CN208835450U - 一种高功率半导体激光器聚焦输出结构 - Google Patents

Abstract

一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，包括一聚焦透镜（10），用于将光束整形后的多个激光叠加的光斑进行聚焦；其特征在于：置于聚焦透镜（10）后设有光阑（20），对聚焦后光束的直径及光线传输角度进行控制；置于聚焦透镜（10）的焦点位置处设有光纤输出头（30），接收聚焦光束，实现高功率激光的光纤传输。本实用新型，采用光阑对聚焦透镜的球差进行优化，将光纤输出头处光斑直径及光线传输角度过大的光线进行初步限制，有效降低光纤输出头部分的无效光线数量，进一步降低光纤输出头处的温度，有效提高器件的稳定性，同时光阑的限制作用，可以有效提升半导体激光器输出激光的光束质量。

Description

一种高功率半导体激光器聚焦输出结构

技术领域

本实用新型属于激光技术领域，具体地说，涉及到高功率半导体激光器封装的聚焦耦合结构。

背景技术

半导体激光器具有电光效率高、体积小、寿命长等优点，在军事、医疗、通信、工业加工等领域具有 广泛应用，特别是特种光纤拉制技术、激光晶体生长技术的发展，半导体激光器波长对特种光纤和激光晶体中稀土离子的具有吸收激发的作用，使得半导体激光器在光纤激光、固体激光技术的泵浦源应用中具有独特的优势。而工业加工应用中对激光输出功率水平的要求越来越高，近几年千瓦级功率水平的光纤激光器技术逐渐成熟，需要输出功率水平高、光束质量好、性能稳定的半导体激光器作为其泵浦源。

高功率半导体激光器常对多个激光芯片采用光束整形、聚焦、耦合技术实现光纤尾纤输出，输出功率水平越高其激光芯片的数量也就越多，在光束整形聚焦耦合过程中会有更多的功率损失。封装工艺中，光束整形、聚焦中采用光学透镜将激光芯片发出的光进行压缩、偏转、聚焦，其光束的传输、反射效率较高，其损失的光功率很小。在光束的耦合过程中，光纤头的装配位置、角度的偏差，都会影响最终的耦合效率，其中不能耦合进入光纤纤芯进行传输而导致损失的功率会在光纤头外置形成热，热量的积累会导致光纤头温度的升高，对光纤头固定的稳定性造成一定影响，对输出功率稳定性、激光器的寿命都会产生影响。通过装配的调节可以在一定程度上减少装配误差，提高耦合效率，但由于聚焦透镜的球差作用仍会有一部分功率在光纤头位置进行耗散，对高功率半导体激光器来说更是不容忽视的。专利201711404131.6公布了一种光纤耦合输入端结构，采用具有侧面研磨面的光纤和一个或多个具有侧面研磨面的光波导结构的光纤输出端结构对多余的光进行剥离降低光纤包层光对光纤的热损伤。但该方法加工困难，不利于批量化生产。

实用新型内容

针对高功率半导体激光器的光纤输出端温度特性，本实用新型所要解决的技术问题是，提出一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，以降低光纤输出端温度，同时提高半导体激光器的光束质量。

本实用新型采取的技术方案是：一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，包括一聚焦透镜，用于将光束整形后的多个激光叠加的光斑进行聚焦；其特征在于：置于聚焦透镜后设有光阑，对聚焦后光束的直径及光线传输角度进行控制；置于聚焦透镜的焦点位置处设有光纤输出头，接收聚焦光束，实现高功率激光的光纤传输。

所述的聚焦透镜是单个透镜也或是多个透镜构成的透镜组，且其通光面镀有激光波长匹配的高透过率膜层。

所述的光阑的通光孔径加工成锥形孔径，同时在表面做磨砂处理防止被阻挡的光在光阑表面形成反射。

所述的光纤输出头由光纤、玻璃管、金属管装配而成，光纤输出头端面镀有激光波长匹配的高透过率膜层。

与现有技术相比，本实用新型可以获得以下有益效果：采用光阑对聚焦光束进行限制，将聚焦光束中一部分不能耦合进入光纤的光束进行拦截，在一定程度上降低了聚焦透镜球差的效应，使得聚焦光斑在光纤输出头端面的光斑直径变小，有效降低光纤输出头处的温度，提高器件的稳定性。光阑面上通光孔径直径计算时，可以将数值孔径值设定为小于光纤自身数值孔径的值，最终在光纤内传输的光线的角度会偏小，可有效提高半导体激光器的光束质量。通过本方案可以实现高光束质量、稳定性好的高功率半导体激光器的封装。

