CN117613676A - 一种小体积半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小体积半导体激光器，该激光器将多只半导体激光器芯片发出的光束分别经快轴准直镜准直后，利用转向光学元件将光束进行180°折叠至上层空间的另一平面，再分别进行慢轴准直后排列输出准直光束。该光束可以被聚焦耦合到光纤中进行输出。这种结构可以充分利用多维空间以减小半导体激光器的体积，实现半导体激光器的轻型化，并且安装工艺简单，能够实现高效率生产的小体积高可靠性的高功率光纤输出半导体激光器件。

Description

一种小体积半导体激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体为一种小体积半导体激光器。

背景技术

光纤输出大功率半导体激光器广泛应用于激光打印、医疗、材料加工等领域。为了获得更高功率的激光功率输出，需要空间排布更多的半导体激光器芯片，随着芯片数量的增加，激光器的体积不断增大，但一些应用对小体积大功率半导体激光器提出了更高要求。光纤输出半导体激光器的常规结构是将多只半导体激光器芯片排列在同一水平空间，或同一同面或等阶梯分布，再通过快慢轴先后准直合束为一束，聚焦耦合进入光纤。随着对激光器小型化的要求不断提高，国内外对激光器的结构进行了不断改进。发明专利US08437086B2采用了两列芯片，分别合束后再偏振合束的方案。该设计合束光位于两束光路的中间，实现了部分面积复用，减小了体积。但是可以看出只有部分面积实现了同平面的面积复用。发明专利CN112600074A采用了双层光路，将光路进行两次转向，并利用了管壳侧壁空间，将光路传输到另一平面后再偏振合束。这种方案实现了多维空间的利用，但是结构复杂，操作难度大，大量镜片悬空，降低了结构的稳定性。对于小体积的应用需求，需要提出一种空间利用率高，可实施性强，稳定性好的设计方案。

发明内容

为克服上述现有技术的缺陷，本发明提供如下技术方案：一种小体积半导体激光器，包括激光器，所述激光器由至少两个激光芯片及转向元件各自对应的快轴准直镜和慢轴准直镜，以及转向元件和反射镜构成，所述激光芯片固定在台阶底板上，且台阶数与设置激光芯片的数量相同，激光芯片的出光方向与台阶面平行设置，激光芯片的前方安装有快轴准直镜，激光芯片发出的光线经过对应的快轴准直镜进入转向元件中，经过两次反射转向180°至上层空间，再经过各自对应的慢轴准直镜，对光线慢轴方向进行准直，准直后光束经过反射镜反射旋转90°，朝向台阶下降的方向进行经过聚焦透镜进行合束，用于将合束光聚焦至光纤端面，慢轴准直镜的高度不大于阶梯的高度，不遮挡上、下级的光束。

优选地，所述激光器滑动安装在减震组件上，所述减震组件包括四个与激光器滑动配设的垂直缓冲滑杆，四个垂直缓冲滑杆上环绕设置有用于吸能的垂直缓冲簧，四个垂直缓冲滑杆均固定安装在移动缓冲板上，移动缓冲板通过两个水平缓冲滑杆滑动安装在固定缓冲板上，并且水平缓冲滑杆上环绕设置有用于吸能的水平缓冲簧。

优选地，所述移动缓冲板上滑动安装有两个平行设置的第一动镜面调节滑杆，两个第一动镜面调节滑杆上固定安装有第一动镜面，其中一个第一动镜面调节滑杆上环绕设置有第一辅助簧。

优选地，所述固定缓冲板上滑动安装有两个平行设置的第二动镜面调节滑杆，两个第二动镜面调节滑杆上固定安装有第二动镜面，其中一个第二动镜面调节滑杆上环绕设置有第二辅助簧。

优选地，所述移动缓冲板上还滑动安装有第一执行齿条，第一执行齿条的其中一端与第一动镜面固定连接，所述移动缓冲板上固定安装有第一变速箱，第一变速箱输入轴上固定安装有第一调节输入齿轮，在激光器上固定安装有与第一调节输入齿轮相啮合的第一调节齿条，第一变速箱的输出轴通过保险组件传动连接有与第一执行齿条相啮合的第一调节输出齿轮。

