CN201331604Y - 一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构 - Google Patents
一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构 Download PDFInfo
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Abstract
一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构。不同波长的两个半导体激光器芯片所发出的光，分别经各自的柱透镜在快轴方向准直后，经过一个对一个波长的光透射、另一个波长的光反射的双色镜合束，再经过一个透镜－光纤组件聚焦耦合到单一光纤输出。透镜－光纤组件被焊料直接焊到封装管壳的管口中。用本结构可从一根光纤获得双波长的光输出，应用在工业和医学等广泛的领域中，特别适用于以非可见光作为工作光源而需要可见光作为指示光的场合。
Description
技术领域
本实用新型提供了一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构。通过该结构可以从一根光纤中得到两种波长光的输出，特别适用于工作激光波长为不可见光，而同时需要可见光作为指示或引导光的情形。
背景技术
在工业、医学和科研领域中广泛地使用808nm、980nm、1064nm等红外激光作为工作光源。这些光属于不可见光，但在应用当中很多情况下需要知道这些工作光的传播路径和照射位置，这就需要可见波长的光来作指示或导引。通常的单个大功率激光光纤耦合器件不能够提供此项功能，因此在必要时常常是增加一个激光器以及相应的耦合光纤或耦合透镜系统，这样不可避免地增加了系统的复杂性和输出光纤的孔径，也就限制了激光器的应用。本实用新型解决了这个困难，可以在输出不可见工作光束的同时提供与其光路完全重合的可见光束。
此外常见的大功率半导体激光器光纤耦合结构是用一柱透镜将其快轴方向的光束准直后直接照射耦合到光纤中。这种结构的缺点在于光纤与柱透镜的距离必须很小(约数十微米)，而且光纤芯径要大于激光器的有源区。本实用新型使用透镜-光纤组件将经柱透镜准直的光束进行第二次整形聚焦，只要选择适当的聚焦镜参数，一方面可以增加激光器到透镜的距离，使得可以安置双色镜，以获得双波长输出，同时也可以配合一定的光纤数值孔径，使输出光纤芯径小于激光器有源区，获得更高的输出光功率密度。
发明内容
本实用新型解决了将发射不同波长的两个半导体激光器的输出耦合到单一光纤的问题。结构和原理示意图见图3。
激光器(1)和激光器(2)是发射波长分别为λ1和λ2的半导体激光器。二者都已经被烧结在一定形状和大小的热沉上，(3)是安装在激光器管芯前方的柱透镜，其功能是将激光器管芯(1)和(2)发出的非对称的发散光束(快轴发散角小于40°，慢轴发散角6°到10°)在快轴方向准直。一个透镜-光纤组件放置在激光器(1)前方，二者共轴。
在激光器(1)和透镜-光纤组件之间适当位置放置一片倾斜的双色镜，该双色镜相对于激光器(1)的光轴的倾斜角度范围为到10°到80°，其表面镀膜，对波长λ1的光透射，对波长λ2的光全反射，透射、反射的角度在10°到80°的范围内。
激光器(2)位于激光器(1)在双色镜中的镜像位置，它的经快轴方向准直的光束(5)经双色镜反射后与激光器(1)经快轴方向准直后经过双色镜透射的光束(4)共轴，达到合束的目的。合束光通过预先共轴安装好透镜(10)、限位环(13)和光纤插针(8)的透镜-光纤组件后，会聚成像到输出光纤(7)端面上，保证和曙光与透镜光纤组件共轴，光斑尺寸不大于光纤芯径，发散角小于光纤数值孔径对应的角度，即可达成高效耦合的目的。
透镜-光纤组件是光纤耦合的核心部分。其外部为一个圆形的套筒(12)，透镜(10)固定在套筒(12)内的一端，光纤插针(8)从另一端插入套筒(12)，光纤插针与透镜之间的距离用一个限位环(13)固定。
光纤(7)安装在圆柱形光纤插针(8)的中心，端面磨平、抛光，并镀增透膜。