附图说明

图1 是本实用新型聚焦输出结构光线传输示意图。

图2是本实用新型聚焦输出结构中未使用光阑时光线传输示意图。

图3 是本实用新型光纤输出头结构示意图。

图4是本实用新型光阑通光孔径计算示意图。

附图中：10聚焦透镜、20光阑、30光纤输出头、31光纤、32玻璃管、33金属管。

具体实施方式

以下将配合附图及实施例来详细说明本申请的实施方式，藉此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。

由图1知，为本实用新型实施例中聚焦输出结构，包含聚焦透镜10，用来将多激光芯片发射的激光经快慢轴压缩、方向偏折后形成的叠加光斑进行聚焦；光阑20置于聚焦透镜10后适当位置，对聚焦光束的直径进行控制；光纤输出头30置于聚焦透镜10的焦点位置处接收聚焦光束，实现激光的光纤传输。

聚焦透镜10可以是一个单片透镜也可以是由几个透镜构成的透镜组，用来对平行光斑进行聚焦，聚焦透镜10中由几个透镜构成的透镜组时各透镜组透镜通过面上镀有激光波长匹配的高透过率膜层实现光的传输。

光阑20通光孔径加工成锥形结构。光阑20表面做磨砂处理，防止光阑20表面对激光光束造成反射影响其他器件的正常工作。光阑20采用具有高导热系数的金属材料如铜、不锈钢等加工而成，采用光阑20将光纤输出头30处的无用光线进行分散，并以热量的形式进行耗散。

由图1知是本实用新型光纤输出头30结构示意图，该光纤输出头30由剥离掉涂覆层的光纤31、玻璃管32、金属管33装配而成，装配完后采用端面镀膜方案，提高激光在光纤输出头30端面的激光透过率，实现激光尾纤输出。

由图1和图2知，分别为激光器聚焦输出系统中有光阑和无光阑时光线传输模拟情况，在图2 中可看出，聚焦透镜10聚焦后在光纤输出头30处的焦点位置处具有一定的球差，使焦点处的光斑直径变大，导致光纤输出头30处有较多的光线由于光斑直径或光线角度的问题，不能耦合进入光纤31传输。该部分光线将以热量的形式在光学输出头30处耗散，使光纤输出头30处温度升高，影响激光器的稳定性及寿命。图1中增加光阑20后对聚焦光束直径进行了限制使焦点处直径或角度大于光纤31接收范围的光线在光阑20位置处优先得到处理，降低了光纤输出头30处的无效光线数量，最终降低了光纤输出头30的温度。

由图4知，为光阑通光孔径计算示意图，图中显示经光阑20后最大光束孔径，光束最大角度为α，光阑20面距光纤输出头30端面的距离d，光阑面的通光孔径直径D。根据图中公式可以计算出光阑前后面处的通光孔径直径。公式为：

公式中NA值为光纤的数值孔径，通光孔径计算时可以将NA值设定为小于光纤数值孔径的数值进行计算，进一步限定光纤内传输的光线的角度，得到高光束质量的激光输出。

上述说明示出并描述了本申请的优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (4)

1.一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，包括一聚焦透镜（10），用于将光束整形后的多个激光叠加的光斑进行聚焦；其特征在于：置于聚焦透镜（10）后设有光阑（20），对聚焦后光束的直径及光线传输角度进行控制；置于聚焦透镜（10）的焦点位置处设有光纤输出头（30），接收聚焦光束，实现高功率激光的光纤传输。

2.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，其特征在于：所述的聚焦透镜（10）是单个透镜也或是多个透镜构成的透镜组，且其通光面镀有激光波长匹配的高透过率膜层。

3.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，其特征在于：所述的光阑（20）的通光孔径加工成锥形孔径，同时在表面做磨砂处理防止被阻挡的光在光阑表面形成反射。

4.根据权利要求1所述的一种高功率半导体激光器聚焦输出结构，其特征在于：所述的光纤输出头（30）由光纤（31）、玻璃管（32）、金属管（33）装配而成，光纤输出头（30）端面镀有激光波长匹配的高透过率膜层。