CN117526078A - 半导体激光器模组及半导体激光泵浦源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体激光器技术领域，提供一种半导体激光器模组及半导体激光泵浦源，该半导体激光器模组包括：设置于底板上的转向压缩组件、合束器件和多个准直光路组，转向压缩组件包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜和若干反射器件。该半导体激光器模组在转向压缩组件引入竖直方向截面非对称的斜方棱镜，通过反射原理使堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，得到平行于底板平面的第一位移光束，在后续耦合测试时对斜方棱镜的倾斜角度要求较低，降低后续耦合调试的装调操作难度。通过斜方棱镜与反射器件的结合，产生不在同一水平高度上的两类位移光束，降低准直光路组的数量的扩展难度，提高半导体激光泵浦源的功率潜能。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器模组及半导体激光泵浦源。
背景技术
目前，现有的单管半导体激光器大多使用阶梯结构，即芯片高低错落的放置，芯片中心并不处于同一高度。为此，其壳体具有等间距的台阶、且每个台阶上装配一个激光二极管芯片的结构特点。此类结构在装贴芯片的需要严格地加工台阶间隔与平行度，因此加工成本高。
而且，一方面，由于台阶存在高度差，所以芯片会产生散热不均的问题，进而影响到芯片的出光情况；另一方面，由于台阶存在不可避免的机械加工公差，光学元件的装调也会因此受到影响。同时，为满足当下工业半导体功率增加的需求，种子源的单管芯片数量也会增加，这将使台阶的间隔减小并进一步加剧壳体本就存在的散热问题。
针对此类问题，一些现有技术采用使用偏斜光路使光束在空间上分离，并在合束后再对光路方向进行纠正等方法来降低台阶的应用频率。
在大多数方案中，通常采用多个反射镜等光学偏折元件倾斜来纠正合束后的光路方向，该方法在耦合调试时对反射镜的倾斜角度要求很高，而且装调操作难度较大，通常需要两个及以上的光学偏折元件同时倾斜放置，才能实现调整光路的目的。
发明内容
本发明提供一种半导体激光器模组及半导体激光泵浦源，用以解决现有技术中存在的缺陷。
本发明提供一种半导体激光器模组，包括：设置于底板平面上的转向压缩组件、合束器件和多个准直光路组，所述转向压缩组件包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜和若干反射器件；每个准直光路组均用于输出准直且与所述底板平面存在预设夹角的堆叠泵浦光束；
所述斜方棱镜设置于目标准直光路组的输出光路上，用于使所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移并与所述底板平面平行，得到第一位移光束；
每个反射器件设置于非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束的传输光路上，用于使所述非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并偏折至所述斜方棱镜的输出光路平面，得到第二位移光束；
所述合束器件设置于所述斜方棱镜的输出光路上，用于将所述第二位移光束与所述第一位移光束进行合束，得到合束结果。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述斜方棱镜为潜望镜式斜方棱镜，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向上的第一反射面与入光面存在第一夹角，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向的第二反射面与出光面存在第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角不等；所述第一反射面与所述第二反射面在竖直方向上相对设置，所述入光面与所述出光面平行。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角以及所述潜望镜式斜方棱镜的折射率确定。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述入光面与所述出光面均垂直于所述底板平面。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于如下公式确定：
其中，α为所述第一夹角，β为所述第二夹角，n0为空气的折射率，n1为所述潜望镜式斜方棱镜的折射率，θ1为所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述多个准直光路组包括所述目标准直光路组和第一非目标准直光路组；所述第一非目标准直光路组对应的反射器件包括第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜用于使所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜的最高点与所述第一位移光束的最低点重合或所述最高点低于所述最低点；
所述第二反射镜用于将入射光束反射至所述合束器件。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，所述多个准直光路组还包括第二非目标准直光路组；
所述第二非目标准直光路组对应的反射器件包括第三反射镜；
