CN217281628U - 一种全光纤直接半导体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及激光技术领域，提供了一种全光纤直接半导体激光器，包括：至少两个半导体激光器，用于发射激光；合束器，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；第一剥模器，其输入端与所述合束器的输出端连接；变径转换模块，其输入端与所述第一剥模器的输出端连接；第二剥模器，其输入端与所述变径转换模块的输出端连接，其输出端用于输出激光；激光输出模块，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接，其中，所述变径转换模块的输入端的直径大于其输出端的直径，以提高从所述激光输出模块输出激光的亮度。

Description

一种全光纤直接半导体激光器

技术领域

本实用新型涉及激光技术领域，尤其涉及一种全光纤直接半导体激光器。

背景技术

半导体泵浦源以其高电光效率、泵浦波长被激光物质吸收效率高、寿命长等特点，既可以作为光纤激光器、固体激光器等的泵浦源，亦可以合成之后或单独直接输出成为直接半导体激光器(Direct Diode Laser，DDL)。然而半导体泵浦源输出激光的功率较低、光束质量较差，因此，只能应用于薄板焊接、熔覆、淬火、热处理等对激光功率密度要求不高的应用领域，严重限制了其应用范围。目前解决这一技术难题一般采用光束整形合束对多个半导体泵浦源进行合束处理，合束的技术如空间合束仅能提高功率不能提高亮度；偏振合束可以提高亮度，但仅限于两束激光；综上，这些合束存在耦合难度高、体积大、激光损耗大等问题。

实用新型内容

基于此，本实用新型提出了一种全光纤直接半导体激光器，通过设置变径转换模块，提高了输出激光的亮度。

第一方面，本实用新型提供一种全光纤直接半导体激光器，包括：至少两个半导体激光器，用于发射激光；合束器，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；第一剥模器，其输入端与所述合束器输出端连接；变径转换模块，其输入端与所述第一剥模器的输出端连接；第二剥模器，其输入端与所述变径转换模块的输出端连接；激光输出模块，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接；其中，所述变径转换模块的输入端直径大于其输出端的直径。

在一些实施例中，所述变径转换模块具有一密封腔体，所述密封腔体底部设有散热底板，所述散热底板上覆有导热密封胶层。

在一些实施例中，所述变径转换模块的相对两侧分别设有输入密封套、输出密封套，所述输入密封套与所述第一剥模器的输出端连接，所述输出密封套与所述第二剥模器的输入端连接。

在一些实施例中，所述全光纤直接半导体激光器包括：变径光纤，其通过所述导热密封胶层固定于所述散热底板上。

在一些实施例中，所述变径光纤的输入端穿过所述输入密封套与所述第一剥模器的输出端连接，所述变径光纤的输出端穿过所述输出密封套与所述第二剥模器的输入端连接。

在一些实施例中，所述变径光纤为渐变折射率光纤。

在一些实施例中，所述变径光纤呈盘绕状固定于散热底板上，其盘绕的半径为10～30cm，盘绕的圈数为8～80。

在一些实施例中，所述激光输出模块为激光输出头，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接；或所述激光输出模块为准直器，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接。

在一些实施例中，所述全光纤直接半导体激光器包括：冷却水板，所述半导体激光器及变径转换模块均设于冷却水板上，所述冷却水板上设有进水口、冷却水管及出水口，所述进水口、冷却水管及出水口依次连通。

在一些实施例中，所述全光纤直接半导体激光器包括：散热组件，所述半导体激光器及变径转换模块均设于散热组件上，所述散热组件包括多个间隔设置的散热片，多个间隔设置的散热片之间形成散热风道，所述散热风道的相对两侧分别设有第一风扇组和第二风扇组。

