一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统技术方案

本实用新型专利技术公开了一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统，属于激光技术领域。本系统包括多路激光器，一阶梯热沉，一聚焦透镜，一耦合光纤；所述激光器通过过渡热沉安装于所述阶梯热沉的阶梯平面上，每一所述激光器前依次设有与激光器输出光束同轴的一快轴准直透镜、一使激光器输出光束以同一方向反射至所述聚集透镜入射面的反射棱镜；每一所述激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等；所述聚集透镜出射面后设有与其同轴的所述耦合光纤；其中，所述反射棱镜为一全反射棱镜，所述全反射棱镜的入射面或出射面为一对所述激光器输出光束进行慢轴准直的柱面。通过本系统可获得具有微小体积、超高功率、极高功率密度的激光器组件。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于激光
，涉及一种将多路分立半导体激光器发出的光束经过整形和重新排列后合并耦合进入单根光纤的耦合系统。
技术介绍
通过光纤输出的半导体激光器具有广泛的应用领域。无论是激光手术刀、还是工业激光打标、切割或全固体激光器和光纤激光器，都需要具有良好的光束质量、高功率密度并且使用灵活的激光光源。将半导体激光器耦合入单根光纤再输出，可以满足这种需求。实现高功率密度光纤输出激光的方法有两种一是提高单个半导体激光器的输出光功率密度；二是将多个半导体激光器芯片输出的光组合后输出。 第一种方法的成功取决于半导体激光器芯片材料的生长、设备水平的提升和制作工艺水平的进步，目前实现难度较大。第二种方法主要依赖于耦合技术的改进，实现上相对简单，是目前获得大功率和超大功率激光输出的主要途径。对于前述第二种方法，其实现方式有两种一种是采用列阵组件，就是将半导体激光器在芯片一级制作成单片阵列形式，使其并联工作，通过整形光学系统将阵列中每个激光器的输出光重新排列组合为一束集成光束输出；另一种方法是采用多只分立的半导体激光器芯片以并联或串联方式排列，将所有芯片单独输出的光，经过整形合并到一起组成集成光束输出。上述两种方式各有优劣，但是分立激光器可以在耦合前进行筛选，并且可以采用单独制冷，因此多只激光器组合后的组件其可靠性、一致性和寿命均好于使用列阵的组件。在合并方式上又有两种方法。其一，将每个独立的激光器芯片或列阵中单个激光器单兀的输出光各自I禹合进入一根光纤，再将多根光纤捆绑成一束输出。这种I禹合方式相对简单，但是光纤输出光的有效面积比较大，光功率密度不够高，也不能得到特定的光束模式。其二，采用特殊光学系统将所有激光器芯片或列阵中各单元的输出光重新排列并耦合入一根光纤，从而得到较高的功率密度，而且能得到需要的特定光束模式。由于分立半导体激光器芯片必须安装在具有一定大小的热沉上，如果直接将多个半导体激光器的输出光束进行排列并聚焦耦合，通常由于受到每个芯片和其热沉体积的限制，合并光束体积较大，很难获得小芯径高功率密度的光纤耦合输出。为减小合并光束的空间体积大小，必须采取一定的措施。已有一些方案通过采取各种特殊措施将多个分立半导体激光器输出的光束进行重新排列，使组合光束的空间体积足够小，再通过透镜组耦合进入光纤；这些处理一般安装调试比较复杂，不易于实现。如Polaroid公司的美国专利6324230 号，Nlight Corporation 的美国专利 US 2007/0116071A1 等。
技术实现思路
本技术的目的在于提供一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统，通过这一系统结构可获得具有微小体积、超高功率、极高功率密度的激光器组件。本技术的技术方案为一种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统，其特征在于包括多路激光器，一阶梯热沉，一聚焦透镜，一耦合光纤；所述激光器通过过渡热沉安装于所述阶梯热沉的阶梯平面上，每一所述激光器前依次设有与激光器输出光束同轴的一快轴准直透镜、一使激光器输出光束以同一方向反射至所述聚集透镜入射面的反射棱镜；每一所述激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等；所述聚集透镜出射面后设有与其同轴的所述耦合光纤；其中，所述反射棱镜为一全反射棱镜，所述全反射棱镜的入射面或出射面为一对所述激光器输出光束进行慢轴准直的柱面。进一步的，所述激光器所在的阶梯平面之间为相互平行且等间距的。进一步的，所述阶梯平面与激光器PN结结平面平行。