CN1145051C - 宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器 - Google Patents
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Abstract
一种宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，主要包括在激光二极管发光面前同光轴地置有由相互正交置放的前后两非球面柱面透镜集成一体构成的准直模块，渐变折射率的自聚焦透镜和光纤耦合输入头。激光二极管发射的快轴方向激光束经准直模块中前非球面柱面透镜准直消除象差，发射的慢轴方向的激光束经准直模块中后非球面柱面透镜成象准直，缩小其束散和源大小。由准直模块输出的激光束再经过自聚焦透镜输出近对称聚焦其模场光斑大小和发散度均与单模光纤相匹配的激光束入射于光纤耦合输入头。本发明与在先技术相比，具有较高的耦合效率，总耦合效率高达70%。耦合器结构紧凑合理，操作方便，易于产业化。
Description
技术领域：
本发明是一种宽面发射的激光二极管(LD)与单模光纤的耦合器，特别是涉及宽发光面(50～500μm)高功率(连续输出1～8瓦)的多模激光二极管(LD)与单模光纤的耦合。
背景技术：
二极管激光器(以下简称LD)的许多重要应用，例如切割、焊接、医用(聚焦方式)；材料处理、激光投影、显示、印刷、光刻(成象方式)都要求高功率高亮度以及近乎平行低束散、无象差、强度分布均匀、束形对称的高质量光束，并且波长通常在λ≤980nm范围。为开发这些应用，以单模光纤的输出光束作为后光学系统的准直或成像、聚焦的光学输入端是一种很好的解决途径。由于商用近衍射极限的单模LD的光输出功率过低，仅限于约200mw，而另一种宽发射面(50～500μm)的高功率LD的光输出功率高达1-8瓦，特别适用于这种应用。比如，一根芯径9μm，数字孔径NA＝0.11的单模光纤与780nm波长的宽面发射LD的耦合输出1瓦的光功率，就能实现平均光功率密度为13MW/cm2。其光功率密度就比一个典型的高功率掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)激光器用φ芯＝600μm，NA＝0.2的光纤耦合输出3KW的平均光功率密度1.1MW/cm2要高出10倍多。此外，人们还在企求用特殊光学系统对很多根单模光纤与宽面LD耦合的尾纤输出束进行非相干或相干迭加来达到不降低功率密度情况下，大幅度提高输出功率。因此，宽面高功率LD与单模光纤的高效耦合就成了极具应用的前景。
通常宽发光面LD与单模光纤的耦合，突出的技术问题是耦合效率低。这是因为：(1)这种LD的激光束快轴(横向)高度束散(近90°全角)，而慢轴(侧向)束散仅约10°，其高度椭圆的模场与单模光纤的圆形对称模场失配；(2)LD的侧向发光面很宽(50-500μm)，其模径与单模光纤的模径小于φ10μm严重失配；(3)由于LD的高度椭圆的束斑，快轴束波面严重弯曲，而慢轴接近平面束波面，束波相面的不对称弯曲与单模光纤的平面束波面失配；(4)LD快轴高束散与单模光纤的小数字孔径(NA＝0.11)失配。在先技术[1](参见：JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY.Vol.8，No.9，September 1990.P1313～1318)采用楔形光纤端面，用做在单模光纤端面的适当半径的微柱面透镜，这种结构校正了相面失配，获得了对980nm波长30μm宽发光面LD与单模光纤的耦合，耦合效率达到46％。