相较于现有技术，本实用新型有益效果：

本实用新型提供了一种全光纤直接半导体激光器，包括：至少两个半导体激光器，用于发射激光；合束器，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；第一剥模器，其输入端与所述合束器输出端连接；变径转换模块，其输入端与所述第一剥模器的输出端连接；第二剥模器，其输入端与所述变径转换模块的输出端连接，其输出端用于输出激光；其中，所述变径转换模块的输入端的直径大于其输出端的直径，以提高所述激光输出模块输出激光的亮度。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的全光纤直接半导体激光器的结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的变径转换模块结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的全光纤直接半导体激光器的具体结构示意图；

图4现有技术中传能光纤的外部结构图；

图5现有技术中传能光纤的纤芯折射率分布曲线；

图6是本发明实施例提供的变径光纤的外部结构图；

图7是本发明实施例提供的变径光纤的纤芯折射率分布曲线；

图8是本发明实施例中激光在变径光纤中传输的示意图；

图9A是本发明实施例中一种变径光纤的结构示意图；

图9B是本发明实施例中另一种变径光纤的结构示意图；

图10A是激光在基于图9A的变径光纤的纤芯中的全反射光路图；

图10B是激光在基于图9B的变径光纤的纤芯中的全反射光路图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本实用新型。在本说明书中，所述“第一”、“第二”字样并不对数据和执行次序进行限定，仅是对功能和作用基本相同项或相似项进行区分，在本实用新型实施例中不作限制。

为了说明本实用新型所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

请参阅图1，在一些实施例中所述全光纤直接半导体激光器1，至少两个半导体激光器11，用于发射激光；合束器12，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；第一剥模器13，其输入端与所述合束器12输出端连接；变径转换模块14，其输入端与所述第一剥模器13的输出端连接；第二剥模器15，其输入端与所述变径转换模块14的输出端连接；激光输出模块 16，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接，其中，所述变径转换模块14的输入端的直径大于其输出端的直径，以提高所述激光输出模块16输出激光的亮度。

在本实施例中，请参阅图2，所述变径转换模块14具有一密封腔体，所述密封腔体底部设有散热底板142，所述散热底板142上覆有导热密封胶层143，具体地，所述变径转换模块 14包括：上盖板141、与所述上盖板141相对设置的散热底板142、及围绕所述上盖板141 与散热底板142之间的侧板(未图示)，所述上盖板141、散热底板142及侧板构成所述密封腔体。进一步地，所述变径转换模块14的相对两侧分别设有输入密封套144、输出密封套145，所述输入密封套144与所述第一剥模器13的输出端连接，所述输出密封145与所述第二剥模器15的输入端连接。

请参阅图3，所述全光纤直接半导体激光器1还包括：变径光纤10，所述变径光纤10收容于所述密封腔体内，并通过导热密封胶层143固定于所述散热底板142上，以加速所述变径光纤10散热，从而保证所述变径光纤10光学性能的稳定性。这是由于使用的所述变径光纤10的直径至少是微米级，在压缩光斑的过程中，对其精确度要求非常高，且又所述变径光纤10在传输激光的过程中，会产生热量，这些热量若不及时排出，会影响到所述变径光纤10光学性能的稳定性，如实际纤芯和包层的直径以及纤芯的折射率。因此，本实施例中所述全光纤直接半导体激光器1通过设置具有散热性的变径转换模块14，以保持所述变径光纤10 光学稳定性的同时，实现了所述全光纤直接半导体激光器1输出激光直径的减小，以提高输出激光的亮度。

请参阅图2至图3，所述变径光纤10的输入端穿过所述输入密封套144与所述第一剥模器13的输出端连接，所述变径光纤10的输出端穿过所述输出密封套145与所述第二剥模器 15的输入端连接。即，所述变径光纤10的输入端与所述第一剥模器13的输出端连接，其输出端与所述第二剥模器15的输入端连接。因此，本实施例中，所述变径转换模块14的输入端可理解为所述变径光纤10的输入端，所述变径转换模块14的输出端可理解为所述变径光纤的输出端。其中，所述输入密封套144与输出密封套145用于保护所述变径光纤10的输出端和输入端免受损伤，并确保其在连接处有一定的弯曲强度。