透镜(10)为球面、非球面或自聚焦透镜。若透镜(10)直径小于光纤插针(8)外径，则将透镜(10)插入一个内径与之密配合的适配环(11)内，适配环(11)外径与光纤插针(8)一致，并与套筒(12)的内径为密配合，保证装入套筒(12)的透镜(10)和光纤插针(8)共轴，见图1；若透镜(10)直径等于光纤插针(8)外径，则可以省略适配环(11)，直接将其安装在套筒(12)一端，由套筒(12)保证透镜(10)和插针(8)的共轴，见图2。
套筒(12)为截面形状是圆形的圆筒，或筒壁沿轴向开通槽的截面呈“C”形的开口圆筒，由金属或陶瓷材料制成。
根据激光器的有源区尺寸、慢轴发散角、透镜参数以及所用的光纤芯径和数值孔径可以计算出最佳的耦合物距和像距。预先制做厚度等于像距的限位环(13)放在透镜(10)和光纤插针(8)之间，从而保证二者之间的距离。
对第二次整形，只需调整激光束与透镜-光纤组件的共轴，然后找出最佳耦合效率位置即可。由于透镜-光纤组件内部各元件是预先固定好的，不需要额外的固定和支持元件，因此在耦合过程中只需对其进行整体调节，装置和步骤都很简单，而且可以在管壳内的狭小空间中实施。在实际装配中，透镜-光纤组件内的透镜和光纤可能不完全共轴，但微调透镜-光纤组件和光束的相对位置仍然可以保证激光器光束聚焦在光纤纤芯上。
管壳(14)上制作一个用于引出光纤的圆形管口(15)，透镜-光纤组件即插入管口(12)内进行耦合调整。管口内径大于套筒(12)的外径，使套筒(12)在管口内有充分的调整空间，管口上部开口(16)，调整到最佳耦合状态后，通过开口(16)将焊料注入管口将套筒(12)焊装固定在管口(15)内，或用胶从开口注入将套筒(12)固定在管口(15)内，不需要额外的支撑元件，工艺简单可靠。见图4。
透由于激光器(1)和激光器(2)是不同的激光器，除了波长不同，其光束的发散角和有源区大小也会不同，但是只要保证聚焦后的光束发散角小于光纤的数值孔径角、聚焦后的光斑不大于纤芯直径、双色镜对二者的透射和反射率足够高，二者都可以获得大于85％的耦合效率。
附图说明
图1为透镜-光纤组件剖视图，其中透镜和套筒之间有适配环。
图2为透镜-光纤组件剖视图，透镜直接装入套筒，不需要限位环。
图3为将两种波长的半导体激光进行合束的方案示意图。
图4为激光器和透镜-光纤组件全部安装到管壳中的顶视示意图。
图中：1.发射波长为λ1的激光器，2.发射波长为λ2的激光器，3.柱透镜，4.波长为λ1的光束，5.波长为λ2的光束，6.双色镜，7.光纤，8.光纤插针，9.插针尾，10.透镜，11.透镜适配环，12.套筒，13.限位环，14.管壳，15.光纤引出管，16.管口上孔，17.密封胶。
具体实施方式
整体结构见图4。已经焊装在热沉上的发射波长为分别为λ1和λ2的半导体激光器(1)和激光器(2)，通过高精度的微调架和胶将柱透镜(3)安装到激光器的前方，使激光器快轴方向的光束得到准直并垂直于激光器的端面射出。将装好柱透镜的激光器(1)焊装在管壳(14)中，管壳(14)前方侧壁上开孔，连接一个用于引出光纤的管(15)，经柱透镜整形的光束相对管(15)的中心线对称分布，而且激光器到前管壁的距离适当。
在激光器(1)和管口(15)中间的位置安装一双色镜(6)，它对λ1波长透射、对λ2波长反射。双色镜倾斜放置，斜角度等于它对λ1的透射角(或对λ2的反射角)。
将光纤(7)装在光纤插针(8)中，用胶固定，并对其端面进行研磨、抛光，并镀增透膜。将透镜(10)装在适配环(11)中固定，再将安装了适配环(11)的透镜(10)粘接在套筒(12)内的一端，再将固定长度的限位环(13)装入套筒(12)，最后将光纤插针(8)从套筒(12)的另一端插入套筒(12)，顶紧限位环(13)。
