專利名稱：一種多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型提供了一種將多個獨(dú)立半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光經(jīng)整形和重新排列后合并耦合 進(jìn)入一根光纖的結(jié)構(gòu)，通過這一結(jié)構(gòu)可以獲得具有高效率、高功率密度激光輸出的激光組件。
背景技術(shù)：
通過光纖輸出的半導(dǎo)體激光器具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。無論是激光手術(shù)刀，還是工業(yè)激光 打標(biāo)、切割或全固體激光器和光纖激光器的抽運(yùn)源，都需要具有優(yōu)良光束質(zhì)量、高功率密度 并且使用靈活的激光源。通過將半導(dǎo)體激光耦合進(jìn)入光纖再輸出，可以滿足這種需求。實(shí)現(xiàn) 高功率密度光纖輸出激光的方法一是提高單個半導(dǎo)體激光器的輸出光功率密度，二是將多個 半導(dǎo)體激光器的輸出光合并后輸出。
第一種方法的成功取決于半導(dǎo)體激光器的材料生長和制作工藝水平的進(jìn)步，難度比較大 并且提升有限。第二種方法主要依賴于耦合技術(shù)的改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)上相對簡單，是獲得大功率和 超大功率激光輸出的主要途徑。其實(shí)現(xiàn)方式有兩種 一是將半導(dǎo)體激光器在芯片一級制做成 為單片列陣形式，并聯(lián)工作，通過整形光學(xué)系統(tǒng)將陣列中每個激光器的輸出光重新排列合并 到一起輸出；另一種方式是將多支獨(dú)立的半導(dǎo)體激光器的輸出光經(jīng)過整形合并到一起輸出， 分立激光器可以并聯(lián)也可以串聯(lián)。這兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)由于分立激光器可以在進(jìn)行耦 合前進(jìn)行篩選，并且可以采用單獨(dú)制冷，因此組合成的組件可靠性、 一致性和壽命均好于使 用列陣的組件。
在合并方式上又有兩種方法。 一、將每個獨(dú)立的激光器或列陣中單個激光器的輸出光各 自耦合進(jìn)入一根光纖，再將多根光纖捆成一束輸出。這種耦合方式相對簡單，但是光纖輸出 光的有效面積比較大，光功率密度不夠高。二、采用特殊光學(xué)系統(tǒng)將所有輸出光重新排列并 耦合入一根光纖，這樣就可以得到比較高的功率密度。
本實(shí)用新型屬于將分立激光器的輸出光耦合入一根單光纖的一種實(shí)用方案。 由于分立半導(dǎo)體激光器芯片必須安裝在具有一定大小的熱沉上，如果直接將多個半導(dǎo)體 激光器的輸出光束進(jìn)行排列并聚焦耦合，通常由于受到每個芯片和其熱沉體積的限制，合并 光束空間體積較大，很難獲得小芯徑高功率密度的光纖耦合輸出。為減小合并光束的空間體 積，必須采取一定的措施。己經(jīng)有一些方案通過釆取各種特殊措施，實(shí)現(xiàn)了將分立激光器的 輸出光進(jìn)行重新排列，使組合光束的空間體積足夠的小，再通過透鏡組耦合入一根細(xì)光纖。
如Polaroid公司的美國專利6324230號、nLIGHT Corporation的美國專利申請US 2007/0116071 Al等。
本專利申請的方案通過一個階梯熱沉(1)和一個按照一定間距排列的反射鏡陣列(7)，以及 位于反射鏡后方或前方的柱透鏡(8)，將多個位于階梯上的半導(dǎo)體激光器芯片(4)經(jīng)微柱透鏡(5) 進(jìn)行快軸方向準(zhǔn)直后輸出的光束，在快軸方向進(jìn)行重新排列，并在慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，再通 過透鏡或透鏡組(9)聚焦耦合入單根光纖(10)。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型解決了將多個單芯片激光器的輸出光耦合入一根光纖的問題。方案示意圖見
圖1和圖2。將多個半導(dǎo)體激光器芯片分別安裝在階梯形金屬熱沉每一級上，階梯每一級在X 和Z方向上都平行且等間距，階梯長為Lz、級高為Lx。芯片直接燒結(jié)在熱沉(l)上，或通過 一個過渡熱沉(3)燒結(jié)在熱沉(1)上(圖1)。每個激光器芯片前方安裝微柱透鏡(5)，使光束在快 軸方向(X方向)準(zhǔn)直?？燧S準(zhǔn)直后的光束垂直芯片端面沿Y方向呈扇面形等間距出射，照射 到前方的反射鏡上(7)。所有反射鏡都安裝在反射鏡熱沉(6)上。反射鏡熱沉(6)的階梯長度和高 度與熱沉(l)相同，使相鄰的反射鏡在X方向上依次錯開一個熱沉(l)的階梯高Lx，以避免后 一級遮擋前一級的光束。在Z方向上間距等于金屬熱沉的階梯長。