所述第三反射镜用于使所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述合束器件。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，每个准直光路组均包括发光面在同一竖直平面内相同水平高度的多个激光器芯片以及沿每个激光器芯片的光路传输方向依次设置的快轴准直器件和慢轴准直器件；
每个激光器芯片均用于输出泵浦光束；
每个快轴准直器件均用于对入射光束进行快轴准直；
每个慢轴准直器件均用于对入射光束进行慢轴准直，并使慢轴准直后的光束与所述底板平面存在所述预设夹角。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，各慢轴准直器件均为离轴反射镜，且每个快轴准直器件的输出光束在对应的离轴反射镜的焦点处入射至对应的离轴反射镜。
根据本发明提供的一种半导体激光器模组，各慢轴准直器件均包括沿对应的激光器芯片的光路传输方向依次设置的慢轴准直镜和第四反射镜；
所述慢轴准直镜用于对入射光束进行慢轴准直；
所述第四反射镜用于使对应的慢轴准直镜慢轴准直后的光束与所述底板平面存在所述预设夹角。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提供的半导体激光器模组及半导体激光泵浦源，该半导体激光器模组包括：转向压缩组件、合束器件和多个准直光路组，转向压缩组件包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜和若干反射器件。该半导体激光器模组在转向压缩组件引入竖直方向截面非对称的斜方棱镜，通过反射原理使堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，进而得到平行于底板平面的第一位移光束，在后续耦合测试时对斜方棱镜的倾斜角度要求较低，可以降低后续耦合调试的装调操作难度。而且，通过斜方棱镜与反射器件的结合，产生不在同一水平高度上的两类位移光束，如此降低准直光路组的数量的扩展难度，使半导体激光器模组可以引入更多堆叠泵浦光束，保证了即使准直光路组的数量增加，也能形成空间上的合束的可能性，大大地提高了半导体激光泵浦源的功率潜能。半导体激光器模组具有结构简单、光路简单等特点，具有极大应用优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是现有倾斜的堆叠光束入射至直角楔形棱镜后得到输出光束的光路图；
图2是本发明提供的半导体激光器模组的结构示意图；
图3是本发明提供的半导体激光器模组中潜望镜式斜方棱镜的结构示意图；
图4是本发明提供的半导体激光器模组中潜望镜式斜方棱镜的光路示意图；
图5是本发明提供的半导体激光器模组中第一反射镜或第三反射镜的设置示意图；
图6是本发明提供的半导体激光器模组中离轴反射镜的光路图；
图7是本发明提供的半导体激光泵浦源的结构示意图之一；
图8是本发明提供的半导体激光泵浦源的侧视光路示意图；
图9是本发明提供的半导体激光泵浦源的结构示意图之二；
图10是本发明提供的半导体激光泵浦源的俯视光路示意图之一；
图11是本发明提供的半导体激光泵浦源的结构示意图之三；
图12是本发明提供的半导体激光泵浦源的俯视光路示意图之二；
图13是本发明提供的半导体激光泵浦源的结构示意图之四；
图14是本发明提供的激光器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
目前，现有的方案多采用楔形棱镜方案或者多个反射镜倾斜来纠正合束后的光路方向。以楔形棱镜为例，如图1所示。图1中显示了倾斜的堆叠光束入射至直角楔形棱镜后得到输出光束的光路图，其中，n01sin(θ+α)＝n11sinα，α是直角楔形棱镜的顶角，θ是单路激光光束相对于底板平面的倾斜角度，n01是空气的折射率，n11为直角楔形棱镜的折射率。
由上述可知，楔形棱镜是依靠折射原理去控制合束后的光路方向，对材料和角度的仍需要高精度加工。且装调操作较为复杂，此外，此类结构的种子源电光效率仅为45％，无法满足现有的功率需求。
基于此，本发明实施例中提供的一种半导体激光器模组。
图2为本发明实施例中提供的一种半导体激光器模组的结构示意图，如图2所示，该半导体激光器模组包括：设置于底板平面0上的转向压缩组件1、合束器件2和多个准直光路组，转向压缩组件1包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜11和若干反射器件12；
每个准直光路组3均用于输出准直且与底板平面0存在预设夹角的堆叠泵浦光束；
斜方棱镜11设置于目标准直光路组31的输出光路上，用于使目标准直光路组31输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移并与底板平面平行，得到第一位移光束；
每个反射器件12设置于除目标准直光路组31之外的非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束的传输光路上，用于使非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束与底板平面平行，并偏折至斜方棱镜11的输出光路平面，得到第二位移光束；
合束器件2设置于斜方棱镜11的输出光路上，用于将第二位移光束与第一位移光束进行合束，得到合束结果。
具体地，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，可以是用于构建半导体激光泵浦源的合束设备，其中沿光路方向依次包括设置于底板平面0上的多个准直光路组、转向压缩组件1以及合束器件2。
