CN207884063U - 一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统，包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜、慢轴聚焦柱透镜和输出光纤；其中，每一激光单元包括半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜，半导体激光单管发出的激光依次经过快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜后，在快轴方向上进行空间叠加；叠加后的激光分别经过快轴聚焦柱透镜和慢轴聚焦柱透镜聚焦后，耦合进输出光纤。通过上述方式，本实用新型实施例能够提高激光系统输出激光的亮度。

Description

一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统

技术领域

本实用新型实施例涉及激光技术领域，特别是涉及一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统。

背景技术

高功率光纤激光器以其稳定可靠、免维护的优点，正逐步取代传统的气体、固体激光器，成为薄板金属切割、焊接领域的重要加工工具。

目前，高功率光纤激光器普遍使用多个半导体激光单管作为其泵浦源，每一半导体激光单管可以实现几瓦至十几瓦的功率输出。半导体激光单管1的工作示意图如图1所示，其X方向(慢轴方向)发光区为几十到数百微米，发散角一般为8°-12°(半高全宽)，其Y方向(快轴方向)发光区为1-2微米，发散角一般为25°-35°(半高全宽)，可见，两个方向的光束质量相差数十倍。

一种典型的高功率光纤激光器的激光系统如图2所示，其包括多个激光单元和一个球面聚焦透镜5，其中，每一激光单元又包括：半导体激光单管1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3和反射镜4。各半导体激光单管1的输出激光分别经过各自的快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直后，再在Y方向(快轴方向)上进行空间叠加，之后经过球面聚焦透镜5聚焦后耦合进输出光纤6。

因半导体激光单管1发出的激光在快轴方向和慢轴方向的光束质量差别很大，因此在输出光纤6的端面处的激光光斑往往呈“长条形”，如图3所示；由于未充分利用输出光纤6的整个纤芯面积，导致激光系统输出激光的亮度大大低于光纤耦合前激光的亮度。

实用新型内容

本实用新型实施例主要解决的技术问题是提供一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统，通过双聚焦柱透镜分别在快轴和慢轴方向上对激光单元发出的激光进行聚焦，能够提高激光系统输出激光的亮度。

本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统，包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜、慢轴聚焦柱透镜和输出光纤；其中，

每一所述激光单元包括半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜，所述半导体激光单管发出的激光依次经过所述快轴准直镜、所述慢轴准直镜和所述反射镜后，在快轴方向上进行空间叠加；

叠加后的激光分别经过所述快轴聚焦柱透镜和所述慢轴聚焦柱透镜聚焦后，耦合进所述输出光纤。

可选地，所述快轴聚焦柱透镜为球面柱透镜，或者为非球面柱透镜；

所述慢轴聚焦柱透镜为球面柱透镜，或者为非球面柱透镜。

可选地，所述快轴聚焦柱透镜为单柱透镜，或者为复合柱透镜；

所述慢轴聚焦柱透镜为单柱透镜，或者为复合柱透镜。

可选地，所述快轴聚焦柱透镜和所述慢轴聚焦柱透镜为独立的2个柱透镜，或者为组合在一起的一个器件。

可选地，所述多个激光单元的激光的叠加方式包括以下任意一种或多种方式的组合：空间叠加、偏振叠加、波长叠加。

可选地，所述反射镜上镀有高反射率介质膜。

在一些实施例中，所述多个激光单元的相邻激光单元之间保持一固定的高度差。

可选地，所述系统还包括：

呈阶梯状分布的多个热沉，所述多个激光单元的半导体激光单管分别对应设于所述多个热沉上。

在一些实施例中，所述多个激光单元的反射镜在同一平面上错落设置。

可选地，所述系统还包括：

基座，所述多个激光单元的半导体激光单管均设于所述基座上。。

本实用新型实施例的有益效果是：区别于现有技术的情况，本实用新型实施例的光纤耦合激光系统包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜、慢轴聚焦柱透镜和输出光纤，多个激光单元发出的激光在快轴方向上进行空间叠加后，经过快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜分别聚焦，耦合进输出光纤，输出光纤的端面处的激光光斑可近似呈“正方形”，通过充分利用输出光纤的纤芯面积，提高了激光系统输出激光的亮度。

