CN219226877U - 一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器，包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。通过将占激光器总成本的80％以上的种子源和泵浦源全部集成在同一个壳体内，在大大减小了系统体积的同时，还能使系统的可靠性也大大提升，大幅降低激光器的物料成本和体积。

Description

一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器

技术领域

本申请涉及激光器领域，特别是一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器。

背景技术

现有的激光雷达使用的是传统的小型光纤激光器，为实现高峰值功率和高脉冲能量输出，通常采用主振荡功率放大(MOPA)结构的光纤激光器，即由脉冲种子源加多级光纤放大组成，包含很多器件模块并由其组装而成。

图1是常见的MOPA结构光纤激光器的结构示意图，种子源通过外部电路调制驱动产生稳定的光脉冲。输出的较小功率的光脉冲信号经过具有一定耦合比例的耦合器被分成两部分，一部分接入光电探测器(PD)，用于检测脉冲的工作状态，另一部分进入后端的光纤放大器。由于种子光输出功率较小无法实现直接放大，因此在主放大之前加入一级预放大，以保证在进入主放大之前有足够的信号光。预放大部分采用单模掺铒光纤作为增益介质，通过波分复用器将泵浦光耦合进增益介质进行信号光放大。主放大部分采用双包层铒镱共掺光纤作为增益介质，大功率泵浦源通过波长耦合器耦合进入增益介质对预放大的信号光进行二次放大，从而进一步提高信号光能量。种子源、预放大和主放大之间均加入光纤隔离器，防止回返光对前一级系统产生干扰以及对前一级元件造成损坏。整体光学系统采用全光纤链路，各个光纤器件和不同种类光纤之间通过熔接来连接。

上述结构分立器件多，组装工艺复杂，整体体积大，而且由于各器件单独封装，成本较高。为此，为了更好地应用于发展迅猛的激光雷达领域，急需提出一种较低的成本、较小的体积、较低的装配难度和/或较高的安全可靠性的高功率的激光器模块及光纤激光器。

实用新型内容

鉴于所述问题，提出了本申请以便提供克服所述问题或者至少部分的解决所述问题的一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器，包括：

一种一体式封装的激光器模块，包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；

所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。

优选地，所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别与驱动电路连接，所述驱动电路设于所述温度调节元件对应的区域。

优选地，所述温度调节元件为热沉或半导体制冷器。

一种光纤激光器，包括上述的一体式封装的激光器模块，所述激光器模块包括一个所述泵浦激光器芯片，其中，所述封装外壳外依次连接有第一隔离器、第一耦合器和第一增益介质；

当所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第一隔离器后，与所述泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第一耦合器，合光后在所述第一增益介质中进行信号光放大。

优选地，所述光纤激光器还包括第二隔离器，所述第二隔离器与所述第一增益介质的输出端连接。

优选地，所述第一增益介质为双包层铒镱共掺光纤。

一种光纤激光器，包括上述的一体式封装的激光器模块，所述激光器模块包括若干所述泵浦激光器芯片，其中，所述光纤激光器包括主放大模块和至少一个预放大模块，并且所述激光器模块、所述预放大模块和所述主放大模块依次连接，每个所述预放大模块包括依次连接的第三隔离器、波分复用器和第二增益介质；

当所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第三隔离器后，与第一目标泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述波分复用器，合光后在所述第二增益介质中进行信号光预放大。

优选地，所述主放大模块包括依次连接的第四隔离器、第二耦合器和第三增益介质，所述第四隔离器与所述第二增益介质的输出端连接；

当预放大后的激光经过所述第四隔离器后，与第二目标泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第二耦合器，合光后在所述第三增益介质中进行信号光主放大。

优选地，所述主放大模块还包括第五隔离器，所述五隔离器与所述第三增益介质的输出端连接。

优选地，所述第二增益介质为单模掺铒光纤，所述第三增益介质为双包层铒镱共掺光纤。

本申请具有以下优点：

在本申请的实施例中，相对于现有技术中激光器组装复杂、体积大和成本高的问题，本申请提供了将激光器的种子源和泵浦源全部集成在同一个壳体内的解决方案，具体为：包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。通过将占激光器总成本的80％以上的种子源和泵浦源全部集成在同一个壳体内，在大大减小了系统体积的同时，还能使系统的可靠性也大大提升，大幅降低激光器的物料成本和体积。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对本申请的描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是现有的MOPA结构光纤激光器的结构示意图；

