專利名稱：一種外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及單管半導(dǎo)體激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊。
背景技術(shù)：
由于單管半導(dǎo)體激光器具有高光束質(zhì)量，散熱特性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此采用單管合束技術(shù)制成的光纖耦合模塊在激光醫(yī)療、光纖激光器泵浦、激光監(jiān)控、激光加工等方面都有著廣泛的應(yīng)用。但是近年來(lái)隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展，實(shí)際應(yīng)用中對(duì)光纖耦合模塊的輸出功率和光束質(zhì)量都有了更高的要求。國(guó)際上大多數(shù)對(duì)單管半導(dǎo)體激光器合束都采用傳統(tǒng)的空間合束的方法，由于空間合束只是使光束在空間上將多個(gè)一維或者二維陣列以邊對(duì)邊形式緊密疊加起來(lái)，增加功率的同時(shí)也使光束質(zhì)量變差。這里將多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器通過(guò)弧形的排列，利用衍射光柵實(shí)現(xiàn)外腔合束，并以單只激光器的光束質(zhì)量輸出， 光束質(zhì)量相對(duì)于普通的空間合束制成的光纖耦合模塊有大幅度的提高。圖4是一種采用空間合束方法進(jìn)行單管合束的光纖耦合模塊的示意圖，這是現(xiàn)在國(guó)際上主要的單管合束技術(shù)(100 W / 100 μ m passively cooled, fiber coupleddiode laser at 976 nm based on multiple 100 μ m single emitters,Marcel Werner,Christian ffessling, Stefan Hengesbach, Proc. of SPIE Vol. 7198 71980P-1)。圖 4所示的裝置是將多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器11固定在階梯形金屬熱沉12的每一個(gè)臺(tái)階上，每一個(gè)階梯臺(tái)階形狀都一致。每個(gè)激光器發(fā)出的光通過(guò)快軸準(zhǔn)直鏡13和慢軸準(zhǔn)直鏡14進(jìn)行光束準(zhǔn)直，然后通過(guò)反射鏡15使光束反射，所有激光器發(fā)出的光反射后在快軸方向進(jìn)行空間合束，然后通過(guò)聚焦鏡16進(jìn)行聚焦。合束后的光斑如圖5所示，這種空間合束的方法是在功率增大的同時(shí)也使得整個(gè)合束的光斑變大，光束質(zhì)量變差，難以獲得高光束質(zhì)量的激光輸出。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有單管半導(dǎo)體激光器合束技術(shù)中的合束模塊輸出亮度低，光束質(zhì)量差等問(wèn)題，本發(fā)明提供一種可以實(shí)現(xiàn)高亮度、高光束質(zhì)量輸出的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊。為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的技術(shù)方案具體如下一種外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，包括多個(gè)同一波長(zhǎng)的單管半導(dǎo)體激光器；每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器固定在過(guò)渡熱沉上，所述過(guò)渡熱沉固定在弧形熱沉上；多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多條光束經(jīng)過(guò)不同傾角入射到衍射光柵上，光斑在衍射光柵上發(fā)生重疊，然后以相同的衍射角衍射至外腔鏡；多條光束被外腔鏡反饋后沿原光路返回，使每個(gè)單管半導(dǎo)體激光器收到自身的輸出反饋；經(jīng)過(guò)輸出反饋的多列光束經(jīng)過(guò)衍射光柵后合成為一束，通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)入多模光纖。在上述技術(shù)方案中，每個(gè)所述的單管半導(dǎo)體激光器(2)前腔面鍍有透過(guò)率在99%以上的增透膜。在上述技術(shù)方案中，每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器前還分別安裝有用來(lái)減小激光器快慢軸發(fā)散角的快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡；所述快軸準(zhǔn)直鏡為柱面微透鏡或球面微透鏡；所述慢軸準(zhǔn)直鏡為柱面微透鏡或球面微透鏡。在上述技術(shù)方案中，所述弧形熱沉上的所述單管半導(dǎo)體激光器的數(shù)目為至少兩個(gè)。在上述技術(shù)方案中，所述衍射光柵為透射型衍射光柵或者反射型衍射光柵。在上述技術(shù)方案中，所述外腔鏡為具有一定反射率的平行平板，反射率值從1%到50%。在上述技術(shù)方案中，所述外腔鏡的擺放方向與衍射光束的方向嚴(yán)格垂直。 在上述技術(shù)方案中，所述聚焦鏡為球面透鏡、非球面透鏡或者兩個(gè)分離的柱面鏡。在上述技術(shù)方案中，所述單管半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)從400nm 2000nm。