将管壳(14)装在左右、俯仰二维转动微调装置上，将插针尾(9)夹持在三维平动微调装置上，安装了透镜的一端通过管壳侧壁上的光纤引出管(15)伸入管壳内，对准激光器(1)，光纤另一端对准光功率计。给激光器加电流，测量从光纤输出的光功率，反复进行五维调节，使透过双色镜的λ1光束(4)光轴与透镜-光纤组件光轴重合，并使光纤输出的光功率最大。这时将融化焊料从开口(16)注入管内，将套筒(12)在管内焊牢，或用胶注入开口(16)将套筒(12)粘牢。最后用密封胶(17)将套筒(12)、光纤插针(8)、插针尾(9)及管口(15)粘接在一起。卸下夹持插针尾的三维平动微调装置。将激光器(2)的热沉夹持在三维平动微调装置上，将激光器(2)置于激光器(1)在双色镜(6)的镜像对称位置附近。给激光器(2)加电流，测量从光纤输出的光功率。反复进行五维调整，使从双色镜反射的λ2光束(5)与透镜-光纤组件共轴，同时调整激光器(2)到双色镜(6)的距离，使得光纤输出的光功率最大，用粘接或焊接的方法将激光器(2)固定在管壳内。
对有源区200μm宽的激光器和芯径100μm、数值孔径0.22的光纤，使用焦距合适的透镜，使激光器和透镜距离约为5mm，有充分大的空间位置放置双色镜。此时透镜到光纤的距离约为0.95mm。可以获得对两种激光的耦合效率大于85％。
Claims (9)
1.一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：两个半导体激光器芯片发出的波长不同的光束被其各自前方的柱透镜在快轴方向进行准直，这两束激光照射在一片对两个波长的光分别透射和反射的双色镜上而分别被完全透射和完全反射形成共轴的合束光，合束光通过预先共轴安装好透镜、限位环和光纤插针的透镜-光纤组件会聚成像到输出光纤端面上完成耦合，并用金属焊料或胶直接将透镜-光纤组件焊装或胶粘在管壳的管口内。
2.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：双色镜表面镀膜，对第一个激光器的发光波长为透射，对第二个激光器的发光波长为反射，入射角范围为10°到80°。
3.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：第一个激光器和透镜-光纤组件共轴放置，双色镜倾斜一个角度放置在它们中间的位置，第二个激光器位于第一个激光器在双色镜中的镜像位置，双色镜相对于第一个激光器光束光轴的倾斜角度范围为10°到80°。
4.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：经过双色镜合束后的光束与透镜-光纤组件共轴，并被透镜聚焦成像于光纤端面的光纤芯上，光斑尺寸不大于光纤芯径。
5.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：透镜-光纤组件的外部为一个圆形的套筒，透镜固定在套筒内的一端，光纤插针从另一端插入套筒，光纤插针与透镜之间的距离用一个限位环固定。
6.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：透镜-光纤组件中的透镜为球面、非球面或自聚焦透镜，透镜直径与光纤插针外径一致，或透镜插入一个内径与之密配合并共轴的适配环内，适配环外径与光纤插针一致，适配环和光纤插针的外径与套筒内径为密配合，保证装入套筒后透镜和光纤插针为共轴。
7.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：透镜-光纤组件中的光纤安装在圆柱形光纤插针的中心，端面磨平、抛光，并镀增透膜。
8.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：透镜-光纤组件中的套筒为截面形状是圆形的圆筒，或筒壁沿轴向开通槽的截面呈“C”形的开口圆筒，由金属或陶瓷材料制成。
9.根据权利要求1所述的一种将两束不同波长的半导体激光耦合到单一光纤的结构，其特征为：管壳上用于引出光纤的管口，其内径大于套筒的外径，使套筒在管口内有充分的调整空间，管口上部开口，通过开口将焊料注入管口将套筒焊装固定在管口内，或用胶从开口注入将套筒固定在管口内。
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