专利名称：叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法
技术领域：
本发明涉及一种叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，属于半导体激光器阵列的功率耦合技术领域。具体而言，本发明叙述叠式多模半导体激光器阵列与多模光纤阵列间的光学耦合系统。带尾纤的半导体激光器阵列可用作固体激光器的泵浦源、光纤激光器的泵浦源或直接用于激光工业加工、印刷、焊接和医疗设备等。
背景技术：
在诸多的应用领域中，通常要求尾纤输出具有高的能量密度(高亮度)。为了达到这一要求，近年来，半导体激光器逐渐从单一的发光单元演变成由多个发光单元组成的一维阵列，进而发展到由多个一维阵列重叠排列而成的叠式二维阵列。在此基础上，为了得到高亮度的尾纤输出，光键是采用一个将分布在发光面上的诸多发光单元的输出功率高效率地耦合进光纤的光学耦合系统。
图1所示为一维(线性)半导体激光器阵列1。它通常由20至50个发光单元2(没有全部画出)周期性排列组成，每一个发光单元2长50至200微米、宽1微米，周期P为200至1000微米，每个发光单元发出的光功率在0.5至1.2瓦；一维半导体激光器阵列总长一般为1至2厘米，总连续输出光功率为20瓦至60瓦。由于发光单元几何结构上的非对称性，光学衍射效应使得发光单元的出射光束也是非对称的。在垂直于发光面的方向上(称快轴)的发散角β()约为30°至40°；而在平行于发光面的方向上(称慢轴)的发散角α(∥)约为10°至15°；出射光束为线偏振光，其偏振方向在平行于发光面的平面内。
一维激光器阵列在线性长度上发光单元数量的增加是有限的，将一维激光器阵列重叠排列有可能进一步增加能量密度，图2所示为两个一维激光器阵列重叠排列而成的叠式二维激光器阵列3，其垂直间隔D一般为1毫米左右；叠式二维激光器阵列3也可以由多于两个一维激光器阵列重叠排列而成。
图3所示为一维多模光纤阵列4，它由多根多模光纤5周期排列而成，其周期为P′；通常多模光纤5的数量对应相等于待耦合的一维激光器阵列(或叠式二维激光器中的一维激光器阵列)中发光单元的数量。为了得到高亮度的尾纤输出，在过去几年间，一些光学耦合系统相继出现，如利用反射镜的光学系统(见美国专利#6266359和#5805323)、利用棱镜的光学系统(见美国专利#6377410和#5513201)、以及利用透镜阵列的光学系统(美国专利#5887096)。这些专利的特点是它们利用各种不同的结构形式将半导体激光器阵列的多个发光单元进行空间上的排列组合，以形成较小的发光面积，再由光纤(或光纤阵列)接收。但是，这些办法通常需要数量很多的光学部件，这些部件间的光学对准复杂，难以保证系统的稳定性，而且结构体积很大。
另一类方法是利用偏振波片和双折射晶体将一维半导体激光器阵列中的两个发光单元合成，再利用光纤接收(美国专利#5533152和#6104741)。在此类结构中，双折射晶体通常需要较大的光程才能完成发光单元的合成，对于叠式二维激光器阵列而言，由于一维激光器阵列间的距离D较大，该类方法一般不实用。
发明内容
本发明的目的是通过利用波分复用膜片和偏振膜片，有效地将叠式半导体激光器阵列的功率耦合进多模光纤阵列，以得到高亮度的大功率输出。用膜片合光的优点是所需光程较短，因而可以保持较小的光束半径，以利于提高耦合效率。
本发明的另一目的是通过利用较少的光学部件来实现叠式半导体激光器阵列光功率的有效耦合，使光学系统结构简单、紧凑、具有好的稳定性。
本发明还有一目的是通过利用简单、紧凑的光学系统能成比例地增加多模光纤阵列的功率输出，如叠式半导体激光器阵列可以由两个、三个、四个，或更多的一维半导体激光器阵列排列而成。
本发明的技术方案本发明的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，主要包括半导体激光器阵列和光纤阵列，其特征在于半导体激光器阵列由多个一维半导体激光器阵列叠合而成二维阵列，用柱透镜和柱透镜阵列对从多个一维半导体激光器阵列所发出的光束进行准直，然后将多个准直后的光束合束，合束后的光束再由透镜阵列聚焦耦合进多模光纤阵列。