在上述技術(shù)方案中，所述多模光纖纖芯直徑范圍為50 μ m 600 μ m,數(shù)值孔徑范圍為O. I到O. 3，光功率輸出為IW 200W。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊具有以下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，在單管合束中使用了衍射光柵，通過(guò)衍射光柵的分光作用和外腔鏡的反饋?zhàn)饔孟?，每只單管半?dǎo)體激光器發(fā)出的光束在由激光器的后腔面和外腔鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)外腔反饋和波長(zhǎng)鎖定，并由衍射光柵將多路光束合成一束從而實(shí)現(xiàn)外腔合束，最后通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)入多模光纖。這種方法可以將多只單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行合束并以單只激光器的光束質(zhì)量輸出，可以實(shí)現(xiàn)光纖耦合模塊的細(xì)芯徑、大功率、高光束質(zhì)量激光輸出。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊結(jié)構(gòu)中，激光器的數(shù)量可根據(jù)需要的激光總功率和單個(gè)激光器的功率、機(jī)械尺寸、散熱條件確定，十分靈活。其激光器的上限取決于激光器的增益譜寬和衍射光柵的衍射能力以及衍射光柵的損傷閾值。


圖I是本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，其衍射光柵為反射型衍射光柵；圖2是本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊另外一種具體實(shí)施方式
的結(jié)構(gòu)示意圖，其衍射光柵為透射型衍射光柵；圖3是本發(fā)明的圖I所示具體實(shí)施方式
中，通過(guò)衍射光柵合束后的光斑示意圖；圖4是以現(xiàn)有的空間合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊示意圖；圖5是以現(xiàn)有的空間合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊合束后的光斑置示意圖。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的發(fā)明思想為一種半導(dǎo)體激光器單管合束光纖耦合模塊，包括多個(gè)同一波長(zhǎng)的單管半導(dǎo)體激光器；每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器固定在過(guò)渡熱沉上，所述過(guò)渡熱沉固定在弧形熱沉上；多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多條光束經(jīng)過(guò)不同傾角入射到衍射光柵上，光斑在衍射光柵上發(fā)生重疊，然后以相同的衍射角衍射至外腔鏡；多條光束被外腔鏡反饋后沿原光路返回，使每個(gè)單管半導(dǎo)體激光器收到自身的輸出反饋；經(jīng)過(guò)輸出反饋的多條光束經(jīng)過(guò)衍射光柵后合成為一束，通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)入多模光纖。每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器前還分別安裝有用來(lái)減小激光器快慢軸的發(fā)散角的快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，所使用的單管激光器前腔面鍍有增透膜，透過(guò)率在99%以上，單管激光器焊接在過(guò)渡熱沉上，過(guò)渡熱沉通過(guò)固定螺釘與弧形熱沉固定，所有激光器呈弧形排放，且在同一平面上。所有單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光通過(guò)快軸準(zhǔn)直鏡、慢軸準(zhǔn)直鏡后，具有很小的發(fā)散角，每路光束各自以一定的傾角入射到衍射光柵上，并且每束光斑在衍射光柵上發(fā)生疊加，疊加后的光斑與一束光的光斑相同。半導(dǎo)體激光器的光譜較寬，通?？梢赃_(dá)到2 3nmFWHM。逆用光柵的分光作用和波長(zhǎng)選擇作用，將激光器發(fā)出的光束中波長(zhǎng)與其對(duì)應(yīng)的入射角滿足光柵方程的光以相同的角度衍射至外腔鏡，由于外腔鏡的部分反饋?zhàn)饔貌⑶腋鶕?jù)光路可逆原理，垂直入射到外腔鏡上的這部分光束將再次經(jīng)衍射光柵按原光路回到各自的激光器腔內(nèi)，這樣每個(gè)激光器將收到自己?jiǎn)卧妮敵龇答伈⒃谟杉す馄鞯暮蠖嗣媾c外腔鏡構(gòu)成的新諧振腔內(nèi)進(jìn)行振蕩，每只激光器反饋回來(lái)的波長(zhǎng)依次呈線性變化。根據(jù)半導(dǎo)體激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)理論，反饋的作用迫使每只激光器激 發(fā)出與注入反饋相同波長(zhǎng)的激光輸出。這樣每只激光器都激發(fā)出波長(zhǎng)略微不同的光束并入射到衍射光柵上，此時(shí)每束光的波長(zhǎng)和各自的入射角都滿足光柵方程，衍射光柵可以將這些波長(zhǎng)和入射角不同的光束以相同衍射角合成一束并通過(guò)外腔鏡輸出實(shí)現(xiàn)外腔合束，最后通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)多模光纖。以下結(jié)合附圖給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。圖I和3顯示了本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊的一種具體實(shí)施方式
