CN113959681B - 一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置及方法，包括沿激光光束方向依次设置的光纤准直器、第一楔形分束镜、第一光束终止器、中性密度滤光片、聚焦透镜、CCD相机；半导体激光器的光纤耦合输出接口与光纤准直器连接。本发明通过合理地设计耦合透镜组对入射激光进行成像，选取恰当光密度的中性密度滤光片组合对入射激光进行等比例衰减，并将CCD相机放置于光纤端面的像面处，最终能够实现对高功率光纤耦合半导体激光器的光纤输出端面光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光等参数进行检测。相比之下，本发明所涉及的装置及方法能够很好地适用于高功率光纤耦合半导体激光器的光斑检测，并且该装置结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置及方法。
背景技术
光纤耦合半导体激光器端面泵浦的全固态激光器具有体积小、转换效率高、寿命长、性能稳定以及光束质量好等诸多优点，已经被广泛地应用在激光打标、激光切割、激光空间远距通讯等各个领域。采用端面泵浦可以更好地实现高转换效率、高光束质量的基模激光输出。实现基模激光输出不仅要对增益介质的选取、腔型设计等诸多方面进行优化，还要考虑泵浦光的各个参数指标，例如，泵浦光的波长、光谱、纤芯直径、数值孔径、光斑分布等。端面泵浦过程是把半导体激光器光纤耦合输出的泵浦光经准直和聚焦后，以一定比例成像于增益介质内部，因此，为保证高效率和高光束质量激光的输出，需要满足泵浦光和激光的模式匹配，包括尺寸匹配和分布匹配两方面。因此对应用于端面泵浦的半导体激光器光纤耦合输出光斑进行检测是十分必要的。
随着工业和科研应用对端面泵浦用光纤耦合半导体激光器要求的不断提高，市场对半导体激光器相关参数的检测要求也越来越高。
针对半导体激光器光纤耦合输出光斑参数检测，多数检测方案利用CCD相机直接对半导体激光器的输出激光进行采集。参见中国专利文献CN210198679U。该方法的局限性在于，一方面，对半导体激光器发出的激光进行光斑采集时，无法直接检测到光纤端面的输出光斑情况，近场的激光可以看作是由光纤端面上无数点光源发出的发散球面波在空间传输过程中的相互叠加，起到空间匀滑效果，因此CCD相机所采集到的光斑并不能真实地反映光纤端面输出光斑的均匀性；另一方面，受限于半导体激光器光纤耦合输出的激光具有较大的发散角，并且CCD相机采集光斑大小范围有限，CCD相机必须靠近光纤输出端放置，纤芯光和包层光虽然发散角有差异，但因传输距离短，无法在空间有效分离，因此该方法无法有效地分辨出光纤纤芯光和包层光。
发明内容
本发明的目的就是满足上述应用中的需求，并为此提供一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置及方法。
本发明通过合理地设计耦合透镜组对入射激光进行成像，选取恰当光密度的中性密度滤光片组合对入射激光进行等比例衰减，并将CCD相机放置于光纤端面的像面处，最终能够实现对高功率光纤耦合半导体激光器的光纤输出端面光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光等参数进行检测。相比之下，本发明所涉及的装置及方法能够很好地适用于高功率光纤耦合半导体激光器的光斑检测，并且该装置具有结构简单的特点。
本发明的技术方案为：
一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，包括沿激光光束方向依次设置的光纤准直器、第一楔形分束镜、第一光束终止器、中性密度滤光片、聚焦透镜、CCD相机；半导体激光器的光纤耦合输出接口与光纤准直器连接；
所述光纤准直器对发出的激光进行准直，所述第一楔形分束镜将准直后的激光进行分束、光强衰减，所述中性密度滤光片对入射激光的光强进行等比例衰减，所述聚焦透镜将等比例衰减后的激光进行聚焦，所述CCD相机对聚焦后光路上光纤端面像面处的激光光斑进行实时采集并通过上位机软件进行分析。
根据本发明优选的，半导体激光器的光纤耦合输出接口为SMA-905接头。
根据本发明优选的，所述光纤准直器的镜筒内部装配有透镜组，对半导体激光器光纤耦合输出的激光进行准直。
根据本发明优选的，所述透镜组的镜片均镀有半导体激光器相应输出波长的高透膜层。
根据本发明优选的，所述第一楔形分束镜前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到所述第一光束终止器中。
根据本发明优选的，所述第一楔形分束镜后沿反射激光光束方向设置有第二楔形分束镜、第二光束终止器，用于对大功率半导体激光器光纤耦合输出光斑的检测。
根据本发明优选的，所述第二楔形分束镜前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到所述第二光束终止器中。
