大，所以柱透镜300与管壳100之间可以采用紫外胶进行连接，即使在受到环境温度和湿度等影响时，也不会因为紫外胶收缩、柱透镜300有微量位移产生对耦合效率的影响。

球透镜400的入射光束近似为平行光，出射光束聚焦在焦点位置处，球透镜400的焦距一般较大，使得出射光束的发散角较小，因此球透镜400的微小位移对耦合效率的影响较小。对于柱透镜300与球透镜400而言，可以采用激光焊接或紫外胶固定的方式，由于激光焊接工艺复杂，操作难度大，所以柱透镜300与球透镜400与热沉的连接采用紫外胶连接的形式，即使环境温度和湿度变化，柱透镜300和球透镜400有微量位移也不会对耦合效率产生过大影响。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图3，热沉500和管壳100的底面之间还设有半导体制冷器530。半导体致冷器的英文名称为Thermo Electric Cooler，中文简称为TEC，TEC是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。珀尔帖效应是指当直流电流通过两种半导体材料组成的电偶时，其一端吸热，一端放热的现象。TEC包括两种不同的半导体材料，它们通过电极连在一起，并且夹在两个陶瓷电极之间；当有电流从TEC流过时，电流产生的热量会从TEC的一侧传到另一侧，在TEC上产生“热”侧和“冷”侧，实现TEC的加热与致冷。本实施例中，在管壳100内部温度过高时，能够实现管壳100内部的冷却降温，当外部温度过低时，则能够实现对管壳100内的加热，实现管壳100内部温度较为恒定的效果，最大限度的避免紫外胶受冷热影响造成柱透镜300和非球透镜200的位移，进而避免耦合功率不稳定的问题。

作为本发明实施例的一种具体实施方式，请参阅图1至图5，非球透镜200、柱透镜300与球透镜400的光轴重合，且非球透镜200、柱透镜300与球透镜400的光轴与耦合光纤120的主轴重合。非球透镜200的前焦点与半导体激光器芯片110的出光面重合，非球透镜200的后焦点与柱透镜300的前焦点重合，球透镜400的后焦点位于耦合光纤120的端面上。本实施例中，将非球透镜200靠近半导体激光器芯片110的一侧设定为前侧，将非球透镜200远离半导体激光器芯片110的一侧、也就是非球透镜200靠近柱透镜300的一侧设定为后侧，所以非球透镜200的后焦点为非球透镜200靠近柱透镜300的一侧的焦点。同样的，柱透镜300的前焦点为靠近非球透镜200的一侧的焦点，柱透镜300的后焦点为靠近球透镜400的一侧的焦点；球透镜400的前焦点为靠近柱透镜300的一侧的焦点，球透镜400的后焦点为靠近耦合光纤120的一侧的焦点。

为了保证非球透镜200、柱透镜300以及球透镜400对光线的整体成型效果，安装上述部件时需要调节各个部件的光轴处于相互重合的位置，在保证光轴重合的前提下，实现各个焦点的顺次对应，进而最终保证良好的耦合效果。

非球透镜200能够进行球面像差矫正。球面像差是由使用球面表面来聚焦或对准光线而产生的。因此，所有的球面表面，无论是否存在任何的测量误差或者制造误差都会出现球差，因此他们都会需要一个不是球面或者非球面的表面对其进行校正，通过对圆锥常数和非球面系数进行调整，任何的非球面透镜都可以得到优化，以最大限度地减小像差。

非球透镜200与球透镜400相比，最显著的优势在于可以修正球透镜400在准直和聚焦系统中所带来的球差。非球透镜200通过调整曲面常数和非球面系数，可以最大限度的消除球差。非球透镜200将光线汇聚到同一点，保证了光学品质，基本上消除了球透镜400所产生的球差，避免了光线汇聚到不同点、导致成像模糊的问题。

球透镜400中所出现的球差将使入社的光线往不同的定点聚焦，产生模糊的图像；而在非球透镜200中，所有不同的光线都会聚焦在同一个定点上，因此相较而言产生较清晰即质量更好的图像。

本实施例中，由于非球透镜200具有更佳的曲率半径，可以维持良好的像差修正，以获得所需要的性能，将非球透镜200设置在前焦点与半导体激光器芯片110的出光面重合的位置，能够对半导体激光器芯片110的出光面位置发射的光束起到良好的准直作用。由于半导体激光器的发光一般是长条的，快轴方向的发光被压缩小了，所以发散角就要大于慢轴方向了，而非球透镜200则能够极大的压缩快轴方向上的发散角，起到对光束的准直，使该方向上的光束近似平行。柱透镜300的前焦点与非球透镜200的后焦点重合。柱透镜300在快轴方向上没有光焦度，所以不会影响该方向上的光线传播，其出射方向的光束为平行光束。

在慢轴方向上，非球透镜200和柱透镜300能够将平行光束进行扩束，扩束后的发散角得到了有效压缩，扩束后的光线近似为平行光。上述非球透镜200和柱透镜300结合的形式，相当于一个反方向的望远镜。正常的望远镜通过物镜将外侧的大量光束压缩至目镜一侧，光的强度得到提高。本实施例中，则采用非球透镜200和柱透镜300进行扩束，实现光线从目镜侧到物镜侧的转化，扩束后发散角得到压缩，光场强度变小。球透镜400的后焦点处于耦合光纤120的端面上，能够将光束有效的聚焦在耦合光纤120的端面上，使光纤耦合功率最大，有效的提高了耦合效率。