。參照?qǐng)D1，本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其中包括過(guò)渡熱沉I、同一波長(zhǎng)的多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器2、弧形熱沉3、固定螺釘4、快軸準(zhǔn)直鏡5、慢軸準(zhǔn)直鏡6、衍射光柵7、外腔鏡8、聚焦鏡9、多模光纖10。本發(fā)明中所使用的激光器為帶有AlN陶瓷片子模塊封裝的單管半導(dǎo)體激光器2，單管半導(dǎo)體激光器2可以通過(guò)焊接固定在過(guò)渡熱沉I上，過(guò)渡熱沉I可以通過(guò)固定螺釘4固定在弧形熱沉3上，過(guò)渡熱沉2和弧形熱沉3都應(yīng)采用高熱導(dǎo)率的金屬，例如無(wú)氧銅；當(dāng)然，在其他的具體實(shí)施方式
中，也可以將激光器直接燒結(jié)在弧形熱沉3上。所有單管半導(dǎo)體激光器2按圖I中示意呈弧形排放且在同一平面上，即多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器2等間距安放，并且相鄰的兩個(gè)單管半導(dǎo)體激光器2的夾角相同的放在同一平面上。由于激光器的子模塊為AlN材料，所以無(wú)論采用串聯(lián)方式還是并聯(lián)方式，都可以不采取絕緣措施。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，通過(guò)六軸精密調(diào)整架和紫外膠，將快軸準(zhǔn)直鏡5安裝到每一個(gè)激光器2的腔面前，使快軸方向的光束得到準(zhǔn)直。慢軸準(zhǔn)直鏡6下面可以由機(jī)械鏡座支撐，用紫外膠將慢軸準(zhǔn)直鏡6和機(jī)械鏡座進(jìn)行膠合固定。在快軸準(zhǔn)直鏡5和慢軸準(zhǔn)直鏡6裝調(diào)過(guò)程中，需要檢查所有激光器的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑位置在衍射光柵的預(yù)定位置平面上是否重疊。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，衍射光柵7是在基底材料上進(jìn)行光刻鍍膜制成的，透射光柵的基底材料為微晶玻璃，反射光柵的基底材料為金屬。通過(guò)六軸調(diào)整架和適當(dāng)?shù)膴A具夾住衍射光柵7進(jìn)行調(diào)整，將衍射光柵7放置在光斑重疊位置處，調(diào)整好后用紫外膠或者機(jī)械方法進(jìn)行固定。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，外腔鏡8是一個(gè)平行平板，反射率值從1%到50%。外腔鏡8的基底材料為光學(xué)玻璃，一邊鍍有增透膜，一邊鍍有半透半反膜，將半透半反膜方向?qū)χ苌涔鈻?從而實(shí)現(xiàn)光反饋。通過(guò)六軸調(diào)整架和適當(dāng)?shù)膴A具夾住外腔鏡8進(jìn)行調(diào)整，使得外腔鏡8的擺放方向與衍射光柵7的衍射方向嚴(yán)格垂直。再將聚焦鏡9和多模光纖10安裝在光路中，通過(guò)調(diào)整架對(duì)二者進(jìn)行調(diào)整，直到獲得最高的光纖輸出功率，這樣就完成了光路系統(tǒng)的調(diào)節(jié)。在本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖I禹合模塊中，可以米用芯徑為50 μ m 600 μ m、數(shù)值孔徑范圍為O. I到O. 3的多模光纖，激光波長(zhǎng)從400nm 2000nm，通過(guò)選擇不同的激光器數(shù)目2 若干個(gè)，可獲得IW 200W的光功率輸出。單管半導(dǎo)體激光器I可以是同一偏振態(tài)，也可以是不同偏振態(tài)。所述聚焦鏡9還可以為球面透鏡，所述快軸準(zhǔn)直鏡5和所述慢軸準(zhǔn)直鏡6均為柱面微透鏡。當(dāng)然在其他的具體實(shí)施方式
中，所述聚焦鏡9還可以為非球面透鏡或者兩個(gè)分離的柱面鏡；所述快軸準(zhǔn)直鏡5和所述慢軸準(zhǔn)直鏡6還可以分 別為球面微透鏡。本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，在單管合束中使用了衍射光柵，衍射光柵將所有單管激光器發(fā)出的光以相同的衍射角衍射至外腔鏡，由于外腔鏡的部分反饋?zhàn)饔?，光束將?jīng)衍射光柵后回到單管激光器腔內(nèi)，由于光柵的波長(zhǎng)選擇作用，迫使每只激光器發(fā)出具有與注入反饋相同波長(zhǎng)的激光，最后再次通過(guò)衍射光柵將這些光束合成為一束實(shí)現(xiàn)外腔合束，最后通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)入多模光纖。這種方法可以將多只單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行合束并以單只激光器的光束質(zhì)量輸出，可以實(shí)現(xiàn)光纖耦合模塊的細(xì)芯徑、大功率、高光束質(zhì)量激光輸出。圖2顯示了本發(fā)明的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊的另外一種具體實(shí)施方式
。與圖I所示的具體實(shí)施方式
不同的是，衍射光柵為透射型衍射光柵。本具體實(shí)施方式