进一步的，所述间距最小值为激光器输出光束经快轴准直后照射到所述反射棱镜上的快轴方向的光束宽度。进一步的，各所述激光器电极为并联或串联。进一步的，每一所述反射棱镜的反射面均相互平行且与其对应的激光器输出光轴成一定角度。进一步的，所述角度为45°。进一步的，所述激光器为相同波长或不同波长的激光器。进一步的，所述快轴准直透镜为微柱透镜或柱面镜。本技术的结构如图I所示，将两个或两个以上的半导体激光器I分别通过焊装方式固定在过渡热沉2上，每个激光器的前方安装微柱透镜3使光束在快轴方向准直，之后将过渡热沉2焊装固定在阶梯热沉5上，阶梯热沉5的每一级在Y (Y轴为半导体激光器的输出光轴方向)和Z(Z轴为半导体激光器的慢轴方向)方向上都平行且等间距，间距即级高为Lx(X轴为半导体激光器的快轴方向)，阶梯热沉5上的每一级半导体激光器I都有一个对应的特殊反射棱镜4，为一全反射棱镜，入射面或出射面加工成对光束慢轴准直的柱面，所有特殊反射棱镜4尺寸相同且直接安装在阶梯热沉上，反射面均相互平行且与各级半导体激光器的输出光轴成一定角度，经快轴准直后的光束照射到特殊反射棱镜4上后，使半导体激光器输出光轴发生偏转，同时特殊反射棱镜4的入射面或出射面为柱面，完成光束的慢轴准直，形成相互平行且等间距的合成光束对于不同波长的半导体激光器1，通过改变半导体激光器I与特殊反射棱镜4之间的距离或是特殊反射棱镜的柱面半径使其满足慢轴准直的工作距离要求即可。阶梯高度差Lx的最小值为光束经快轴准直后照射到特殊反射棱镜4上的X方向的光束宽度，这样就使得激光光束在快轴、慢轴两个方向都被准直，光斑经重新排列后形成合并的准直光束8，再经由聚焦镜6耦合到光纤7中输出。利用本结构，激光器的波长可以是相同的也可以是不同的，具有很强的灵活性；阶梯热沉的阶梯数量可根据激光总功率和单个激光器的功率灵活选取。其阶梯数量上限取决于单个激光器经快轴准直后的光斑宽度、由像差限制的聚焦透镜组的最大孔径、光纤芯径、光纤数值孔径、阶梯热沉的最大容许散热条件等。现有技术相比，本技术的效果为本技术利用特殊反射棱镜4同时完成光轴折转和慢轴方向的准直，减少了需要安装调试的器件，可以有效地提高生产效率；在一定程度上补偿热沉加工误差和半导体激光器的焊装误差，降低热沉加工、激光器焊装的精度要求，节省生产成本。附图说明图I是本技术实施例I的示意图；(a)俯视图，(b)侧视图，(C)输出光斑图，图2是本技术实施例2的示意图；(a)俯视图，(b)侧视图，(C)输出光斑图，其中1.半导体激光器，2.过渡热沉，3.微柱透镜(准直透镜)，4.特殊反射棱镜， 5.阶梯热沉，6.聚焦镜，7.光纤，8.整形后光斑形状示意图。具体实施方式以下结合附图对本技术进行进一步详细描述。实施例I :如图I所示，以六个半导体激光器耦合入一根光纤为例，给出了本技术整体结构的示意图。用高精度的微调架和固定材料将一准直透镜，即微柱透镜3，安装到每一个已固定在过渡热沉2上的半导体激光器I的前方(激光器I可以直接烧结或过渡热沉方式安装固定在热沉上)，使激光器光束在快轴方向准直。安装过程中通过检测远场光斑来校准各光束之间的平行度和准直度。将所有装好微柱透镜3和激光器I的过渡热沉2焊装在阶梯热沉5上，将激光器I接上电极，电极连接可以是串联也可以是并联。逐级在阶梯热沉5的每一级上安装特殊反射棱镜4，棱镜4的入射面是柱面，用高精度的五维调整架和适当的夹具夹住特殊反射棱镜4进行调整，使半导体激光器I的光轴折转90°，并且使得半导体激光器I的慢轴方向达到准直。在安装调试特殊反射棱镜4的过程中，通过检测远场光斑来校准各级输出的激光光束彼此之间的平行度以及光斑的准直本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.ー种将多路分立半导体激光耦合入单根光纤的耦合系统，其特征在于包括多路激光器，ー阶梯热沉，ー聚焦透镜，ー耦合光纤；所述激光器通过过渡热沉安装于所述阶梯热沉的阶梯平面上，每一所述激光器前依次设有与激光器输出光束同轴的ー快轴准直透镜、一使激光器输出光束以同一方向反射至所述聚集透镜入射面的反射棱镜；每一所述激光器输出端到其对应反射棱镜出射面的光程相等；所述聚集透镜出射面后设有与其同轴的所述耦合光纤；其中，所述反射棱镜为一全反射棱镜，所述全反射棱镜的入射面或出射面为ー对所述激光器输出光束慢轴准直的柱面。2.如权利要求I所述的耦合系统，其特征在于所述激光器所在的阶梯平面之间为相互平行且等间距的。3.如权利要求I所述的耦合系统，其特征在于所述激光器所在的阶梯...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘玉凤，陈晓华，
申请(专利权)人：北京凯普林光电科技有限公司，
类型：实用新型
国别省市：