CN201674110U - 一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置 - Google Patents
一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置。所述装置包括半导体激光列阵、快轴准直透镜、合束镜、慢轴准直透镜和聚焦透镜；所述半导体激光列阵由至少两个芯片组成，每个芯片对应设置一个快轴准直透镜；所述合束镜位于快轴准直透镜和慢轴准直透镜之间；所述慢轴准直透镜位于合束镜和聚焦透镜之间。本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置只需依次装调快轴准直透镜，就可以实现各激光束在快轴方向上的准直且平行，结构紧凑，操作简单，不需精密元件，造价低。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，属于半导体激光的应用技术领域。
背景技术
高功率半导体激光广泛应用于工业、医疗和国防领域。然而，光束的发散以及相对低的功率限制了其广泛应用。垂直于半导体激光发射面方向的光束发散角大于平行于半导体激光发射面方向的光束发散角，这样导致半导体激光的光斑为椭圆形，在过去的设计方案中，虽然有用光学元件来合成多个半导体激光实现高功率的单束激光，但这些方案复杂且难以实现。
美国专利US4826269公开了一种形成高亮度光束的装置，该装置含多个半导体激光器，它们等间距地分布成弧形，并指向弧形的中心；每个半导体激光器对应有两个柱面透镜，这些柱面透镜分布在两个弧形面上，每个激光束经对应的柱面透镜组汇聚成像在指定区域，形成高亮度高功率的激光束。在这样的装置中有以下缺点：由于散热需要激光器的间距无法减小，导致使用大口径的光学元件来维持激光束的亮度，使得体积大成本高；其次，由于激光器的指向各异，导致装调这些光学元件极为困难，难以保证精度。
美国专利US5185758公开了一种由多个激光形成高功率泵浦源的光学系统，该系统含有多个激光器，并分布在一个平面上，每个激光器由一个准直透镜对其激光束进行准直，这些准直透镜也分布在同一平面上，所有准直的激光光束经一个聚焦透镜耦合进入光纤或激光晶体。在这个的系统中，各准直光束平行即同向，有利于装调准直透镜，但也有同样的缺点，即由于散热需要激光器的间距无法减小，导致使用大口径的光学元件来维持激光束的亮度，使得体积大成本高。
美国专利US7586963公开了一种模块式半导体激光的装置，该装置中含有多个激光器，这些激光器分布成阶梯状，即激光器依次往后和上分布，前后错开的间距由热沉、激光芯片和快轴准直透镜大小确定，上下错开的间距由快轴准直透镜的焦距确定。该装置具有同一指向且灵活设置上下间距等优点，但在实际生产中也有致命缺点。即要求各激光器一致性好，准直后的激光器才能适应阶梯上任何位置；阶梯面的平行度高，才能保证各激光束仍维持同一指向。因此，导致精密加工的成本高和成品率低，不利于规模生产。
实用新型内容
本实用新型针对现有半导体激光装置产生的激光束在快轴方向上很难实现准直且平行的不足，提供一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置包括半导体激光列阵、快轴准直透镜、合束镜、慢轴准直透镜和聚焦透镜；所述半导体激光列阵由至少两个芯片组成，每个芯片对应设置一个快轴准直透镜，所述快轴准直透镜用于使半导体激光列阵产生的激光束在快轴方向上准直且相互平行；所述合束镜位于快轴准直透镜和慢轴准直透镜之间，所述合束镜用于使左右错开的激光束在慢轴方向上与快轴方向相重叠且依次排列；所述慢轴准直透镜位于合束镜和聚焦透镜之间，所述慢轴准直透镜用于使多个激光束合成为单个激光束，再经聚焦透镜的聚焦进入单根光纤。
本实用新型的有益效果是：本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置只需依次装调快轴准直透镜，就可以实现各激光束在快轴方向上的准直且平行，结构紧凑，操作简单，不需精密元件，造价低。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还可以做如下改进。
进一步，所述至少两个芯片呈阶梯分布排列，所述至少两个芯片的发射面位于同一平面上，相邻的两个芯片上下错开一定的距离，左右错开一定的距离。
进一步，所述合束镜为正焦柱透镜或者棱镜，如果所述合束镜为正焦柱透镜，则在正焦柱透镜的焦线上合束慢轴方向的光束，如果所述合束镜为棱镜，则靠平移个激光束在慢轴方向的位置实现合束。
进一步，所述半导体激光列阵的个数为一个。
进一步，所述半导体激光列阵的个数为至少两个。
进一步，所述合束镜为正焦柱透镜时，所述慢轴准直透镜包括一组柱透镜，该组中柱透镜的数量和半导体激光列阵的数量相等，各个柱透镜的焦距是相等的，离轴量是不相等，透过该组柱透镜的光束在慢轴方向上准直且相互平行。
进一步，该组中各个柱透镜上只保留有效通光孔径部分。