的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊的工作原理與圖I所示的具體實(shí)施方式
相同，故在此不再贅述。顯然，上述實(shí)施例僅僅是為清楚地說(shuō)明所作的舉例，而并非對(duì)實(shí)施方式的限定。對(duì)于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在上述說(shuō)明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動(dòng)。這里無(wú)需也無(wú)法對(duì)所有的實(shí)施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見(jiàn)的變化或變動(dòng)仍處于本發(fā)明創(chuàng)造的保護(hù)范圍之中。
權(quán)利要求
1.一種外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，包括多個(gè)同一波長(zhǎng)的單管半導(dǎo)體激光器(2 );每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器(2 )固定在過(guò)渡熱沉(I)上，所述過(guò)渡熱沉(I)固定在弧形熱沉(3)上；多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器(2)發(fā)出的多條光束經(jīng)過(guò)不同傾角入射到衍射光柵(7)上，光斑在衍射光柵(7)上發(fā)生重疊，然后以相同的衍射角衍射至外腔鏡(8);多條光束被外腔鏡(8)反饋后沿原光路返回，使每個(gè)單管半導(dǎo)體激光器(2)收到自身的輸出反饋；經(jīng)過(guò)輸出反饋的多條光束經(jīng)過(guò)衍射光柵(7)后合成為一束，通過(guò)聚焦鏡(9)耦合進(jìn)入多模光纖(10)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，每個(gè)所述的單管半導(dǎo)體激光器(2)前腔面鍍有透過(guò)率在99%以上的增透膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器(2)前還分別安裝有用來(lái)減小激光器快慢軸發(fā)散角的快軸準(zhǔn)直鏡(5)和慢軸準(zhǔn)直鏡(6);所述快軸準(zhǔn)直鏡(5)為柱面微透鏡或球面微透鏡；所述慢軸準(zhǔn)直鏡(6)為柱面微透鏡或球面微透鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述弧形熱沉(3)上的所述單管半導(dǎo)體激光器(2)的數(shù)目為至少兩個(gè)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述衍射光柵(7)為透射型衍射光柵或者反射型衍射光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述外腔鏡(8)為具有一定反射率的平行平板，反射率值從1%到50%。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述外腔鏡(8)的擺放方向與衍射光束的方向嚴(yán)格垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述聚焦鏡(9 )為球面透鏡、非球面透鏡或者兩個(gè)分離的柱面鏡。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述單管半導(dǎo)體激光器(2)的波長(zhǎng)從400nm 2000nm。
10.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一所述的外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，其特征在于，所述多模光纖(10)纖芯直徑范圍為50μπι 600μπι，數(shù)值孔徑范圍為O. I到O. 3，光功率輸出為IW 200W。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種外腔合束半導(dǎo)體激光光纖耦合模塊，包括多個(gè)同一波長(zhǎng)的單管半導(dǎo)體激光器；每個(gè)所述單管半導(dǎo)體激光器固定在弧形熱沉上；多個(gè)單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的多路光束經(jīng)過(guò)不同傾角入射到衍射光柵上，光斑在衍射光柵上發(fā)生重疊，通過(guò)衍射光柵的分光作用和外腔鏡的反饋?zhàn)饔孟?，每只單管半?dǎo)體激光器發(fā)出的光束在由激光器的后腔面和外腔鏡構(gòu)成的諧振腔內(nèi)實(shí)現(xiàn)外腔反饋和波長(zhǎng)鎖定，并由衍射光柵將多路光束合成一束從而實(shí)現(xiàn)外腔合束，最后通過(guò)聚焦鏡耦合進(jìn)入多模光纖。本發(fā)明將多只單管半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束進(jìn)行合束并以單只激光器的光束質(zhì)量輸出，可以實(shí)現(xiàn)光纖耦合模塊的細(xì)芯徑、大功率、高光束質(zhì)量激光輸出。
文檔編號(hào)H01S5/40GK102931585SQ201210427440
公開(kāi)日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月31日
發(fā)明者朱洪波, 郝明明, 秦莉, 張志軍, 王立軍 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所