CN207198398U - 一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统 - Google Patents
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Abstract
一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，包括半导体激光器、准直透镜、主镜、次镜、聚焦透镜和光纤；每个半导体激光器对应位置前设有准直透镜，每个半导体激光器平行准直对应主镜反光面；主镜和次镜均为反光镜，主镜中心设有供所有光束通过的孔洞；次镜设在主镜与半导体激光器之间，次镜位置与孔洞位置相对应；聚焦透镜设在主镜的出光侧，光纤入光端在聚焦透镜出光侧焦点处。本实用新型具有如下的优点：不仅组合简单方便，还可以增加数量来提高其耦合效率达至85%以上，实现产出高功率密度激光。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光技术领域，具体涉及一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统。
背景技术
通过光纤输出的半导体激光器具有广泛的应用领域。无论是激光手术刀、还是工业激光打标、切割或全固体激光器和光纤激光器，都需要具有良好的光束质量、高功率密度并且使用灵活的激光光源。将半导体激光器耦合入单根光纤再输出，可以满足这种需求。实现高功率密度光纤输出激光的方法有两种：一是提高单个半导体激光器的输出光功率密度；二是将多个半导体激光器芯片输出的光组合后输出。
依赖于耦合技术的改进是目前获得大功率和超大功率激光输出的主要途径。如专利申请号CN201120534542.9所述的一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统，包括多路激光器，一阶梯热沉，一聚焦透镜，一耦合光纤；所述激光器通过过渡热沉安装于所述阶梯热沉的阶梯平面上，每一所述激光器前依次设有与激光器输出光束同轴的一快轴准直透镜、一使激光器输出光束以同一方向反射至所述聚集透镜入射面的反射棱镜；每一所述激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等；所述聚集透镜出射面后设有与其同轴的所述耦合光纤；其中，所述反射棱镜为一全反射棱镜，所述全反射棱镜的入射面或出射面为一对所述激光器输出光束进行慢轴准直的柱面。此装置，激光器通过过渡热沉安装于所述阶梯热沉的阶梯平面上，且每一所述激光器前依次设有与激光器输出光束同轴的一快轴准直透镜，结构的安装与组合需要经过考虑和计算，相对复杂；同时，只使用了一阶梯热沉，所耦合的只是一个阶梯热沉上的半导体激光器芯片输出的光，虽效率有所提高，但是当数量再增多时便会因折射或反射产生过多的损耗导致耦合效率低。
因而，现有的多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，仍因其结构的原因存在着安装与组合复杂的不足；同时，其数量增加还会导致过多的损耗产生耦合效率低下和成本高的不足。
实用新型内容
本实用新型的目的是提供一种成本低廉的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，它不仅组合简单方便，还可以增加数量来提高其耦合效率，实现产出高功率密度激光。
本实用新型的目的是通过这样的技术方案实现的，将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统包括半导体激光器、准直透镜、主镜、次镜、聚焦透镜和光纤；每个半导体激光器对应位置前设有准直透镜，每个半导体激光器平行准直对应主镜反光面；主镜和次镜均为反光镜，主镜中心设有供所有光束通过的孔洞；次镜设在主镜与半导体激光器之间，次镜位置与孔洞位置相对应；聚焦透镜设在主镜的出光侧，光纤入光端在聚焦透镜出光侧焦点处。
在本实用新型中，每个半导体激光器对应位置前设有快轴准直镜和慢轴准直镜，准直透镜可分别对半导体激光器发出的光束的快轴和慢轴进行准直；每个半导体激光器平行准直对应主镜反光面，保证光束水平射到主镜上；主镜将光束反射至次镜上，二次反射光束穿过主镜的孔洞后设在聚焦透镜上；光纤入光端在聚焦透镜出光端焦点处，光束经聚焦透镜聚焦后耦合进光纤。本实用新型中的半导体激光器可多层次排列布置，可以单层或多层圆形排列布置，也可以是单层或多层方形排列布置，还可以是不规则形状排列布置。
