CN111193182A - 一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，包括：多维调整台，所述多维调整台设置于底座上，所述多维调整台可实现XYZ三个方向上小行程高分辨率调整；滑板台，所述滑板台可XY两个方向大行程正交滑动并可锁定，所述滑板台前端承载可固定或释放耦合透镜的真空吸附机构；所述真空吸附机构包括球碗套筒，吸嘴以及光窗；用于多单管半导体耦合单芯光纤模块，包括多个单管半导体激光器，用于固定多单管激光器的固定座，多个准直半导体激光器的耦合透镜，将多个准直后的光束聚焦到光纤的聚焦透镜，固定输出单芯光纤的法兰以及单芯光纤；本发明结构简单，不需要采用复杂的装调机构可实现多单管半导体激光器到单芯光纤的最佳耦合。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光装置，更具体的说，本发明涉及多单管半导体激光器耦合到单芯光纤的一种装调装置。
背景技术
半导体激光器的结构特征和发光特性决定了其所发出的光在垂直有源层方向(通称快轴)具有较大发散角以及较窄的发光区，在平行有源层方向(通称慢轴)具有较小发散角以及较大的发光区，将半导体激光器耦合到光纤中具有更广泛的使用的意义。对于单管半导体激光器耦合到光纤有多种方法如直接耦合、球透镜耦合、非球面透镜耦合以及采用快慢轴准直耦合等。但是单管半导体耦合到光纤中其输出功率有限，工业领域对高功率光纤耦合输出产品的需求又不断提高，一种有效的方法是将多个半导体激光器进行准直拼接，并通过汇聚透镜将多个准直光束耦合进入光纤中。如何将多个单管半导体激光器封装到一个产品里成为一个挑战，而其中多个单管半导体激光器的高精度装调则是其中一项非常重要的关键技术。
国内外对多单管半导体激光器光纤耦合输出主要体现的的是光路布局方法即以最小的空间布局更多的单管半导体激光器从而实现更高功率的输出，如专利CN201410843840、CN201811337223，专利均采用快慢轴对单管半导体激光器进行准直，并通过阶梯板、反射镜、偏振合束镜等结构和光学元件将多个准直后的光束以更高的占空比进行平行排列，再通过会聚透镜将多个准直后的光束耦合进单芯光纤中。上述专利采用快慢轴准直镜可以实现高效的光束准直，但是成本昂贵，装调更复杂。
以上专利所描述的是光路排布结构，并未涉及装调机构、装调方法，而实际上，多单管半导体激光器的高精度的耦合装调是实现多单管半导体激光器耦合单芯光纤的一个极为重要的环节。
本发明描述一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤的装调装置，通过高精度调整耦合透镜可将每个相应的半导体激光器输出激光独立而又高效的耦合到光纤中，当每一路输出激光装调完成后，移除该装调装置就是一个装调好的可以单独工作的多单管半导体耦合单芯光纤模块。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对多单管半导体激光耦合单芯光纤模块提供一种高精度的装调装置，可实现对每一个半导体激光器相应的耦合透镜独立的进行装调使其耦合到单芯光纤效率最高，并在所有半导体激光器装调完成后可以形成一个独立的多单管半导体耦合单芯光纤模块。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于，包括：
多维调整台，所述多维调整台设置于底座上，所述多维调整台可实现XYZ三个方向上小行程高分辨率调整；
滑板台，所述滑板台可XY两个方向大行程正交滑动并可锁定，所述滑板台前端承载可固定或释放耦合透镜的真空吸附机构；
所述真空吸附机构包括球碗套筒，吸嘴以及光窗；
用于多单管半导体耦合单芯光纤模块，包括多个单管半导体激光器，用于固定多单管激光器的固定座，多个准直半导体激光器的耦合透镜，将多个准直后的光束聚焦到光纤的聚焦透镜，固定输出单芯光纤的法兰以及单芯光纤；
用于多单管半导体耦合单芯光纤模块的Z向匹配高度的转接座；
用于探测从光纤输出功率的激光功率计。