优选地，所述固定缓冲板上滑动安装有第二执行齿条，第二执行齿条的其中一端与第二动镜面或第二动镜面调节滑杆固定连接，所述固定缓冲板上固定安装有第二变速箱的输入轴上固定安装有第二调节输入齿轮，所述固定缓冲板上还通过第二调节齿条支架滑动安装有第二调节齿条，所述第二调节齿条上固定安装有与第一调节齿条滑动配合的垂直滑动杆，所述第二变速箱的输出轴上通过保险组件传动连接有与第二执行齿条相啮合的第二调节输出齿轮。

优选地，所述的保险组件包括固定摩擦外圈，固定摩擦外圈内转动配设有内侧转动盘，内侧转动盘上对称设置有两个斜坡限制槽，每个斜坡限制槽和固定摩擦外圈之间搭接设置有游动限制柱，每个游动限制柱的表面搭接有摆动销，摆动销固定安装在摆动销支撑盘上，摆动销支撑盘与固定摩擦外圈转动配合。

优选地，两个保险组件中的内侧转动盘与对应的第一调节输出齿轮和第二调节输出齿轮通过传动轴固定连接，两个保险组件中的摆动销支撑盘与对应的第一变速箱和第二变速箱的输入轴固定连接。

优选地，所述减震组件固定安装在安装壳体内，安装壳体上设置有用于安装光纤的透镜安装座，所述安装壳体上还固定安装有用于反射光线的第一定镜面和第二定镜面。

本发明与现有技术相比具备以下有益效果：(1)本发明在相同利用空间面积的情况下，利用两个相同波长的激光芯片，可以通过偏振合束方法在保持光束质量的前提下获得更高的输出功率；(2)本发明可以利用两个不同波长的激光芯片，在保持光束质量的前提下可以获得更高的输出功率，进一步，可以用波长不同的更多组单元实现更多波长的合束；(3)本发明设置的减震组件，可以解决在震动环境下使用，因震动频率过高，可能会对激光器的腔镜造成影响，从而导致激光光路偏移，影响激光器的性能和寿命的问题，并且还能保证发出光线的稳定性。

附图说明

图1为本发明安装壳体结构示意图。

图2为本发明减震组件结构示意图。

图3为本发明垂直缓冲簧处结构示意图。

图4为本发明第一执行齿条处结构示意图。

图5为本发明图4中A处结构示意图。

图6为本发明第二执行齿条处结构示意图。

图7为本发明图6中B处结构示意图。

图8为本发明保险组件结构示意图。

图9为本发明保险组件结构正视图。

图10为本发明第一定镜面光线反射图。

图11为本发明第二定镜面光线反射图。

图12为本发明半导体激光器系统结构图。

图13为本发明单路激光器芯片光路图。

图14为本发明单激光器芯片光路图。

图中：101-第一定镜面；102-第一动镜面；103-第二定镜面；104-第二动镜面；201-移动缓冲板；202-垂直缓冲滑杆；203-垂直缓冲簧；204-固定缓冲板；2041-避让槽；205-水平缓冲滑杆；206-水平缓冲簧；207-第一动镜面调节滑杆；208-第一辅助簧；209-第二动镜面调节滑杆；210-第二辅助簧；301-第一执行齿条；302-第一调节输出齿轮；303-第一变速箱；304-第一调节齿条；305-第一调节输入齿轮；306-第二调节齿条；307-垂直滑动杆；308-第二调节齿条支架；309-第二调节输入齿轮；310-第二变速箱；311-第二调节输出齿轮；312-第二执行齿条；401-固定摩擦外圈；402-摆动销支撑盘；403-摆动销；404-游动限制柱；405-内侧转动盘；4051-斜坡限制槽；406-传动轴；5-安装壳体；6-透镜安装座；7-激光器；71-转向元件；72-激光芯片；73-快轴准直镜；74-慢轴准直镜；75-反射镜；76-聚焦透镜。

具体实施方式

下面结合附图1-图14，并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明提供一种小体积半导体激光器，其中激光器7由至少两个激光芯片72及转向元件71各自对应的快轴准直镜73和慢轴准直镜74，以及转向元件71和反射镜75构成，激光芯片72固定在台阶底板上，且台阶数与设置激光芯片72的数量相同，激光芯片72的出光方向与台阶面平行设置，激光芯片72的前方安装有快轴准直镜73，激光芯片72发出的光线经过对应的快轴准直镜73进入转向元件71中，经过两次反射转向180°至上层空间，再经过各自对应的慢轴准直镜74，对光线慢轴方向进行准直，准直后光束经过反射镜75反射旋转90°，朝向台阶下降的方向进行经过聚焦透镜76进行合束，用于将合束光聚焦至光纤端面(慢轴准直镜74的高度不大于阶梯的高度，不遮挡上、下级的光束，慢轴准直柱镜74则必须将本级的经反射镜75反射后的光束进行准直，同时又不能遮挡上级光束和下级未经慢轴准直镜74的光束，所以它的厚度要对应于台阶的高度)。

