CN114400498A - 一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，位于该激光器件内部的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态，从而使所述光纤形成一定弧度的弯曲，这种状态下的光纤可以改变激光在其内部的全反射路径，使得光斑输出时均匀度更好。针对现有的光纤合束输出激光器存在的输出光斑均匀度较差，光斑存在暗心的问题，本发明提出的半导体激光器通过改变激光在光纤内的全反射路径，不仅有效提高了光斑的输出均匀度，而且避免了输出功率损耗的问题。

Description

一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器及其制备方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器及其制备方法。

背景技术

本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

目前，大功率的LD在红外照明、激光测距、泵浦技术、材料生产加工、高能武器等方面都有所应用，且在经济发展、国家安防等方面做出了突出贡献。光纤合束输出激光器就是把多个光纤输出LD小单元捆绑，通过一根光纤实现叠加输出，在单管光束高质量的基础上提高了功率的输出。

然而，多个模块捆绑输出时存在输出光斑均匀度较差，光斑存在暗心等方面的问题。一些技术采用对光纤进行盘绕的方式解决上述问题，如申请号为201920843714.7的专利文献公开的光纤激光器及其系统，其通过将光纤盘绕于绕纤主体，实现滤除光纤中的高阶模，使光纤输出器件输出高质量、能量均匀的光斑。然而，本发明人发现采用光纤盘绕的方式一能够使光斑均匀度有所改善，但存在输出功率的损耗明显增大的问题。

发明内容

针对现有的光纤合束输出激光器存在的输出光斑均匀度较差，光斑存在暗心的问题，本发明提供了一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器及其制备方法，其通过改变激光在光纤内的全反射路径，不仅有效提高了光斑的输出均匀度，而且避免了输出功率损耗的问题。为实现上述目的，本发明公开如下所示的技术方案。

在本发明的第一方面，公开一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，位于该激光器件内部的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态，从而使所述光纤形成一定弧度的弯曲，这种状态下的光纤可以改变激光在其内部的全反射路径，使得光斑输出时均匀度更好。

进一步地，所述光纤在热固化胶的固定作用下保持固定的弯曲状态。

进一步地，所述光纤具有至少4mm长度的弯曲量，所述弯曲量是指该光纤在弯曲和伸直状态下的长度差值。

进一步地，所述激光器件包括：保护管、卡环、止动环、内框套、外框套、弹性部件、插芯和光纤。其中：所述保护管、卡环、止动环依次连接。所述内框套套接在止动环的另一端，所述外框套套接在止动环和内框套的外部。所述弹性部件套在插芯的第一端，该第一端通过所述内框套后插接在止动环中。所述光纤的一端依次贯穿保护管、卡环、止动环、插芯后从插芯的第二端延伸至外部，且位于上述各部件中的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态。

进一步地，所述保护管包括PVC管、铠甲保护管等中的任意一种。

进一步地，所述弹性部件包括金属弹簧、塑料弹簧等中的任意一种。

在本发明的第二方面，公开一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)将需要伸出保护管的光纤部分剥除涂敷层，清洁该光纤表面。

(2)按照上述连接关系将保护管、卡环、止动环、外框套连接，并使所述光纤依次穿过上述各部件，其中：将所述弹性部件套在插芯的第一端，并在插芯中灌满热固化胶，然后将该插芯的第一端插接在止动环中，并使所述光纤穿过插芯中的热固化胶，最后将所述内框套套在插芯上并与所述止动环连接。

(3)从所述保护管外部将光纤向内推回使光纤呈弯曲状态，最后将各部件用热固化胶固定，即得。

进一步地，步骤(3)中，光纤的整体长度比所述保护管的长度长4～5cm。

进一步地，步骤(3)中，向所述保护管的端口处施加热固化胶使光纤与保护管固定连接，以更好地保持光纤的弯曲状态，防止其减小甚至恢复。

进一步地，步骤(3)中，将施加了所述热固化胶的激光器在80±5℃下烘烤1～1.5h，以使所述热固化胶固化。

进一步地，所述固化完成后，还包括对所述光纤的端面进行研磨、镜检的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