在先技术[2](参见：S.D.DeMars，etal，CLEO′97，CMA2.P1～2)，采用适当焦长数值孔径为NA＝0.5的微棒柱面透镜准直980nm波长，角度光栅300μm的宽面分布反馈激光器单模(LD其中轴近高斯单斑远场，而慢轴是0.2°束散的近平行光束)的激光束再用0.23节长(prtch)的渐变折射率透镜聚焦入射到单模光纤(φ芯＝7μm，NA＝0.11)，获得尾纤光功率为375mW，它与NA＝0.5的微棒柱面透镜准直后的激光束功率528mW光比为71‰，视微棒柱面透镜的准直透过率为85％，则其总耦合效率η≤60％。
发明内容：
本发明提供一种比在先技术更完备的技术方案：用二块正交非球面柱面透镜组成的集成一体的准直模块准直宽面发射LD的激光束，准直模块中前面的前非球面柱面透镜准直LD快轴激光束，并校正弯曲相面变成近平面相面，消除准直束的象差。后面的后非球面柱面透镜准直成象宽面发射LD的扩展源激光束，缩小束散和源尺寸。同时，前后两柱面透镜消除LD快轴和慢轴的象散，获得已消除象差和象散的近平行近对称的激光束，再用渐变折射率(GRIN)自聚焦透镜聚焦入射到单模光纤，完成高效耦合，总耦合效率将高达η＝70％。
本发明的宽面发射的激光二极管(LD)与单模光纤耦合器具体的结构包括带有管壳电极1的管座2，与管座2连接的有凸筒状的耦合主撑件3。在耦合主撑件3内的管座2上置有半导体致冷器4。在半导体致冷器4上置有连成一体的散热铜块5和热沉铜块17。在散热铜块5上置有热敏电阻16和光监控器6。在热沉铜块17上置有中心位于管座2和耦合主撑件3中心轴线上的激光二极管7。在耦合主撑件3的凸端处有法兰盘19与单模光纤的输入连接头13衔接。单模光纤输入连接头13伸出的陶瓷芯12插入法兰盘19的内衬准直芯套11内。陶瓷芯12与耦合主撑件3同中心轴线。在耦合主撑件3凸端处的内孔内，对着激光二极管7的发光面，置有中心点在耦合主撑件3中心轴线上的准直模块8。在准直模块8与陶瓷芯12端面的光纤耦合输入头10之间置有自聚焦透镜9。在准直模块8输入端面与激光二极管7发光面之间置有耦合距离控制件18。上述的激光二极管7、准直模块8、自聚焦透镜9以及光纤耦合输入头10的光轴均为同一光轴。如图1所示。
所说的准直模块8是由相互正交置放的前非球面柱面透镜801和后非球面柱面透镜802集成一体构成。准直模块8的输入端面和输出端面均镀有对激光二极管7发射光波长的增透膜。如图2所示。准直模块8中对着激光二极管7发光面的一端，即是准直模块8的输入端为非球面柱面透镜801，准直模块8输出端为后非球面柱面透镜802。前非球面柱面透镜801的曲率半径r为0.04mm≤r≤0.1mm。后非球面柱面透镜802的曲率半径R为0.5mm≤R≤1.5mm。也就是说R＞r。
所说的自聚焦透镜9的折射率是渐变的。它的节长Pt为0.23＜Pt≤0.25。当自聚焦透镜9的节长Pt＞0.25时，耦合效率降低。当节长Pt＜0.23时，光束的焦斑大于φ10μm。自聚焦透镜9的输出端面即为单模光纤的输入端面。而且自聚焦透镜9输入端面和输出端面均镀有对激光二极管工作波长的增透膜。
所说的激光二极管7的发光面至准直模块8输入端面之间的耦合距离d控制在70μm≤d≤90μm。此耦合距离d由置于激光二极管7发光面与准直模块8输入端面之间的耦合距离控制件18来控制。
所说的光纤耦合输入头10的光纤输入端面的倾斜角α为6°＜α≤8°。