转向元件71的位置应尽量靠近快轴准直镜73，这样合束后的光束就可以更靠近，激光芯片72的光束在垂直方向上的重叠部分比例更多，达到最佳的面积复用。器件总面积大大缩小，对应的体积和重量也成比例减小。由于最低几级台阶上的激光芯片72的光束和慢轴准直镜74会延伸出去，结构在横向会增加一些面积，但是如果从总体来计算，总面积还是大大减小了。

合束后的光束通过聚焦透镜76聚焦到光纤的端面上，耦合到光纤内部。聚焦透镜76可以是单透镜，也可以是组合透镜。

当第一个激光芯片72和第二个激光芯片72发射光线波长相同时，半导体激光器包括合束单元，合束单元包括二分之一波片、发射镜以及偏振分光器件。二分之一波片将其中一路的合束光束的偏振方向旋转90°。然后用一个反射镜75将光束方向旋转90°，再用一个偏振分光器件，将两个基本单元的光束偏振合束为一束，合束光经过耦合光学元件耦合入光纤。通过偏振合束方法在保持光束质量的前提下获得更高的输出功率。

当第一个激光芯片72和第二个激光芯片72发射光线波长不同时，半导体激光器包括波分复用合束器件，例如镀膜型的波长合束片，则可以实现波长合束，在保持光束质量的前提下获得更高的输出功率。进一步，可以用波长不同的更多组单元实现更多波长的合束。

激光器7滑动安装在减震组件上，减震组件包括四个与激光器7滑动配设的垂直缓冲滑杆202，四个垂直缓冲滑杆202上环绕设置有用于吸能的垂直缓冲簧203，四个垂直缓冲滑杆202均固定安装在移动缓冲板201上，移动缓冲板201通过两个水平缓冲滑杆205滑动安装在固定缓冲板204上，并且水平缓冲滑杆205上环绕设置有用于吸能的水平缓冲簧206。移动缓冲板201上滑动安装有两个平行设置的第一动镜面调节滑杆207，两个第一动镜面调节滑杆207上固定安装有第一动镜面102，其中一个第一动镜面调节滑杆207上环绕设置有第一辅助簧208。固定缓冲板204上滑动安装有两个平行设置的第二动镜面调节滑杆209，两个第二动镜面调节滑杆209上固定安装有第二动镜面104，其中一个第二动镜面调节滑杆209上环绕设置有第二辅助簧210。移动缓冲板201上还滑动安装有第一执行齿条301，第一执行齿条301的其中一端与第一动镜面102固定连接，移动缓冲板201上固定安装有第一变速箱303，第一变速箱303输入轴上固定安装有第一调节输入齿轮305，在激光器7上固定安装有与第一调节输入齿轮305相啮合的第一调节齿条304，第一变速箱303的输出轴通过保险组件传动连接有与第一执行齿条301相啮合的第一调节输出齿轮302。固定缓冲板204上滑动安装有第二执行齿条312，第二执行齿条312的其中一端与第二动镜面104或第二动镜面调节滑杆209固定连接，固定缓冲板204上固定安装有第二变速箱310的输入轴上固定安装有第二调节输入齿轮309，固定缓冲板204上还通过第二调节齿条支架308滑动安装有第二调节齿条306，第二调节齿条306上固定安装有与第一调节齿条304滑动配合的垂直滑动杆307，第二变速箱310的输出轴上通过保险组件传动连接有与第二执行齿条312相啮合的第二调节输出齿轮311。