请继续参阅图3，在本实施例中所述激光输出模块16为准直器，其输入端与所述第二剥模器15的输出端连接，由于准直器通常用于低功率激光器中，因此，本实施例优选，所述激光输出模块16为激光输出头，其输入端与所述第二剥模器15的输出端连接，以提高所述全光纤直接半导体激光器1在加工过程中输出激光的稳定性。

现有技术中，通常的激光器在对至少两个半导体激光器11输出的激光通过合束器合12 后，一般采用传能光纤对合束后的激光进行传输，实现全光纤结构，此处的传能光纤通常是指其直径与折射率均保持恒定，如图4和图5所示。虽然合束器12可实现功率合束，但是其本身在合束的过程中存在功率损耗，且对提高输出激光亮度的能力有限。

因此，本实施例中，采用所述变径光纤10，如图6所示，对所述合束器12进行功率合束后的激光进行进一步的聚集，提高了所述全光纤直接半导体激光器1的输出功率及亮度。

根据光的折射定律，光在不同折射率介质中传输时，会优先进入折射率较高的介质中传输。在本实施例中所述变径光纤10为渐变折射率光纤，当所述渐变折射率光纤为渐变增大的高折射率分布时，激光光束向所述变径光纤的中间高折射率区域汇聚压缩，当所述渐变折射率光纤为渐变减小的低折射率分布时，激光光束汇聚压缩的速率逐渐递减。

请结合图6和图7，在本实施例中所述变径光纤10的直径沿激光的输出方向逐渐减小；且沿其直径方向，其纤芯的折射率逐渐减小，以满足激光在所述变径光纤的纤芯中按照全反射传输，以聚集激光光束，从而压缩光斑。

具体地，在本实施例中，所述变径光纤10沿其直径方向，其纤芯的折射率逐渐减小，因此，当至少两个所述半导体激光器11发射的激光在通过所述合束器12进行合束后，再在所述变径光纤10的纤芯中传输时，激光会逐渐向纤芯的中心靠近，激光光束逐渐集中，保证了激光较好的光束质量和激光能量集中。同时，本实施例中，沿激光传输方向，所述变径光纤的直径逐渐减小，以满足激光在所述变径光纤10的纤芯中实现全反射传输时，减少激光从纤芯中漏出，以压缩光斑，即减小输出激光的直径。可以理解为，在激光光束能量聚集的过程中，所述变径光纤10的纤芯直径逐渐减小，则单位面积的激光功率变大，即功率密度越大，从而提升了所述全光纤直接半导体激光器的输出亮度，替代了传统复杂的空间耦合技术和芯片设计，此外，减小了所述全光纤直接半导体激光器1的体积，扩大了其应用场景。

具体地，请继续参阅图5，现有技术中的传能光纤的折射率分布曲线中，随纤芯直径的变化，其折射率不变，记其纤芯半径为R，对应的纤芯相对包层的折射率为H，x对应图5中的横坐标轴(r)，y对应图3中的纵坐标轴(n)。而本实施例所述变径光纤10的纤芯折射率分布曲线呈半椭圆曲线，如图7所示。所述椭圆曲线的轨迹方程(1)如下：

其中，H为所述变径光纤的纤芯相对包层的折射率，Hmax为所述变径光纤的纤芯相对包层的折射率，R为所述变径光纤的纤芯半径，x对应图7中的横坐标轴(r)，y对应图7 中的纵坐标轴(n)。

将本实施中所述变径光纤10的折射率等效为如图5所示的传统的传能光纤的折射率时，即所述变径光纤10的平均等效折射率为H。由于当所述变径光纤10的纤芯相对包层的折射率太大时，会增加所述变径光纤10的制造困难、且增加其断裂可能性；且当所述变径光纤 10的纤芯相对包层的折射率较小时，会致使激光光束聚焦效果变差，故优选地，本实施例中所述变径光纤10的纤芯最大折射率Hmax是平均等效折射率H的1～3倍，即可实现所述变径光纤10在通过高折射率分布引导激光向中间高折射率区域集中，从而达到聚集光束、提升输出亮度的目的。此外，按照椭圆曲线的逐渐变化又可以较好的控制汇聚的速率以减少激光汇聚时的损耗和发热问题。

