CN112952549A - 一种半导体激光耦合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种半导体激光耦合系统，包括多个激光芯片和准直光学组件；每个激光芯片对应设置有一个准直光学组件，用于对激光芯片输出的激光进行准直；多个激光芯片排成一列，且各激光芯片的出光方向相互平行，设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应准直光学组件之间的距离最大，两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距逐渐减小，使得各激光芯片所在光路输出的多个光斑，均匀的分布在所述聚焦透镜组的满足所述输出光纤的数值孔径的区域上，以提高输出光纤数值孔径的利用率。

Description

一种半导体激光耦合系统

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光耦合系统。

背景技术

激光器是一种能够用于发射激光的装置，通过设置在其中的激光芯片产生激光，但是单个激光芯片功率有限，产生的激光亮度不能满足实际要求，所以需要多个半导体激光单管进行叠加，增加输出激光的亮度。此外，在一些特殊的应用领域，例如激光照明，需要输出光斑具有较好的数值孔径分布均匀性。

而现有的激光器中，多个激光芯片输出的多束激光经聚焦合束后对应的多个光斑的分布区域呈矩形，如图1所示，这种矩形分布的光斑不能充分利用光纤的大数值孔径部分，造成光纤的数值孔径的浪费，圆形虚线圈内空白的部分（即大数值孔径）的部分则没有激光耦合，造成数值孔径浪费，造成光斑的能量分布不均匀。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种半导体激光耦合系统，设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，使得各激光芯片所在光路输出的多个光斑的分布区域呈圆形，以提高输出光纤数值孔径的利用率。

本发明提出的一种半导体激光耦合系统，包括多个激光芯片、准直光学组件、聚焦透镜组和输出光纤；每个激光芯片对应设置有一个准直光学组件，用于对激光芯片输出的激光进行准直；聚焦透镜组设置在准直光学组件的光路上，用于对激光芯片输出的激光进行聚焦，并耦合输出至输出光纤；设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使得各激光芯片所在光路输出的多个光斑组合后，再通过聚焦透镜聚焦形成输入到输出光纤中的圆形光斑。

进一步地，所述准直光学组件包括快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜贴设在所述激光芯片的出光端面上，用于对激光芯片输出的激光进行快轴准直，所述慢轴准直镜设置在所述快轴准直镜的出光方向上，用于对激光芯片输出的激光进行慢轴准直。

进一步地，所述聚焦透镜组包括快轴聚焦透镜和慢轴聚焦透镜，分别用于对激光芯片输出的激光进行快轴聚焦和慢轴聚焦；所述的设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，具体为：通过设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应准直光学组件之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距逐渐减小，两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距最小，使得多个激光芯片所对应的多个光斑中，从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小，多个光斑在聚焦透镜组上满足输出光纤数值孔径的区域内组合形成一个椭圆形状，有效利用输出光纤的数值孔径。

进一步地，以多个光斑组成的椭圆中心为原点，以光斑慢轴方向为x轴，快轴方向为y轴，建立直角坐标系x0y；定义从x轴往上的第i个光斑对应的慢轴准直镜的焦距f _i ，计算公式如下：

根据上式设置各慢轴准直镜的焦距和工作距离，可保证激光芯片输出的多个光斑组合后的分布区域呈椭圆形；上式中，i∈[1,N]，激光芯片的总数为2N+1；F _FS 为快轴聚焦透镜的焦距，F _SS 为慢轴聚焦透镜的焦距，NA为输出光纤的数值孔径；f _FAC 为所述的第i个光斑对应的快轴准直镜的焦距，α _F 为激光芯片在快轴方向的发散角，α _s 为激光芯片在慢轴方向的发散角。

进一步地，所述聚焦透镜组为一个具备快轴聚焦和慢轴聚焦功能的双聚焦透镜，用于对激光芯片输出的激光进行快轴聚焦和慢轴聚焦；所述的设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，具体为：通过设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应准直光学组件之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距逐渐减小，两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距最小，使得多个激光芯片所对应的多个光斑中，从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小，多个光斑在聚焦透镜组上满足输出光纤数值孔径的区域内组合形成一个圆形，有效利用输出光纤的大数值孔径的区域。