保险组件包括固定摩擦外圈401，固定摩擦外圈401内转动配设有内侧转动盘405，内侧转动盘405上对称设置有两个斜坡限制槽4051，每个斜坡限制槽4051和固定摩擦外圈401之间搭接设置有游动限制柱404，每个游动限制柱404的表面搭接有摆动销403，摆动销403固定安装在摆动销支撑盘402上，摆动销支撑盘402与固定摩擦外圈401转动配合。两个保险组件中的内侧转动盘405与对应的第一调节输出齿轮302和第二调节输出齿轮311通过传动轴406固定连接，两个保险组件中的摆动销支撑盘402与对应的第一变速箱303和第二变速箱310的输入轴固定连接。减震组件固定安装在安装壳体5内，安装壳体5上设置有用于安装光纤的透镜安装座6，安装壳体5上还固定安装有用于反射光线的第一定镜面101和第二定镜面103。

本发明公开的一种小体积半导体激光器的工作原理如下：激光器7发出的光线可以直接摄入聚焦透镜76进行合束，将合束光聚焦至光纤端面，当应用在震动的场景中，为了防止激光器受到震动和碰撞，以免影响其工作效果(若震动频率过高，可能会对激光器的腔镜造成影响，从而导致激光光路偏移，影响激光器的性能和寿命)，将聚焦透镜76设置在透镜安装座6的位置，此时让反射镜75反射的光线直接射在第一定镜面101上，经过第一定镜面101反射到第一动镜面102上(垂直反射90°)，然后再反射到第二定镜面103上，第二定镜面103再反射到第二动镜面104上(水平反射两次90°，最终角度没有改变，使其两束光线平行)，当激光器7受到震动的时候，激光器7会将部分能量传递到垂直缓冲簧203或水平缓冲簧206上，同时激光器7也会产生位移，该位移会导致第一调节齿条304或移动缓冲板201发生位移，第一调节齿条304位移会带动第一调节输入齿轮305转动，第一调节输入齿轮305转动会带动第一变速箱303的输入轴转动，第一变速箱303的输出轴通过保险组件带动第一调节输出齿轮302转动(其中保险组件中的摆动销支撑盘402会带动摆动销403转动，摆动销403转动会拨动游动限制柱404朝向斜坡限制槽4051的斜下方移动，使得斜坡限制槽4051与固定摩擦外圈401之间的空间增大，而另一侧对称设置的游动限制柱404会受到固定摩擦外圈401摩擦力的作用，做相同运动，此时摆动销403会拨动游动限制柱404然后带动内侧转动盘405在固定摩擦外圈401内转动，通过传动轴406传递到第一调节输出齿轮302或第二调节输出齿轮311上，当第一调节输出齿轮302或第二调节输出齿轮311作为主动件转动的时候，由于没有了摆动销403的作用，其中一个游动限制柱404会在固定摩擦外圈401摩擦力的作用下朝向斜坡限制槽4051的斜坡向上移动，使得与固定摩擦外圈401之间的空间尺寸减少，进而增加了固定摩擦外圈401和斜坡限制槽4051对游动限制柱404的挤压摩擦力，此时内侧转动盘405则无法在固定摩擦外圈401中转动，综上所述固定摩擦外圈401需要进行固定，防止固定摩擦外圈401发生转动)，第一调节输出齿轮302转动会带动第一执行齿条301移动，第一执行齿条301的移动会带动第一动镜面102移动，同理可知，当移动缓冲板201移动的时候，第一调节齿条304也会跟随移动(沿着水平缓冲簧206的轴向在避让槽2041中移动)，此时会通过垂直滑动杆307带动第二调节齿条306移动，第二调节齿条306移动会带动第二调节输入齿轮309转动，第二调节输入齿轮309转动会带动第二变速箱310的输入轴转动，第二变速箱310的输出轴就会通过保险组件带动第二调节输出齿轮311转动，第二调节输出齿轮311就会带动第二执行齿条312移动，第二执行齿条312会带动第二动镜面104移动，而设置的第二辅助簧210和第一辅助簧208，可以消除运动间隙，防止动力传递虚位的产生。由于第一定镜面101和第二定镜面103为固定不动的，在激光器7发生偏移的过程中，通过第一动镜面102和第二动镜面104对应的移动，可以将光线的偏移进行补偿，从而保证了从第二动镜面104射出的光线始终可以射入透镜安装座6上的聚焦透镜76中，通过聚焦透镜76进行合束，将合束光聚焦至光纤端面。

Claims (9)