优选的，所述多维调整台具有三个方向即XYZ调整自由度，通过多维调整台可以对耦合透镜XYZ三个位置进行调整，实现耦合到光纤的功率最大。
优选的，所述滑板台固定在多维调整台上，可以粗调到多单管半导体耦合单芯光纤模块中各个耦合透镜的全部位置，当滑板台粗对准到任意耦合透镜后对XY两个方向锁定，再由多维调整台进行精细调整每个耦合透镜的位置达到输出光纤的功率最大化。
优选的，固定或释放的耦合透镜的所述真空机构安装在滑板台前端，所述真空机构下端为球碗套筒用于吸附或释放耦合透镜，上端为光窗，中间为吸嘴。
优选的，所述真空机构的滑板台深入到多单管半导体耦合单芯光纤模块内，利用所述多维调整台对多单管半导体耦合单芯光纤模块耦合透镜进行XYZ三个位置高精度位置调整，使耦合输出光纤功率达到最大。
优选的，所述半导体激光器安装在多单管半导体耦合单芯光纤模块底板下侧，耦合透镜安装在多单管半导体耦合单芯光纤模块底板上侧，聚焦透镜将准直后的半导体激光汇聚到光纤中，调整耦合透镜位置达到最佳后，对耦合透镜点胶固定。
优选的，所述激光功率计探测每一路半导体激光器装调耦合透镜后的出光功率，耦合透镜装调到最佳位置后激光功率计探测强度最大。
优选的，所述Z向匹配转接座用于固定多单管半导体耦合单芯光纤模块，所述的固定多单管半导体耦合单芯光纤模块内部耦合透镜高度与所述真空机构高度相同。
本发明提出的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，有益效果在于：本发明可实现每个单管半导体激光器到单芯光纤的最佳耦合，利用激光功率计实时监测输出功率调整多自由度调整台对耦合透镜进行位置调整，当光纤输出功率达到最大值后对耦合透镜点胶固定完成单路调整，对其它路按照同样方式进行装调达到最佳耦合强度，基于上述装调方法可实现对多路单管半导体激光器独立装调，装调完成后，多单管半导体耦合单芯光纤模块与调整机构可分离，本发明结构简单，不需要采用复杂的装调机构可实现多单管半导体激光器到单芯光纤的最佳耦合。
附图说明
图1是本发明所涉及的吸附或释放耦合透镜的真空吸附机构结构示意图；
图2是本发明所涉及的装调机构结构示意图；
图3是本发明所涉及的多单管半导体耦合单芯光纤模块结构示意图；
图4是本发明所涉及的光路调整示意图；
图5是本发明所涉及的整体光路装调示意图；
图6是本发明所涉及的移出调整机构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
根据本实施例的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，如图1所示，包括耦合透镜303a、球碗套筒204、光窗202以及吸嘴205组合形成一个封闭内腔结构，当通过吸嘴205外接真空发生器后在球碗套筒204内部形成负压而将耦合透镜303a牢固吸附在球碗套筒204下端，光窗202嵌入到球碗套筒201上，为防止漏气，需在结合处做密封处理如进行胶201密封，球碗套筒204下部内部为弧形结构206，这样可以增大耦合透镜303a与球碗套筒204接触面积增大吸附力，从耦合透镜303a出射的激光光束203通过球碗套筒204内部并从光窗202出射，当去除负压后，耦合透镜303a与球碗套筒204会依靠重力而分离；
优选的，球碗套筒204内壁涂黑或涂吸光材料，光窗202镀相对应的半导体激光器波长的增透膜以降低激光光束203在光窗202上的多次反射形成杂光。
更进一步的，如图2所示，装调机构固定在底座101上，底座101一端固定三维调整台，三维调整台由X方向调整旋钮102，Y方向调整旋钮103以及Z方向调整旋钮104进行三维调整，滑板台105固定在三维调整上可以实现大行程的调整，滑板台105中X方向滑板105b，X方向滑板固定螺丝105a实现在X方向大行程调整，滑板台105中Y方向滑板105d，Y方向滑板固定螺丝105c实现在Y方向大行程调整，滑板台105中Y方向滑板105d末端固定真空吸附机构200，通过三维调整调整台以及滑板台105可以实现真空吸附机构200的大行程XY调整以及小行程高分辨率的XYZ调整，Z向匹配转接座106安装在底座101另一端用于匹配待装调的多单管半导体耦合单芯光纤模块300到合适的高度；
