专利名称：多个半导体激光器/激光器阵列的光纤耦合结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器的光纤耦合技术，特别是指一种多个半导体激光器/激光器阵列的光纤耦合结构。
背景技术：
由于半导体激光器发射的激光在垂直方向的发射角(通常约为30-40°)与水平方向的发射角(通常约为6-10°)差别很大，难与光纤耦合。通常的做法是，在半导体激光器的前端和光纤之间放置准直/会聚装置(两个球透镜或是一个自聚焦透镜)，使激光经准直/会聚装置会聚到光纤，实现激光器与光纤的耦合。
多个半导体激光器组合的光纤耦合，就是按单个半导体激光器的方法，把各个激光器1发射的激光通过准直/会聚装置会聚，再一一对应耦合到集束光纤3的各个光纤里。输出的是集束形式的激光。
功率半导体激光器(线)阵列的光纤耦合，采用的是上述集束光纤耦合方法，即用与激光器数量相同的光纤集合成一条光纤束(缆)排。耦合时，在半导体激光器阵列前，与激光器阵列平行放置柱透镜，将激光器发射的激光垂直方向准直，将光纤与各个激光器一一对应对准，各个激光器发射的激光一一对应耦合到集束光纤的各个光纤里，实现激光器与光纤的耦合。输出的也是集束形式的激光。在需要以单束光纤的形式输出时，还要将直径和数值孔径与该集束光纤相当的单束光纤与集束光纤对接输出(图1)。
这种方法不仅结构复杂、加工耦合困难，且由于集束光纤的直径大，输出的单位面积激光能量小，需要另外的光学元件进一步处理；耦合效率较低，在激光能量较大时，对集束光纤的制作工艺、材料要求高。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种多个半导体激光器/激光器阵列的光纤耦合结构，其适用于大功率半导体激光器/阵列和多个阵列组合的单光纤耦合方法。
本发明一种多个半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于，其中包括至少由多个半导体激光器，该多个半导体激光器同方向并行放置，是在一个平面或是在立体的空间内，每个半导体激光器的前端放置一个准直透镜；该多个激光器分别放置在准直透镜的焦点上；
在与激光发射方向垂直的方向上放置一个会聚透镜；半导体激光器发射的激光经准直透镜准直，准直的激光光束通过会聚透镜会聚到会聚透镜的焦点；耦合输出光纤的输入端面放置在焦点上。
其中该准直透镜是球透镜或实现准直的光学机构。
其中该耦合输出光纤的输入端面为平面、半球形或圆锥形。
本发明一种半导体激光器阵列的光纤耦合结构，其特征在于，其中包括至少由多个激光器构成的半导体激光器阵列，在半导体激光器阵列前，沿激光器阵列平行放置一个柱透镜，激光器阵列放置在柱透镜的焦点上；在柱透镜的前方，在激光器阵列的发射方向上，设置了一个微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排，微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排的各个柱透镜的轴线与激光器阵列的各个激光器一一对应对准；微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排的焦点在柱透镜的焦点上；在激光发射方向上放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜；半导体激光器发射的激光经柱透镜在垂直方向准直、经微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排在水平方向准直，准直激光光束通过会聚透镜会聚到会聚透镜的焦点；耦合输出光纤的输入端面放置在焦点上。
其中耦合输出光纤的输入端面为平面、半球形或圆锥形。
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图对本发明进行详细的说明，其中图1多个半导体激光器集束单光纤耦合方法的示意图。
图2是半导体激光器阵列集束光纤耦合方法的示意图。
图3是本发明的半导体激光器阵列单光纤耦合方法的示意图。
图4示出按本发明的方法将多个半导体激光器耦合到一根光纤的一种结构。
图5示出按本发明的方法将半导体激光器线阵耦合到一根光纤的一种结构。
图6是4个激光器(线)阵列的单光纤耦合结构。
具体实施例方式
本发明多个半导体激光器的光纤耦合结构，如图2所示，多个半导体激光器1a、1b...1n(n＞1)同方向并行放置(可以是在一个平面或是在立体的空间内)，每个激光器1a、1b...1n的前端放置一个准直透镜透镜或任何可以实现准直的光学机构2a、2b...2n，激光器1a、1b...1n分别放置在准直透镜2a、2b...2n的焦点F2a、F2b...F2n上。与通常的方法不同，不是在每个激光器的发射方向上放置(集束)光纤，而是在与激光发射方向垂直的方向上，放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜3。激光器发射的激光经过准直透镜2a、2b...2n准直，准直的激光光束通过会聚透镜3会聚到焦点F3。输出光纤4的输入端面为平面、半球形或圆锥形，输出光纤4的输入端面放置在焦点F3上。