进一步，所述合束镜为棱镜时，所述合束镜包括一组平行四边棱镜，所述平行四边棱镜的长度由产生合束光的位置来确定。
所述平行四边棱镜的个数取决于合束光的位置。当合束光位于半导体激光列阵任一芯片时，该芯片发出的光在慢轴方向不需要平行四边棱镜产生平移，因而平行四边棱镜的个数较芯片总数少一。当合束光位于其它位置时，平行四边棱镜的个数等于芯片总数。
进一步，所述产生合束光的位置为半导体激光列阵的端点或者中间或者慢轴轴线两侧的任意位置处。
进一步，所述聚焦透镜为单透镜或者双胶合透镜或者至少两个透镜的组合。
附图说明
图1为本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置实施例一的结构示意图；
图2为图1的主视图；
图3为图1的俯视图；
图4为本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置实施例二的结构示意图；
图5为图4的主视图；
图6为图4的俯视图；
图7为本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置实施例三的结构示意图；
图8为图7的主视图；
图9为图7的俯视图；
图10为本实用新型实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置实施例四的结构示意图；
图11为图10的主视图；
图12为图10的俯视图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
实施例1：
如图1-3所示，阶梯状半导体激光列阵10由多芯片组成，如11a、11b...等，图示中以五个芯片为代表。芯片11a、11b...的发射面在同一平面上，上下左右错开一定距离，例如上下错开1mm，左右错开6mm。每个芯片11对应一个快轴准直透镜12，调整快轴准直透镜12的位置，使得各激光束16a、16b...在快轴方向上准直且平行。在快轴准直镜12后放置一正焦柱透镜合束镜13，正焦柱透镜13不改变快轴方向的光束，仅汇聚慢轴方向的光束，使得各激光束16a、16b...在慢轴方向汇聚在该正焦柱透镜的焦线17处，而在快轴方向仍按1mm的间距依次排列。在正焦柱透镜13的焦线上放置一个慢轴准直透镜14，慢轴准直透镜14由一组柱透镜14a、14b...组成，其焦距长度的选择正好对来自芯片11a、11b...的激光束16a、16b...在慢轴方向上准直；柱透镜14a、14b...的离轴量选择正好使得激光束16a、16b...经柱透镜14a、14b...后在慢轴方向上准直且平行。激光束16a、16b...在慢轴准直透镜后合成为单束激光。与芯片11a、11b...对应，柱透镜14a、14b...的厚度均选为1mm。合成后的激光束经聚焦透镜15，聚焦在其焦点18上，将光纤入射端面放置在焦点18处实现激光束的光纤耦合输出。
实施例2：
如图4-6所示，为了进一步提高激光器的输出总功率，半导体激光列阵可以是多个阶梯状半导体激光列阵，现以两个为例，即阶梯状半导体激光列阵10和20，它们的位置关系是上下前后错开一定距离。图示中上下错开5mm，前后错开的距离选择原则是两阶梯状半导体列阵尽量小，但相互间不干涉。
阶梯状半导体激光列阵10由多芯片组成，如11a、11b...等，图示中以五个芯片为代表。芯片11a、11b...的发射面在同一平面上，上下左右错开一定距离，例如上下错开1mm，左右错开6mm。每个芯片11对应一个快轴准直透镜12，调整快轴准直透镜12的位置，使得各激光束16a、16b...在快轴方向上准直且平行。在快轴准直镜12后放置一正焦柱透镜合束镜13，正焦柱透镜13不改变快轴方向的光束，仅汇聚慢轴方向的光束，使得各激光束16a、16b…在慢轴方向汇聚在该正焦柱透镜的焦线17处，而在快轴方向仍按1mm的间距依次排列。在正焦柱透镜13的焦线上放置一个慢轴准直透镜14，慢轴准直透镜14由一组柱透镜14a、14b...组成，其焦距长度的选择正好对来自芯片11a、11b...的激光束16a、16b...在慢轴方向上准直；柱透镜14a、14b...的离轴量选择正好使得激光束16a、16b...经柱透镜14a、14b...后在慢轴方向上准直且平行。
阶梯状半导体激光列阵20由多芯片组成，如21a、21b...等，图示中以五个芯片为代表。芯片21a、21b...的发射面在同一平面上，上下左右错开一定距离，例如上下错开1mm，左右错开6mm。每个芯片21对应一个快轴准直透镜22，调整快轴准直透镜22的位置，使得各激光束26a、26b...在快轴方向上准直且平行。在快轴准直镜22后放置一正焦柱透镜合束镜23，正焦柱透镜23不改变快轴方向的光束，仅汇聚慢轴方向的光束，使得各激光束26a、26b...在慢轴方向汇聚在该正焦柱透镜的焦线27处，而在快轴方向仍按1mm的间距依次排列。在正焦柱透镜23的焦线上放置一个慢轴准直透镜24，慢轴准直透镜24由一组柱透镜24a、24b...组成，其焦距长度的选择正好对来自芯片21a、21b...的激光束26a、26b...在慢轴方向上准直；柱透镜24a、24b...的离轴量选择正好使得激光束26a、26b...经柱透镜24a、24b...后在慢轴方向上准直且相互平行。