该底板平面0可以是半导体激光器组件所处壳体的底面平板的上表面，该底板平面0可以是水平面。半导体激光器模组可以设置于壳体内，通过壳体可以实现对半导体激光器模组的保护。
准直光路组可以包括目标准直光路组31和非目标准直光路组32，分别采用转向压缩组件1中的不同器件进行转向和压缩。其中，目标准直光路组31和非目标准直光路组32均可以包括一个或多个，目标准直光路组31与转向压缩组件1中的斜方棱镜11数量相等，非目标准直光路组32与转向压缩组件1中的反射器件12数量相等。图1中仅给出了半导体激光器模组中包括一个目标准直光路组31和一个非目标准直光路组32的情况。
每个准直光路组均可以用于输出准直且与底板平面存在预设夹角的堆叠泵浦光束，可以包括用于产生初始泵浦光束的多个激光器芯片、用于对每束初始泵浦光束进行准直得到准直泵浦光束的准直器件以及用于对每束准直泵浦光束进行光路方向调整以使各束准直泵浦光束在竖直方向上进行堆叠并与底板平面产生预设夹角的倾斜元件。多个激光器芯片可以并列放置，其对应的准直器件以及倾斜元件也可以并列放置。
为降低半导体激光器模组的尺寸，减少体积，该倾斜元件可以是倾斜的反射元件，例如倾斜的反射镜等。
转向压缩组件1中的斜方棱镜11可以是四面体，包括入光面、出光面以及竖直方向上相对的两个反射面，入光面、出光面以及两个反射面构成的竖直方向截面具有非对称的特点，即每个反射面与相邻的入光面或出光面之间的夹角不等，如此通过设置每个反射面与相邻的入光面或出光面之间的夹角，可以使入射至斜方棱镜11的不同位置的堆叠泵浦光束可以平行于底板平面射出。
斜方棱镜11可以设置于目标准直光路组31的输出光路上，用于使目标准直光路组31输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，并与底板平面平行，以消除目标准直光路组31输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的预设夹角，进而可以得到第一位移光束。
为便于对斜方棱镜11的高度进行调节，斜方棱镜11可以设置在基座上，该基座的高度可以根据目标准直光路组31输出的堆叠泵浦光束的堆叠高度进行适应性调整，可以在不会增加斜方棱镜11的安装调试难度的情况下，提高斜方棱镜11的灵活性。
由于目标准直光路组31输出的堆叠泵浦光束与底板平面存在预设夹角，因此堆叠泵浦光束在入射至斜方棱镜11上时，会入射至斜方棱镜11的入射面上的不同位置，进而通过合理设置斜方棱镜11中两个反射面与相邻的入光面或出光面之间的夹角，可以控制输出的第一位移光束相比于堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，且平行于底板平面。
此处，堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，可以是第一位移光束相对于堆叠泵浦光束向上产生位移。
每个反射器件12设置于除目标准直光路组31之外的非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束的传输光路上，用于使非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束与底板平面平行，以消除非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的预设夹角，并在水平方向上偏折至目标准直光路组32的输出光路平面，进而可以得到第二位移光束。
此处，第二位移光束的束数与反射器件12的数量相等，也与准直光路组的个数相等。目标准直光路组32的输出光路平面即目标准直光路组32的输出光路所处的竖直平面。
第一位移光束与第二位移光束均平行于底板平面，第二位移光束与第一位移光束既可以均在同一竖直平面内，即均在目标准直光路组32的输出光路平面，也可以在相互垂直的两个竖直平面内，即分别在目标准直光路组32的输出光路平面内以及与该输出光路平面垂直的竖直平面内，此处不作具体限定。
反射器件12既可以是一个反射镜，也可以是由反射面相对的两个反射镜构成的反射镜组，此处不作具体限定。需要说明的是，由于反射器件12用于使非目标准直光路组32输出的堆叠泵浦光束与底板平面0平行，因此当反射器件12是一个反射镜时，该反射镜所在平面与底板平面0具有一定夹角。同样地，当反射器件12是由反射面相对的两个反射镜构成的反射镜组时，该反射镜组中有一个反射镜所在平面与底板平面0具有一定夹角。
该合束器件2可以是合束棱镜，可以设置在斜方棱镜11的输出光路上，进而可以使第一位移光束直接入射至该合束器件2的入射面，而由于第二位移光束已偏折至斜方棱镜11的输出光路平面，因此通过该合束器件2可以将第二位移光束与第一位移光束进行合束，得到合束结果。
此处，第一位移光束与第二位移光束可以在合束器件2的同一入射面或不同入射面入射。当斜方棱镜11包括多个时，不同第一位移光束可以在合束器件2的同一入射面或不同入射面入射。当反射器件12包括多个时，不同第二位移光束也可以在合束器件2的同一入射面或不同入射面入射。
此后，可以通过对合束结果进行聚焦作为半导体激光泵浦源，进而利用该半导体激光泵浦源可以激发谐振腔内的工作物质产生激光。
