CN215185004U - 一种激光器合束系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种激光器合束系统，属于激光器技术领域，为解决现有技术中光束与光纤纤芯不能完全匹配的问题而设计。实用新型包括：包括激光单管模块、聚焦镜和矩形光纤合束器。本实用新型提供的该系统可提高激光器光纤合束质量。

Description

一种激光器合束系统

技术领域

本实用新型涉及激光器合束系统领域，更具体地，涉及一种激光器合束系统。

背景技术

蓝光半导体激光器发光单位是矩形，而其光束分别向快慢轴进行发散。所以蓝光半导体激光器发射的光束形状是一个矩形。现有的光纤合束器呈现圆形，当激光器发光单位呈矩形时，则会出现光束与光纤纤芯不能完全匹配的问题，现有合束器输入端数量必须满足公式N＝3n*n+3n+1，所以输入端数量为1、7、19、37、61等，也不够灵活，现有的激光器合束系统限制了输出光束的质量。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种激光器合束系统，该合束系统采用矩形光纤合束器作为合束装置，能够实现对激光器的完美匹配合束，而且还能够实现8*1、12*1、16*1等合束，而不用局限于(3*n*n+3*n+1)*1圆形合束器合束。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种激光器合束系统，包括激光单管模块、聚焦镜和矩形光纤合束器，其中，所述激光单管模块包括N个激光单管，N为大于0的偶数，所有所述激光单管的输出激光耦合进所述矩形光纤合束器时焦斑均呈矩形、大小一致且所有所述焦斑排布成的形状刚好与所述矩形光纤合束器的光纤纤芯相适应。

可选的，还包括电源模块。

可选的，还包括水冷机。

可选的，还包括散热底座。

可选的，所述电源模块与激光单管模块连接，所述电源模块用于为所述激光单管模块提供合适的电流与电压。

可选的，同时包括水冷机和散热底座，其中，所述激光单管模块设于所述散热底座一侧，所述水冷机与所述散热底座连接，所述散热底座可以与所述激光单管模块接触良好，用于传导由所述激光单管模块所产生的热量，所述水冷机用于带走所述散热底座处的热量。

可选的，还包括矩形光纤合束器输入光纤和矩形光纤合束器输出光纤，所述聚焦镜用于将所述激光单管模块发出光束聚焦进所述矩形光纤合束器输入光纤，所述矩形光纤合束器输出光纤用于传输输入光纤的激光，所述聚焦镜可将所述激光单管模块发出的激光聚焦进所述矩形光纤合束器输入光纤，并且使焦斑中心与纤芯中心重合。

可选的，所述矩形光纤合束器输入端纤芯数值孔径大于激光光斑的光束参数积BPP，矩形光纤各个方向的最大接收角大于光斑发散角，光纤芯径参数大于焦斑大小。

可选的，所述电源模块用于调节输出电流与电压的值，所述电源模块最大输出电流应大于所有所述激光单管模块同时工作的额定电流，最大输出电压应大于所有所述激光单管模块同时工作的额定电压，所述电源模块设有急停按钮作为保护。

可选的，所述散热底座和所述激光单管模块之间设有水冷板，所述水冷机可调控所述水冷板温度的高低，使所述水冷板温度保持不变。

可选的，所述水冷板可以固定所述激光单管模块、所述聚焦镜和所述矩形光纤合束器输入光纤，并且与所述激光单管模块接触紧密良好，用于将所述激光单管模块热量导出至所述散热底座。

如上述所述的任一项所述的激光器合束系统，所述激光单管模块包括但不限于蓝光半导体激光单管。

本实用新型的有益效果是：本实用新型公开的一种激光器合束系统，该合束系统可以在不进行其他合束的情况下实现偶数数量蓝光半导体激光单管的光纤合束，相比于圆形光纤合束器合束的(3*n*n+3*n+1)*1合束更加灵活。其次通过对比可以看出利用8*1矩形光纤合束器进行合束后的输出光纤纤芯面积要小于7*1圆形光纤合束器进行合束后的输出光纤纤芯面积，因此该系统可以极大地提高激光器光纤合束质量。

附图说明

图1是激光器合束系统；

图2是蓝光半导体激光单管固定模块；

图3是聚焦镜固定模块；

图4是图3沿A-A方向的剖面视图；

图5是蓝光半导体激光单管所发出的光束聚焦后的焦斑示意图；

图6是蓝光半导体激光单管所发出的光束聚焦耦合进圆形光纤合束器输入光纤端示意图；

图7是蓝光半导体激光单管所发出的光束聚焦耦合进圆形光纤合束器输出光纤示意图；

图8是蓝光半导体激光单管所发出的光束聚焦耦合进矩形光纤合束器输出光纤示意图；

图中1-蓝光半导体激光单管，2-蓝光单管固定压板，3-蓝光单管固定底座，4-聚焦镜，5-聚焦镜固定底座，6-聚焦镜固定压环，7-散热底座，8-矩形光纤合束器输入端端面，9-矩形光纤合束器输入光纤，10-矩形光纤合束器耦合处，11-矩形光纤合束器，12-矩形光纤合束器输出光纤，13-水冷机，14-电源模块，15-散热底座进水口，16-散热底座出水口，17-直通接头，18-软管，19-变径直通接头，20-散热底座固定孔。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好的理解本实用新型专利，现结合附图和实施例进行具体说明：应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型专利，并不用于限定本实用新型专利。