這樣就保證了每個反射鏡 都能夠正對相對應(yīng)的一個激光器芯片。所有反射鏡都互相平行，與激光束出射方向(Y方向) 成45。角，這樣的反射鏡組將所有光束反射偏轉(zhuǎn)90。，沿Z方向傳播，形成一束在Y方向上平 行、間距為Lx的組合光束。在每一路光的光路中安裝一個柱透鏡(8),該柱透鏡可以放置在 反射鏡熱沉(6)上反射鏡(7)的前方(圖2)或后方(圖1)，該柱透鏡對激光器慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直， 使之成為近似平行的光束。這樣就使每一路激光在快軸和慢軸兩個方向上都被準(zhǔn)直，形成一 束沿Z向傳播的，在X、 Y方向上都準(zhǔn)直了的合并組合光束。如果準(zhǔn)直慢軸方向的柱透鏡(8) 位于反射鏡后(圖l)，則相鄰柱透鏡在X方向上也要有Lx的間隔，以保證后一級不遮擋前一 級的光束。這樣的組合光束再經(jīng)過一個耦合透鏡聚焦成像，將光纖端面放置在成像平面，使 合并的光束聚焦后發(fā)散角與光纖的數(shù)值孔徑相匹配、成像的尺寸在光纖的纖芯范圍內(nèi)，即可 獲得高效率的耦合。耦合透鏡可以是單個球面透鏡或非球面透鏡，也可以是透鏡組。
半導(dǎo)體激光器發(fā)射的光束快軸方向的發(fā)散角大，由于微柱透鏡的球差和衍射效應(yīng)，經(jīng)微 柱透鏡壓縮準(zhǔn)直的輸出光束實(shí)際上不可能形成完全平行的光，而是具有一定發(fā)散角，再考慮 到經(jīng)微柱透鏡準(zhǔn)直后出射的光束必然具有與微柱透鏡直徑相關(guān)的寬度，因此當(dāng)光照到反射鏡 (7)時在快軸方向上(X方向)必然有一定的展寬，這個寬度也就決定了階梯熱沉(l、 6)的最小階 高Lx。
利用本結(jié)構(gòu)，所選用的激光器發(fā)光波長可以是相同的，也可以是不同的，具有很強(qiáng)的靈 活性。采用兩種或兩種以上波長的激光器芯片，并且在電極連接上分別控制其電流，可以實(shí) 現(xiàn)通過單根光纖選擇性輸出不同波長光的功能。
本結(jié)構(gòu)階梯熱沉的階梯數(shù)可根據(jù)需要的激光總功率和單個激光器的功率、以及激光波長 種類進(jìn)行選取，十分靈活。其階梯數(shù)上限取決于由像差限制的聚焦透鏡組的最大孔徑和階梯 熱沉的最大容許散熱條件。


圖1是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的示意圖，其激光器芯片通過過渡熱沉燒結(jié)在階梯熱沉臺階上， 慢軸方向準(zhǔn)直柱透鏡在光路中放置在反射鏡之后。激光器出光方向?yàn)閅方向，垂直(即快軸) 方向?yàn)閄方向，慢軸方向?yàn)閆方向。
圖2是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的示意圖，其激光器芯片通過過渡熱沉燒結(jié)在階梯熱沉臺階上，
慢軸方向準(zhǔn)直柱透鏡在光路中放置在反射鏡之前。
圖3為本設(shè)計(jì)的原理圖。其中左方為階梯熱沉的側(cè)視圖，右上方為耦合透鏡前方截面上 的光束形狀示意圖。
圖中l(wèi).階梯熱沉，2.總電極，3.過渡熱沉，4.激光器芯片，5.微柱透鏡，6.反射鏡熱沉，7. 反射鏡，8.柱透鏡，9.透鏡或透鏡組，IO.多模光纖，ll.整形后的光束形狀示意圖。
具體實(shí)施方式
分立半導(dǎo)體激光器芯片可以直接燒結(jié)在階梯形熱沉(l)上，熱沉采用高導(dǎo)熱率的金屬，例 如無氧銅。也可以先將半導(dǎo)體激光器芯片燒結(jié)在高導(dǎo)熱率的金屬或陶瓷過渡熱沉(3)上，再安 裝到階梯形熱沉上，通過總電極(2)引出導(dǎo)線。如激光器采用并聯(lián)方式，激光器芯片在燒結(jié)到 階梯熱沉上或?qū)⑦^渡熱沉安裝到階梯熱沉上時，可以不采取絕緣措施，階梯熱沉即為激光器 的一個電極。芯片另一個電極則合并后引出。若采用串聯(lián)方式，則必須保證每只激光器之間 的電學(xué)隔離，可以采用表面金屬化的不導(dǎo)電的高導(dǎo)熱率陶瓷做過渡熱沉，例如氧化鈹陶瓷、 氮化鋁陶瓷等，如圖(1)和圖(2)的鏈接方式進(jìn)行串聯(lián)連接并引出引線。做了電學(xué)隔離的芯片也 可以單獨(dú)引線進(jìn)行單獨(dú)控制。
通過高精度的微調(diào)架和膠，將微柱透鏡(5)安裝到每一個激光器芯片前方，使激光器快軸 方向的光束得到準(zhǔn)直，并且互相平行且垂直于激光器芯片端面出射。在安裝當(dāng)中，通過檢査 遠(yuǎn)場光斑位置來觀察光束的準(zhǔn)直度以及各光束之間的平行度。
反射鏡熱沉(6)的階梯尺寸制作成與熱沉(1)完全相同，并在階梯上制作出反射鏡(7)和柱透 鏡(8)的位置標(biāo)志，按照階梯上的標(biāo)志準(zhǔn)確地將反射鏡和柱透鏡安裝在反射鏡熱沉上，并用焊 接或者膠粘的方式進(jìn)行固定。反射鏡可以是鍍金屬膜或介質(zhì)膜。