进一步地，所述的设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，具体为设置各激光芯片与对应慢轴准直镜之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应慢轴准直镜之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应慢轴准直镜之间的间距逐渐减小。

进一步地，多个激光芯片依次排列，且出光方向相互平行。

进一步地，多个激光芯片在水平方向上排成一列，在竖直方向上呈阶梯状排列；且相邻两个激光芯片在水平方向的间距相同，在数值方向的阶梯差相同，使得任意相邻两个激光芯片所在光路输出的光斑在竖直方向上正好衔接，无重叠。

进一步地，所述激光耦合系统还包括转向光学元件；每个激光芯片对应设置有一个转向光学元件；所述转向光学元件设置在所述准直光学组件的出光方向上，多个激光芯片对应的激光经对应的转向光学元件转向后的传播方向上下平行，且竖直共面；多个激光芯片对应的转向后的激光，垂直入射到聚焦透镜组上满足所述输出光纤的数值孔径的区域上。

进一步地，所述转向光学元件为反射平面镜和/或反射棱镜。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：多个激光芯片输出的多束平行激光束之间的疏密程度可以通过慢轴准直镜与激光芯片之间间距的调整，使得入射到聚焦透镜上的多束平行激光束对应的组合光斑的分布区域最大程度的接近圆形，能够有效利用聚焦透镜上满足输出光纤的数值孔径的区域，尤其是大数值孔径的区域，将尽量多的激光耦合进输出光纤中。

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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附图。

图1是现有一般激光器中多个激光芯片输出的激光在聚焦透镜上的光斑示意图；

图2是本实施例中一种半导体激光耦合系统的俯视图；

图3是本发明实施例中光斑大小调节原理示意图；

图4是本发明实施例中多个激光芯片输出的激光在聚焦透镜组上形成的椭圆形光斑示意图；

图5是本发明实施例中椭圆光斑聚焦原理示意图；

图6是本实施例中一种半导体激光耦合系统的侧视图；

图7是本发明实施例中慢轴准直镜焦距计算原理坐标系示意图；

图8是本发明实施例中单个激光芯片所在光路形成的光斑尺寸示意图；

图9是本发明另一实施例中多个激光芯片输出的激光在聚焦透镜上形成的圆形光斑示意图；

图10是本发明另一实施例中光斑聚焦原理示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述地实施例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的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。

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。

本实施例提供了一种半导体激光耦合系统。请参阅图2，图2是本实施例中一种半导体激光耦合系统的俯视图；所述激光耦合系统包括多个激光芯片1、准直光学组件2、转向光学元件3、聚焦透镜组4和输出光纤5；多个激光芯片1在水平方向上排成一列，在竖直方向上呈阶梯状排列（见图6），每个激光芯片1对应设置有一个准直光学组件2和一个转向光学元件3；所述准直光学组件2设置在所述激光芯片1的出光方向上，用于对激光芯片1输出的激光进行准直；所述转向光学元件3设置在所述准直光学组件2的出光方向上，用于对准直后的激光进行转向，转向后激光垂直入射至聚焦透镜组4，经聚焦透镜组4聚焦后耦合输出至输出光纤5中；多个激光芯片1对应的多束平行激光束经对应的转向光学元件3转向后的传播方向上下平行，且这些激光束的光斑竖直共面。本实施例通过设置各激光芯片1与对应的准直光学组件2之间的距离，以设置各激光芯片1所在光路输出的光斑的大小，使得各激光芯片1所在光路输出的多个光斑，均匀的分布在所述聚焦透镜组4的满足所述输出光纤5的数值孔径的区域上，以提高输出光纤5数值孔径的利用率及输出光斑能量分布的均匀性。