本发明多个半导体激光器阵列的光纤耦合结构，如图3所示，至少由多个半导体激光器1a、1b...1n(n＞1)构成半导体激光器(线)阵列1，在半导体激光器(线)阵列1前，沿激光器阵列的平行方向，对应每个激光器1a、1b、...1n(n＞1)放置准直透镜2a、2b...2n，激光器1a、1b...1n分别对应放在准直透镜2a、2b...2n的焦点F2a、F2b...F2n上。准直透镜2a、2b...2n可以由n个球透镜组成，也可以各由一个柱透镜2A和一个有n个焦点的微型二维平面柱透镜(或由n个微型光柱构成的光柱排简称“光柱排”)3组成。柱透镜2A平行放置在激光器阵列1的水平方向，激光器阵列1放在柱透镜2A的焦点(线)F2A上，激光器发射的光经柱透镜2A在垂直方向准直。在柱透镜2A的前方，在激光器阵列1的发射方向上，设置了一个微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3，微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3的各个柱透镜的轴线与激光器阵列的各个激光器一一对应对准。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3的焦点F3a、F3b...F3n也在柱透镜2A的焦点(线)F2A上。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3将激光器阵列发射的激光光束在水平方向准直。在与激光发射方向垂直的方向上，放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜4，准直的激光光束通过会聚透镜4会聚到焦点F4，耦合输出光纤5的输入端面为平面、半球形或圆锥形，耦合输出的单光纤的输入端面放置在焦点F4上。
光纤耦合效率与激光会聚在焦点/焦面上的面积(直径)的大小有关。而激光会聚在焦点/焦面上的面积(直径)与入射光的准直特性密切相关。理想情况下，绝对准直的光束垂直通过理想会聚透镜后会聚形成一个理想的焦点，即该点的面积为零！因此，为了尽可能减小激光会聚在透镜焦面上的面积(直径)，应当尽可能保证入射激光的良好准直。图3所示用于半导体激光器阵列发射激光准直的准直透镜组，其中，与激光器阵列平行放置的柱透镜2A完成了激光器发射激光束在垂直方向的准直，而在激光器阵列的发射方向上设置的微型二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3，使激光束在水平方向准直，从而保证了激光器阵列发射的激光束良好的准直特性。
光纤耦合效率还与激光入射在焦点/焦面上的光纤输入端面的角度有关。选择会聚透镜的数值孔径与光纤的数值孔径相当，可以保证光纤耦合的高效率。
此外，光纤耦合效率还取决于激光在焦点/焦面上会聚的光斑面积与光纤输入端面面积的比例。为了增大光纤的输入面积，将光纤的输入端做成半球形或圆锥形，进一步提高了耦合效率。
将本发明的多个半导体激光器的单光纤耦合输出结构(图2)用于多个半导体激光器阵列的单光纤耦合，可以实现多个激光器阵列的单光纤耦合多个半导体激光器(线)阵列1n(n＞1)同方向并行放置(可以是在一个平面或是在立体的空间内)。在每一个阵列之前，沿激光器(线)阵列的平行方向，对应每个激光器(线)阵列放置准直透镜2n，准直透镜2n可以各由n个球透镜组成，也可以如图3所示，各由一个柱透镜2A和一个由n个焦点的微型二维平面柱透镜(或光柱排)3组成。激光器阵列放在柱透镜2A的焦点(线)F2A上，各微型二维平面柱透镜(或光柱排)3的焦点F3a、F3b...F3n也在F2A上。
在多个半导体激光器(线)阵列1n的激光发射方向上放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜4。各个半导体激光器(线)阵列发射的激光经过柱透镜2A在垂直方向准直，经过微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3在水平方向准直。准直激光光束通过会聚透镜4会聚到会聚透镜4的焦点F4。耦合输出到光纤5的输入端面。光纤5的输入端面为平面、半球形或圆锥形，耦合输出的单光纤的输入端面放置在焦点F4上。
利用本发明的方法，很容易地实现多个功率半导体激光器/阵列的单束光纤耦合，而且结构简单，体积下，易于加工、安装，光纤的直径小，光能量集中。
理论上，可以实现无数个半导体激光器阵列的单光纤耦合，从而实现百瓦级以上的超大功率半导体激光器的单光纤输出模块的制作。
如图4 所示，7个半导体激光器1a-1g在半径为5mm的平面上均匀分布。每个激光器的前方放置了直径为3mm的微型准直透镜2a-2g。每个激光器分别放在对应准直透镜的焦点上。激光器发射的激光透过微型准直透镜2a-2g准直，准直的激光光束与会聚透镜3的轴线平行通过会聚透镜3，聚焦在会聚透镜3的焦点F3。耦合输出光纤4的输入端面为半球形，放置在会聚透镜3的焦点F3。