由于采用了上述技术方案，本实用新型具有如下的优点：不仅组合简单方便，还可以增加数量来提高其耦合效率达至85%以上，实现产出高功率密度激光。
附图说明
图1是本实用新型的一种光束示意图；
图2是本实用新型的半导体激光器的排列布置的第一种示意图；
图3是本实用新型的半导体激光器的排列布置的第二种示意图。
图中：1.半导体激光器；2.准直透镜；3.主镜；4.次镜；5.聚焦透镜；6.光纤；7.孔洞；8.光束；9快轴准直镜；10慢轴准直镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1至图3所示，本实用新型包括半导体激光器1、准直透镜2、主镜3、次镜4、聚焦透镜5和光纤6；每个半导体激光器1对应位置前设有准直透镜3，每个半导体激光器1平行准直对应主镜3反光面；主镜3和次镜4均为反光镜，主镜3中心设有供所有光束通过的孔洞7；次镜4设在主镜3与半导体激光器1之间，次镜4位置与孔洞7位置相对应；聚焦透镜5设在主镜3的出光侧，光纤6入光端在聚焦透镜5出光端焦点处。
在本实用新型中，每个半导体激光器1对应位置前设有快轴准直镜和慢轴准直镜，准直透镜2可分别对半导体激光器1发出的光束8的快轴和慢轴进行准直；每个半导体激光器1平行准直对应主镜3反光面，保证光束8水平射到主镜3上；主镜3将光束8反射至次镜4上，二次反射光束8穿过主镜3的孔洞7后设在聚焦透镜5上；光纤6入光端在聚焦透镜5出光端焦点处，光束8经聚焦透镜5聚焦后耦合进光纤6。
如图2和图3所示，本实用新型中的半导体激光器1可多层次排列布置，可以单层或多层圆形排列布置，也可以是单层或多层方形排列布置，还可以是不规则形状排列布置。保证所有光束8均能平行准直对应主镜3反光面上。
进一步的，本实用新型中，准直透镜2、主镜3、次镜4、聚焦透镜5的曲面的曲线满足方程式：z=cr²/(1+√(1-1+kc²r²))，其中，c为曲率，c=1/R，R为曲率半径，k为二次曲率系数，c=1/ R，R为曲率半径，k为二次曲率系数，r为曲面上点到z轴的距离。
本实用新型中，如图1所示，准直透镜2（快轴准直透镜9和慢轴准直透镜10）、主镜3、次镜4、聚焦透镜5的取值参数范围：
| 透镜 | 厚度（mm） | 半高（mm） | R1 | k1 | R2 | k2 |
| 快轴准直镜 | 2.8～3.3 | 2.9～4 | 0 | 0 | -2.0362～-2.2362 | -0.4～-0.6 |
| 慢轴准直镜 | 2.8～3.3 | 3～5 | 0 | 0 | -3.6～ -3.8 | -0.4～ -0.6 |
| 聚焦透镜 | 4～6 | 4.5～7 | 0 | 0 | -2.9～ -3.1 | -2～ -3 |
| 主镜 | - | 15～30 | -24.9～-25.1 | -1～-1.4 | - | - |
| 次镜 | - | 3.5～5 | -4.15～-4.35 | -1.2～-1.5 | - | - |
其中，厚度即每个透镜的厚度，半高即透镜中心至透镜边缘的垂直距离，r1、k1为透镜一面的取值，r2、k2为透镜的另一面的取值，“-”表示没有。
在本实用新型另一实施例中，取值如下：
| 透镜 | 厚度（mm） | 半高（mm） | R1 | k1 | R2 | k2 |
| 快轴准直镜 | 3.1529 | 3 | 0 | 0 | -2.1362 | -0.5425 |
| 慢轴准直镜 | 3 | 3 | 0 | 0 | -3.7 | -0.5 |
| 聚焦透镜 | 5 | 5 | 0 | 0 | -3 | -2.5 |
| 主镜 | - | 20 | -25 | -1 | - | - |
| 次镜 | - | 4 | -4.25 | -1.2 | - | - |
其中，厚度即每个透镜的厚度，半高即透镜中心至透镜边缘的垂直距离，r1、k1为透镜一面的取值，r2、k2为透镜的另一面的取值，“-”表示没有。
半导体激光器发出的激光光束波长的使用范围400nm-780nm的可见光。光纤使用范围芯径200um-1000um，数值孔径0.2-0.4，使用上述透镜参数得到耦合效率如下：
光纤芯径200-400um耦合效率50%以上；
光纤芯径400-600um耦合效率70%以上；
