CN113258448A

CN113258448A - 一种多单管半导体激光器光纤耦合结构

Info

Publication number: CN113258448A
Application number: CN202110792885.3A
Authority: CN
Inventors: 陈晓华; 赵帆; 于振坤; 任德伦; 罗校迎
Original assignee: Beijing Kaiplin Optoelectronics Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Kaiplin Optoelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2021-07-14
Filing date: 2021-07-14
Publication date: 2021-08-13

Abstract

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种多单管半导体激光器光纤耦合结构。包括：管壳底板热沉，沿光束传输方向设有至少两层台阶；至少两个半导体激光芯片COS，分别设置于管壳底板热沉的各台阶上；至少两个快轴准直透镜，分别设置于各半导体激光芯片COS的前端；至少一个慢轴准直透镜，沿光路方向设置于位于上层的快轴准直透镜的前端；聚焦透镜设置于管壳底板热沉最底层的台阶上；聚焦透镜用于将各半导体激光芯片COS的光束聚焦后耦合进入光纤内；光纤，用于传输光束。本发明避免了光束的转折，能够缩短光程，简化制作过程，减小管壳体积，节约成本。

Description

一种多单管半导体激光器光纤耦合结构

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种多单管半导体激光器光纤耦合结构。

背景技术

随着半导体激光器行业的发展，各应用领域对半导体激光器的功率要求也越来越高，多单管光纤耦合应运而生。目前，多单管耦合技术一般采用的是将COS在快轴方向按照不同高度放置，经快轴准直、慢轴准直、反射镜等光学镜片实现空间合束，最后经过聚焦透镜耦合进入光纤，其中实现空间合束的方法多采用反射镜对光束进行反射。参见图1所示，图1为常用的多单管耦合结构的示意图，半导体激光芯片COS1的光束经过快轴准直透镜2、慢轴准直透镜3后，使用反射镜4进行一次反射，使光束进行90°转折实现多个COS的空间合束，然后光束进入聚焦透镜5进行聚焦，耦合进入光纤6。这种方式需要用到多个反射镜，且光路需要一次或多次转折，因此需要的光学元件数量较多，管壳整体体积大，光程长，造成制作步骤复杂、制作困难、光学镜片和管壳成本较高等问题。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，以解决现有多单管耦合结构需要光学元件数量较多、管壳整体体积大、光程长及成本较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明实施例提供的一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，包括：

管壳底板热沉，沿光束传输方向设有至少两层台阶；

至少两个半导体激光芯片COS，分别设置于管壳底板热沉的各台阶上；

至少两个快轴准直透镜，分别设置于各半导体激光芯片COS的前端；

至少一个慢轴准直透镜，沿光路方向设置于位于上层的快轴准直透镜的前端；

聚焦透镜设置于管壳底板热沉最底层的台阶上；

位于上层的半导体激光芯片COS的光束通过快轴准直透镜和慢轴准直透镜后入射到聚焦透镜上，位于下层的半导体激光芯片COS的光束通过快轴准直透镜后直接入射到聚焦透镜，聚焦透镜用于将各半导体激光芯片COS的光束聚焦后耦合进入光纤内；

光纤，用于传输光束。

在一种可能的实现方式中，所述快轴准直透镜粘贴在所述半导体激光芯片COS的前端，所述快轴准直透镜将所述半导体激光芯片COS的光束在快轴方向进行准直。

在一种可能的实现方式中，所述慢轴准直透镜可离焦放置。

在一种可能的实现方式中，根据所述光纤的参数选择所述慢轴准直透镜的放置位置。

在一种可能的实现方式中，所述慢轴准直透镜的放置位置满足通过所述聚焦透镜后的聚焦光束的BPP小于光纤的BPP的要求，使光束可耦合进入所述光纤内。

在一种可能的实现方式中，多个所述半导体激光芯片COS的整体光束的中心与所述聚焦透镜和光纤的光轴在同一直线上。

在一种可能的实现方式中，所述半导体激光芯片COS通过焊料烧结在所述管壳底板热沉上。

在一种可能的实现方式中，所述管壳底板热沉采用铜材料。

本发明的优点及有益效果是：本发明提供的一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，节省光学镜片数量，可简化光路，减少了慢轴准直透镜的数量，无需使用反射镜进行空间合束，同时避免了光束的转折，能够缩短光程，简化制作过程，减小管壳体积，节约成本。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为常用的多单管耦合结构的示意图；