正如前文所述，虽然光纤合束输出激光器提高了功率的输出，但通常在限定了输出光纤长度情况下，由于光纤合束时需要法兰对接两段光纤，而其本身存在一定误差会导致部分输出的光斑存在暗心及明显不均匀的情况；而采用盘绕光纤的方式仍然无法克服上述问题。为此，本发明通过调整光纤在保护管内的弯曲受力情况，改变激光在光纤内的全反射路径，使激光在光纤中更充分地进行反射而使得输出光斑均匀性得到改善，从而不用受限于光纤的长度及外部弯曲程度的影响。同时，这种方法有效避免了采用光纤盘绕的方式导致激光功率损耗较大的问题。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为实施例中可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的结构示意图。

图2为实施例中可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的装配图。

图3为实施例中卡环的结构示意图。

图4为实施例中止动环的结构示意图。

图5为实施例中内框套的结构示意图。

图6为实施例中外框套的结构示意图。

图7为实施例中插芯的结构示意图。

图8为实施例中940nm波段时改进前后的激光器的输出光斑的对比效果图，其中：A图为改进前，B图为改进后。

图9为另一实施例中785nm波段时改进前后的激光器的输出光斑的对比效果图，其中：A图为改进前，B图为改进后。

图中数字标记分别代表如下部件：1-保护管、2-铝卡环、3-止动环、4-内框套、5-外框套、6-弹性部件、7-FC非标陶瓷插芯、8-石英光纤。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅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设备或元件需要具有特定的方位，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。

正如前文所述，现有的半导体激光器耦合器存在光纤尾纤容易受到误碰而损坏以及受到不可避免的杂散光造成光纤或装配光纤的插芯烧毁的问题。为此，本发明提出一种半导体激光器耦合器及其制作方法；现结合说明书附图和具体实施例对所述半导体激光器耦合器进行详细说明。

参考图1，示例一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特点在于位于该激光器件内部的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态。该激光器的目的在于通过使所述光纤在激光器内形成一定弧度的弯曲，改变激光在光纤内部的全反射路径，使得光斑输出时均匀度更好，克服现有的光纤合束输出激光器存在的输出光斑均匀度较差，光斑存在暗心的问题的同时，避免激光功率的损耗。

在进一步的实施方式中，所述光纤具有至少4mm长度的弯曲量，如4mm、4.5mm、5mm、5.5mm、6mm等，具体可根据需要选择。所述弯曲量是指该光纤在弯曲和伸直状态下的长度差值，即将所述光纤向激光器内部推回设定弯曲量的长度。

在一个更为具体的实施方式中，参考图1至图7，所述激光器件由市售的标准FC散件组成，其主要包括：保护管1、铝卡环2、止动环3、内框套4、外框套5、弹性部件6、FC非标陶瓷插芯7和石英光纤8。其中：

所述保护管1、铝卡环2、止动环3从左向右依次连接。所述内框套4套接在止动环3的右端，所述外框套5套接在止动环3的外壁上，且所述内框套4的作部分位于所述外框套5的右端口中。所述保护管可以采用PVC管、铠甲保护管或者其他任意适合材质的管体，其主要作用是保护所述石英光纤8。

所述弹性部件6套在FC非标陶瓷插芯7的左端，该端通过所述内框套4后插接在止动环3中。所述弹性部件6可以采用金属弹簧、塑料弹簧等。

所述石英光纤8的右端依次贯穿保护管1、铝卡环2、止动环3、FC非标陶瓷插芯7后从FC非标陶瓷插芯7的右端延伸至外部，且位于上述各部件中的石英光纤8在弯曲应力作用下处于弯曲状态。通过调整所述石英光纤8在保护管1内的弯曲受力情况，改变激光在石英光纤8内的全反射路径，使激光在石英光纤8中更充分地进行反射而使得输出光斑均匀性得到改善，从而不用受限于石英光纤8的长度及外部弯曲程度的影响。同时，这种方法有效避免了采用光纤盘绕的方式导致激光功率损耗较大的问题。