如上所述，本发明的宽面发射LD与单模光纤耦合器，如图1所示结构。在管壳电极1的管座2上面置有的半导体致冷器4，在半导体致冷器4的上面有两者成一体的散热铜块5和LD7的热沉铜块17。在散热铜块5上置有温度传感元件的热敏电阻16和漏光方式获取光电流的光监控器(PIN)6。在与管座2由螺丝15固定连接的耦合主撑件3对着LD7的发光面位置与LD7同光轴地置有一个由二块相互正交的非球面柱面透镜集成一体的准直模块8，在准直模块8与LD7发光面之间置有耦合距离控制件18。耦合主撑件3与标准单模光纤的输入连接头13及其标准连接法兰盘19的内衬准直芯套11内，与LD7及准直模块8同光轴地置有(GRIN)自聚焦透镜9、有标准的输入连接头的高精度陶瓷芯12，在陶瓷芯12内与自聚焦透镜9同光轴地置有单模光纤耦合输入头10，其后连接成缆单模光纤传输线14，传输线14的尾纤又为标准的输出连接头22伸出光纤输出端面21。
上面所说的管壳电极1的管座2，可以是标准TO-3型管壳座，也可以是具有更高散热容量的类同结构的其它管壳座，具体情况视高功率LD稳定可靠工作所需的散热功率的致冷器大小而定。
关于管座2、半导体致冷器4、散热铜块5和热沉铜块17的安装可以是集成一体的。半导体致冷器4用铅锡焊料平焊于管座2的上表面的中心位置，再把散热铜块5用铅锡焊料平贴焊于半导体致冷器4的上表面。在散热铜块5的中心位置划有“+”字线，再把LD7的热沉铜块17可以用螺丝定位固定，在散热铜块5上面使LD的发光面对准散热铜块5的“+”划线中心位置。于是便形成管座2、致冷器4、散热铜块5和热沉铜块17的集成安装，调定LD的光轴，并且其中心位置不会随时间和温度变化而移动，能保持耦合前LD输出光功率的稳定性。
关于管座2与耦合主撑件3的连接固定螺丝15，除了起连接固定作用外，还方便地具有LD7与准直模块8之间的准直校正定位作用，校正的标准是使LD7的激光输出束同光轴地落在准直模块8输入端面的中心位置。
关于耦合主撑件3，用于支撑中心定位准直模块8，并与LD7的激光束调整光轴一致；用于按标准加工螺口，连接固定标准单模光纤的输入连接头13及其标准连接法兰盘19。由于内孔中心精度高到1μm级的标准单模光纤输入连接头的陶瓷芯12和连接法兰盘19的内衬准直陶瓷芯套11都是高精度的标准件，这种连接固定结构和二个标准单模光纤连接头13、22用一个标准的法兰盘连接固定一样，能保证内含光学元件准直模块8，自聚焦透镜9和单模光纤耦合输入头10的同心度、光轴一致。
关于准直模块8，如图2所示结构。是由二个相互正交的前后非球面柱面透镜801和802所集成一体的，均对工作波长镀增透膜，前非球面柱面透镜801准直LD7的快轴(θ⊥)束散，它有最佳化的双曲面曲率，能消除LD激光束的快轴象差。后非球面柱面透镜802成象准直LD7的慢轴扩展源的束散，缩小慢轴的束散和源大小。用本发明的二个非球面柱面透镜前后正交集成一体的光学元件补偿了快轴和慢轴的准直束的象散。准直后的束斑大小为小于φ1mm，且接近对称，准直透过率高达90％。
关于渐变折射率的自聚焦透镜9，二端面均对工作波长镀增透膜，其焦斑大小与单模光纤模斑相匹配，且聚焦点落在贴近输出端面处。
关于光纤耦合输入头10，按标准工艺固定在输入连接头13的陶瓷芯12的内孔中，耦合输入端面研磨抛光成6°～8°倾角，以减少对来自LD7入射光的反射损耗，提高耦合效率。本发明对准直模块8准直后光束功率的耦合效率高达78％，对宽面发射的LD7发射激光束功率的总耦合效率高达70％。
本发明的有益效果是显著的。