本发明还提供了一种制作光纤耦合半导体激光器的方法，包括以下步骤：

安装半导体激光器芯片110：安装半导体激光器芯片110至热沉500上，先在热沉500上安装芯片载体111，再在芯片载体111上安装半导体激光器芯片110，并使半导体激光器芯片110靠近芯片载体111的一侧边；

安装非球透镜200：调整非球透镜200在半导体激光器芯片110的出光面一侧的位置，高度方向上使非球透镜200的光轴与半导体激光器芯片110的出光面等高，水平方向位置至非球透镜200的出射光束在快轴方向上的发散角最小，激光焊接非球透镜200至热沉500上；

安装柱透镜300：调整柱透镜300在非球透镜200远离半导体激光器芯片110一侧的位置，高度方向上使柱透镜300的光轴与非球透镜200的光轴等高，水平位置至柱透镜300的出射光束在慢轴方向上的发散角最小，紫外胶固化柱透镜300至热沉500上；

安装球透镜400：调整球透镜400在柱透镜300远离非球透镜200的一侧的位置，高度方向上使球透镜400的光轴与柱透镜300的光轴等高，水平位置至球透镜400的出射光束聚焦成点，紫外胶固化球透镜400至热沉500上；

安装耦合光纤120：将耦合光纤120穿过管壳100的侧壁，调整耦合光纤120的高度至与球透镜400的高度一致，水平位置位于球透镜400的后焦点处，紫外胶固化或激光焊接耦合光纤120至热沉500上。

本发明提供的制作光纤耦合半导体激光器的方法，采用非球透镜200、柱透镜300和球透镜400结合的方式实现对半导体激光器的输出光场的有效整形，提高了半导体激光器的耦合效率。在快轴方向上，非球透镜200能够对半导体激光器芯片110的出光面的光束起到有效的准直作用，极大的压缩了快轴方向的发散角，使该方向的光束近似平行，经过没有光焦度的柱透镜300后，利用球透镜400实现光束的有效聚焦，并耦合进耦合光纤120，有效的提高了耦合效率；在慢轴方向上，利用非球透镜200与柱透镜300构成了近似望远镜的系统，半导体激光器芯片110的光束经过非球透镜200与柱透镜300后可以近似为平行光，最后经过球透镜400聚焦并耦合进光纤，也能有效提高耦合效率。上述安装方式保证了非球透镜200准确的准直效果，达到压缩快轴方向发散角的作用，提高了光纤的耦合效率，保证了功率稳定性，避免了输出光的功率波动。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.光纤耦合半导体激光器，其特征在于，包括：

管壳，内腔底部设有热沉，所述管壳的侧壁上还设有由外向内延伸的耦合光纤；

半导体激光器芯片，设置于所述热沉上且远离所述耦合光纤；

非球透镜，设置于所述半导体激光器芯片与所述耦合光纤之间，且靠近所述半导体激光器芯片；

柱透镜，设置于所述非球透镜与所述与所述耦合光纤之间，且靠近所述非球透镜；以及

球透镜，设置于所述柱透镜与所述耦合光纤之间。

2.如权利要求1所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述非球透镜的外周设有用于与所述热沉相连的第一安装座，所述柱透镜的外周设有用于与所述热沉相连的第二安装座，所述球透镜的外周设有用于与所述热沉相连的第三安装座。

3.如权利要求2所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述热沉上设有上下贯通的容纳孔，所述第二安装座和所述第三安装座分别位于所述容纳孔内，所述第二安装座的两侧壁与所述容纳孔的内壁相连，所述第三安装座的两侧壁与所述容纳孔的内壁相连。

4.如权利要求3所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述第二安装座与所述容纳孔的内壁采用紫外胶连接；所述第三安装座与所述容纳孔的内壁采用紫外胶连接。

5.如权利要求3所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述热沉上还设有两个分别位于所述容纳孔的两侧且用于与所述第一安装座的两侧面相连的连接架，所述连接架的底面与所述热沉固接，且所述连接架向所述容纳孔的中心处延伸。

6.如权利要求5所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述第一安装座与所述连接架采用激光焊接连接。

7.如权利要求1-6任一项所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述热沉和所述管壳的底面之间还设有半导体制冷器。

8.如权利要求1-6任一项所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述非球透镜、所述柱透镜与所述球透镜的光轴重合，且所述非球透镜、所述柱透镜与所述球透镜的光轴与所述耦合光纤的主轴重合。

9.如权利要求1-6任一项所述的光纤耦合半导体激光器，其特征在于，所述非球透镜的前焦点与所述半导体激光器芯片的出光面重合，所述非球透镜的后焦点与所述柱透镜的前焦点重合，所述球透镜的后焦点位于所述耦合光纤的端面上。

10.一种制作如权利要求1-9任一项所述的光纤耦合半导体激光器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

安装所述半导体激光器芯片：安装所述半导体激光器芯片至所述热沉上；

安装所述非球透镜：调整所述非球透镜的位置，至所述非球透镜的出射光束在快轴方向上的发散角最小，激光焊接所述非球透镜至所述热沉上；

安装所述柱透镜：调整所述柱透镜的位置，至所述柱透镜的出射光束在慢轴方向上的发散角最小，紫外胶固化所述柱透镜至所述热沉上；

安装所述球透镜：调整所述球透镜的位置，至所述球透镜的出射光束聚焦成点，紫外胶固化所述球透镜至所述热沉上；

安装所述耦合光纤：将所述耦合光纤穿过所述管壳的侧壁，调整所述耦合光纤的位置至与所述球透镜的后焦点重合，紫外胶固化或激光焊接所述耦合光纤至所述热沉上。

Images