CN111929778A - 一种半导体激光合束技术 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光合束技术，在裸光纤的侧壁上，垂直于光纤光轴刻蚀与激光波长相当宽度的衍射光栅，裸光纤纵向放置于全反射槽内构成光纤耦合器，半导体激光器的快轴与裸光纤光轴同向，激光经衍射光栅耦合到裸光纤纤芯，从裸光纤的两端输出，若干个光纤耦合器首尾熔接构成光纤耦合链，若干个光纤耦合链并列且间隔与半导体激光器巴条上发光点间隔相等，半导体激光巴条叠阵的发光点对准光纤耦合器，所有光纤耦合链长度相等且所有输出端与一根光纤熔接，从一根光纤输出合束激光经准直获得高功率光束质量比的激光光束，大数量半导体激光器输出激光合束获得高功率光束质量比的激光光束。

Description

一种半导体激光合束技术

技术领域

本发明涉及高功率激光技术，主要涉及一种半导体激光合束技术，尤其是涉及一种基于半导体激光在光纤包层上衍射的光纤耦合器，输出高的功率光束质量比，有利于准直成小束散角，且有效消除瞬时散斑的均匀光斑，可对大量半导体激光芯片、激光巴条、激光叠阵输出激光进行合束，高功率密度重复频率脉冲激光进行光束整形和光束指向稳定的合束技术。

背景技术

半导体激光器是目前电-光能量转换效率最高的已经工程化商用激光器件，现有的激光合束方法有空间合束、粗/细/密集波长合束、偏振合束、光纤集束/合束及其这些合束方法的组合，这些合束方法的光路要求严格，受空间尺寸、冷却热管理水平等因素限制，仅能进行有限数量的半导体激光器合束，合束激光能量有限。

目前半导体激光巴条叠阵合束的方法及其系统结构，设计理念为空间积木式，存在着热聚集，使能量密度梯度进一步加剧，导致寿命缩短，且大量集成后激光的功率光束质量比局限，无法满足远距离激光能量传输需求的小束散角，无法获得与固体激光器相比拟的激光功率密度。

瞬时散斑现象在激光远距离信息传输中，造成激光辐照区域内局部激光能量分布不均匀，导致误码，降低了激光空间通信的可靠性。

发明内容

本发明的目的是克服目前半导体激光器合束技术的局限，提高合束激光能量。

本发明要解决的第一个技术问题是，为半导体激光器输出椭圆形激光光斑耦合进入光纤，提供一种采用在裸光纤包层外表面垂直于光纤光轴刻蚀与波长相当的凹槽列，构成对辐照激光的衍射光栅的光纤耦合器，激光快轴与光纤耦合器纤芯光轴同向，半导体激光器发光面靠近光纤耦合器，激光经裸光纤包层外表面衍射光栅进入光纤耦合器的纤芯，从光纤耦合器的两端面输出，还可以采用在光纤侧壁镀膜构成衍射光栅，还可以采用在光纤裸光纤包层外表面靠近处安置衍射光栅进行耦合。

本发明要解决的第二个技术问题是，为提高激光耦合进入光纤的效率，提供一个全反射槽，光纤耦合器顺着全反射槽的纵向放置其中，半导体激光器发光面的非发光区均为全反射表面，全反射槽和全反射面构成全反射腔，全反射腔的全反射表面将穿过光纤耦合器的激光再次反射进入光纤耦合器，光纤耦合器和全反射腔构成一个激光耦合单元，同一激光器输出激光经过不同路径耦合进入光纤纤芯传输，在光纤耦合器的输出端，其光程随机分布，有效的缩短了激光的相干长度，减缓了远场光斑的瞬时散斑且均匀化，实现了对半导体激光光束整形，稳定了激光指向。

本发明要解决的第三个技术问题是，为提高所述激光耦合单元激光输出能量，提供一种由若干个激光耦合单元的光纤耦合器纤芯同向阵列排布，且所有相同长度的光纤耦合器的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接合束，构成激光耦合组件，半导体激光巴条的发光点对齐并靠近光纤耦合器，所有输出激光的快轴与光纤耦合器纤芯光轴同轴，对于脉冲激光将输出两个与光纤耦合器位置有关的时序关联激光脉冲。