参照图1，在本实用新型的第一个实施例中，包括激光单管模块、聚焦镜4和矩形光纤合束器11，其中，所述激光单管模块包括N个激光单管，N为大于0的偶数，所有所述激光单管的输出激光耦合进所述矩形光纤合束器时焦斑均呈矩形、大小一致且所有所述焦斑排布成的形状刚好与所述矩形光纤合束器的光纤纤芯相适应。在本实施例中，多束输入光纤在矩形光纤合束器11以一定的方式排列后熔融拉锥成一根光纤，该系统可以提高激光器光纤合束质量。

参照图1-图8，在本实用新型的第二个实施例中，图1为其中一种激光器合束系统的结构示意图，其中7为散热底座，1为蓝光半导体激光单管，蓝光半导体激光单管1紧密地固定在蓝光单管固定底座3上，并且由蓝光单管固定压板2压住。蓝光单管固定底座3通过四周螺丝固定在散热底座7上，使得蓝光半导体激光单管1在工作时发出的热量可以经由散热底座7散出，并且固定时蓝光半导体激光单管1发出的光束为水平方向，并且与聚焦镜4中心和矩形光纤合束器11中心在一条直线上。4为聚焦镜，聚焦镜4可以固定在聚焦镜固定底座5上，然后用聚焦镜固定压环6压紧。聚焦镜固定底座5固定在散热模块上。聚焦镜4大小大于激光光束大小，并且可以将蓝光半导体激光单管1发出的光束聚焦在矩形光纤合束器11输入光纤纤芯中心。10为矩形光纤合束器耦合处，具体如图8。11为8*1矩形光纤合束器，其输入端光纤端面8固定在散热底座上且其保持水平，输入光纤纤芯中心与聚焦镜4中心以及蓝光半导体激光单管1发射的光束中心位于同一条直线上。纤芯大小大于焦斑大小，纤芯快慢轴最大发散角大于光束快慢轴发散角，纤芯快慢轴BPP大于输入光束快慢轴BPP。入射光束由为矩形光纤合束器输入光纤9输入，经过耦合后，输出光束由矩形光纤合束器11输出光纤12输出。13为水冷机，其负责蓝光半导体激光器散热工作，由于蓝光半导体激光单管1功率较大，所以其发热也比较严重，当其热量不能及时散出时单管功率会迅速降低，严重情况下还会烧毁单管，所以水冷机水流量一定足够大，并且还可以控制温度。14为电源模块14，其所提供的最大电流大于蓝光半导体激光单管1电流额定电流，所提供的最大电压大于蓝光半导体激光单管1的额定电压，例如单个蓝光半导体蓝光半导体激光单管1额定电压为4.5V，额定电压为3A，当8个蓝光半导体激光单管进行串联时，电源模块14所提供最大电压需大于4.5*8＝36V，所提供最大电流需大于3A。17为直通接头，负责连接软管18与散热底座进水口15和散热底座出水口16。18为软管，散热底座进水口15与散热底座出水口16距离较近，需要用软管进行连接。19为变径直通接头，由于水冷机13出水水管直径为12mm，而散热底座7中水管直径为6mm，所以变径直通接头19可以将两种水管连接起来。20为散热底座固定孔，其负责将整个系统固定在光学平台上。

参照图6、7和8，在本实用新型的第三个实施例中，图6为蓝光半导体激光单管1发出的激光光束经过聚焦镜4聚焦后耦合进圆形光纤合束器示意图，参照图5，其中21为光束聚焦的焦斑，蓝光半导体激光单管聚焦光斑为矩形。22为圆形光纤合束器输入端纤芯，可以看出矩形焦斑与圆形光纤不是适合。光束耦合进光纤需要满足：(1)光纤芯径参数必须不小于光斑最大直径，公式表达即d_core＞d_in；(2)光斑的发散角要小于光纤最大接收角：θ_in＜θ_max＝2arcsin(NA)；(3)光斑的光束参数乘积BPP小于光纤的光束参数乘积：

图7为蓝光半导体激光单管1聚焦进7*1圆形光纤合束器时，7个合束器输入光纤以一定的方式排列后熔融拉锥成一根光纤。图中阴影部分代表蓝光光束聚焦光斑，小圆代表输入光纤纤芯，大圆代表输出光纤纤芯。由图中可以看出，输出端光纤纤芯半径为输入端光纤纤芯半径的三倍。光束经过光纤之后，出射光斑等于纤芯大小，发散角不变。因此，输出光斑大小远大于输入光斑大小之和，光束质量变差。