本发明解决了在先技术[1][2]都不能解决宽面发射的LD与单模光纤高效耦合技术的难题。本发明中的LD7快轴(θ⊥)方向激光束经准直模块8前端的前非球面柱面透镜801的准直，已消除象差；LD7慢轴(θ∥)方向的激光束经准直模块8后端面的后非球面柱面透镜802的成象准直，缩小其束散和源大小。由于透镜801和802的组合补偿了快轴和慢轴光束的象散，使准直后的激光束具有快慢轴都接近平面波并同时获束腰，光斑大小均＜φ1mm，由准直模块8输出的激光束被高效率耦合入射到自聚焦透镜9。经自聚焦透镜9的径向抛物线形渐变折射率的自聚焦，输出近对称聚焦激光束，其焦点贴近自聚焦透镜的输出端面，其模场光斑大小和发散度均与单模光纤模场相匹配，单模光纤输出强度近均匀的圆对称其束散度为12.6°(全角)的高亮度平面激光束。所以本发明耦合器宽面发射LD与单模光纤的耦合效率比在先技术[1]的46％和在先技术[2]的60％提高到70％。此外，本发明的耦合器也适用于窄条高功率单模LD与单模光纤的耦合，所以本发明耦合器的应用潜力很大。
本发明耦合器的耦合结构紧凑合理，小型轻便，又都要用了标准单模光纤连接头13、22，连接法兰盘和标准成缆单模光纤传输，集成时耦合元件的同光轴度好、一致性好，耦合对准调整操作方便，牢靠结实，拆卸容易。所以，本发明耦合器具备易于产业化的优势。
本发明所说的准直模块8，采用二个非球面柱面透镜前后正交在一起，其间隔距离适于LD7快轴和慢轴的象散距离补偿匹配，消除了宽面发射LD的准直光的象散，这有利于提高与单模光纤的耦合效率。
本发明所说的准直模块8，采用双曲面最佳前非球面柱面透镜801准直宽面LD7的快轴(θ⊥)高度发散的激光束，使其严重弯曲的波面理想地校正成平面波，消除了象差。比通常的柱面透镜校正波面的效果好，这也提高了与单模光纤的耦合效率。
本发明所说准直模块8，采用后非球面柱面透镜802准直成象宽面发射LD7的慢轴低束散(～10°)扩展源(50～500μm)的激光束，缩小其束散和束斑大小，这对宽面发射LD7的有效准直耦合入射到单模光纤是不可缺的。
本发明所说的渐变折射率自聚焦透镜9，其节长Pt为0.23＜Pt≤0.25与在先技术相比，有聚焦点就在紧贴输出端面处的优点。光纤耦合输入头输入端，只要同光轴地紧贴自聚焦透镜的输出端面，就完成单模光纤与准直激光束的耦合对准。
本发明所说的光纤耦合输入头10的耦合输入端面研磨抛光成6°＜α≤8°倾角，同比在先技术的6°倾角，具有易加工的优点。
本发明的耦合器，内建半导体致冷器、热敏电阻和光监控器，具有致冷控温控功率的功能，能维持宽面高功率LD的稳定可靠工作。并且可根据宽面高功率LD的输出光功率和散热需要量方便地在管座2的下底面附加适当的散热片。
附图说明：
图1是本发明耦合器的整体结构示意图。
图2是本发明耦合器中准直模块8的结构示意图。
具体实施方式：
如图1、图2的结构，本发明的优选实施方式的单模光纤和宽面高功率LD7、准直模块8、自聚焦透镜9和耦合器的性能参数如下表所列。
| 例1 | 例2 | |
| 单模光纤特征 | 标准熔融硅突变折射率单模光纤；NA＝0.11，φ芯＝9μm，φ包层＝125μm，长度1.5m标准紧成缆φ＝3.0mm，为FC标准连接头作为输入和输出连接头13、22及连接法兰盘。光纤耦合输入头10的输入端面的倾斜角α＝8°经研磨抛光。 | |
| 高功率宽面LD特征 | 实施例1为1W连续输出的激光二极管7(LD)发光面为：100μm×1μm。光光束发射度θ⊥×θ∥＜80°×12°(FW 1/ez)波长λ＝800nm | 实施例2为2W连续输出的激光二极管7(LD)发光面为：200μm×1μm光束发散度θ⊥×θ∥＜80°×12°(FW 1/ez)波长λ＝800nm |