本发明实施例中提供的半导体激光器模组，包括：设置于底板平面上的转向压缩组件、合束器件和多个准直光路组，转向压缩组件包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜和若干反射器件。该半导体激光器模组在转向压缩组件引入竖直方向截面非对称的斜方棱镜，通过反射原理使堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，进而得到平行于底板平面的第一位移光束，在后续耦合测试时对斜方棱镜的倾斜角度要求较低，可以降低后续耦合调试的装调操作难度。而且，通过斜方棱镜与反射器件的结合，产生不在同一水平高度上的两类位移光束，如此降低准直光路组的数量的扩展难度，使半导体激光器模组可以引入更多堆叠泵浦光束，保证了即使准直光路组的数量增加，也能形成空间上的合束的可能性，大大地提高了半导体激光泵浦源的功率潜能。半导体激光器模组具有结构简单、光路简单等特点，具有极大应用优势。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，所述斜方棱镜为潜望镜式斜方棱镜，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向上的第一反射面与入光面存在第一夹角，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向的第二反射面与出光面存在第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角不等；所述第一反射面与所述第二反射面在竖直方向上相对设置，所述入光面与所述出光面平行。
具体地，如图3所示，为潜望镜式斜方棱镜的结构示意图，该潜望镜式斜方棱镜可以包括沿光路传输方向依次设置的入光面111、第一反射面112、第二反射面113以及出光面114，图3中入光面111为左侧面，第一反射面112为由上之下的第二个面，第二反射面113为上侧面，出光面114为右侧面。
第一反射面112与第二反射面113在竖直方向上相对设置。
入光面111与出光面114平行，二者均可以与垂直于底板平面0，也可以与底面平面呈一定夹角，此处不作具体限定。
第一反射面112与相邻的入光面111之间呈第一夹角，第二反射面113与相邻的出光面114之间呈第二夹角，第一夹角与第二夹角不等，且二者既可以均为锐角，也可以均为钝角，根据实际情况确定。
如图4所示，为潜望镜式斜方棱镜的光路示意图，第一个反射面112与入光面111之间的第一夹角为α，第二个反射面113与出光面114之间的第二夹角为β，且α≠β。如此可以实现非对称，并通过调节第一夹角α和第二夹角β，使目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束平行于底板平面。
本发明实施例中，潜望镜式斜方棱镜中第一反射面与第二反射面在竖直方向上相对设置，可以使目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移。通过设置第一夹角与第二夹角不等，如此可以保证潜望镜式斜方棱镜在竖直方向截面具有非对称性，进而通过设置合适的第一夹角和第二夹角的具体取值，可以使目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面平行，最终输出第一位移光束。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，可以将潜望镜式斜方棱镜中的入光面111与出光面114设置为均垂直于底板平面0，如此可以便于对潜望镜式斜方棱镜中的加工，降低加工难度及加工成本。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角以及所述潜望镜式斜方棱镜的折射率确定。
具体地，目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面0之间的夹角可以记为θ1，潜望镜式斜方棱镜的折射率可以记为n1。目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在入射至斜方棱镜后，可以确定出在满足折射定律以及反射定律的情况下，使目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移，并与底板平面平行。
在此过程中，第一夹角与第二夹角之间的关系的决定因素即为目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的夹角以及潜望镜式斜方棱镜的折射率。可以理解的是，由于潜望镜式斜方棱镜的位置固定，目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的夹角固定，此时目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在潜望镜式斜方棱镜的入光面上的入射角也是固定的。
本发明实施例中，第一夹角与第二夹角的关系可以通过目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的夹角以及潜望镜式斜方棱镜的折射率确定，原理简单，易于计算。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于如下公式确定：
其中，α为所述第一夹角，β为所述第二夹角，n0为空气的折射率，n1为所述潜望镜式斜方棱镜的折射率，θ1为所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角。
具体地，如图4所示，在潜望镜式斜方棱镜的入光面111和出光面114均垂直于底板平面时，目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在入光面111上的入射角和目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面之间的夹角相等，均为θ1。进而，利用折射定律和反射定律，可以确定出使潜望镜式斜方棱镜的出光面出射的第一位移光束平行于水平面的第一夹角α和第二夹角β之间的关系，即有：