具体地，从本实施例采用的所述变径光纤10的外部结构图(如图6所示)与现有技术中所述传能光纤的外部结构图(如图4所示)对比可知，所述传统传能光纤的直径随着所述传能光纤的长度变化是保持不变的，而所述变径光纤10的直径随着所述变径光纤10的长度变化会发生变化。即沿激光输出方向，所述变径光纤10的输入端101和输出端103均为直径恒定的平直区段，将其分别记为输入平直区段101、输出平直区段103，所述变径光纤的输入端与输出端之间设有至少一变径区段102，所述变径区段102的光纤直径沿激光输出方向逐渐减小。其中，所述变径光纤10的输入端101和输出端103均为直径恒定的平直区段，可便于所述变径光纤与其他光学器件(如合束器、剥模器或隔离器等)的连接(如熔接)，保证所述变径区段102的有效长度。

请继续参阅图4，在本实施例中，为了减少变径过程中的损耗使得变径区段102仍然满足全反射关系，所述变径区段102的长度需满足公式(2)如下：

其中，公式(2)中D为所述变径光纤的输入端直径，d为所述变径光纤的输出端直径， L为所述变径光纤的变径区段的长度，β为所述变径光纤的包层与纤芯的折射率比。

具体理解可以参阅图9A和9B不同参数的变径光纤结构示意图。

针对变径光纤A，记其输入平直区段101a的直径为D1，其变径区段102a的长度为L1，其输出平直区段103a的直径为d1，变径区段102a的变径倾角为θ1。针对变径光纤B记其平直区段101b的直径为D2，其变径区段102b的长度为L2，其输出平直区段103b的直径为d2，变径区段102b的变径倾角为θ2，其中，变径光纤A与变径光纤B的变径比例相等，即 D1/d1等于D2/d2。请结合图10A和10B，激光在所述变径光纤A和所述变径光纤B中的全反射光路图，针对变径光纤A，记激光的入射光与纤芯的侧壁(所述侧壁也可以理解为包围纤芯的包层与纤芯两者之间的界面)之间的入射角为α1，针对变径光纤B，记激光的入射光与纤芯的侧壁(所述侧壁也可以理解为包围纤芯的包层与纤芯两者之间的界面)之间的入射角为α2，当变径光纤长度L1小于L2时，则变径倾角θ1大于θ2，入射角α2大于α1，也就是，当变径区段102的长度L增加时，所述变径区段102的变径倾角将会减小，其入射角就会相对增大，越容易满足全反射要求，若是所述变径区段102不够长则其直径达不到逐渐减小的要求，会有部分激光从所述变径光纤10的纤芯中折射到包层中，会造成激光功率的损失，减小所述全光纤直接半导体激光器1的输出功率。因此，本实施例若是采用传统的熔融拉锥光纤，将难以提高输出激光的亮度，并保证光束质量。

基于此，为了使激光在所述变径光纤10满足全反射条件，减小激光损耗，本实施例，优选地，所述变径光纤10的d/D的比值为0.2～0.5或所述变径区段102的长度L为5～50m，或所述变径光纤10的d/D的比值为0.2～0.5及所述变径区段的长度L为5～50m，以此，可将所述全光纤直接半导体激光器1输出激光的亮度提升到4～25倍。

本实施例中所述变径光纤10的长度较长，为使所述全光纤直接半导体激光器1的结构更加紧凑，本实施例中所述变径光纤10呈至少一圈盘绕状，以此还可以保证较低的弯曲损耗，减少激光功率的损失；但是当所述变径光纤盘绕的弯曲半径过小时，也会增加激光从所述变径光纤10中泄露的风险。因此，本实施中，优选所述变径光纤在固定的过程中，其盘绕状的弯曲半径为10～30cm，盘绕的圈数为8～80。