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其叠式半导体激光器阵列3由两个一维半导体激光器阵列6和7排列而成二维阵列，柱透镜8和柱透镜阵列10用来对从一维半导体激光器阵列6所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜13使光束的传输方向改变90°，再由偏振合束膜片14将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列7的准直光束合束成为光束15，柱透镜9和柱透镜阵列11用来对从一维半导体激光器阵列7所发出的光束进行准直，准直后的光束首先经半波片12使其偏振方向旋转90°，再透过偏振合束膜片14与来自一维半导体激光器阵列6的准直光束合成为光束15，合束后的光束15再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其叠式半导体激光器阵列3由两个一维半导体激光器阵列6和7排列而成，它们所发出的光束有着不同的波长，分别为λ1和λ2，柱透镜8和柱透镜阵列10用来对从一维半导体激光器阵列6所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜18使光束的传输方向改变90°，再由波分复用膜片19将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列7的准直光束合束成为光束15，柱透镜9和柱透镜阵列11用来对从一维半导体激光器阵列7所发出的光束进行准直，再透过波分复用膜片19，与来自一维半导体激光器阵列6的准直光束合束为光束15，合成后的光束15再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其叠式半导体激光器阵列由三个一维半导体激光器阵列6、7和22排列而成，一维半导体激光器阵列6和7所发出的光束有着不同的波长，柱透镜8和柱透镜阵列10用来对从一维半导体激光器阵列6所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜18使光束的传输方向改变90°，再由波分复用膜片19将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列7的准直光束合束成为光束15，柱透镜9和柱透镜阵列11用来对从一维半导体激光器阵列7所发出的光束进行准直，再透过波分复用膜片19，与来自一维半导体激光器阵列6的准直光束合束为光束15，合成光束15经半波片12使其偏振方向旋转90°，再透过偏振合束膜片14与来自一维半导体激光器阵列22的准直光束合成为光束20，从一维半导体激光器阵列22所发出的光束经全反射镜13使光束的传输方向改变90°，再由偏振合束膜片14将其反射90°，与合成光束15进一步合成为光束20，合成后的光束20再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，多个一维半导体激光器阵列有着相同数量的发光单元，各自的对应发光单元在慢轴方向基本平行对齐，多模光纤阵列17与一维半导体激光器阵列有着同样数量的多模接收光纤，多模光纤阵列的周期P′与一维半导体激光器阵列的周期P相同。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其柱透镜阵列10和11由多个平凸柱透镜组成，平凸柱透镜数量与一维半导体激光器阵列中的发光单元数量相同，柱透镜阵列10和11中的单个柱透镜平行于对应的一维半导体激光器阵列的各个发光单元的快轴放置，用来同时对一维半导体激光器阵列的各个发光单元的出射光束准直，即所有发光单元置于柱透镜阵列10或11的前焦点。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其多模光纤阵列17置于柱透镜阵列16的后焦点附近，接收将合成光束15聚焦后的光功率，只要聚焦后的光斑及发散角不大于对应接收光纤的芯径和数值孔径。
所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，在快轴方向上，从叠式半导体激光器阵列的各个发光单元出射的发散光束，经柱透镜8和9准直后成为发散角非常小的平行光束，为了使准直光束直接耦合进光纤阵列17中的接收光纤，选择柱透镜8和9的焦距使得准直光束的直径和发散角不大于接收光纤的芯径和数值孔径。
本发明的优点本发明通过利用波分复用膜片和偏振膜片，有效地将叠式半导体激光器阵列的功率耦合进多模光纤阵列，得到了高亮度的大功率输出。用膜片合光的优点是所需光程较短，因而可以保持较小的光束半径，以利于提高耦合效率。
通过利用较少的光学部件来实现叠式半导体激光器阵列光功率的有效耦合，使光学系统结构简单、紧凑、具有好的稳定性。
通过利用简单、紧凑的光学系统能成比例地增加多模光纤阵列的功率输出，如叠式半导体激光器阵列可以由两个、三个、四个，或更多的一维半导体激光器阵列排列而成。
图1为一维(线性)半导体激光器阵列结构示意图；图2为两个一维激光器阵列重叠排列而成的叠式二维激光器阵列端面示意图；图3为一维多模光纤阵列端面示意图，它由多根多模光纤5周期排列而成；图1-图3在背景技术中已有说明。