优选的，匹配转接座106与多单管半导体耦合单芯光纤模块300能方便拆卸分离，匹配转接座106可以具有更复杂的形式，比如快速装夹固定多单管半导体耦合单芯光纤模块300，具备XY方向大行程调整机构等。
具体的，如图3所示，多颗半导体激光器302a,302b,302c,302d固定在安装座301底部301b，与此相对应的多颗耦合透镜303a，303b，303c，303d在安装座301底部上侧301a，安装座301为一整体框架结构，上部固定有会聚透镜框306，会聚透镜框306与安装座301紧密固定，会聚透镜框306下部安装会聚透镜305，由压圈304将会聚透镜305固定在会聚透镜框306上，会聚透镜框306上部安装光纤法兰308，光纤装配上后，光纤插芯307在光纤法兰308上保持不动；
优选的，安装座301侧边开槽，开槽目的为便于真空吸附机构200能深入到安装座301内，吸附某一耦合透镜302a，利用外部装调机构调整耦合透镜302a位置，使光斑尽可能小的对准光纤插芯307中心，会聚透镜305数值孔径NALens与光纤数值孔径NAFiber关系需满足：NAlens≤NAfiber，设半导体激光器303a，303b，303c，303d准直后的最大外接圆直径为Ddiode，汇聚透镜305的有效通光孔径为Dlens，会聚透镜305焦距为f，则会聚透镜需要满足如下的关系：(1)Ddiode≤Dlens，(2)
选择不同数值孔径的光纤，会聚透镜305的焦距f以及半导体激光器最大排列范围Ddiode需要满足公式(2)关系才能使准直后的激光束能以最大的耦合到光纤中。
更进一步的，如图3所示，仅绘制了4颗半导体激光器耦合到单芯光纤的示意图，多颗耦合结构相类似，其主要外壳结构包括安装半导体激光器和耦合透镜的安装座301以及固定会聚透镜305以及安装光纤的会聚透镜框306组成，其中安装座301为四周开窗，便于真空吸附机构真空深入到安装座301内对耦合透镜进行装夹和位置调整，当多单管半导体耦合单芯光纤模块结构调整全部完成后，安装座301四周开窗可用金属板封闭，这样便于防尘和防止杂光泄露出。
如图4所示，以单颗半导体激光器302a的调整为例来阐述光路调整过程，由三个小图构成分别表示光路调整三个过程，其中真空吸附机构200吸附固定耦合透镜303a，由于耦合透镜303a位置偏差，从半导体激光器302a发射的激光光轴中心与耦合透镜303a中心不重合，也即在XY方向有偏差，半导体激光器302a发出的光束不完全进入到耦合透镜303a，且光斑不对称401a，且从耦合透镜303a出射的光束也不平行，通常耦合透镜303a初始位置距离半导体激光器302a较远，因此光束是聚焦光束，从耦合透镜303a出射的聚焦光束402a经会聚透镜305聚焦后光斑偏离光纤插芯307，通过光纤107输入到激光功率计108的功率较低，调整三维调整台X方向调整旋钮102以及Y方向调整旋钮103使激光功率计108示值最大，此时XY方向位置调整完成，
具体的，如图4所示，显示调整耦合透镜XY方向达到最佳时情形，此时半导体激光器302a发射的激光光轴中心与耦合透镜302a光轴中心重合，从会聚透镜305出射的激光光束403b光斑中心在光纤插芯307端面中心上，此后不论三维调整台X方向调整旋钮102以及Y方向调整旋钮103如何调整，激光功率计108示值已经不能再提升，此时半导体激光器302a发出的光束不完全进入到耦合透镜303a，但光斑为对称光斑401b，此后再进行Z方向调整，通过调整耦合透镜303a与半导体激光器302a间距使从耦合透镜303a出射的光束为准直光束402c，准直光束402c经过会聚透镜305聚焦后耦合到光纤插芯307中心，此时耦合到光纤的功率达到最大，激光功率计108示值限制为最大，由此完成耦合透镜303a的完全装调到位。
图4中，耦合透镜302a的固定有多种方式，一般采用紫外粘结或者激光焊接等多种方式来固定，本专利并不限制耦合透镜303a粘结方式。