本发明要解决的第四个技术问题是，为提高激光耦合组件的激光输出能量，提供一种激光耦合柱，包括激光耦合管、光纤耦合链、半导体激光巴条叠阵、冷却系统，所述激光耦合管的管壁的曲率半径不小于光纤耦合器的最小弯曲半径，全反射槽环绕分布于激光耦合管的外侧壁上，若干个光纤耦合器首尾熔接串联构成光纤耦合链，放置于全反射槽内，光纤耦合链的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接，合束激光从一根光纤输出激光；若干个全反射槽并列环绕分布于管的外侧壁上，且相邻全反射槽的间距与激光巴条上的激光发光点间距相等，所述激光耦合管的外侧壁上还有若干个激光巴条叠阵的固定安装支架，使所述激光巴条叠阵上的激光发射点与全反射槽内的光纤耦合链上的光纤耦合器对齐，所有光纤耦合链长度相等，且所有光纤耦合链的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接，所有激光从一根光纤输出，经过准直获得高的功率光束质量比，所述冷却系统用于冷却激光耦合管，优选采用风冷，确保激光耦合柱的温度稳定工作状态。

本发明要解决的第五个技术问题是，对于脉冲激光，一个脉冲激光输入光纤耦合链，输出两个激光脉冲，与光纤耦合器位置有关的时序关联激光脉冲，在激光接收系统解码时，采用与光纤耦合链长度和位置相关的延时叠加方法，解码识别；一个脉冲激光f_0xi输入光纤耦合链，其中i＝1，2，3……，输出的两个与光纤耦合器位置Xi有关的关联激光脉冲，经准直传输到激光接收系统，光电探测系统测量得到f_xi(t)，f_xi(t-ti)两个脉冲信号，解码时延时叠加获得接收激光脉冲信号F_xi＝f_xi(t)+f_xi(t-ti)，t_i＝n(L-2x_i)/c，n是光纤耦合器[1]纤芯材料折射率，c 是光速；采用调制光纤耦合链中若干个光纤耦合器位置Xi对应激光电源触发时序t_i，光纤耦合器位置Xi耦合输入激光脉冲的时序延迟，使若干个光纤耦合器的输入激光脉冲时序同步，获得∑_if_xi，提高峰值功率；采用调制光纤耦合链[8]中若干个光纤耦合器[1]的位置Xi 对应激光电源触发时序t_i，对脉冲激光输出进行编码，大量半导体激光器合束使得合束激光的时域带宽得到拓展。

本发明要解决的第六个技术问题是，光纤耦合器的光谱范围内的不同波长激光能够实现合束，本发明还能够通过采用红外裸光纤进一步扩展合束激光的波长范围。

本发明具有以下优点：

本发明采用了光纤耦合链两个输出端与一根光纤熔接合束输出，使得若干个半导体激光器芯片、巴条、叠阵输出激光能够大量合束，提高激光能量，且经准直获得高的功率光束质量比；本发明采用了在光纤侧壁上制作衍射光栅，使得半导体激光器输出激光衍射后，经过不同路径进入光纤耦合器的纤芯，从光纤的两个端面输出，经准直获得高的功率光束质量比，同时减少了合束输出激光的相干长度，优化了远场激光光斑的均匀性，降低了瞬时光斑对激光传输信号可靠性的影响；

本发明采用了全反射腔，使得激光能量耦合到光纤耦合器的纤芯的效率得到保障；

本发明采用了环形光纤耦合链和半导体激光驱动电源同步触发，使得脉冲激光峰值功率提高，且与位置相关的两个关联激光脉冲有利于传输信号的保密。

本发明采用了调制光纤耦合链中若干个光纤耦合器的位置对应激光电源触发时序，对脉冲激光输出进行编码，大量半导体激光器合束使得合束激光的时域带宽得到拓展。

本发明采用了激光耦合柱，使得单个半导体激光器在结构上占有更大的空间尺寸，热分布密度降低，整个系统的热管理强度减小，延长了半导体激光器的寿命。

附图说明

图1半导体激光器耦合单元

图2半导体激光巴条耦合单元

图3半导体激光耦合柱和解码方法

具体实施方式

实施例1半导体激光器耦合单元，如图1和图2所示，本发明的优选实施例包括光纤耦合器1、半导体激光器2、全反射腔3，光纤耦合器1优选采用芯径105μm、包层直径为400μm的熔石英裸光纤制作，光纤耦合器1的裸光纤包层外表面上垂直于光纤光轴方向刻蚀与波长相当宽度的凹槽列，对激光波长为808nm，凹槽的宽度为1μm，栅距2μm，构成对半导体激光器2辐照激光衍射的衍射光栅，经过衍射的激光传输方向进一步接近光纤光轴，有利于激光耦合进入光纤纤芯传输，半导体激光器输出椭圆形激光光斑，在激光快轴与光纤耦合器1纤芯光轴同向且半导体激光器2发光面靠近光纤耦合器1时，激光经光纤裸光纤包层外表面光栅衍射进入光纤耦合器1，从光纤耦合器1的两端面输出，还可以采用在光纤侧壁镀膜构成光栅；为提高激光耦合进入光纤耦合器1的效率，本发明还提供一个全反射腔3，包括全反射槽4、半导体激光器2发光面的非发光区均为全反射表面，围成全反射腔 3，光纤耦合器1顺着全反射槽4的纵向放置其中，全反射腔3的全反射表面将穿过光纤耦合器1的激光再次反射进入光纤耦合器1，光纤耦合器1和全反射腔3构成一个激光耦合单元5，同一激光器输出激光经过不同路径耦合进入光纤纤芯传输，在光纤耦合器1的输出端，其光程随机分布，有效的缩短了激光的相干长度，减缓了远场光斑的瞬时散斑且均匀化，稳定了激光指向。