图2是现有的半导体激光器的封装结构示意图；

图3是本申请一实施例提供的一种一体式封装的激光器模块的结构示意图；

图4是本申请一实施例提供的另一种一体式封装的激光器模块的结构示意图；

图5是本申请一实施例提供的一种光纤激光器的结构示意图；

图6是本申请一实施例提供的另一种光纤激光器的结构示意图；

图7是本申请一实施例提供的另一种光纤激光器的结构示意图；

图8是本申请一实施例提供的激光器模块的实物外形图。

具体实施方式

为使本申请的所述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

发明人通过分析现有技术发现：现有光纤激光器结构分立器件多，组装工艺复杂，整体体积大，而且由于各器件单独封装，成本较高。其中成本较高的部分主要是种子源和两个泵浦源，其都属于半导体激光器，占总成本的80％以上。现有技术中的种子源/泵浦源(参照图2)，其本质就是把半导体激光器通过透镜耦合到光纤里，另外集成了一些制冷和温度测量等功能，各个元件的物料成本不贵，但成本控制的关键在于封装。

参照图3和图4，示出了本申请实施例提供的一种一体式封装的激光器模块，包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；

所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。

在本申请的实施例中，相对于现有技术中激光器组装复杂、体积大和成本高的问题，本申请提供了将激光器的种子源和泵浦源全部集成在同一个壳体内的解决方案，具体为：包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。通过将占激光器总成本的80％以上的种子源和泵浦源全部集成在同一个壳体内，在大大减小了系统体积的同时，还能使系统的可靠性也大大提升，大幅降低激光器的物料成本和体积。

下面，将对本申请各示例性实施例中的一体式封装的激光器模块作进一步的说明。

在一具体实现中，如图4所示，所述激光器包括所述封装外壳、所述种子激光器芯片、一个所述泵浦激光器芯片、所述温度调节元件和所述透镜组，所述种子激光器芯片、所述泵浦激光器芯片、所述温度调节元件和所述透镜组均设于所述封装外壳内；

所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片并列设置，且在所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片发出激光的一侧分别设有透镜组，所述透镜组用于准直激光器芯片发出的激光；所述种子激光器芯片、所述泵浦激光器芯片和所述透镜组贴在同一块所述温度调节元件上的对应区域，这种封装方式可以减小系统体积和物料成本，最终使得制备得到的激光器体积也大幅降低。

在另一具体实现中，如图3所示，所述激光器包括所述封装外壳、所述种子激光器芯片、第一泵浦激光器芯片、第二泵浦激光器芯片、所述温度调节元件和所述透镜组，所述种子激光器芯片、所述第一泵浦激光器芯片、所述第二泵浦激光器芯片、所述温度调节元件和所述透镜组均设于所述封装外壳内。图8为封装在一起的种子源和两个泵浦源的实物外形图，图8右侧分别为三种激光的输出光纤；

如图3所示，所述种子激光器芯片、所述第一泵浦激光器芯片和所述第二泵浦激光器芯片依次并列设置，且在所述种子激光器芯片和两个所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，所述透镜组用于准直激光器芯片发出的激光；所述种子激光器芯片、两个所述泵浦激光器芯片和所述透镜组贴在同一块所述温度调节元件上的对应区域，这种封装方式可以减小系统体积和物料成本，最终使得制备得到的激光器体积也大幅降低。

需要说明的是，本申请的泵浦激光器芯片还可以设置两个以上，具体可根据实际情况选择，在本申请中，优选为一个或两个泵浦激光器芯片。

在本申请一实施例中，所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别与驱动电路连接，所述驱动电路设于所述温度调节元件上的对应区域。

具体地，激光器芯片分别连接有所述驱动电路，且所述驱动电路和激光器芯片均贴在同一块温度调节元件上。

在本申请一实施例中，所述温度调节元件为热沉或半导体制冷器。

具体地，所述温度调节元件的体积和重量大于激光器芯片；所述热沉(heat sink)一般是指微型散热片，用来冷却电子芯片的装置，热沉可以指一个散热的物体，如带有散热片的金属块，也可以是描述任何热量吸收或散失的术语，其负责将电流传递给激光器芯片，又负责将激光器芯片的热量传递到外界；所述半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，TEC)是利用半导体的热-电效应制取冷量的器件，又称热电制冷器；将激光器芯片和驱动电路设置在温度调节元件上以帮助散热从而稳定工作温度。