图4为本发明的偏振合束技术实施例1示意图；图5为圆柱棒透镜示意图；图6为透镜阵列由多个平凸柱透镜组成示意图；图7为实施例2另一合束技术即波分复用合束技术示意图；图8是实施例3的示意图，是一个典型系统。叠式半导体激光器阵列由三个一维半导体激光器阵列排列而成，合波由波分复用合束技术和偏振合束技术相结合。
具体实施例方式
图4为本发明的偏振合束技术实施例1示意图。叠式半导体激光器阵列3由两个一维半导体激光器阵列6和7排列而成(图中所示为快轴方向)；柱透镜8和柱透镜阵列10用来对从一维半导体激光器阵列6所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜13使光束的传输方向改变90°、再由偏振合束膜片14将其反射90°、与来自一维半导体激光器阵列7的准直光束合成为光束15；柱透镜9和柱透镜阵列11用来对从一维半导体激光器阵列7所发出的光束进行准直，准直后的光束首先经半波片12使其偏振方向旋转90°，再透过偏振合束膜片14与来自一维半导体激光器阵列6的准直光束合成为光束15；合成后的光束15再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
图4的优选结构为两个一维半导体激光器阵列6和7有着相同数量的发光单元，各自的对应发光单元在慢轴方向基本平行对齐；而且，多模光纤阵列17有着同样数量的多模接收光纤，多模光纤阵列的周期P′与一维半导体激光器阵列的周期P相同。通过使用本发明的偏振合束技术，来自两个一维半导体激光器阵列6和7的对应发光单元的光束能被同时高效率地耦合进单一多模接收光纤的输入端，因而增加功率输出。
图4的优选结构的另一方面为全反射镜13可以是镀金(或铝)反射镜、对45°入射的光束全反射的介质膜、或类似于偏振合束膜片14。
图4的优选结构的另一方面为柱透镜8和9是完全相同的圆柱棒(图5所示)；此外，柱透镜8和9还可以是平凸柱透镜、或其他抛物线形的柱透镜；柱透镜8和9平行于对应的一维半导体激光器阵列的慢轴放置，用来同时对一维半导体激光器阵列的各个发光单元的出射光束准直，即所有发光单元置于柱透镜8或9的前焦点。
图4的优选结构的另一方面为柱透镜阵列10和11由多个平凸柱透镜组成，柱透镜阵列10和11上的单个柱透镜还可以是双曲面柱透镜、或其他抛物线形的柱透镜；如图6所示，平凸柱透镜数量与一维半导体激光器阵列中的发光单元数量相同，且柱透镜阵列10和11完全相同；柱透镜阵列10和11中的单个柱透镜平行于对应的一维半导体激光器阵列的各个发光单元的快轴放置，用来同时对一维半导体激光器阵列的各个发光单元的出射光束准直，即所有发光单元置于柱透镜阵列10或11的前焦点。
图4的优选结构的另一方面为柱透镜阵列10和11可以做成一体，即为单一柱透镜阵列。
图4的优选结构的另一方面为全反射镜13和偏振合束膜片14之间可以是平行玻璃棱镜，全反射镜13和偏振合束膜片14通过胶粘工艺固定在两个45°的平行斜边上。
图4的优选结构的另一方面为多模光纤阵列17置于柱透镜阵列16的后焦点，接收将合成光束15聚焦后的光功率；此外，只要聚焦后的光斑及发散角不大于对应接收光纤的芯径和数值孔径，多模光纤阵列17的位置可以偏离柱透镜阵列16的后焦点。
图4的优选结构的另一方面为在快轴方向上，从叠式半导体激光器阵列的各个发光单元出射的发散光束，经柱透镜8和9准直后成为发散角非常小的平行光束；柱透镜阵列10、11、和16在快轴方向上对准直光束没有聚焦(或发散)作用；为了使准直光束直接耦合进光纤阵列17中的接收光纤，选择柱透镜8和9的焦距使得准直光束的直径和发散角不大于接收光纤的芯径和数值孔径。
图4的优选结构的另一方面为在慢轴方向上，柱透镜8和9对各个发光单元出射的发散光束不产生影响，经柱透镜阵列10和11中的各个相应柱透镜后，光束的发散角得以压缩，但因为慢轴方向发光单元的尺寸较大，压缩后的光束仍然有较大发散角；因而，柱透镜阵列10和11、全反射镜13、偏振合束膜片14、柱透镜阵列16应尽可能地安置紧凑。而且，为了避免相邻发光单元的光束在慢轴方向上重迭，耦合光学系统应选择合适的参数，这些参数包括慢轴方向发光单元的尺寸及发散角、发光单元的周期P、柱透镜阵列10和11的焦距、焦点位置及孔径大小、柱透镜阵列16的焦距、焦点位置、孔径大小。
图4的优选结构的另一方面为所有光学元件的表面都镀有对光束的波长增透的介质膜。
