CN113572004B - 一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，该光纤包括高折射率的纤芯，包覆于纤芯外表面的低折射率包层以及包覆与包层外表面的高分子涂覆层，其中纤芯的横截面为非圆形，可以是方形、椭圆形和矩形等与边发射半导体激光输出的光斑阵列相匹配的形状。该光纤可以提高光纤横截面有效耦合面积的利用率，提高半导体激光的输出功率密度。
Description
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体涉及到一种特殊结构的边发射半导体耦合光纤。
背景技术
光纤激光器一般采用边发射半导体激光器作为泵浦源，如图1所示，而泵浦源是由激光二极管阵列组成。边发射半导体激光阵列组输出的光束，在近场横断面上为沿慢轴方向的条形光斑，在远场它是许多椭圆形光斑沿慢轴方向的排列，每个椭圆的长轴沿快轴方向，短轴沿慢轴方向，如图2所示。
传统的泵浦源输出光纤是由光纤预制棒拉制而成，光纤横截面的几何形状一般为圆形。边发射半导体激光的输出光束需要整形才能耦合到输出光纤中。目前的整形方法包括柱透镜整形、光纤束整形、渐变折射率光纤整形、微型阶梯反射镜整形、双平面镜整形等方法。这些整形方法会导致泵浦源结构复杂或者光学元件难以加工。而且整形后的光束只是接近圆形，光斑面积仍然只占圆形光纤的中心一部分，四周区域仍然被浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，解决了耦合光纤输入端耦合面积利用率低的问题，与传统的圆形耦合光纤相比，本发明的优点在于：能充分利用纤芯有效耦合面积，提高半导体激光的输出功率密度。
为了解决上述问题，本发明改变输出光纤的纤芯横截面形状，使输出光纤的横截面与边发射半导体激光器输出的光斑形状相匹配。可选的，该光纤的纤芯横截面为非圆形，可以是矩形、方形或椭圆形。可选的，所述光纤的纤芯横截面形状沿光纤轴向方向可以不一致，即纤芯的输入端横截面为圆形，输出端横截面为方形、矩形或椭圆形。可选的，所述光纤的包层横截面形状也可以是与纤芯横截面一致的形状，包括方形、矩形或椭圆形，也可以是圆形。可选的，所述光纤的包层横截面形状沿光纤轴向方向可以一致，即都是方形、圆形或者椭圆形，也可以不一致，即输入端为圆形，输出端与纤芯几何形状一致。可选的，该光纤输入端横截面尺寸与输出端一致。可选的，该光纤的输入端横截面尺寸与输出端不一致，即输入端到输出端尺寸逐渐缩小，缩小到一定范围后保持不变。
总而言之，本发明提供了一种非圆形纤芯的边发射半导体激光耦合光纤，该光纤包括高折射率的非圆形纤芯，以及低折射率的包层和涂覆层。包层位于纤芯的外表面。本发明的通过改变纤芯形状以适配边发射半导体激光输出的光斑形状，提高了光纤有效耦合面积的利用率，还提高了边发射半导体激光器的输出功率密度。
附图说明
附图1为传统的边发射半导体激光器的结构示意图。
附图2为传统的边发射半导体激光器输出光束耦合到输出光纤中的光斑分布示意图。
附图3为本发明之实施例1矩形纤芯的光纤结构图。
附图4为本发明之实施例2正方形纤芯的光纤结构图。
附图5为本发明之实施例3椭圆形纤芯的光纤结构图。
附图6为本发明之实施例4包层与纤芯都为矩形的光纤结构图。
附图7为本发明之实施例5包层与纤芯都为正方形的光纤结构图。
附图8为本发明之实施例6包层与纤芯都为椭圆形的光纤结构图。
附图9为本发明之实施例7输入端为圆形，输出端为矩形、正方形、椭圆形的光纤结构图。
附图10为本发明之实施例8输入、输出端形状一致，但是尺寸逐渐缩小的光纤结构图。
附图标记：
1-边发射半导体激光器输出的条形光斑；2-高折射率的纤芯；3-低折射率的包层；4-涂覆层。
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，所述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，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它实施例，都属于本发明的保护范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
本实施例提供一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，图3为本发明实施例1的光纤结构图。该光纤包括高折射率的纤芯2、低折射率的包层3和涂覆层4。纤芯的横截面为矩形，包层的横截面为圆形，纤芯与包层的主要成分都是二氧化硅。低折射率的包层包覆与高折射率的纤芯外表面。涂覆层包覆与包层的外表面，可以是聚合材料。
本实施例通过改变纤芯的几何形状使边发射半导体阵列输出的激光光斑恰好能耦合到输出光纤中。边发射半导体激光器的输出光斑为椭圆形光斑沿慢轴方向的阵列。所以该矩形纤芯的边长略大于半导体激光输出的椭圆形光斑长轴直径，矩形纤芯的宽为半导体激光器输出光斑阵列的宽度。该耦合光纤可以提高耦合光纤的有效耦合面积利用率。
实施例2
本实施例提供一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，图4为本发明实施例2的光纤结构图。该光纤包括高折射率的纤芯2、低折射率的包层3和涂覆层4。纤芯的横截面为正方形，包层的横截面为圆形，纤芯与包层的主要成分都是二氧化硅。低折射率的包层包覆与高折射率的纤芯外表面。涂覆层包覆与包层的外表面，可以是聚合材料。