参照图7，示出了本申请不同实施例提供的光纤激光器，包括上述的一体式封装的激光器模块。

下面，将对本示例性实施例中一种光纤激光器作进一步的说明。

在某些应用中，所需的激光功率无需两级放大也可以满足要求，可以采用如图7所示的一级放大，整个成本和体积可以进一步压缩。

在本申请一实施例中，当所述激光器模块包括一个所述泵浦激光器芯片时(如图7所示)，所述光纤激光器包括所述激光器模块、所述第一隔离器、所述第一耦合器、所述第一增益介质和第二隔离器，所述激光器模块参考上述提供的设置一个泵浦激光器芯片的实施例，所述第一隔离器、所述第一耦合器、所述第一增益介质和所述第二隔离器依次连接并设于所述封装外壳外；

当所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第一隔离器后，与所述泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第一耦合器，合光后在所述第一增益介质中进行信号光放大，放大后的激光经过所述第二隔离器后输出，可以作为激光雷达或者其他器件的发射单元来使用。优选地，所述第一增益介质采用双包层铒镱共掺光纤，也可以是其他适合的光纤。

上述链路中的两个隔离器都是为了防止回返光对前一级元件造成损坏。

下面，将对本示例性实施例中另一种光纤激光器作进一步的说明。

在本申请一实施例中，由于种子光输出功率较小无法实现直接放大，因此在主放大之前加入预放大，以保证在进入主放大之前有足够的信号光。当所述激光器模块包括若干所述泵浦激光器芯片时，所述光纤激光器包括主放大模块和至少一个预放大模块，并且所述激光器模块、所述预放大模块和所述主放大模块依次连接，所述激光根据所述泵浦激光器芯片的数量改变。

在一具体实现中，参照图5和图6，当所述激光器模块包括两个所述泵浦激光器芯片时，所述光纤激光器包括一个所述预放大模块，所述光纤激光器依次设有所述激光器模块、所述预放大模块和所述主放大模块；

所述激光器模块参考前述提供的设置两个泵浦激光器芯片的实施例；

所述预放大模块包括依次连接的第三隔离器、波分复用器和第二增益介质，所述激光器模块中每一个芯片发出的激光分别经由对应的透镜组会聚耦合进入光纤，具体地，所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第三隔离器后，与第一泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述波分复用器，合光后在所述第二增益介质中进行信号光预放大；优选地，所述第二增益光纤采用单模掺铒光纤，当然也可以是其他适合的光纤，本申请对此不作具体限定；

所述主放大模块包括依次连接的第四隔离器、第二耦合器、第三增益介质和第五隔离器，所述第四隔离器与所述第二增益介质的输出端连接；具体地，当所述种子激光器芯片和所述第一泵浦激光器芯片发出的激光经过所述预放大模块进行信号光一级放大后，一级放大后的激光经过所述第四隔离器与所述第二泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第二耦合器，合光后在所述第三增益介质中进行信号光二级放大，二级放大后的激光经过所述第五隔离器后输出，可以作为激光雷达或者其他器件的发射单元来使用。优选地，所述第二增益介质采用单模掺铒光纤，所述第三增益介质采用双包层铒镱共掺光纤。

上述链路中的隔离器是为了防止回返光对前一级系统产生干扰以及对前一级元件造成损坏。

在另一具体实现中，当所述激光器模块包括两个以上所述泵浦激光器芯片时，所述光纤激光器包括n-1个所述预放大模块，其中，n为所述泵浦激光器芯片的数量；所述光纤激光器依次设有所述激光器模块、n-1个预放大模块和所述主放大模块；

所述激光器模块设置两个以上的所述泵浦激光器芯片时，可以参考前述提供的设置两个泵浦激光器芯片的实施例，在所述温度调节元件对应的区域设置需要数量的泵浦激光器芯片即可，其余元件设置方式不变；

每个所述预放大模块均包括依次连接的第三隔离器、波分复用器和第二增益介质，所述激光器模块中每一个芯片发出的激光分别经由对应的透镜组会聚耦合进入光纤；

具体地，第一个预放大模块的激光放大过程为：所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第三隔离器后，与所述第一泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述波分复用器，合光后在所述第二增益介质中进行信号光一级放大，优选地，所述第二增益光纤采用单模掺铒光纤，也可以是其他适合的光纤；