具体地，所述准直光学组件2包括快轴准直镜21和慢轴准直镜22；所述快轴准直镜21贴设在所述激光芯片1的出光端面上，所述慢轴准直镜22设置在所述快轴准直镜21的出光方向上。如图3所示，由于激光芯片1发射的激光呈扇形往外发散，所以慢轴准直镜22距离激光芯片1越近，所形成的光斑在慢轴方向的尺寸就越小。本实施例中，将多个激光芯片1在水平方向排成一列，通过设置各激光芯片1与对应慢轴准直镜22之间的距离，使位于中间的激光芯片1与对应慢轴准直镜22之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片1与对应慢轴准直镜22之间的间距逐渐减小，使得从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小。

所述聚焦透镜组4包括快轴聚焦透镜41和慢轴聚焦透镜42，所述快轴聚焦透镜41和所述慢轴聚焦透镜42依次设置在所述转向光学元件3的出光方向上，用于对转向光学元件3输出的激光进行快轴聚焦和慢轴聚焦；所述转向光学元件3用于对经过快、慢轴准直后的激光进行转向，多个激光芯片1对应的转向后的多束平行激光束垂直入射到快轴聚焦透镜41上，并在竖直方向上排成一列，且中间的光斑在慢轴方向的长度最长，上下两端的光斑在慢轴方向的长度最短，如图4所示，多个激光芯片1所在光路输出的多个光斑在快轴聚焦透镜41的入射面组合后的组合光斑的分布区域呈一个近似椭圆的形状。

由于本实施例中采用快轴聚焦透镜41和慢轴聚焦透镜42分别进行快轴和慢轴聚焦，所以若想保证最终进入输出光纤5的组合光斑为圆形，则需要最初在所述快轴聚焦透镜41入射面形成的组合光斑为椭圆形，如图5所示为本实施例中光斑聚焦原理示意图，从图5中可见，所述快轴聚焦透镜41入射面形成的组合光斑为第一椭圆形光斑m1，第一椭圆形光斑m1经所述快轴聚焦透镜41在快轴方向进行聚焦后转化为第二椭圆形光斑m2，第一椭圆形光斑m1的在快轴方向上被快轴聚焦透镜41聚焦，在慢轴方向上未被聚焦，所以m1的长轴半径大于m2的长轴半径，第二椭圆形光斑m2经所述慢轴聚焦透镜42在慢轴方向聚焦后转化为圆形光斑m3，第二椭圆形光斑m2的在慢轴方向上被慢轴聚焦透镜42聚焦，在快轴方向上继续被快轴聚焦透镜41聚焦，从而形成该圆形光斑m3，其经过聚焦后正好聚焦在输出光纤5入射端面的纤芯中心位置。由图6可见，这种激光耦合方式能够有效利用输出光纤5的数值孔径，尤其是大数值孔径的区域，能够提高输出光纤5数值孔径的利用率及输出光斑能量分布的均匀性。

所述激光耦合系统还包括壳体6，多个激光芯片1、准直光学组件2、转向光学元件3、聚焦透镜组4和输出光纤5均封装于壳体6内部，如图6所示，壳体6内底面呈阶梯状结构，且每个阶梯面用于放置一个激光芯片1及与该激光芯片1对应的准直光学组件2和转向光学元件3，距离输出光纤5越近的阶梯面的高度越低，距离输出光纤5越远的阶梯面的高度越高，且相邻两个阶梯面之间的高度差为预设值，使得相邻两个激光芯片1输出的激光经对应的转向光学元件3转向后在快轴聚焦透镜41上形成的光斑刚好衔接且无重叠，多个激光芯片1所在光路输出的光斑均能够进入所述快轴聚焦透镜41中，不会重叠。

在一较佳实施例中，激光芯片1的数量为奇数2N+1个（N≥1），所有激光芯片1在俯视方向上排列在一条直线上；每个激光芯片1输出的激光依次经过快轴准直、慢轴准直后转化为平行激光束，并由对应的转向光学元件3对平行激光束进行转向；所有激光芯片1对应的转向光学元件3在俯视方向上排列在一条直线上，转向后的多束激光，垂直入射至所述快轴聚焦透镜41满足所述输出光纤5的数值孔径的区域上，在激光芯片1与对应慢轴准直镜22之间的距离调整的作用下，使得从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小，多个光斑组合后的组合光斑关于快轴聚焦透镜41入射端面的两个相互垂直的直径对称，且在竖直方向呈阶梯状排列的作用下，相邻两个光斑之间刚好衔接且无重叠，所述聚焦透镜组4将多束激光聚焦耦合进所述输出光纤5中，各个激光芯片1对应的慢轴准直镜22的工作距离BEL的计算原理如下：