在另一实施方式中，示例上述实施例的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，包括如下步骤：

(1)截取规定长度的保护管1，再截取多出该保护管5cm的石英光纤8，准备一套FC组件及热固化胶，备用。

(2)将所述石英光纤8的一端先处理成需要的输出形式(如插芯/FC输出/SMA输出等)，待经过后部步骤完成激光器的整体固化后开始处理石英光纤8的另一端为FC输出。

(3)将所述石英光纤8的另一端需要伸出保护管1的部分表面的涂敷层剥除，使用无水乙醇擦拭干净。

(4)将所述止动环3及铝卡环2使用压接钳固定在一起，再将其穿到光纤保护管1的右端，使用压接钳固定，从而使所述保护管1、卡环2、止动环3依次连接，将所述石英光纤8从出保护管1的左端穿入，从止动环3的右端穿出。

(5)将所述外框套5套在止动环3上，将所述弹性部件6套在非标陶瓷插芯7的左端，并在所述非标陶瓷插芯7的内腔中灌满热固化胶。然后将该非标陶瓷插芯7从所述石英光纤8的右端套入，使石英光纤8从非标陶瓷插芯7中的热固化胶中穿过，同时非标陶瓷插芯7中的左端插接在止动环3的右端口中，将所述内框套4拧到止动环3右端，并使内框套4套在非标陶瓷插芯7上。

(6)从保护管1的左端将石英光纤8向保护管1内推回5mm，使石英光纤8在保护管1内部形成弯曲，同时各组件会卡住光纤使其不会回弹。再在FC非标陶瓷插芯7的光纤露出部位、铝卡环2与保护管连1的接处点1滴热固化胶，最后将组装完成的激光器放置在光纤固化炉上，于80±5℃烘烤1h使热固化胶固化。

(7)固化完成后将连接头研磨、镜检，即得半导体激光器。

将上述制备的半导体激光器分别在940nm波段、785nm波段测试输出光斑的均匀性，结果分别如图8、图9所示。其中，A图为改进前，即未将所述石英光纤8向保护管1内推回，石英光纤8在激光器中为伸直的状态。B图为改进后，即石英光纤8在激光器中为弯曲的状态。从图8和图9的测试结果可以看出，改进前的输出光斑存在较明显暗心。而改进后的输出光斑均匀性得到明显改善，暗心消失；同时激光器的输出功率未出现衰减损耗的现象。

最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，位于该激光器件内部的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态。

2.根据权利要求1所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，所述光纤在热固化胶的固定作用下保持固定的弯曲状态。

3.根据权利要求1或2所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，所述光纤具有至少4mm长度的弯曲量，所述弯曲量是指该光纤在弯曲和伸直状态下的长度差值。

4.根据权利要求1所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，所述激光器件包括：保护管、卡环、止动环、内框套、外框套、弹性部件、插芯和光纤；其中：所述保护管、卡环、止动环依次连接；所述内框套套接在止动环的另一端，所述外框套套接在止动环和内框套的外部；所述弹性部件套在插芯的第一端，该第一端通过所述内框套后插接在止动环中；所述光纤的一端依次贯穿保护管、卡环、止动环、插芯后从插芯的第二端延伸至外部，且位于上述各部件中的光纤在弯曲应力作用下处于弯曲状态。

5.根据权利要求4所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，所述保护管包括PVC管、铠甲保护管中的任意一种。

6.根据权利要求4所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器，其特征在于，所述弹性部件包括金属弹簧、塑料弹簧中的任意一种。

7.一种可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将需要伸出保护管的光纤部分剥除涂敷层，清洁该光纤表面；

(2)将权利要求4-6任一项所述的保护管、卡环、止动环、外框套连接，并使所述光纤依次穿过上述各部件，其中：将所述弹性部件套在插芯的第一端，并在插芯中灌满热固化胶，然后将该插芯的第一端插接在止动环中，并使所述光纤穿过插芯中的热固化胶，最后将所述内框套套在插芯上并与所述止动环连接；

(3)从所述保护管外部将光纤向内推回使光纤呈弯曲状态，最后将各部件用热固化胶固定，即得。

8.根据权利要求7所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，光纤的整体长度比所述保护管的长度长4～5cm。

9.根据权利要求7所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，向所述保护管的端口处施加热固化胶使光纤与保护管固定连接。

10.根据权利要求7-9任一项所述的可提高输出光斑均匀度的半导体激光器的制备方法，其特征在于，步骤(3)中，将施加了所述热固化胶的激光器在80±5℃下烘烤1～1.5h；优选地，所述固化完成后，还包括对所述光纤的端面进行研磨、镜检的步骤。

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