图7为本发明的另一合束技术，即波分复用合束技术示意图。叠式半导体激光器阵列3由两个一维半导体激光器阵列6和7排列而成(图中所示为快轴方向)，它们所发出的光束有着不同的波长，分别为λ1和λ2；柱透镜8和柱透镜阵列10用来对从一维半导体激光器阵列6所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜18使光束的传输方向改变90°、再由波分复用膜片19将其反射90°、与来自一维半导体激光器阵列7的准直光束合成为光束15；柱透镜9和柱透镜阵列11用来对从一维半导体激光器阵列7所发出的光束进行准直，再透过波分复用膜片19，与来自一维半导体激光器阵列6的准直光束合成为光束15；合成后的光束15再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
与图4所示本发明的偏振合束技术比较，全反射镜18代替全反射镜13，波分复用膜片19代替偏振合束膜片14，半波片12不再需要；其他所有光学元件及其工作原理完全相同。全反射镜18可以是镀金(或铝)反射镜、对45°入射的光束全反射的介质膜、类似于偏振合束膜片14、或类似于波分复用膜片19。波分复用膜片19反射波长λ1、透射波长λ2。
偏振合束技术和波分复用合束技术可以同时用在一个系统中，使多个一维半导体激光器阵列的光束实现合束，进一步提高光纤的功率输出。
图8是这样一个典型系统的示意图。叠式半导体激光器阵列21由三个一维半导体激光器阵列6、7和22排列而成(图中所示为快轴方向)，一维半导体激光器阵列6和7所发出的光束有着不同的波长，通过前述波分复用合束技术合成为光束15；合成光束15经半波片12使其偏振方向旋转90°，再透过偏振合束膜片14与来自一维半导体激光器阵列22的准直光束合成为光束20；从一维半导体激光器阵列22所发出的光束全反射镜13使光束的传输方向改变90°、再由偏振合束膜片14将其反射90°、与合成光束15进一步合成为光束20；合成后的光束20再由柱透镜阵列16聚焦耦合进多模光纤阵列17。
图8的优选结构中的所有元器件具有前面所述的特征和工作原理。
很显然，偏振合束技术和波分复用合束技术同时用于一个系统中可以有多种不同的组合；以上应被认作本发明原理的示范性描述，对掌握有相关技巧的人士(those skilled in the art)来说，进一步的改动是明显的、而且能够实现的。然而，这些改动不超出本发明的保护范围和精神。
权利要求
1.一种叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，主要包括半导体激光器阵列和光纤阵列，其特征在于半导体激光器阵列由多个一维半导体激光器阵列叠合而成二维阵列，用柱透镜和柱透镜阵列对从多个一维半导体激光器阵列所发出的光束进行准直，然后将多个准直后的光束合束，合束后的光束再由透镜阵列聚焦耦合进多模光纤阵列。
2.根据权利要求1所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于叠式半导体激光器阵列(3)由两个一维半导体激光器阵列(6)和(7)排列而成二维阵列，柱透镜(8)和柱透镜阵列(10)用来对从一维半导体激光器阵列(6)所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜(13)使光束的传输方向改变90°，再由对45°入射的光束全反射的介质膜片(14)将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列(7)的准直光束合束成为光束(15)，柱透镜(9)和柱透镜阵列(11)用来对从一维半导体激光器阵列(7)所发出的光束进行准直，准直后的光束首先经半波片(12)使其偏振方向旋转90°，再透过偏振合束膜片(14)与来自一维半导体激光器阵列(6)的准直光束合成为光束(15)，合束后的光束(15)再由柱透镜阵列(16)聚焦耦合进多模光纤阵列(17)。
3.根据权利要求1所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于叠式半导体激光器阵列(3)由两个一维半导体激光器阵列(6)和(7)排列而成，它们所发出的光束有着不同的波长，分别为λ1和λ2，柱透镜(8)和柱透镜阵列(10)用来对从一维半导体激光器阵列(6)所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜(18)使光束的传输方向改变90°，再由波分复用膜片(19)将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列(7)的准直光束合束成为光束(15)，柱透镜(9)和柱透镜阵列(11)用来对从一维半导体激光器阵列(7)所发出的光束进行准直，再透过波分复用膜片(19)，与来自一维半导体激光器阵列(6)的准直光束合束为光束(15)，合成后的光束(15)再由柱透镜阵列(16)聚焦耦合进多模光纤阵列(17)。