根据本发明优选的，所述第一楔形分束镜及所述第二楔形分束镜的材质均为未镀膜紫外熔融石英或K9玻璃。
根据本发明优选的，所述中性密度滤光片选取不同的光密度组合，对入射光进行等比例衰减。
根据本发明优选的，所述中性密度滤光片采用吸收型中性密度滤光片；所述中性密度滤光片能够自由插入组合和拆卸。
一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，通过上述光斑检测装置实现，具体实现过程包括：
(1)光纤输出的发散激光通过光纤准直器进行准直后入射到第一楔形分束镜，透射光注入到第一光束终止器中，反射光经衰减后进入测量端；
(2)测量端，采用中性密度滤光片对反射激光进行等比例衰减，再利用聚焦透镜对激光进行聚焦，输出的激光经放置于光纤端面成像处的CCD相机对光斑进行实时采集并通过上位机进行分析；
通过合理地选取聚焦透镜的焦距、中性密度滤光片的光密度以及CCD相机的位置能够得到光纤端面的清晰成像图像，即可实现对半导体激光器光纤耦合输出光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光参数的检测，其中，光斑的形状、大小通过上位机直接获得，光斑的均匀性、对称性以及包层是否漏光通过对上位机获得的光纤端面的清晰成像图像进行观察比对来判断。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、本发明提出的端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置及方法，具有合理地成像系统及光强衰减部分，更具有普适性。
2、本发明提出的光斑检测方法简单、可靠、易操作，并且可以精确直观地对光纤端面的光斑进行成像。
3、本发明所用到的各光学元件均为市面上已有的常用光学元件，易于获得。
附图说明
图1为一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置装配图一；
图2为一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置装配图二；
图3为实施例1半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图；
图4为实施例1半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图；
图5为实施例2半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图；
图6为实施例2半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图；
图7为实施例3半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图；
图8为实施例3半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图；
图9为实施例4半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图；
图10为实施例4半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图；
图11为实施例5半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图；
图12为实施例5半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图。
1、SMA-905接头，2、光纤准直器，3、第一楔形分束镜，4、第一光束终止器，5、中性密度滤光片，6、聚焦透镜，7、CCD相机，8、第二楔形分束镜，9、第二光束终止器。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更容易被清楚理解，以下结合附图以及实施例对本发明的技术方案作以详细描述。
实施例1
一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，如图1所示，包括沿激光光束方向依次设置的光纤准直器2、第一楔形分束镜3、第一光束终止器4、中性密度滤光片5、聚焦透镜6、CCD相机7；半导体激光器的光纤耦合输出接口与光纤准直器2连接；
光纤准直器2对发出的激光进行准直，第一楔形分束镜3将准直后的激光进行分束、光强衰减，中性密度滤光片5对入射激光的光强进行等比例衰减，聚焦透镜6将等比例衰减后的激光进行聚焦，CCD相机7对聚焦后光路上光纤端面像面处的激光光斑进行实时采集并通过上位机软件进行分析。
半导体激光器的光纤耦合输出接口为SMA-905接头1。
半导体激光器光纤耦合输出的功率为30W，中心波长为880nm。
光纤准直器2的镜筒内部装配有透镜组，对半导体激光器光纤耦合输出的激光进行准直。