本实施例通过改变纤芯的几何形状使边发射半导体阵列输出的激光光斑恰好能耦合到输出光纤中。边发射半导体激光器的输出光斑为椭圆形光斑沿慢轴方向的阵列。所以该正方形纤芯的边长略大于半导体激光输出的椭圆形光斑长轴直径。该耦合光纤可以提高耦合光纤的有效耦合面积利用率。
实施例3
本实施例提供一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，图5为本发明实施例3的光纤结构图。该光纤包括高折射率的纤芯2、低折射率的包层3和涂覆层4。纤芯的横截面为椭圆形，包层的横截面为圆形，纤芯与包层的主要成分都是二氧化硅。低折射率的包层包覆与高折射率的纤芯外表面。涂覆层包覆与包层的外表面，可以是聚合材料。
本实施例通过改变纤芯的几何形状使边发射半导体阵列输出的激光光斑恰好能耦合到输出光纤中。边发射半导体激光器的输出光斑为椭圆形光斑沿慢轴方向的阵列。所以该椭圆形纤芯的长轴长度大于半导体激光输出的椭圆形光斑长轴直径，椭圆形纤芯短轴长度大于半导体激光器输出光斑阵列的宽度。该耦合光纤可以提高耦合光纤的有效耦合面积利用率。
实施例4
实施例4提供一种包层与纤芯横截面都为矩形的边发射半导体激光耦合光纤，光纤结构如图6所示。本实施例与实施例1不同之处在于，本实施例的包层横截面也是矩形，且矩形的长宽比与纤芯一致。
实施例5
实施例5提供一种包层与纤芯横截面都为正方形的边发射半导体激光耦合光纤，光纤结构如图7所示。本实施例与实施例2不同之处在于本实施例的包层横截面是正方形。
实施例6
实施例6提供一种包层与纤芯横截面都为椭圆形的边发射半导体激光耦合光纤，光纤结构如图8所示。本实施例与实施例3不同之处在于本实施例的包层横截面也是椭圆形。
实施例7
实施例7提供了一种非圆形纤芯的边发射半导体激光耦合光纤。其与前面的实施例1、2、3不同之处在于，该耦合光纤的输入与输出端横截面形状不一样，其输入端为圆形，输出端为正方形、矩形或者椭圆形，如图9所示。输入端为圆形是方便边发射半导体激光器输出的激光耦合到光纤中，输出端为其它形状是为了提高输出光纤的功率密度，且输入端的纤芯直径为输出端横截面形状的等效外接圆直径。
实施例8
实施例8提供了一种非圆形的边发射半导体激光耦合光纤，光纤结构如图10所示。其与前面的实施例4、5、6不同之处在于，该实施例光纤的输入端和输出端尺寸不一致，从输入端到输出端，光纤横截面尺寸逐渐缩小并最终不变。该实施例的优势在于边发射半导体激光器输出的光斑不需要聚焦即可耦合到输出光纤中，激光随着光纤的传播，光斑逐渐缩小。
本说明书中各个实施例的重点说明都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间的相同部分互相参见即可。说明书中应用了具体个例对本发明原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想：同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (8)
1.一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，包括：高折射率纤芯、低折射率包层、高分子涂覆层；
所述的高折射率包层包覆于所述纤芯的外表面；
所述的涂覆层包覆于所述包层的外表面；
所述的纤芯横截面为非圆形；
输出光纤的输入与输出端的包层横截面几何形状不一致；所述光纤的纤芯横截面形状沿光纤轴向不一致；光纤的轴向尺寸不一致，光纤输入端的尺寸与半导体激光器的输出光斑尺寸一致，输出端尺寸逐渐缩小。
2.根据权利要求1所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，所述纤芯横截面的几何形状与半导体激光输出光斑形状相匹配，即四边形或椭圆形与输出光斑等效几何形状一致的图形。
3.根据权利要求2所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，所述纤芯横截面的四边形长度大于边发射半导体激光器输出光斑的长轴，四变形宽度大于边发射半导体激光器输出光斑阵列的宽度。
4.根据权利要求1所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，输出光纤的输入与输出端的包层横截面几何形状相同。
5.根据权利要求4所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，所述光纤的输入和输出端的包层横截面几何形状都是圆形、四边形或椭圆形。
6.根据权利要求1所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，所述光纤的输入和输出端的包层横截面几何形状为圆形，输出端为非圆形。
7.根据权利要求1所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，输入端纤芯横截面为圆形，输出端为与边发射半导体激光输出光斑形状相匹配的图形：方形或椭圆形。
8.根据权利要求1所述的一种特定结构的边发射半导体激光耦合光纤，其特征在于，所述光纤的输入端纤芯的横截面形状为圆形，其半径为输出端纤芯截面形状的等效外接圆半径，输出端纤芯横截面为非圆形。
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