附图说明

图1是半导体激光单管的工作示意图；

图2是现有技术的高功率光纤激光器的激光系统的结构示意图；

图3是现有技术的激光系统的输出光纤的端面处的激光光斑示意图；

图4是本实用新型实施例的光纤耦合激光系统的结构示意图；

图5是本实用新型实施例的光纤耦合激光系统的输出光纤的端面处的激光光斑示意图；

图6是本实用新型一实施例的光纤耦合激光系统的侧视图。

具体实施方式

为了便于理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例，对本实用新型进行更详细的说明。需要说明的是，当元件被表述“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。当一个元件被表述“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件、或者其间可以存在一个或多个居中的元件。本说明书所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本说明书中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是用于限制本实用新型。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请参阅图4，图4为本实用新型实施例提供的光纤耦合激光系统的结构示意图，该系统包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜7、慢轴聚焦柱透镜8和输出光纤6，其中，每一激光单元包括半导体激光单管1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3和反射镜4，半导体激光单管1发出的激光依次经过快轴准直镜2、慢轴准直镜3和反射镜4后，在快轴方向上进行空间叠加。

叠加后的激光分别经过快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8聚焦后，耦合进输出光纤6。由于可以根据半导体激光单管1发出的激光在快轴方向和慢轴方向上的光束质量特性，分别对快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8进行参数优化。因此本实施例中，通过双聚焦柱透镜分别在快轴和慢轴方向上对激光单元发出的激光进行聚焦后，输出光纤6的端面处的激光光斑可近似呈“正方形”，如图5所示。通过充分利用输出光纤6的纤芯面积，提高了激光系统输出激光的亮度。

快轴聚焦柱透镜7可以为球面柱透镜，也可以为非球面柱透镜；慢轴聚焦柱透镜8可以为球面柱透镜，也可以为非球面柱透镜。与球面柱透镜相比，非球面柱透镜具有更佳的曲率半径，其曲率半径从中心到边缘可连续发生变化，以维持良好的像差修正。在实际应用中，可根据需要的性能、成本、尺寸等因素选择球面柱透镜或非球面柱透镜。

快轴聚焦柱透镜7可以为单柱透镜，也可以为复合柱透镜；同样地，慢轴聚焦柱透镜8也可以为单柱透镜，或者为复合柱透镜。

在一实施例中，快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8为独立的2个柱透镜。在另一实施例中，快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8为组合在一起的一个器件。

多个激光单元的激光的叠加方式包括以下任意一种或多种方式的组合：空间叠加、偏振叠加、波长叠加，如，多个激光单元的激光可通过空间叠加方式叠加，也可通过空间叠加和偏振叠加方式叠加。

可选地，反射镜4上镀有高反射率介质膜，即高反射膜，以提高入射光的反射率。

可选地，多个半导体激光单管1之间串联，采用串联的方式能够降低驱动电流，整个激光系统的驱动电流小，降低了对激光驱动电源的要求。

在一些实施例中，如图6所示，多个激光单元的相邻激光单元1之间保持一固定的高度差，半导体激光单管1发出的激光依次经过快轴准直镜2、慢轴准直镜3准直后，由不同高度的反射镜4反射到快轴聚焦柱透镜7上。因相邻激光单元1之间保持一固定的高度差，反射镜4反射的激光两两之间不相互遮挡。

可选地，该系统还包括：呈阶梯状分布的多个热沉，多个激光单元的半导体激光单管1分别对应设于多个热沉上。具体实施时，一半导体激光单管1焊接到一热沉上，可先将半导体激光单管1焊接到陶瓷基板上，再将陶瓷基板焊接到热沉上，然后再将多个半导体激光单管1串联起来发光。通过多个热沉将热分散开来可以很好地解决发热集中的问题，从而提高半导体激光单管1的寿命和激光系统的稳定性。

在一些实施例中，多个激光单元的反射镜4在同一平面上错落设置，同样可以使得反射镜4反射的激光两两之间不相互遮挡，具体地，反射镜4到快轴聚焦柱透镜7的距离越近，与对应的慢轴准直镜3的距离越小。

可选地，该系统还包括：基座，多个激光单元的半导体激光单管1均设于基座上，半导体激光单管1底部与基座连接。可以理解，该基座的作用与热沉的作用相同，半导体激光单管1与基座的连接方式也可与热沉的连接方式相同。