透镜组的镜片均镀有半导体激光器相应输出波长的高透膜层。透镜组的镜片包括第一镜片和第二镜片，第一镜片为平凸透镜，焦距为20mm，镀有880nm高透膜层。第二镜片为平凸透镜，焦距为40mm，镀有880nm高透膜层。
第一楔形分束镜3前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到第一光束终止器4中。
第一楔形分束镜3的材质为未镀膜紫外熔融石英。
中性密度滤光片5采用待检测波段适用的中性密度滤光片5。中性密度滤光片5选取不同的光密度组合，对入射光进行等比例衰减。中性密度滤光片5适用于880nm波段。
中性密度滤光片5采用吸收型中性密度滤光片5；采用三片光密度为0.2的中性密度滤光片5和一片光密度为0.5的中性密度滤光片5。中性密度滤光片5能够自由插入组合和拆卸。
光纤端面成像的像面光斑示意图，参见图3，光斑具有锐利的边缘部分，通过观察该像面的内部均匀性以及边缘的锐利性来判断半导体激光器光纤耦合输出光斑的优劣程度并能够测量光斑尺寸。
聚焦透镜6的焦距为60mm。
通过本实施例的光斑检测装置对某型号的半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图参见图3，光纤耦合输出光斑具有较锐利的边缘部分，光斑边缘锐利，光斑内部分布均匀，光斑对称性良好，包层光不存在泄露现象。
通过本实施例的光斑检测装置对某型号的半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图参见图4，光纤耦合输出光斑不具有较锐利的边缘部分。光斑边缘不锐利，光斑呈高斯分布。
实施例2
根据实施例1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，其区别在于：
通过实施例1的光斑检测装置对不同批次的某型号半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图参见图5，光纤耦合输出光斑分布明显不均匀。
通过实施例1的光斑检测装置对不同批次的某型号半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图参见图6，光纤耦合输出光斑分布明显呈瑞利分布。
实施例3
根据实施例1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，其区别在于：
半导体激光器光纤耦合输出的功率为30W，中心波长为808nm。
第一镜片为平凸透镜，焦距为20mm，镀有808nm高透膜层。第二镜片为平凸透镜，焦距为40mm，镀有808nm高透膜层。
中性密度滤光片5适用于808nm波段。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图如图7所示；光纤耦合输出光斑中间部分具有明显的凹陷。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图如图8所示；光纤耦合输出光斑分布明显呈瑞利分布。
实施例4
根据实施例2所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，其区别在于：
半导体激光器光纤耦合输出的功率为30W，中心波长为808nm。
第一镜片为平凸透镜，焦距为20mm，镀有808nm高透膜层。第二镜片为平凸透镜，焦距为40mm，镀有808nm高透膜层。
中性密度滤光片5适用于808nm波段。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图如图9所示；光纤耦合输出光斑分布明显不对称。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图如图10所示；光纤耦合输出光斑分布明显呈瑞利分布。
实施例5
根据实施例1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测装置，其区别在于：
如图2所示，第一楔形分束镜3后沿反射激光光束方向设置有第二楔形分束镜8、第二光束终止器9，用于对大功率半导体激光器光纤耦合输出光斑的检测。第二楔形分束镜8将激光再次进行分束、光强衰减。
第二楔形分束镜8前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到第二光束终止器9中。
第二楔形分束镜8的材质为未镀膜紫外熔融石英。
本实施例中的实施方案更适用于大功率半导体激光器光纤耦合输出光斑的检测。
半导体激光器光纤耦合输出的功率为120W，中心波长为880nm。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出端面成像的像面光斑示意图如图11所示；光纤耦合输出光斑存在包层漏光现象。
本实施例半导体激光器光纤耦合输出非端面成像的像面光斑示意图如图12所示。光纤耦合输出光斑分布明显呈瑞利分布。