优选实施例2半导体激光巴条耦合器，如图2所示，本发明的优选实施例包括若干个激光耦合单元5、半导体激光器巴条6，所有激光耦合单元5平行并列，且相互间隔与半导体激光器巴条6上发光点间隔相等，发光点与激光耦合单元5对齐，发射激光全部进入全反射槽4，经光纤耦合器1激光能量进入纤芯，从光纤耦合器1的两个输出端合束一根光纤输出。

优选实施例3半导体激光耦合柱和解码方法，如图3所示，本发明的优选实施例包括激光耦合管7、光纤耦合链8、若干半导体激光巴条叠阵9、冷却系统10、激光驱动电源和信号发生器、激光接收用光电探测系统和信号解码系统，所述激光耦合管7的管壁的曲率半径不小于光纤耦合器1的最小弯曲半径，优选激光耦合管7的直径90mm，全反射槽4环绕分布于激光耦合管7的外侧壁上，若干个光纤耦合器1首尾熔接串联构成光纤耦合链8，放置于全反射槽4内，光纤耦合链8的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接，合束激光从一根光纤输出；若干个全反射槽4并列环绕分布于激光耦合管7的外侧壁上，且相邻全反射槽 4的间距与激光巴条上的激光发光点间距相等，所述激光耦合管7的外侧壁上还有若干个激光巴条并列叠阵9的固定安装支架，使所述激光巴条并列叠阵9上的激光发射点与全反射槽 4内的光纤耦合链8上的光纤耦合器1对齐，所有光纤耦合链8长度相等，且所有光纤耦合链8的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接，所有激光从一根光纤输出，经过准直获得高的功率光束质量比，所述冷却系统10用于冷却激光耦合管7，所述冷却系统10优选采用风冷，确保激光耦合柱的温度稳定工作状态。

一个脉冲激光f_0xi输入光纤耦合链8，其中i＝1，2，3……，输出的两个与光纤耦合器1 位置Xi有关的时序关联激光脉冲，经抛面镜准直传输到激光接收系统，光电探测系统测量得到f_xi(t)，f_xi(t-ti)两个脉冲信号，解码时获得接收激光脉冲信号F_xi＝f_xi(t)+f_xi(t-ti)，t_i＝n(L-2x_i)/c， n是光纤耦合器[1]纤芯材料折射率，c是光速。

对于脉冲激光，采用调制光纤耦合器1的位置Xi对应激光电源时序触发时间，光纤耦合器1的位置Xi耦合输入激光脉冲的时序延迟，使若干个光纤耦合器1的输入激光脉冲时序同步，获得∑_if_xi，提高峰值功率。

光纤耦合器1采用的熔石英裸光纤，熔石英的光谱透过率范围内的所有波长都能够采用该系统实现合束。

Claims (13)

1.一种光纤耦合器，其特征在于：裸光纤包层外表面垂直于光纤光轴刻蚀与波长相当的一列凹槽，构成光纤耦合器[1]，半导体激光器[2]的快轴与光纤耦合器[1]纤芯光轴同向，半导体激光器[2]发光面靠近光纤耦合器[1]，激光经裸光纤包层外表面光栅衍射进入光纤耦合器[1]的纤芯，半导体激光器[2]输出椭圆形激光光斑耦合进入光纤耦合器[1]，从光纤耦合器[1]的两端面输出。

2.一种激光耦合单元，其特征在于：包括光纤耦合器[1]、全反射腔[3]，光纤耦合器[1]顺着全反射腔[3]的纵向放置其中，所述全反射腔[3]由半导体激光器[2]发光面的非发光区均为全反射表面和全反射槽[4]构成全反射腔[3]，全反射腔[3]的全反射表面将穿过光纤耦合器[1]的激光再次反射进入光纤耦合器[1]，光纤耦合器[1]和全反射腔[3]构成一个激光耦合单元[5]，同一激光器输出激光经过不同路径耦合进入光纤纤芯传输，在光纤耦合器[1]的两个输出端，其光程随机分布，有效的缩短了激光的相干长度，减缓了远场光斑的瞬时散斑且均匀化，实现了半导体激光光束整形，稳定了激光指向，提高了激光耦合效率。