其中，n0＝n01是空气的折射率，n1为潜望镜式斜方棱镜的折射率。
此后，根据α和β之间的定量关系，即可合理设计潜望镜式斜方棱镜的相关参数，以得到第一位移光束。
本发明实施例中，给出第一夹角与第二夹角之间的具体定量关系，可以便于快速设计出满足要求的潜望镜式斜方棱镜。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，所述多个准直光路组包括所述目标准直光路组和第一非目标准直光路组；所述第一非目标准直光路组对应的反射器件包括第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜用于使所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜的最高点与所述第一位移光束的最低点重合或所述最高点低于所述最低点；
所述第二反射镜用于将入射光束反射至所述合束器件。
具体地，半导体激光器模组中可以包括两类准直光路组，通过对应的转向压缩组件中的不同结构进行区分。这两类准直光路组可以分别为目标准直光路组和第一非目标准直光路组，第一非目标准直光路组的个数可以为一个或多个。
目标准直光路组对应于转向压缩组件中的斜方棱镜，第一非目标准直光路组对应于转向压缩组件中的反射器件，且该反射器件可以包括第一反射镜和第二反射镜。第一反射镜和第二反射镜可以构成反射镜组。
第一反射镜可以设置于第一非目标准直光路组的输出光路上，第二反射镜可以设置于斜方棱镜的输出光路的正下方，第一反射镜可以与第一非目标准直光路组的输出光路方向以及底板平面之间均存在一定夹角，如图5所示，进而通过第一反射镜可以使第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面平行，并将第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至斜方棱镜的输出光路的正下方，通过第二反射镜反射得到第二位移光束。该第二位移光束沿第二反射镜的反射光路传输至合束器件。
第一位移光束则沿斜方棱镜的输出光路直接传输至合束器件，合束器件可以在同一入射面接收第一位移光束以及第二位移光束，并对第一位移光束以及第二位移光束进行合束，输出合束结果。
为防止第二反射镜对斜方棱镜输出的第一位移光束的传输产生影响，可以设置第二反射镜的最高点与第一位移光束的最低点重合或第二反射镜的最高点略低于第一位移光束的最低点，以使第一位移光束和第二位移光束可以在竖直方向上实现拼接。此时，第一位移光束的最低点与第二位移光束的最高点是重合的或仅存在微小的间距，第一位移光束与第二位移光束可看作一束准直的平行光束。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，所述多个准直光路组还包括第二非目标准直光路组；
所述第二非目标准直光路组对应的反射器件包括第三反射镜；
所述第三反射镜用于使所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述合束器件。
具体地，本发明实施例中，半导体激光器模组中还可以包括第三类准直光路组，即第二非目标准直光路组，该第二非目标准直光路组的个数可以为一个或多个。
该第二非目标准直光路组可以对应于转向压缩组件中的反射器件，且该反射器件可以包括第三反射镜。第三反射镜可以与第二非目标准直光路组的输出光路方向以及底板平面之间均存在一定夹角，第三反射镜的放置角度也可以如图5所示。进而，通过第三反射镜可以使第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与底板平面平行，得到第二位移光束。该第二位移光束在第三反射镜的反射光路上传输至合束器件，通过合束器件与第一位移光束进行合束，得到合束结果。
可以理解的是，由于合束器件设置在斜方棱镜的输出光路上，因此第一位移光束可以通过合束器件的第一竖直平面入射至合束器件，第二位移光束可以通过合束器件的第二竖直平面入射至合束器件。其中，第一竖直平面可以与第二竖直平面垂直。
本发明实施例中，半导体激光器模组可以通过第二反射镜增加第二非目标准直光路组，进而提高半导体激光器模组的输出功率。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，每个准直光路组均包括发光面在同一竖直平面内相同水平高度的多个激光器芯片以及沿每个激光器芯片的光路传输方向依次设置的快轴准直器件和慢轴准直器件；
每个激光器芯片均用于输出泵浦光束；
每个快轴准直器件均用于对入射光束进行快轴准直；
每个慢轴准直器件均用于对入射光束进行慢轴准直，并使慢轴准直后的光束与所述底板平面存在预设夹角。
具体地，本发明实施例中，每个准直光路组均可以包括多个激光器芯片以及沿每个激光器芯片的光路传输方向依次设置的快轴准直器件和慢轴准直器件，各激光器芯片的发光面可以设置在同一竖直平面内相同水平高度处，各激光器芯片可以构成激光器芯片组，进而各激光器芯片对应的快轴准直器件可以构成快轴准直器件组，各激光器芯片对应的慢轴准直器件可以构成慢轴准直器件组。
由于各激光器芯片的发光面均在同一竖直平面内相同水平高度处，相比于通过将各激光器芯片设置于不同台阶高度处的半导体激光器模组，可以减小体积，进而适用性更广。