1.一种小体积半导体激光器，其特征在于：包括激光器(7)，所述激光器(7)由至少两个激光芯片(72)及转向元件(71)各自对应的快轴准直镜(73)和慢轴准直镜(74)，以及转向元件(71)和反射镜(75)构成，所述激光芯片(72)固定在台阶底板上，且台阶数与设置激光芯片(72)的数量相同，激光芯片(72)的出光方向与台阶面平行设置，激光芯片(72)的前方安装有快轴准直镜(73)，激光芯片(72)发出的光线经过对应的快轴准直镜(73)进入转向元件(71)中，经过两次反射转向180°至上层空间，再经过各自对应的慢轴准直镜(74)，对光线慢轴方向进行准直，准直后光束经过反射镜(75)反射旋转90°，朝向台阶下降的方向进行经过聚焦透镜(76)进行合束，用于将合束光聚焦至光纤端面。

2.根据权利要求1所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述激光器(7)滑动安装在减震组件上，所述减震组件包括四个与激光器(7)滑动配设的垂直缓冲滑杆(202)，四个垂直缓冲滑杆(202)上环绕设置有用于吸能的垂直缓冲簧(203)，四个垂直缓冲滑杆(202)均固定安装在移动缓冲板(201)上，移动缓冲板(201)通过两个水平缓冲滑杆(205)滑动安装在固定缓冲板(204)上，并且水平缓冲滑杆(205)上环绕设置有用于吸能的水平缓冲簧(206)。

3.根据权利要求2所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述移动缓冲板(201)上滑动安装有两个平行设置的第一动镜面调节滑杆(207)，两个第一动镜面调节滑杆(207)上固定安装有第一动镜面(102)，其中一个第一动镜面调节滑杆(207)上环绕设置有第一辅助簧(208)。

4.根据权利要求3所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述固定缓冲板(204)上滑动安装有两个平行设置的第二动镜面调节滑杆(209)，两个第二动镜面调节滑杆(209)上固定安装有第二动镜面(104)，其中一个第二动镜面调节滑杆(209)上环绕设置有第二辅助簧(210)。

5.根据权利要求4所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述移动缓冲板(201)上还滑动安装有第一执行齿条(301)，第一执行齿条(301)的其中一端与第一动镜面(102)固定连接，所述移动缓冲板(201)上固定安装有第一变速箱(303)，第一变速箱(303)输入轴上固定安装有第一调节输入齿轮(305)，在激光器(7)上固定安装有与第一调节输入齿轮(305)相啮合的第一调节齿条(304)，第一变速箱(303)的输出轴通过保险组件传动连接有与第一执行齿条(301)相啮合的第一调节输出齿轮(302)。

6.根据权利要求5所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述固定缓冲板(204)上滑动安装有第二执行齿条(312)，第二执行齿条(312)的其中一端与第二动镜面(104)或第二动镜面调节滑杆(209)固定连接，所述固定缓冲板(204)上固定安装有第二变速箱(310)的输入轴上固定安装有第二调节输入齿轮(309)，所述固定缓冲板(204)上还通过第二调节齿条支架(308)滑动安装有第二调节齿条(306)，所述第二调节齿条(306)上固定安装有与第一调节齿条(304)滑动配合的垂直滑动杆(307)，所述第二变速箱(310)的输出轴上通过保险组件传动连接有与第二执行齿条(312)相啮合的第二调节输出齿轮(311)。

7.根据权利要求6所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述的保险组件包括固定摩擦外圈(401)，固定摩擦外圈(401)内转动配设有内侧转动盘(405)，内侧转动盘(405)上对称设置有两个斜坡限制槽(4051)，每个斜坡限制槽(4051)和固定摩擦外圈(401)之间搭接设置有游动限制柱(404)，每个游动限制柱(404)的表面搭接有摆动销(403)，摆动销(403)固定安装在摆动销支撑盘(402)上，摆动销支撑盘(402)与固定摩擦外圈(401)转动配合。

8.根据权利要求7所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：两个保险组件中的内侧转动盘(405)与对应的第一调节输出齿轮(302)和第二调节输出齿轮(311)通过传动轴(406)固定连接，两个保险组件中的摆动销支撑盘(402)与对应的第一变速箱(303)和第二变速箱(310)的输入轴固定连接。

9.根据权利要求8所述的一种小体积半导体激光器，其特征在于：所述减震组件固定安装在安装壳体(5)内，安装壳体(5)上设置有用于安装光纤的透镜安装座(6)，所述安装壳体(5)上还固定安装有用于反射光线的第一定镜面(101)和第二定镜面(103)。