本实用新型实施例的光纤耦合激光系统包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜7、慢轴聚焦柱透镜8和输出光纤6，多个激光单元发出的激光在快轴方向上进行空间叠加后，经过快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8分别聚焦，耦合进输出光纤6，输出光纤6的端面处的激光光斑可近似呈“正方形”，通过充分利用输出光纤6的纤芯面积，提高了激光系统输出激光的亮度。

根据上述实施例，本实用新型还提供一具体实现方式，在该具体实现方式中，光纤耦合激光系统包括：8个激光单元、快轴聚焦柱透镜7、慢轴聚焦柱透镜8和输出光纤6，相邻激光单元之间的高度差为0.35毫米。

每一激光单元包括：半导体激光单管1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3和反射镜4。半导体激光单管1的输出功率为12瓦，输出波长为915纳米，其慢轴方向发光区为90微米，发散角为8°(半高全宽)，其快轴方向发光区为1微米，发散角为28°(半高全宽)；快轴准直镜2为焦距等于0.3毫米的非球面柱透镜，慢轴准直镜3为焦距等于10毫米的球面柱透镜。

各半导体激光单管1发出的激光，分别经过对应的快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直后，入射至反射镜4，反射镜4上镀有高反射率介质膜，在入射角45±3°内对915纳米光的反射率大于99.5％。反射镜4将8个激光单元发出的激光在快轴方向进行空间叠加，并确保各激光单元最终输出的激光的指向性一致。

快轴聚焦柱透镜7的焦距为16毫米，慢轴聚焦柱透镜8的焦距为8毫米。8个激光单元最终输出的激光经过快轴聚焦柱透镜7和慢轴聚焦柱透镜8聚焦后，在焦点处形成光斑尺寸约为70×70微米的“正方形”光斑，可以耦合进纤芯直径为105微米的输出光纤，最终激光系统输出激光的功率大于80W，输出激光的数值孔径小于0.14。

需要说明的是，本实用新型的说明书及其附图中给出了本实用新型的较佳的实施例，但是，本实用新型可以通过许多不同的形式来实现，并不限于本说明书所描述的实施例，这些实施例不作为对本实用新型内容的额外限制，提供这些实施例的目的是使对本实用新型的公开内容的理解更加透彻全面。并且，上述各技术特征继续相互组合，形成未在上面列举的各种实施例，均视为本实用新型说明书记载的范围；进一步地，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种双柱透镜聚焦的光纤耦合激光系统，其特征在于，包括多个激光单元、快轴聚焦柱透镜、慢轴聚焦柱透镜和输出光纤；其中，

每一所述激光单元包括半导体激光单管、快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜，所述半导体激光单管发出的激光依次经过所述快轴准直镜、所述慢轴准直镜和所述反射镜后，在快轴方向上进行空间叠加；

叠加后的激光分别经过所述快轴聚焦柱透镜和所述慢轴聚焦柱透镜聚焦后，耦合进所述输出光纤。

2.根据权利要求1所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述快轴聚焦柱透镜为球面柱透镜，或者为非球面柱透镜；

所述慢轴聚焦柱透镜为球面柱透镜，或者为非球面柱透镜。

3.根据权利要求1所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述快轴聚焦柱透镜为单柱透镜，或者为复合柱透镜；

所述慢轴聚焦柱透镜为单柱透镜，或者为复合柱透镜。

4.根据权利要求1所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述快轴聚焦柱透镜和所述慢轴聚焦柱透镜为独立的2个柱透镜，或者为组合在一起的一个器件。

5.根据权利要求1所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述多个激光单元的激光的叠加方式包括以下任意一种或多种方式的组合：空间叠加、偏振叠加、波长叠加。

6.根据权利要求1所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述反射镜上镀有高反射率介质膜。

7.根据权利要求1-6任一项所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述多个激光单元的相邻激光单元之间保持一固定的高度差。

8.根据权利要求7所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，所述系统还包括：

呈阶梯状分布的多个热沉，所述多个激光单元的半导体激光单管分别对应设于所述多个热沉上。

9.根据权利要求1-6任一项所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，

所述多个激光单元的反射镜在同一平面上错落设置。

10.根据权利要求9所述的光纤耦合激光系统，其特征在于，所述系统还包括：

基座，所述多个激光单元的半导体激光单管均设于所述基座上。