图2为本发明一实施例中一种多单管半导体激光器光纤耦合结构的主视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明实施例的慢轴方向光路示意图；

图5为本发明另一实施例中一种多单管半导体激光器光纤耦合结构的俯视图。

图中：1、半导体激光芯片COS；2、快轴准直透镜；3、慢轴准直透镜；4、反射镜；5、聚焦透镜；6、光纤；7、管壳底板热沉。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”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。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明实施例提供的一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，避免了光束的转折，能够缩短光程，简化制作过程，减小管壳体积，节约成本。参见图2至图4所示，该一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，包括：

管壳底板热沉7，沿光束传输方向设有至少两层台阶；

至少两个半导体激光芯片COS1，分别设置于管壳底板热沉7的各台阶上；

至少两个快轴准直透镜2，分别设置于各半导体激光芯片COS1的前端；

至少一个慢轴准直透镜3，沿光路方向设置于位于上层的快轴准直透镜2

的前端；

聚焦透镜5设置于管壳底板热沉7最底层的台阶上；

位于上层的半导体激光芯片COS1的光束通过快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3后入射到聚焦透镜5上，位于下层的半导体激光芯片COS1的光束通过快轴准直透镜2后直接入射到聚焦透镜5，聚焦透镜5用于将各半导体激光芯片COS1的光束聚焦后耦合进入光纤6内；光纤6，用于传输光束。

本发明的实施例中，快轴准直透镜2粘贴在半导体激光芯片COS1的前端，快轴准直透镜2将半导体激光芯片COS1的光束在快轴方向进行准直。

本发明的实施例中，上排的半导体激光芯片COS1的光束在通过快轴准直透镜2后，还经过了慢轴准直透镜3，慢轴准直透镜3对光束在慢轴方向进行准直后入射到聚焦透镜5上。

本发明的实施例中，慢轴准直透镜3可离焦放置，根据光纤6的参数选择慢轴准直透镜3的放置位置，能够缩短慢轴准直透镜3与半导体激光芯片COS1之间的距离，实现更小的体积。慢轴准直透镜3的放置位置满足通过聚焦透镜5后的聚焦光束的BPP小于光纤的BPP的要求，使聚焦光束可耦合进入光纤6内。

进一步地，下排的半导体激光芯片COS1的光束在通过快轴准直透镜2后，直接入射到聚焦透镜5上。多个半导体激光芯片COS1的整体光束的中心与聚焦透镜5和光纤6的光轴在同一直线上。

本发明的实施例中，管壳底板热沉7采用铜材料，各半导体激光芯片COS1通过焊料烧结在管壳底板热沉7的各层台阶上。上排的半导体激光芯片COS1的光束通过快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3后入射到聚焦透镜5，下排的半导体激光芯片COS1的光束通过前端的快轴准直透镜2后，直接入射到聚焦透镜5，聚焦透镜5将两个或多个半导体激光芯片COS1的光束聚焦后耦合进入光纤6内。

实施例一

如图2-3所示，本实施例中，管壳底板热沉7在光束传输方向带有两层台阶，两个半导体激光芯片COS1通过焊料分别烧结在管壳底板热沉7的两个台阶上，上排半导体激光芯片COS1的光束通过快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3后入射到聚焦透镜5上，下排半导体激光芯片COS1的光束通过快轴准直透镜2后直接入射到聚焦透镜5上，聚焦透镜5将两个半导体激光芯片COS1的光束聚焦后耦合进入光纤6内。

如图4所示，图4为在慢轴方向的光路示意图，慢轴准直透镜3可离焦放置，上排半导体激光芯片COS1的光束经过快轴准直透镜2、慢轴准直透镜3后，光束在慢轴方向进行了完全准直或部分准直，与下排的半导体激光芯片COS1的光束一同进入聚焦透镜5内，可同时耦合进入光纤6。