4.根据权利要求1所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于叠式半导体激光器阵列由三个一维半导体激光器阵列(6)、(7)和(22)排列而成，一维半导体激光器阵列(6)和(7)所发出的光束有着不同的波长，柱透镜(8)和柱透镜阵列(10)用来对从一维半导体激光器阵列(6)所发出的光束进行准直，准直后的光束又经全反射镜(18)使光束的传输方向改变90°，再由波分复用膜片(19)将其反射90°，与来自一维半导体激光器阵列(7)的准直光束合束成为光束(15)，柱透镜(9)和柱透镜阵列(11)用来对从一维半导体激光器阵列(7)所发出的光束进行准直，再透过波分复用膜片(19)，与来自一维半导体激光器阵列(6)的准直光束合束为光束(15)，合成光束(15)经半波片(12)使其偏振方向旋转90°，再透过对45°入射的光束全反射的介质膜片(14)与来自一维半导体激光器阵列(22)的准直光束合成为光束(20)，从一维半导体激光器阵列(22)所发出的光束全反射镜(13)使光束的传输方向改变90°，再由对45°入射的光束全反射的介质膜片(14)将其反射90°，与合成光束(15)进一步合成为光束(20)，合成后的光束(20)再由柱透镜阵列(16)聚焦耦合进多模光纤阵列(17)。
5.根据权利要求1或2所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于多个一维半导体激光器阵列有着相同数量的发光单元，各自的对应发光单元在慢轴方向基本平行对齐，多模光纤阵列有着同样数量的多模接收光纤，多模光纤阵列的周期P′与一维半导体激光器阵列的周期P相同。
6.根据权利要求1或2所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于柱透镜阵列(10)和(11)由多个平凸柱透镜组成，平凸柱透镜数量与一维半导体激光器阵列中的发光单元数量相同，柱透镜阵列(10)和(11)中的单个柱透镜平行于对应的一维半导体激光器阵列的各个发光单元的快轴放置，用来同时对一维半导体激光器阵列的各个发光单元的出射光束准直，即所有发光单元置于柱透镜阵列(10)或(11)的前焦点。
7.根据权利要求1或2所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于多模光纤阵列(17)置于柱透镜阵列(16)的后焦点附近，接收将合成光束(15)聚焦后的光功率，只要聚焦后的光斑及发散角不大于对应接收光纤的芯径和数值孔径。
8.根据权利要求1或2所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于在快轴方向上，从叠式半导体激光器阵列的各个发光单元出射的发散光束，经柱透镜(8)和(9)准直后成为发散角非常小的平行光束，为了使准直光束直接耦合进光纤阵列(17)中的接收光纤，选择柱透镜(8)和(9)的焦距使得准直光束的直径及发散角不大于接收光纤的芯径及数值孔径。
9.根据权利要求3或4所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在个一维半导体激光器阵列有着相同数量的发光单元，各自的对应发光单元在慢轴方向基本平行对齐，多模光纤阵列(17)有着同样数量的多模接收光纤，多模光纤阵列的周期P′与一维半导体激光器阵列的周期P相同。
10.根据权利要求3或4所述的叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其特征在于柱透镜阵列(10)和(11)由多个平凸柱透镜组成，平凸柱透镜数量与一维半导体激光器阵列中的发光单元数量相同，柱透镜阵列(10)和(11)中的单个柱透镜平行于对应的一维半导体激光器阵列的各个发光单元的快轴放置，用来同时对一维半导体激光器阵列的各个发光单元的出射光束准直，即所有发光单元置于柱透镜阵列(10)或(11)的前焦点。
全文摘要
本发明提供一种叠式半导体激光器阵列与光纤阵列间的耦合方法，其半导体激光器阵列由多个一维半导体激光器阵列叠合而成二维阵列，用柱透镜和柱透镜阵列对从多个一维半导体激光器阵列所发出的光束进行准直，然后将多个准直后的光束合束，合束后的光束再由透镜阵列聚焦耦合进多模光纤阵列。多个一维半导体激光器阵列有着相同数量的发光单元，各自的对应发光单元在慢轴方向基本平行对齐，多模光纤阵列与一维半导体激光器阵列有着同样数量的多模接收光纤，多模光纤阵列的周期P′与一维半导体激光器阵列的周期P相同。
文档编号G02B6/32GK1523388SQ03118678
公开日2004年8月25日 申请日期2003年2月21日 优先权日2003年2月21日
发明者樊承钧, 向清 申请人:樊承钧, 向清