需要说明的是，为了保证较小的损耗就需要减少变径区光纤倾角，而光纤倾角与变径光纤10长度呈正比、与变径比例呈反比，为了得到较大的变径比增加输出亮度往往需要采用变径区域102均匀变化且长度很长的变径光纤，这种变径光纤需要专业的光纤拉丝塔才能制造，传统的熔融拉锥方式是无法生产和制造的。根据实际需要，所述变径光纤10的纤芯横截面可以为圆形或多边形。由于当所述变径光纤10的纤芯横截面为圆形时，该变径光纤的制备工艺相对简单，故本实施例优选采用纤芯横截面为圆形的变径光纤。沿激光输出方向(即光纤长度方向)所述变径光纤的包层与纤芯的直径比例保持恒定，且所述变径光纤折射率的改变仅限于其纤芯，其包层的折射率不改变，光纤的纤芯折射率大于包层折射率。

由于所述全光纤直接半导体激光器一般可直接用来加工，尤其是对金属材料的加工，在此加工的过程中会有部分激光被反射进入所述全光纤直接半导体激光器1内，这部分被反射的激光为回返光，回返光的存在会对激光器中的光学器件造成严重损坏，并随着输出功率的增大其回返光也增强，本实施例中所述全光纤直接半导体激光器1输出的功率可达万瓦。而本实施例采用了变径光纤10，由于沿激光输出方向，其直径距离逐渐减小，则回返光进入所述变径光纤10后会被扩束，甚至有部分回返光会从所述变径光纤10中的纤芯中泄露出去，这样就可以进一步的保护半导体激光器11。因此，本实施例中，所述全光纤直接半导体激光器1中采用所述变径光纤10即可以实现输出激光的亮度，也可以减小回返光对所述半导体激光器11的损伤，提高了所述全光纤直接半导体激光器1的使用寿命。

此外，所述全光纤直接半导体激光器在加工过程中会产生热量，故提高所述全光纤直接半导体激光的散热效率极其重要。在本实施例中，若所述全光纤直接半导体激光器1的功率可达千瓦以上，则所述全光纤直接半导体激光器还包括冷却水板(未图示)，所述半导体激光器11及变径转换模块14均设于所述冷却水板(未图示)上；所述合束器12、第一剥模器13、第二剥模器15根据需求也可设于所述冷却水板(未图示)上。所述冷却水板(未图示) 上设有进水口(未图示)、冷却水管(未图示)及出水口(未图示)，所述进水口(未图示)、冷却水管(未图示)及出水口(未图示)依次连通。若所述全光纤直接半导体激光器1的功率在千瓦以下，所述全光纤直接半导体激光器还包括：散热组件(未图示)，所述半导体激光器11及变径转换模块14均设于散热组件(未图示)上；所述合束器12、第一剥模器13、变径转换模块14、第二剥模器15根据需求也可设于所述散热组件(未图示)上。所述散热组件(未图示)包括多个间隔设置的散热片(未图示)，多个间隔设置的散热片(未图示) 之间形成散热风道(未图示)，所述散热风道(未图示)的相对两侧分别设有第一风扇组(未图示)和第二风扇组(未图示)；具体地，所述散热组件还包括第一散热板(未图示)，所述第一散热板的一侧设有多个间隔的散热片(未图示)，所述半导体激光器11、合束器12、第一剥模器13、变径转换模块14、第二剥模器15设于背离所述散热板(未图示)的一侧。