图8为为蓝光半导体激光器聚焦耦合进8*1方形光纤合束器的示意图，由图中可以看出方形光纤合束器输入光纤纤芯与光束焦斑完美匹配，8个输入光纤为2*4排列后再进行熔融拉锥成一根光纤。由图中可以看出输出光纤略大于输入光纤即可。而且可以看出8*1矩形光纤合束器输出光纤纤芯面积反而小于7*1圆形光纤合束器输出光纤纤芯面积。例如，矩形光斑宽为3，长为4，则7*1圆形光纤合束器中小圆直径为5，大圆直径为15，面积约为176.7，而8*1方形光纤合束器中，输出光纤面积为96。因为输出光纤面积越小，则光束质量越高，因此可本激光器合束系统可起到提高光束质量的作用。

一般来说，从光纤输出的光束大小等于纤芯大小，而出散角等于入射角。因此利用矩形光纤合束器进行合束之后所获得的光束大小要小于圆形光纤合束器合束的出射光束大小，发散角几乎不变的情况下，矩形光纤合束器进行合束之后所获得的光束质量要好于圆形光纤合束器合束的光束质量。

综上所述，现有圆形纤芯的光纤合束器不适合矩形光斑的蓝光半导体激光器进行光纤合束，而本实用新型所提出的矩形光纤合束器与蓝光半导体激光器的矩形光斑非常契合，可以极大地提高通过合束器之后输出的光束质量。其次，本实用新型提出的矩形光纤合束器排列不必拘泥于圆形合束器的(3*n*n+3*n+1)*1合束，可以进行8*1合束、2*4合束等非常灵活的合束。

以上描述了本实用新型的主要特征结构及其工作原理，而非用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，可以对前述个实施例所记载的技术方案进行修改，或对其中部分技术特征进行替换。在本普通实用新型的原则之内所做的任何修改和替换，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种激光器合束系统，其特征在于，包括激光单管模块、聚焦镜和矩形光纤合束器，其中，所述激光单管模块包括N个激光单管，N为大于0的偶数，所有所述激光单管的输出激光耦合进所述矩形光纤合束器时焦斑均呈矩形、大小一致且所有所述焦斑排布成的形状刚好与所述矩形光纤合束器的光纤纤芯相适应。

2.如权利要求1所述的激光器合束系统，其特征在于，还包括电源模块。

3.如权利要求2所述的激光器合束系统，其特征在于，还包括水冷机。

4.如权利要求3所述的激光器合束系统，其特征在于，还包括散热底座。

5.如权利要求4所述的激光器合束系统，其特征在于，所述电源模块与激光单管模块连接，所述电源模块用于为所述激光单管模块提供合适的电流与电压。

6.如权利要求5所述的激光器合束系统，其特征在于，同时包括水冷机和散热底座，其中，所述激光单管模块设于所述散热底座一侧，所述水冷机与所述散热底座连接。

7.如权利要求6所述的激光器合束系统，其特征在于，还包括矩形光纤合束器输入光纤和矩形光纤合束器输出光纤，所述聚焦镜用于将所述激光单管模块发出光束聚焦进所述矩形光纤合束器输入光纤，所述矩形光纤合束器输出光纤用于传输输入光纤的激光，所述聚焦镜可将所述激光单管模块发出的激光聚焦进所述矩形光纤合束器输入光纤，并且使焦斑中心与纤芯中心重合。

8.如权利要求7所述的激光器合束系统，其特征在于，所述矩形光纤合束器输入端纤芯数值孔径大于激光光斑的光束参数积BPP，矩形光纤各个方向的最大接收角大于光斑发散角，光纤芯径参数大于焦斑大小。

9.如权利要求8所述的激光器合束系统，其特征在于，所述电源模块用于调节输出电流与电压的值，所述电源模块最大输出电流应大于所有所述激光单管模块同时工作的额定电流，最大输出电压应大于所有所述激光单管模块同时工作的额定电压，所述电源模块设有急停按钮作为保护。

10.如权利要求9所述的激光器合束系统，其特征在于，所述散热底座和所述激光单管模块之间设有水冷板，所述水冷机可调控所述水冷板温度的高低。

11.如权利要求10所述的激光器合束系统，其特征在于，所述水冷板可以固定所述激光单管模块、所述聚焦镜和所述矩形光纤合束器输入光纤，并且与所述激光单管模块接触紧密良好，用于将所述激光单管模块热量导出至所述散热底座。

12.如权利要求1-11任一项所述的激光器合束系统，其特征在于，所述激光单管模块包括但不限于蓝光半导体激光单管。

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