第二个及后续的预放大模块的激光放大过程相同，此处以第二个预放大模块的激光放大为例：一级放大后的激光经过所述第三隔离器后，与所述第二泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述波分复用器，合光后在所述第二增益介质中进行信号光二级放大；在本实施例中，所述第一目标泵浦激光器芯片为n-1个泵浦激光器芯片；

需要说明的是，预放大模块放大的激光为n-1个所述泵浦激光器芯片发出的激光。

所述主放大模块包括依次连接的第四隔离器、第二耦合器、第三增益介质和第五隔离器，所述第四隔离器与所述第二增益介质的输出端连接；具体地，当所述种子激光器芯片和上述n-1个泵浦激光器芯片发出的激光经过所述预放大模块进行信号光预放大后，预放大后的激光经过所述第四隔离器与第二目标泵浦激光器芯片(即最后一个泵浦激光器芯片，也即第n个泵浦激光器芯片)经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第二耦合器，合光后在所述第三增益介质中进行信号光主放大，主放大后的激光经过所述第五隔离器后输出，可以作为激光雷达或者其他器件的发射单元来使用。优选地，所述第二增益介质采用单模掺铒光纤，所述第三增益介质采用双包层铒镱共掺光纤。

上述链路中的隔离器是为了防止回返光对前一级系统产生干扰以及对前一级元件造成损坏。

尽管已描述了本申请实施例的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请实施例范围的所有变更和修改。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的相同要素。

以上对本申请所提供的一种一体式封装的激光器模块及光纤激光器，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种一体式封装的激光器模块，其特征在于，包括封装外壳、温度调节元件、种子激光器芯片和至少一个泵浦激光器芯片，所述温度调节元件、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述封装外壳的内部；

所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别在其发出激光的一侧设有对应的透镜组，并且所述透镜组、所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片均设于所述温度调节元件对应的区域。

2.根据权利要求1所述的一体式封装的激光器模块，其特征在于，所述种子激光器芯片和所述泵浦激光器芯片分别与驱动电路连接，所述驱动电路设于所述温度调节元件对应的区域。

3.根据权利要求1所述的一体式封装的激光器模块，其特征在于，所述温度调节元件为热沉或半导体制冷器。

4.一种光纤激光器，包括如权利要求1-3中任一项所述的一体式封装的激光器模块，其特征在于，所述激光器模块包括一个所述泵浦激光器芯片，其中，所述封装外壳外依次连接有第一隔离器、第一耦合器和第一增益介质；

当所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第一隔离器后，与所述泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第一耦合器，合光后在所述第一增益介质中进行信号光放大。

5.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述光纤激光器还包括第二隔离器，所述第二隔离器与所述第一增益介质的输出端连接。

6.根据权利要求4所述的光纤激光器，其特征在于，所述第一增益介质为双包层铒镱共掺光纤。

7.一种光纤激光器，包括如权利要求1-3中任一项所述的一体式封装的激光器模块，其特征在于，所述激光器模块包括若干所述泵浦激光器芯片，其中，所述光纤激光器包括主放大模块和至少一个预放大模块，并且所述激光器模块、所述预放大模块和所述主放大模块依次连接，每个所述预放大模块包括依次连接的第三隔离器、波分复用器和第二增益介质；

当所述种子激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光经过所述第三隔离器后，与第一目标泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述波分复用器，合光后在所述第二增益介质中进行信号光预放大。

8.根据权利要求7所述的光纤激光器，其特征在于，所述主放大模块包括依次连接的第四隔离器、第二耦合器和第三增益介质，所述第四隔离器与所述第二增益介质的输出端连接；

当预放大后的激光经过所述第四隔离器后，与第二目标泵浦激光器芯片经其对应的透镜组发出的激光一起进入所述第二耦合器，合光后在所述第三增益介质中进行信号光主放大。

9.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述主放大模块还包括第五隔离器，所述五隔离器与所述第三增益介质的输出端连接。

10.根据权利要求8所述的光纤激光器，其特征在于，所述第二增益介质为单模掺铒光纤，所述第三增益介质为双包层铒镱共掺光纤。

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