进一步地，为了减小器件之间因光纤熔接而损耗耦合功率，所述全光纤直接半导体激光器11输出端的光纤参数与所述合束器12输入端的光纤参数相同，所述合束器12输出端的光纤参数与所述第一剥模器13输入端的光纤参数相同，所述第一剥模器13输出端的光纤参数与所述变径光纤10输入端的光纤参数相同，所述变径光纤10输出端的光纤参数与所述第二剥模器15输入端的光纤参数相同，所述第二剥模器15输出端的光纤参数与所述激光输出头 16输入端的光纤参数相同，所述光纤参数包括光学参数和结构参数。其中，所述光学参数包括光纤折射率渐变方向、光纤折射率的渐变率、光纤折射率的分布等；所述结构参数包括纤芯的半径、包层的半径、纤芯与包层偏心率等。

需要说明的是，所述光纤及所述变径光纤均包括纤芯、包围纤芯的至少一包层、包围包层的涂覆层，即所述光纤及变径光纤可以为单包层光纤、双包层光纤或三包层光纤，本实施例以单包层光纤为例，所述包层的折射率小于纤芯的折射率，包层的折射率大于涂覆层的折射率，考虑所述光纤及变径光纤的制备工艺，优选地，所述变径光纤的涂覆层、包层和纤芯直径为等比例的变化。

此外，所述半导体激光器11包括：半导体激光芯片阵列，用于发射的激光波长可以为 915nm、976nm、1080nm等中的一种。

相较于现有技术，本实施例提供了一种全光纤直接半导体激光器1，包括：至少两个半导体激光器11，用于发射激光；合束器12，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；第一剥模器13，其输入端与所述合束器12的输出端连接；变径转换模块14，其输入端与所述第一剥模器的输出端连接；第二剥模器15，其输入端与所述变径转换模块的输出端连接；其中，所述变径转换模块14，用于实现所述全光纤直接半导体激光器1输出激光直径的减小，以提高输出激光的亮度。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；在本实用新型的思路下，以上实施例或者不同实施例中的技术特征之间也可以进行组合，步骤可以以任意顺序实现，并存在如上所述的本实用新型的不同方面的许多其它变化，为了简明，它们没有在细节中提供；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种全光纤直接半导体激光器，其特征在于，包括：

至少两个半导体激光器，用于发射激光；

合束器，其输入端与所述半导体激光器的输出端连接；

第一剥模器，其输入端与所述合束器的输出端连接；

变径转换模块，其输入端与所述第一剥模器的输出端连接；

第二剥模器，其输入端与所述变径转换模块的输出端连接；

激光输出模块，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接；其中，

所述变径转换模块的输入端的直径大于其输出端的直径。

2.如权利要求1所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述变径转换模块具有一密封腔体，所述密封腔体底部设有散热底板，所述散热底板上覆有导热密封胶层。

3.如权利要求2所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述变径转换模块的相对两侧分别设有输入密封套、输出密封套，所述输入密封套与所述第一剥模器的输出端连接，所述输出密封套与所述第二剥模器的输入端连接。

4.如权利要求3所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，包括：变径光纤，其通过所述导热密封胶层固定于所述散热底板上。

5.如权利要求4所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述变径光纤的输入端穿过所述输入密封套与所述第一剥模器的输出端连接，所述变径光纤的输出端穿过所述输出密封套与所述第二剥模器的输入端连接。

6.如权利要求4所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述变径光纤为渐变折射率光纤。

7.如权利要求4所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述变径光纤呈盘绕状固定于散热底板上，其盘绕的半径为10～30cm，盘绕的圈数为8～80。

8.如权利要求4所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，所述激光输出模块为激光输出头，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接；或所述激光输出模块为准直器，其输入端与所述第二剥模器的输出端连接。

9.如权利要求1所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，包括：冷却水板，所述半导体激光器及变径转换模块均设于冷却水板上，所述冷却水板上设有进水口、冷却水管及出水口，所述进水口、冷却水管及出水口依次连通。

10.如权利要求1所述的全光纤直接半导体激光器，其特征在于，包括散热组件，所述半导体激光器及变径转换模块均设于散热组件上，所述散热组件包括多个间隔设置的散热片，多个间隔设置的散热片之间形成散热风道，所述散热风道的相对两侧分别设有第一风扇组和第二风扇组。

Images