激光器芯片输出的泵浦激光通常为椭圆形，其垂直方向的发散角比较大，光束光束质量好，被称为快轴，水平方向的发散角比较小，光束质量差，被称为慢轴。为了获得好的耦合效果，需要分别对两个方向的光束进行准直，其中对泵浦激光进行快轴准直的元件为快轴准直器件，对泵浦激光进行满足准直的元件为慢轴准直器件。由此，通过各快轴准直器件以及各慢轴准直器件，可以提高后续合束结果的耦合效果，便于保证合束结果的传输质量。
每个准直光路组中各激光器芯片的发光面的朝向均相同，当存在偶数个准直光路组时，每两个准直光路组中各激光器芯片的发光面可以相对设置，当存在奇数个准直光路组时，则存在一个准直光路组，其中各激光器芯片的发光面与相邻的准直光路组中各激光器芯片的发光面同向设置。
每个快轴准直器件可以包括快轴准直镜(FAC)，每个快轴准直器件设置于对应的激光器芯片的出光面上。
每个慢轴准直器件可以包括慢轴准直镜(SAC)以及与底板平面和入射光束的传输方向均存在一定夹角的反射镜。此处，慢轴准直镜可以是柱面镜，各激光器芯片对应的慢轴准直器件中的反射镜均平行。
每个激光器芯片均可以用于输出泵浦光束，该泵浦光束先后经与激光器芯片对应的快轴准直器件以及慢轴准直器件即可得到一个与底板平面存在预设夹角的准直泵浦光束。所有激光器芯片对应的准直泵浦光束可以构成与底板平面存在预设夹角的堆叠泵浦光束。
可以理解的是，此处的入射光束是针对具体器件而言。
本发明实施例中，通过结合快轴准直器件与慢轴准直器件，对激光器芯片输出的泵浦光束进行准直，可以提高准直效果，并使准直后的光束与底板平面之间存在预设夹角，可以实现准直泵浦光束的堆叠。
在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，各慢轴准直器件均包括沿对应的激光器芯片的光路传输方向依次设置的慢轴准直镜和第四反射镜；
所述慢轴准直镜用于对入射光束进行慢轴准直；
所述第四反射镜用于使对应的慢轴准直镜慢轴准直后的光束与所述底板平面存在所述预设夹角。
具体地，半导体激光器模组中每个慢轴准直器件还可以包括沿对应的激光器芯片的光路传输方向依次设置的慢轴准直镜和第四反射镜。该慢轴准直镜可以为常规的慢轴准直镜、一体化柱面透镜阵列、全新蓝光弯月型慢轴准直镜等，用于对入射光束进行慢轴准直。该入射光束即为对应的激光器芯片输出的泵浦激光。
第四反射镜可以为常规的反射镜，且可以与慢轴准直镜的输出光路呈一定夹角，与底板平面之间呈预设夹角，用于使对应的慢轴准直镜慢轴准直后的光束与底板平面存在预设夹角。
可以理解的是，各第四反射镜的反射面可以平行，以使各第四反射镜的反射光路均在一个竖直平面内，进而保证得到堆叠泵浦光束。
本发明实施例中，通过慢轴准直镜和第四反射镜的结构，可以得到各堆叠泵浦光束。
由于现有技术中，经快轴准直后的激光借由慢轴柱透镜和反射镜抵达聚焦透镜前，最后由聚焦透镜聚焦光斑，进入光纤传输。在该过程中，反射镜存在高反射镀膜对角度敏感、反射效率随角度变化的特性，激光在反射镜上的入射角度与反射镜设置角度偏差较大，会导致反射效率低。除此之外，反射镜的装调无论是使用人工还是自动化，都对装调的精度要求较高。
为解决上述技术问题，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光器模组，各慢轴准直器件均为离轴反射镜，且每个快轴准直器件的输出光束在对应的离轴反射镜的焦点处入射至对应的离轴反射镜。
具体地，每个慢轴准直器件均可以是离轴反射镜，该离轴反射镜的光路图可以如图6所示。
离轴反射镜是一种表面反射镜，具体为凹面反射镜，其结构特点为入射面和出射面为同一面，即为反射面，该反射面镀有高反射膜。该反射面为曲面，可为球面、非球面、抛物面等。
与常规的平板类反射镜不同，离轴反射镜具有两个特点。一是离轴反射镜的反射面是抛物面，反射面上任意一点到其准线的距离相等；二是离轴反射镜相对于一般的抛物面球面镜，具有离轴角这一特性。离轴角是聚焦光束和准直光束形成的夹角，不同数值的离轴角可通过截取母抛物面的不同位置获取。
所以，当平行光以垂直于离轴反射镜的基底入射至反射面，离轴反射镜可以无色散聚焦平行光束，将光反射并汇聚到离轴的焦点。同样，根据光路可逆原理，若激光在离轴反射镜的焦点出发，经过离轴准直镜的反射面后被准直输出。
本发明实施例中，每个快轴准直器件的输出光束在对应的离轴反射镜的焦点处入射至对应的离轴反射镜，如此可以通过离轴反射镜的离轴反射原理，实现对快轴准直器件的输出光束进行慢轴准直的基础上，使快轴准直器件的输出光束与底板平面存在预设夹角。
本发明实施例中，引入基于离轴反射原理的离轴反射镜作为慢轴准直器件，摒弃了原先慢轴准直镜所使用的透射和折射原理，将原先结构中的慢轴准直镜和反射镜在结构和功能上合并。
将离轴反射镜作为慢轴准直器件，相比于慢轴准直镜结合反射镜的结构，具有如下五点优势：
1)减小了光程
显然，合并了反射镜和常规慢轴准直镜的离轴反射镜所占用的物理空间更少，故相较于原先的结构，现有结构将具有更短的工作长度，壳体结构也有望于设计得更为紧凑。
2)降低了镀膜成本
在基于常规慢轴准直镜和反射镜的光学结构中，常规慢轴准直镜则是一个球面或非球面的柱面镜，激光先经过柱面镜的平面进入玻璃介质中，再经过柱面镜的凸面整形成平行光，最后由放置在慢轴准直镜后的反射镜反射至聚焦透镜。对于常规方案，激光在慢轴准直镜、反射镜的过程至少需要三个面镀膜来减少激光功率的损耗。但对于离轴反射镜，其仅使用凹面作为反射面，基于反射原理可实现反射和准直光斑的目的，该面镀反射膜即可满足工作要求，可以降低镀膜成本。
3)对透镜的材料要求不高
根据第2)点中提及的原理，可看出该离轴反射镜采用反射原理。因此，不需要考虑透镜材料的折射问题，一些低成本的普通玻璃材料(例如K9)就可实现反射、准直的功能。
4)降低了装调难度