如图7所示，以组合光斑组成的椭圆中心为原点，以光斑慢轴方向为x轴，快轴方向为y轴，建立直角坐标系x0y；从上往下，各光斑对应的慢轴准直镜22的工作距离依次为BEL₁~ BEL_2N，该椭圆的公式如公式（1）所示：

x ²/a ²+y ²/b ²=1 （1）

其中，a为椭圆短轴半径，b为椭圆长轴半径。如图8，定义从x轴往上的第i个光斑的慢轴尺寸为l _i ，快轴尺寸为Δh，i∈[1,N]。由于本实施例中所有激光芯片1采用同样的快轴准直镜21，且各快轴准直镜21均贴设在对应的激光芯片1的出光端面上，因此所有光斑的快轴尺寸均相同，将l _i 和Δh带入公式（1）中得到公式（2）：

（l _i /2）²/a ²+（iΔh）²/b ²=1 （2）

得到：

（3）

将Δh=f _FAC ×α _F ，l _i =f _i ×α _s 带入公式（3），其中，f _FAC 为快轴准直镜21的焦距，f _i 为所述的第i个光斑对应的慢轴准直镜22的焦距，α _F 为激光芯片1在快轴方向的发散角，α _s 为激光芯片1在慢轴方向的发散角，得到：

（4）

将a=F _SS ×NA，b=F _FS ×NA带入公式（4），其中，F _FS 为快轴聚焦透镜41的焦距，F _SS 为慢轴聚焦透镜42的焦距，NA为输出光纤5的数值孔径；得到所述的第i个光斑对应的慢轴准直镜22的焦距f _i 如公式（5）所示：

（5）。所述的第i个光斑对应的慢轴准直镜22的焦距f _i 等于该慢轴准直镜的工作距离等于该慢轴准直镜与对应的激光芯片之间的距离。

本实施例中，共有29个激光芯片1，29个激光芯片1依次排列，对应的慢轴准直镜22的工作距离依次为BEL₁~ BEL₂₉；则BEL₁₅最大，BEL₁和 BEL₂₉最小。在具体实施过程中，还可以根据具体需求增加激光芯片1的个数，当激光芯片1的数量越多，组合光斑的分布区域越接近于椭圆形，输出光纤5的数值孔径利用率也就越大。

进一步地，在本实施例中，所述转向光学元件3为反射平面镜和/或反射棱镜，本实施例中，所述转向光学元件3为反射平面镜。

在另一较佳实施例中，将所述半导体激光耦合系统中的快轴聚焦透镜41和慢轴聚焦透镜42替换为一个同时具备快轴、慢轴聚焦功能的双聚焦透镜，其它结构均与上述实施例相同；在该实施例中，由于快轴聚焦和慢轴聚焦的位置相同，所以需要设置各激光芯片1与对应慢轴准直镜22之间的距离，使得多个激光芯片1所在光路输出的组合光斑呈一个近似圆的形状，如图9所示，经过所述双聚焦透镜进行快、慢轴聚焦后的组合光斑呈圆形，并正好聚焦在输出光纤5入射端面的纤芯中心位置，如图10所示。

可见，本发明提出的一种半导体激光耦合系统中，多个激光芯片1输出的多束平行激光束之间的疏密程度可以通过慢轴准直镜22与激光芯片1之间间距的调整，使得入射到聚焦透镜组4上的多束平行激光束对应的多个光斑的分布区域最大程度的接近椭圆或者圆的形状，能够有效利用聚焦透镜组4上满足输出光纤5的数值孔径的区域，尤其是大数值孔径的区域，将尽量多的激光耦合进输出光纤5中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制：尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种半导体激光耦合系统，其特征在于：包括多个激光芯片、准直光学组件、聚焦透镜组和输出光纤；每个激光芯片对应设置有一个准直光学组件，用于对激光芯片输出的激光进行准直；聚焦透镜组设置在准直光学组件的光路上，用于对激光芯片输出的激光进行聚焦，并耦合输出至输出光纤；