如图5和图2所示，装调机构对多单管半导体耦合单芯光纤模块300进行装调，具体为调整多单管半导体耦合单芯光纤模块中的耦合透镜303a，三维调整台通过滑板台105及其末端固定的真空吸附机构200将多单管半导体耦合单芯光纤模块300内的耦合透镜302a夹持固定，滑板台105深入多单管半导体耦合单芯光纤模块300内，在外部由X方向调整旋钮102、Y方向调整旋钮103、Z方向调整旋钮104对多单管半导体耦合单芯光纤模块300内耦合透镜303a装调，装调到最佳位置后可点胶固定。
如图6所示，当多单管半导体耦合单芯光纤模块300所有光路已经完成装调并且耦合透镜303全部固定后，调整Z向调整旋钮104使滑板台105以及端部真空吸附机构200向上运动，然后松开Y向滑板固定螺丝105c，将Y方向滑板105d往三维调整台方式移动，由此将真空吸附机构200移出多单管半导体耦合单芯光纤模块300安装座301，此后再将多单管半导体耦合单芯光纤模块300与Z向匹配转接座106分离，由此一个装调好的独立的多单管半导体耦合单芯光纤模块300可以单独移出。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于，包括：
多维调整台，所述多维调整台设置于底座上，所述多维调整台可实现XYZ三个方向上小行程高分辨率调整；
滑板台，所述滑板台可XY两个方向大行程正交滑动并可锁定，所述滑板台前端承载可固定或释放耦合透镜的真空吸附机构；
所述真空吸附机构包括球碗套筒，吸嘴以及光窗；
用于多单管半导体耦合单芯光纤模块，包括多个单管半导体激光器，用于固定多单管激光器的固定座，多个准直半导体激光器的耦合透镜，将多个准直后的光束聚焦到光纤的聚焦透镜，固定输出单芯光纤的法兰以及单芯光纤；
用于多单管半导体耦合单芯光纤模块的Z向匹配高度的转接座；
用于探测从光纤输出功率的激光功率计。
2.根据权利要求书1所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述多维调整台具有三个方向即XYZ调整自由度，通过多维调整台可以对耦合透镜XYZ三个位置进行调整，实现耦合到光纤的功率最大。
3.根据权利要求书1所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述滑板台固定在多维调整台上，可以粗调到多单管半导体耦合单芯光纤模块中各个耦合透镜的全部位置，当滑板台粗对准到任意耦合透镜后对XY两个方向锁定，再由多维调整台进行精细调整每个耦合透镜的位置达到输出光纤的功率最大化。
4.根据权利要求书3所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：固定或释放的耦合透镜的所述真空机构安装在滑板台前端，所述真空机构下端为球碗套筒用于吸附或释放耦合透镜，上端为光窗，中间为吸嘴。
5.根据权利要求书4所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述真空机构的滑板台深入到多单管半导体耦合单芯光纤模块内，利用所述多维调整台对多单管半导体耦合单芯光纤模块耦合透镜进行XYZ三个位置高精度位置调整，使耦合输出光纤功率达到最大。
6.根据权利要求书1所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述半导体激光器安装在多单管半导体耦合单芯光纤模块底板下侧，耦合透镜安装在多单管半导体耦合单芯光纤模块底板上侧，聚焦透镜将准直后的半导体激光汇聚到光纤中，调整耦合透镜位置达到最佳后，对耦合透镜点胶固定。
7.根据权利要求书1所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述激光功率计探测每一路半导体激光器装调耦合透镜后的出光功率，耦合透镜装调到最佳位置后激光功率计探测强度最大。
8.根据权利要求书1所述的一种多单管半导体激光器耦合单芯光纤装调装置，其特征在于：所述Z向匹配转接座用于固定多单管半导体耦合单芯光纤模块，所述的固定多单管半导体耦合单芯光纤模块内部耦合透镜高度与所述真空机构高度相同。
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