激光束16a、16b...和26a、26b...在慢轴准直透镜后合成为单束激光。合成后的激光束经聚焦透镜25，聚焦在其焦点28上，将光纤入射端面放置在焦点28处实现激光束的光纤耦合输出。
实施例3：
如图7-9所示，阶梯状半导体激光列阵30由多芯片组成，如31a、31b...等，图示中以五个芯片为代表。芯片31a、31b...的发射面在同一平面上，上下左右错开一定距离，例如上下错开1mm，左右错开6mm。每个芯片31对应一个快轴准直透镜32，调整快轴准直透镜32的位置，使得各激光束36a、36b...在快轴方向上准直且平行。在快轴准直镜32后放置一棱镜合束镜33，棱镜33由一组相对应长度的平行四边棱镜33a、33b...组成，它们不改变快轴方向的光束，仅在慢轴方向平移光束，例如，使得激光束36a、36b...在慢轴方向分别平移24mm、18mm...到最后一个激光束的位置，而在快轴方向仍按1mm的间距依次排列。慢轴准直透镜34由一组柱透镜34a、34b...组成，调焦柱透镜34a、34b...的位置使得激光束36a、36b...在慢轴方向上准直且相互平行。激光束36a、36b...在慢轴准直透镜后合成为单束激光。与芯片31a、31b...对应，四边棱镜33a、33b...和柱透镜34a、34b...的厚度均选为1mm。合成后的激光束经聚焦透镜35，即可实现激光束的光纤耦合输出。
实施例4：
如图10-12所示，阶梯状半导体激光列阵40由多芯片组成，如41a、41b...等，图示中以五个芯片为代表。芯片41a、41b...的发射面在同一平面上，上下左右错开一定距离，例如上下错开1mm，左右错开6mm。每个芯片41对应一个快轴准直透镜42，调整快轴准直透镜42的位置，使得各激光束在快轴方向上准直且平行。在快轴准直镜42后放置一棱镜合束镜43，棱镜43由一组相对应长度的平行四边棱镜43a、43b...组成，它们不改变快轴方向的光束，仅在慢轴方向平移光束，例如，使得激光束在慢轴方向分别平移12mm和6mm到中间一个激光束的位置，而在快轴方向仍按1mm的间距依次排列。
以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于包括半导体激光列阵、快轴准直透镜、合束镜、慢轴准直透镜和聚焦透镜；所述半导体激光列阵由至少两个芯片组成，每个芯片对应设置一个快轴准直透镜，所述快轴准直透镜用于使半导体激光列阵产生的激光束在快轴方向上准直且相互平行；所述合束镜位于快轴准直透镜和慢轴准直透镜之间，所述合束镜用于使左右错开的激光束在慢轴方向上与快轴方向相重叠且依次排列；所述慢轴准直透镜位于合束镜和聚焦透镜之间，所述慢轴准直透镜用于使多个激光束合成为单个激光束，再经聚焦透镜的聚焦进入单根光纤。
2.根据权利要求1所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述至少两个芯片呈阶梯分布排列，所述至少两个芯片的发射面位于同一平面上，相邻的两个芯片上下错开一定的距离，左右错开一定的距离。
3.根据权利要求1所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述合束镜为正焦柱透镜或者棱镜。
4.根据权利要求1所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述半导体激光列阵的个数为一个。
5.根据权利要求1所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述半导体激光列阵的个数为至少两个。
6.根据权利要求3所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述合束镜为正焦柱透镜时，所述慢轴准直透镜包括一组柱透镜，该组中柱透镜的数量和半导体激光列阵的数量相等，各个柱透镜的焦距是相等的，离轴量是不相等，透过该组柱透镜的光束在慢轴方向上准直且相互平行。
7.根据权利要求6所述的慢轴准直透镜，其特征在于，该组中各个柱透镜上只保留有效通光孔径部分。
8.根据权利要求3所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述合束镜为棱镜时，所述合束镜包括一组平行四边棱镜，所述平行四边棱镜的长度由产生合束光的位置来确定。
9.根据权利要求8所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述产生合束光的位置为半导体激光列阵的端点或者中间或者慢轴轴线两侧的任意位置处。
10.根据权利要求1所述的实现半导体激光列阵光束重组和光纤耦合的装置，其特征在于，所述聚焦透镜为单透镜或者双胶合透镜或者至少两个透镜的组合。
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