光学系统的成像关系为：

焦点尺寸为：

其中，f为光学系统的焦距，

为芯片发光区尺寸，m为系统的放大率，物距u为芯片到慢轴准直透镜的距离，像距v为聚焦透镜到焦点的距离。

光参数积：

当经过聚焦透镜5后的聚焦光束的BPP小于光纤的BPP时，光束可耦合进入光纤6。

例如，使用焦距为4.84mm的SAC（慢轴准直透镜），离焦放置在距离半导体激光芯片COS1为3mm处，则上排半导体激光芯片COS1的光束经过SAC后的光斑尺寸和剩余发散角约为0.92mm和11.3mrad，光参数积：

下排半导体激光芯片COS1的光束在慢轴方向不做变化，则光参数积：

光纤的芯径为d，数值孔径为NA，则光纤的光参数积：

半导体激光芯片COS1的光束经过聚焦透镜5后聚焦，聚焦光束的BPP小于光纤的BPP则可耦合进入光纤6。

例如，选择芯径400um，数值孔径为0.22的光纤，则光纤的光参数积：

该值大于上述计算的上排和下排半导体激光芯片COS1的BPP。选择合适焦距的聚焦透镜5，例如焦距为4.5mm的聚焦透镜5，则上排和下排半导体激光芯片COS1的光束可在聚焦透镜5的后表面2.26mm远处同时进入光纤6。

实施例二

本实施例与实施例一的相比区别在于，半导体激光芯片COS1可采用三个或者更多，如图5所示。上排半导体激光芯片COS1的光束经过快轴准直透镜2和慢轴准直透镜3后入射到聚焦透镜5上，中排和下排半导体激光芯片COS1光束经过快轴准直透镜2后直接入射到聚焦透镜5上，多个半导体激光芯片COS1的光束经过聚焦透镜5进行聚焦耦合进入光纤6内，多个半导体激光芯片COS1的光束中心与聚焦透镜5、光纤6的光轴在同一直线上。

本发明的实施例中，管壳底板热沉7在光束传输方向带有台阶，所以不需要反射镜，可节省光学元件数量；下排半导体激光芯片COS1可以不需要慢轴准直透镜，也可节省光学元件数量，上排半导体激光芯片COS1的慢轴准直透镜可放置在离焦处，根据需要耦合的光纤参数，可选择是否离焦。本发明可实现两个或多个单管耦合，能够节省慢轴准直透镜、反射透镜等光学镜片的数量，简化制作过程，减小管壳体积，节约成本。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，包括：

管壳底板热沉（7），沿光束传输方向设有至少两层台阶；

至少两个半导体激光芯片COS（1），分别设置于管壳底板热沉（7）的各台阶上；

至少两个快轴准直透镜（2），分别设置于各半导体激光芯片COS（1）的前端；

至少一个慢轴准直透镜（3），沿光路方向设置于位于上层的快轴准直透镜（2）的前端；

聚焦透镜（5）设置于管壳底板热沉（7）最底层的台阶上；

位于上层的半导体激光芯片COS（1）的光束通过快轴准直透镜（2）和慢轴准直透镜（3）后入射到聚焦透镜（5）上，位于下层的半导体激光芯片COS（1）的光束通过快轴准直透镜（2）后直接入射到聚焦透镜（5），聚焦透镜（5）用于将各半导体激光芯片COS（1）的光束聚焦后耦合进入光纤（6）内；

光纤（6），用于传输光束。

2.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，所述快轴准直透镜（2）粘贴在所述半导体激光芯片COS（1）的前端，所述快轴准直透镜（2）将所述半导体激光芯片COS（1）的光束在快轴方向进行准直。

3.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，所述慢轴准直透镜（3）可离焦放置。

4.根据权利要求3所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，根据所述光纤（6）的参数选择所述慢轴准直透镜（3）的放置位置。

5.根据权利要求4所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，所述慢轴准直透镜（3）的放置位置保证通过所述聚焦透镜（5）后的聚焦光束的BPP小于光纤的BPP，使聚焦光束可耦合进入所述光纤（6）内。

6.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，多个所述半导体激光芯片COS（1）的整体光束的中心与所述聚焦透镜（5）和光纤（6）的光轴在同一直线上。

7.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，所述半导体激光芯片COS（1）通过焊料烧结在所述管壳底板热沉（7）上。

8.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器光纤耦合结构，其特征在于，所述管壳底板热沉（7）采用铜材料。