3.一种激光耦合组件，包括若干个激光耦合单元[5]，所述激光耦合单元[5]的光纤耦合器[1]纤芯同向阵列排布，且所有相同长度的光纤耦合器[1]的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接合束，构成激光耦合组件[6]，半导体激光巴条的每个激光发光点对齐靠近光纤耦合器[1]，所有输出激光的快轴与光纤耦合器[1]纤芯光轴同轴，对于脉冲激光将输出两个与光纤耦合器[1]位置有关的时序关联激光脉冲。

4.一种激光耦合柱，包括激光耦合管[7]、光纤耦合链[8]、半导体激光巴条叠阵[9]、冷却系统[10]，所述激光耦合管[7]的管壁的曲率半径不小于光纤耦合器[1]的最小弯曲半径，全反射槽[4]环绕分布于激光耦合管[7]的外侧壁上，所述光纤耦合链[8]由若干个光纤耦合器[1]首尾熔接串联构成，放置于全反射槽[4]内，光纤耦合链[8]的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接合束，合束激光从一根光纤输出；若干个全反射槽[4]并列环绕分布于激光耦合管[7]的外侧壁上，且相邻全反射槽[4]的间距与激光巴条上的激光发光点间距相等，所述激光耦合管[7]的外侧壁上还有若干个激光巴条叠阵激光组件的固定安装支架，使激光巴条叠阵组件上的激光发射点与全反射槽[4]内的光纤耦合链[8]上的光纤耦合器[1]对齐，所有光纤耦合链[8]长度相等，且所有光纤耦合链[8]的两个输出端首尾并列与一根光纤熔接，所有激光从一根光纤输出，经过准直获得高的功率光束质量比，所述冷却系统[10]用于冷却激光耦合管[7]，优选采用风冷，确保激光耦合柱的温度稳定工作状态。

5.根据权利要求4所述一种激光耦合柱，还包括一种脉冲激光解码方法，一个脉冲激光f_0xi输入光纤耦合链[8]，其中i＝1，2，3……，输出的两个与光纤耦合器[1]位置Xi有关的时序关联激光脉冲，经准直传输到激光接收系统，激光接收系统采用与光纤耦合链[8]长度和位置Xi相关的延时叠加方法解码识别，光电探测系统测量得到f_xi(t)，f_xi(t-ti)两个脉冲信号，获得接收激光脉冲信号F_xi＝f_xi(t)+f_xi(t-ti)，其中：t_i＝n(L-2x_i)/c，n是光纤耦合器[1]纤芯材料折射率，c是光速。

6.根据权利要求4所述一种激光耦合柱，还包括一种脉冲激光编码方法，采用调制光纤耦合链[8]中若干个光纤耦合器[1]的位置Xi对应激光电源触发时序t_i，对脉冲激光输出进行编码，大量半导体激光器合束使得合束激光的传输信号的载波带宽得到拓展。

7.根据权利要求4所述一种激光耦合柱，还包括一种脉冲激光合束同步方法，采用调制光纤耦合链[8]中若干个光纤耦合器[1]的位置Xi对应激光电源触发时序t_i，光纤耦合器[1]的位置Xi耦合输入激光脉冲的时序延迟，使若干个光纤耦合器[1]的输入激光脉冲时序同步，获得∑_if_xi，提高峰值功率。

8.根据权利要求1所述一种光纤耦合器[1]，还包括在光纤耦合器[1]所用光纤材料的透射光谱内，对于不同波长激光能够实现合束。

9.根据权利要求1所述一种光纤耦合器[1]，还包括采用红外裸光纤制作光纤耦合器[1]进一步扩展合束激光的波长范围。

10.根据权利要求1所述一种光纤耦合器[1]，还包括采用在光纤包层侧壁镀膜构成衍射光栅。

11.根据权利要求1所述一种光纤耦合器[1]，还包括采用在裸光纤包层外表面靠近处安置衍射光栅进行耦合。

12.根据权利要求6所述一种脉冲激光编码方法，还包括所述光纤耦合器[1]的位置Xi对应激光电源触发时序t_i，光纤耦合器[1]的位置Xi耦合输入激光脉冲的时序延迟，所述激光电源触发时序t_i进行加密调制，实现信号的保密传输。

13.根据权利要求1所述一种光纤耦合器[1]，还包括所述光纤耦合器[1]所用裸光纤的纤芯材料为激光增益介质，实现对激光增益介质的泵浦。

Images