离轴反射镜的结构为一体式，由于其反射角度是预先设计，故对角度的装调精度要求不高。当确定好相应的离轴反射镜的工作距离即可完成反射和准直的功能。
5)消除透射元件的位相延迟和吸收损耗
离轴反射镜是利用反射原理工作，因此可以避免球面柱面镜等透射光学元件所具有的位相延迟和吸收损耗的缺陷，减少激光传输中的能量损耗。此外，离轴反射镜基本不受波长的影响，故而不会产生色差，因此即使作用宽波段范围也不会产生色差。
6)可以实现更为紧凑的光路系统结构。
如图7所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中还提供了一种半导体激光泵浦源，包括：快慢轴聚焦器件组71、输出光纤72及上述各实施例中提供的半导体激光器模组73。
半导体激光器模组73输出的合束结果经快慢轴聚焦器件组71耦合进入输出光纤72。
具体地，半导体激光泵浦源中可以沿光路传播方向依次设置有半导体激光器模组73、快慢轴聚焦器件组71和输出光纤72。快慢轴聚焦器件组71可以包括沿光路传播方向依次设置的快轴聚焦镜组和慢轴聚焦镜。
如图8所示，半导体激光泵浦源的半导体激光器模组73中包括目标准直光路组731、斜方棱镜732、反射器件733以及合束器件734，目标准直光路组731输出的堆叠泵浦光束经斜方棱镜732后得到第一位移光束，该第一位移光束入射至合束器件734。非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束先后经反射器件733中的第一反射镜和第二反射镜后得到第二位移光束，该第二位移光束入射至合束器件734，第一位移光束以及第二位移光束经合束器件734合束。在图8中，半导体激光泵浦源还包括快轴聚焦镜组711和慢轴聚焦镜712。
本发明实施例中提供的半导体激光泵浦源，由于其中包含有半导体激光器模组，在后续耦合测试时对斜方棱镜的倾斜角度要求较低，可以降低后续耦合调试的装调操作难度。而且，通过斜方棱镜与反射器件的结合，产生不在同一水平高度上的两类位移光束，如此降低准直光路组的数量的扩展难度，使半导体激光器模组可以引入更多堆叠泵浦光束，保证了即使准直光路组的数量增加，也能形成空间上的合束的可能性，大大地提高了半导体激光泵浦源的功率潜能。该半导体激光泵浦源具有结构简单、光路简单等特点，具有极大应用优势。
如图8所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中提供的半导体激光泵浦源，还包括：设置于半导体激光器模组73与快慢轴聚焦器件组71之间的滤波片74，该滤波片74具体设置为合束器件734与快轴聚焦镜组711之间，用于保护半导体激光器模组73，防止杂散光进入半导体激光器模组73对其造成损伤。
如图9所示，为半导体激光泵浦源的半导体激光器模组73中包括两个准直光路组时的结构，半导体激光泵浦源可以包括底板70，半导体激光器模组73、快慢轴聚焦器件组71以及输出光纤72均配置于底板70的底板平面0上。半导体激光器模组73中各准直光路组均包括激光器芯片组735、快轴准直镜组以及作为慢轴准直器件组的离轴反射镜组736。由于激光器芯片组中各激光器芯片的发光面均在同一竖直平面内相同水平高度处，相比于通过将各激光器芯片设置于不同台阶高度处的半导体激光泵浦源，可以减小体积，进而适用性更广。
反射器件733包括第一反射镜7331和第二反射镜7332。图9中仅示出每个激光器芯片组735包含有15个激光器芯片的情况。相应地，快轴准直镜组中包含有15个快轴准直镜，离轴反射镜组736中包含有15个离轴反射镜。
目标准直光路组731输出的堆叠泵浦光束经斜方棱镜732后得到第一位移光束，该第一位移光束入射至合束器件734。第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束经反射器件733后得到第二位移光束，该第二位移光束在第一位移光束的正下方入射至合束器件734。
图10为图9的结构的俯视光路示意图。
如图11所示，为半导体激光泵浦源的半导体激光器模组73中包括两个准直光路组时的结构，与图9不同的是，图11中的慢轴准直器件组包括慢轴准直镜组737和反射镜组738，慢轴准直镜组737中的慢轴准直镜、快轴准直镜组中的快轴准直镜和反射镜组738中的反射镜一一对应。
图12为图11的结构的俯视光路示意图。
如图13所示，为半导体激光泵浦源的半导体激光器模组73中包括三个准直光路组时的结构，相比于图11，增加了一个准直光路组及其对应的第三反射镜739。
如图14所示，在上述实施例的基础上，本发明实施例中还提供了一种激光器，包括：设置有工作介质141的谐振腔142以及上述各实施例中提供的半导体激光泵浦源143；
所述半导体激光泵浦源143中输出光纤输出的目标泵浦光束作用于工作介质141，产生激光。
具体地，本发明实施例中提供的激光器，可以根据使用的工作介质141的材料不同，具有不同的类型，例如若工作介质的材料为块状掺杂晶体或者玻璃，则该激光器为固体激光器，若工作介质的材料为光纤，则该激光器为光纤激光器，若工作介质的材料为砷化镓、铟镓砷等半导体材料，则该激光器可以为半导体激光器。
本发明实施例中提供的激光器，利用半导体激光泵浦源作用于工作介质141，使工作介质141受激发产生激光。该激光器由于采用的半导体激光泵浦源应用了斜方棱镜，在确认好斜方棱镜参数的基础上，可减少纠正准之后的光路时的装调难度。该激光器具备结构简单、光路简单的特点。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (11)