本发明通过合理地选取聚焦透镜6的焦距、中性密度滤光片5的光密度以及CCD相机7的位置能够得到光纤端面的清晰成像图像，即可实现对半导体激光器光纤耦合输出光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光等参数的检测。
实施例6
一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，通过实施例1-5任一光斑检测装置实现，具体实现过程包括：
(1)光纤输出的发散激光通过光纤准直器2进行准直后入射到第一楔形分束镜3，透射光注入到第一光束终止器4中，反射光经衰减后进入测量端；
(2)测量端，采用中性密度滤光片5对反射激光进行等比例衰减，再利用聚焦透镜6对激光进行聚焦，输出的激光经放置于光纤端面成像处的CCD相机7对光斑进行实时采集并通过上位机进行分析；
通过合理地选取聚焦透镜6的焦距、中性密度滤光片5的光密度以及CCD相机7的位置能够得到光纤端面的清晰成像图像，即可实现对半导体激光器光纤耦合输出光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光参数的检测，其中，光斑的形状、大小通过上位机直接获得，光斑的均匀性、对称性以及包层是否漏光通过对上位机获得的光纤端面的清晰成像图像进行观察比对来判断。
以上所述实施例仅为本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用光斑检测装置的端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述光斑检测装置包括沿激光光束方向依次设置的光纤准直器、第一楔形分束镜、第一光束终止器、中性密度滤光片、聚焦透镜、CCD相机；半导体激光器的光纤耦合输出接口与光纤准直器连接；
所述光纤准直器对发出的激光进行准直，所述第一楔形分束镜将准直后的激光进行分束、光强衰减，所述中性密度滤光片对入射激光的光强进行等比例衰减，所述聚焦透镜将等比例衰减后的激光进行聚焦，所述CCD相机对聚焦后光路上光纤端面像面处的激光光斑进行实时采集并进行分析；
所述第一楔形分束镜前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到所述第一光束终止器中；具体实现过程包括：
（1）光纤输出的发散激光通过光纤准直器进行准直后入射到第一楔形分束镜，透射光注入到第一光束终止器中，反射光经衰减后进入测量端；
（2）测量端，采用中性密度滤光片对反射激光进行等比例衰减，再利用聚焦透镜对激光进行聚焦，输出的激光经放置于光纤端面成像处的CCD相机对光斑进行实时采集并通过上位机进行分析；
通过合理地选取聚焦透镜的焦距、中性密度滤光片的光密度以及CCD相机的位置得到光纤端面的清晰成像图像，即实现对半导体激光器光纤耦合输出光斑的形状、大小、均匀性、对称性以及包层是否漏光参数的检测，其中，光斑的形状、大小通过上位机直接获得，光斑的均匀性、对称性以及包层是否漏光通过对上位机获得的光纤端面的清晰成像图像进行观察比对来判断。
2.根据权利要求1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，半导体激光器的光纤耦合输出接口为SMA-905接头。
3.根据权利要求1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述光纤准直器的镜筒内部装配有透镜组，对半导体激光器光纤耦合输出的激光进行准直；
所述透镜组的镜片均镀有半导体激光器相应输出波长的高透膜层。
4.根据权利要求1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述第一楔形分束镜后沿反射激光光束方向设置有第二楔形分束镜、第二光束终止器，用于对大功率半导体激光器光纤耦合输出光斑的检测。
5.根据权利要求4所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述第二楔形分束镜前表面与准直光束呈入射角45°放置，透射光注入到所述第二光束终止器中。
6.根据权利要求4所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述第一楔形分束镜及所述第二楔形分束镜的材质均为未镀膜紫外熔融石英或K9玻璃。
7.根据权利要求1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述中性密度滤光片选取不同的光密度组合，对入射光进行等比例衰减。
8.根据权利要求1所述的一种端面泵浦用半导体激光器光纤耦合输出光斑检测方法，其特征在于，所述中性密度滤光片采用吸收型中性密度滤光片，所述中性密度滤光片能够自由插入组合和拆卸。
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