將裝好反射鏡和柱透鏡的反射鏡熱沉(6)與裝好激光器芯片的階梯熱沉(1)相對安裝，用五 維(三個平動自由度、兩個旋轉(zhuǎn)自由度)微調(diào)架和適當(dāng)?shù)膴A具夾住反射鏡熱沉進(jìn)行調(diào)整，使光 束偏轉(zhuǎn)方向?yàn)?0。沿Z方向傳播、并且遠(yuǎn)場光斑達(dá)到最小時，用膠或焊接的方法將反射鏡熱 沉(6)和階梯熱沉(1)固定在一個底板上。再將耦合透鏡(9)和多模光纖(10)安裝在光路中，通過 五維(三個平動自由度、兩個旋轉(zhuǎn)自由度)微調(diào)架和適當(dāng)?shù)膴A具分別夾住二者進(jìn)行調(diào)整，直到 獲得最高的光纖輸出功率，將其用膠或焊接的方法進(jìn)行固定。這樣就完成了光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。
在本結(jié)構(gòu)中，可以采用芯徑200nm lmm、數(shù)值孔徑0.1 0.3的光纖，激光波長從630nm 到2pm，通過選擇不同的激光器數(shù)目(2 15個)，可獲得輸出功率1W 100W，平均耦合效 率高于85%。
權(quán)利要求1. 一種多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為激光器芯片安裝于階梯形金屬熱沉上，每個激光器芯片前都有一個微柱透鏡，對其光束快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直后形成平行、等間距的光束，每個經(jīng)快軸準(zhǔn)直的光束都照射到一個反射鏡上，使反射光束偏轉(zhuǎn)90°并使光束快軸方向上的間距得到壓縮，在反射鏡前方或后方，每一路激光束都經(jīng)過一個柱透鏡進(jìn)行慢軸方向的準(zhǔn)直，所有快、慢軸方向都經(jīng)準(zhǔn)直的合束后的光束由聚焦透鏡耦合進(jìn)入多模光纖。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為階梯長度(Lz) 和高度(Lx)的范圍在0.3mm到3mm。階梯數(shù)目根據(jù)總功率需求和單個芯片的功率以及散 熱條件確定，數(shù)量從2到15個。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為激光器芯片可 以直接燒結(jié)在階梯形熱沉上，也可以通過過渡熱沉安裝在階梯形熱沉上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為激光器波長從 400nm到2000nm。
5. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為所有的反射鏡均等距離、45。角排列，反射鏡排列方式在X方向上保證每個反射鏡都不遮擋相鄰反射鏡 的反射光。
6. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為對慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直的柱透鏡位于光路中反射鏡前方或者后方。
7. 根據(jù)權(quán)利要求l所述的多路半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其特征為多模光纖纖芯直徑范圍為200pm到lOOOiam,數(shù)值孔徑范圍為0.1到0.3，獲得1W 100W的光功率輸 出。
專利摘要一種多路分立半導(dǎo)體激光耦合入單根光纖的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為相同或不同波長的激光器芯片安裝于階梯形金屬熱沉上，每個激光器芯片前都有一個微柱透鏡，對其光束快軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直后形成平行、等間距的光束，每個經(jīng)準(zhǔn)直的光束都照射到一個反射鏡上，每個反射光束都由一個柱透鏡對慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，得到快、慢軸方向都得到壓縮的、互相平行并且其間距得到壓縮的組合光束，該光束由透鏡聚焦耦合進(jìn)入多模光纖。該結(jié)構(gòu)具有很高的可靠性、緊湊的外形、廣泛的適用性和良好的可擴(kuò)充性，適用于固體激光的抽運(yùn)、材料表面處理、激光醫(yī)療、激光顯示等領(lǐng)域。
文檔編號G02B6/00GK201203679SQ20072030949
公開日2009年3月4日 申請日期2007年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月27日
發(fā)明者朱曉鵬, 王仲明, 陳曉華 申請人:王仲明;朱曉鵬;陳曉華