1.一种半导体激光器模组，其特征在于，包括：设置于底板平面上的转向压缩组件、合束器件和多个准直光路组，所述转向压缩组件包括竖直方向截面非对称的斜方棱镜和若干反射器件；
每个准直光路组均用于输出准直且与所述底板平面存在预设夹角的堆叠泵浦光束；
所述斜方棱镜设置于目标准直光路组的输出光路上，用于使所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束在竖直方向上产生位移并与所述底板平面平行，得到第一位移光束；
每个反射器件设置于非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束的传输光路上，用于使所述非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并偏折至所述斜方棱镜的输出光路平面，得到第二位移光束；
所述合束器件设置于所述斜方棱镜的输出光路上，用于将所述第二位移光束与所述第一位移光束进行合束，得到合束结果。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述斜方棱镜为潜望镜式斜方棱镜，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向上的第一反射面与入光面存在第一夹角，所述潜望镜式斜方棱镜中光路传输方向的第二反射面与出光面存在第二夹角，所述第一夹角与所述第二夹角不等；所述第一反射面与所述第二反射面在竖直方向上相对设置，所述入光面与所述出光面平行。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角以及所述潜望镜式斜方棱镜的折射率确定。
4.根据权利要求2所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述入光面与所述出光面均垂直于所述底板平面。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述第一夹角与所述第二夹角的关系，基于如下公式确定：
其中，α为所述第一夹角，β为所述第二夹角，n0为空气的折射率，n1为所述潜望镜式斜方棱镜的折射率，θ1为所述目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面之间的夹角。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述多个准直光路组包括所述目标准直光路组和第一非目标准直光路组；所述第一非目标准直光路组对应的反射器件包括第一反射镜和第二反射镜；
所述第一反射镜用于使所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第一非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述第二反射镜；
所述第二反射镜的最高点与所述第一位移光束的最低点重合或所述最高点低于所述最低点；
所述第二反射镜用于将入射光束反射至所述合束器件。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器模组，其特征在于，所述多个准直光路组还包括第二非目标准直光路组；
所述第二非目标准直光路组对应的反射器件包括第三反射镜；
所述第三反射镜用于使所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束与所述底板平面平行，并将所述第二非目标准直光路组输出的堆叠泵浦光束反射至所述合束器件。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的半导体激光器模组，其特征在于，每个准直光路组均包括发光面在同一竖直平面内相同水平高度的多个激光器芯片以及沿每个激光器芯片的光路传输方向依次设置的快轴准直器件和慢轴准直器件；
每个激光器芯片均用于输出泵浦光束；
每个快轴准直器件均用于对入射光束进行快轴准直；
每个慢轴准直器件均用于对入射光束进行慢轴准直，并使慢轴准直后的光束与所述底板平面存在所述预设夹角。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器模组，其特征在于，各慢轴准直器件均为离轴反射镜，且每个快轴准直器件的输出光束在对应的离轴反射镜的焦点处入射至对应的离轴反射镜。
10.根据权利要求8所述的半导体激光器模组，其特征在于，各慢轴准直器件均包括沿对应的激光器芯片的光路传输方向依次设置的慢轴准直镜和第四反射镜；
所述慢轴准直镜用于对入射光束进行慢轴准直；
所述第四反射镜用于使对应的慢轴准直镜慢轴准直后的光束与所述底板平面存在所述预设夹角。
11.一种半导体激光泵浦源，其特征在于，包括：快慢轴聚焦器件组、输出光纤及如权利要求1-10中任一项所述的半导体激光器模组；
所述半导体激光器模组输出的合束结果经所述快慢轴聚焦器件组耦合进入所述输出光纤。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311278621.1A CN117526078A (zh) | 2023-09-29 | 2023-09-29 | 半导体激光器模组及半导体激光泵浦源 |
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2023
- 2023-09-29 CN CN202311278621.1A patent/CN117526078A/zh active Pending
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