设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使得各激光芯片所在光路输出的多个光斑组合后，再通过聚焦透镜聚焦形成输入到输出光纤中的圆形光斑。

2.如权利要求1所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述准直光学组件包括快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜贴设在所述激光芯片的出光端面上，用于对激光芯片输出的激光进行快轴准直，所述慢轴准直镜设置在所述快轴准直镜的出光方向上，用于对激光芯片输出的激光进行慢轴准直。

3.如权利要求2所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述聚焦透镜组包括快轴聚焦透镜和慢轴聚焦透镜，分别用于对激光芯片输出的激光进行快轴聚焦和慢轴聚焦；所述的设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，具体为：

通过设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应准直光学组件之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距逐渐减小，两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距最小，使得多个激光芯片所对应的多个光斑中，从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小，多个光斑在聚焦透镜组上满足输出光纤数值孔径的区域内组合形成一个椭圆形状。

4.如权利要求3所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：以多个光斑组成的椭圆中心为原点，以光斑慢轴方向为x轴，快轴方向为y轴，建立直角坐标系x0y；定义从x轴往上的第i个光斑对应的慢轴准直镜的焦距为f _i ，计算公式如下：

上式中，i∈[1,N]，激光芯片的总数为2N+1；F _FS 为快轴聚焦透镜的焦距，F _SS 为慢轴聚焦透镜的焦距，NA为输出光纤的数值孔径；f _FAC 为所述的第i个光斑对应的快轴准直镜的焦距，α _F 为激光芯片在快轴方向的发散角，α _s 为激光芯片在慢轴方向的发散角，第i个光斑对应的快轴准直镜的焦距等于该慢轴准直镜的工作距离等于该慢轴准直镜与对应的激光芯片之间的距离。

5.如权利要求2所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述聚焦透镜组为一个具备快轴聚焦和慢轴聚焦功能的双聚焦透镜，用于对激光芯片输出的激光进行快轴聚焦和慢轴聚焦；所述的设置各激光芯片与对应的准直光学组件之间的距离，具体为：

通过设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应准直光学组件之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距逐渐减小，两端的激光芯片与对应准直光学组件之间的间距最小，使得多个激光芯片所对应的多个光斑中，从中间往两端的光斑在慢轴方向上的长度逐渐减小，多个光斑在聚焦透镜组上满足输出光纤数值孔径的区域内组合形成一个圆形。

6.如权利要求3或5所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述的设置各激光芯片与对应准直光学组件之间的距离，具体为设置各激光芯片与对应慢轴准直镜之间的距离，使位于中间的激光芯片与对应慢轴准直镜之间的距离最大，由中间往两端的激光芯片与对应慢轴准直镜之间的间距逐渐减小。

7.如权利要求1所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：多个激光芯片依次排列，且出光方向相互平行。

8.如权利要求7所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：多个激光芯片在水平方向上排成一列，在竖直方向上呈阶梯状排列；且相邻两个激光芯片在水平方向的间距相同，在数值方向的阶梯差相同，使得任意相邻两个激光芯片所在光路输出的光斑在竖直方向上正好衔接，无重叠。

9.如权利要求8所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述激光耦合系统还包括转向光学元件；每个激光芯片对应设置有一个转向光学元件；所述转向光学元件设置在所述准直光学组件的出光方向上，多个激光芯片对应的激光束经对应的转向光学元件转向后的传播方向上下平行，且各激光束形成的光斑竖直共面；多个激光芯片对应的转向后的激光，垂直入射到聚焦透镜组上满足所述输出光纤的数值孔径的区域上。

10.如权利要求9所述的一种半导体激光耦合系统，其特征在于：所述转向光学元件为反射平面镜和/或反射棱镜。

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