| 准直模块8参数 | 对上述LD的工作波长λ：800nm材料：熔融硅前非球面柱面透镜801焦长F/L＝0.13mm，r＝0.06mm后非球面柱面透镜802焦长F/L＝2.2mm，R＝1mm大小(L×W×J)：2mm×2mm×3mm输入端面和输出端面均对工作波长λ＝800nm镀增透膜准直透过率：T＝88％(实施例1)，T＝87％(实施例2) | |
| 自聚焦透镜特征 | 工作波长λ：780nm-830nm直径φ＝2mm长度L＝5mm 节长Pt＝0.25mm输入和输出两端面对工作波长λ＝800nm镀增透膜 | |
| 耦合器性能 | 对准直后光束功率耦合效率79％对宽面LD激光束耦合效率69.5％尾纤输出光功率PCW＝695mw束散角12.6°，光强不均匀度5％ | 对准直后光束功率耦合效率78％对宽面LD激光束耦合效率67.9％尾纤输出光功率PCW＝1.35W束散度12.6°，光强不均匀度～5％ |
Claims (5)
1.一种宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，包括带有管壳电极(1)的管座(2)，与管座(2)连接有凸筒状的耦合主撑件(3)，在耦合主撑件(3)内的管座(2)上置有半导体致冷器(4)，在半导体致冷器(4)上置有连成一体的散热铜块(5)和热沉铜块(17)，在散热铜块(5)上置有热敏电阻(16)和光监控器(6)，在热沉铜块(17)上置有中心位于管座(2)和耦合主撑件(3)中心轴线上的激光二极管(7)，在耦合主撑件(3)的凸端处有法兰盘(19)与单模光纤的输入连接头(13)衔接，输入连接头(13)伸出的陶瓷芯(12)插入法兰盘(19)的内衬准直芯套(11)内，陶瓷芯(12)与耦合主撑件(3)同中心轴线，其特征在于对着激光二极管(7)的发光面，在耦合主撑件(3)凸端处的内孔内，中心点在耦合主撑件(3)的中心轴线上置有准直模块(8)，在准直模块(8)与陶瓷芯(12)端面的光纤耦合输入头(10)之间置有自聚焦透镜(9)，在准直模块(8)与激光二极管(7)之间置有耦合距离控制件(18)，上述的激光二极管(7)、准直模块(8)、自聚焦透镜(9)以及光纤耦合输入头(10)的光轴均为同一光轴，所说的准直模块(8)是由相互正交置放的前非球面柱面透镜(801)和后非球面柱面透镜(802)集成一体构成的，输入端面和输出端面均镀有对工作波长的增透膜。
2.根据权利要求1所述的宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，其特征在于所说的准直模块(8)中相互正交集成一体的前非球面柱面透镜(801)的曲率半径r为0.04mm＜r＜0.1mm；后非球面柱面透镜(802)的曲率半径R为0.5mm＜R＜1.5mm。
3.根据权利要求1所述的宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，其特征在于所说的自聚焦透镜(9)的折射率是渐变的，它的节长Pt为0.23＜Pt≤0.25，输入和输出端面均镀有对工作波长的增透膜。
4.根据权利要求1所述的宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，其特征在于所说的光纤耦合输入头(10)的光纤输入端面的倾斜角α为6°＜α≤8°。
5.根据权利要求1所述的宽面发射的激光二极管与单模光纤耦合器，其特征在于所说的激光二极管(7)的发光面至准直模块(8)的输入端面之间的耦合距离d控制在70μm≤d≤90μm。
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