光纤芯径大于600um耦合效率85%以上。
进一步地，准直透镜2为一个或一个以上的球面镜、非球面镜或者是柱面镜；如图1所示，准直镜2为两个透镜的组合，分别为快轴准直透镜9和慢轴准直透镜10，分别对光束8的快轴和慢轴进行准直。
进一步地，聚焦透镜5可以是一个球面透镜或非球面透镜或多个透镜组成的透镜组。如图1所示，使用的是一个非球面透镜，其主要作用便是将由次镜4反射的所有光束8进行聚焦耦合进入光纤6中。
进一步地，主镜3和次镜4为球面镜或非球面镜；其目的主要是完成对半导体激光器1发出的光束8的两次反射，并保证光束8能够全部通过孔洞7反射到聚焦透镜5上。
进一步地，准直透镜2和聚焦透镜5的入射面或/和出射面镀增透膜；增透膜的设置，可以增加光束8的透光率，提高光束8的耦合效率。
进一步地，在本实用新型中，主镜3和次镜4的反射面可镀反射膜；反射膜可以更好的对光束8起到反射的作用，提高光束8的耦合效率。
Claims (12)
1.一种将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：包括半导体激光器（1）、准直透镜（2）、主镜（3）、次镜（4）、聚焦透镜（5）和光纤（6）；每个半导体激光器（1）对应位置前设有准直透镜（2），每个半导体激光器（1）平行准直对应主镜（3）反光面；主镜（3）和次镜（4）均为反光镜，主镜（3）中心设有供所有光束通过的孔洞（7）；次镜（4）设在主镜（3）与半导体激光器（1）之间，次镜（4）位置与孔洞（7）位置相对应；聚焦透镜（5）设在主镜（3）的出光侧，光纤（6）入光端在聚焦透镜（5）出光端焦点处。
2.根据权利要求1所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：准直透镜（2）、主镜（3）、次镜（4）、聚焦透镜（5）的曲面的曲线满足方程式：z=cr²/(1+√(1-（1+k）c²r²))，其中，c为曲率，c=1/R，R为曲率半径，k为二次曲率系数，c=1/ R，R为曲率半径，k为二次曲率系数，r为曲面上点到z轴的距离。
3.根据权利要求1或2所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：准直透镜（2）为一个或一个以上的球面镜、非球面镜或柱面镜。
4.根据权利要求1或2所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：聚焦透镜（5）可以是一个球面透镜或非球面透镜或多个透镜组成的透镜组。
5.根据权利要求3所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：聚焦透镜（5）可以是一个球面透镜或非球面透镜或多个透镜组成的透镜组。
6.根据权利要求1、2或5所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：主镜（3）和次镜（4）为球面镜或非球面镜。
7.根据权利要求3所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：主镜（3）和次镜（4）为球面镜或非球面镜。
8.根据权利要求4所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：主镜（3）和次镜（4）为球面镜或非球面镜。
9.根据权利要求1、2、5、7或8所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：准直透镜（2）和聚焦透镜（5）的入射面或/和出射面镀增透膜。
10.根据权利要求3所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：准直透镜（2）和聚焦透镜（5）的入射面或/和出射面镀增透膜。
11.根据权利要求4所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于：准直透镜（2）和聚焦透镜（5）的入射面或/和出射面镀增透膜。
12.根据权利要求6所述的将多分路半导体激光耦合进单根光纤的耦合系统，其特征在于准直透镜（2）和聚焦透镜（5）的入射面或/和出射面镀增透膜。
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