如图5所示，半导体激光器线阵1由19个、中心间距为500μm均匀分布的半导体激光器组成。其前方放置了微型柱透镜2。半导体激光器线阵1放在柱透镜2的焦点(线)F2上。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3的焦面也在F2上。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3的各个柱透镜的轴线与激光器阵列的各个激光器一一对应对准。激光器发射的激光透过微型柱透镜2和微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3准直后，通过会聚透镜4聚焦在会聚透镜4的焦点F4。耦合输出光纤5的输入端面为半球形，放置在焦点F4。
图6中，以4个激光器(线)阵列的单光纤耦合输出结构为例，给出多个半导体激光器(线)阵列单光纤耦合输出结构的一种排列方法。
4个半导体激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d的激光发射方向平行，彼此呈“口”字形放置在一个与光发射方向垂直的平面上(图8中左)。在每一个半导体激光器(线)阵1a、1b、1c和1d前，与激光器(线)阵1a、1b、1c和1d的线阵平行的方向上各自放置柱透镜2A、2B、2C、2D，激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d分别放在柱透镜2A、2B、2C、2D的焦点(线)F2A、F2B、F2C、F2D上，激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d发射的激光分别经柱透镜2A、2B、2C、2D在垂直方向准直。在激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d的发射方向上，在柱透镜2A、2B、2C、2D的前方，分别设置了一个微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3A、3B、3C、3D，微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3A、3B、3C、3D的各个柱透镜的轴线分别与激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d的各个激光器一一对应对准。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3A、3B、3C、3D的焦点F3A、F3B...F3N也在柱透镜2A、2B、2C、2D的焦点(线)F2A、F2B、F2C、F2D上。微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3A、3B、3C、3D将激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d发射的激光光束在水平方向准直。
这样，4个半导体激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d发射的激光分别经过柱透镜2a、2b、2c和2d和微型的二维多焦点平面柱透镜(或光柱排)3A、3B、3C、3D在垂直方向和水平方向准直。在4个半导体激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d的准直激光光束发射方向上放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜4。4个半导体激光器(线)阵列1a、1b、1c和1d经过准直的准直激光光束通过会聚透镜4会聚到会聚透镜4的焦点F4。耦合输出光纤5的输入端面为半球形，耦合输出的单光纤的输入端面放置在焦点F4上。
权利要求
1.一种多个半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于，其中包括至少由多个半导体激光器，该多个半导体激光器同方向并行放置，是在一个平面或是在立体的空间内，每个半导体激光器的前端放置一个准直透镜；该多个激光器分别放置在准直透镜的焦点上；在与激光发射方向垂直的方向上放置一个会聚透镜；半导体激光器发射的激光经准直透镜准直，准直的激光光束通过会聚透镜会聚到会聚透镜的焦点；耦合输出光纤的输入端面放置在焦点上。
2.根据权利要求1所述的多个半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于，其中该准直透镜是球透镜或实现准直的光学机构。
3.根据权利要求1所述的多个半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于，其中该耦合输出光纤的输入端面为平面、半球形或圆锥形。
4.一种半导体激光器阵列的光纤耦合结构，其特征在于，其中包括至少由多个激光器构成的半导体激光器阵列，在半导体激光器阵列前，沿激光器阵列平行放置一个柱透镜，激光器阵列放置在柱透镜的焦点上；在柱透镜的前方，在激光器阵列的发射方向上，设置了一个微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排，微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排的各个柱透镜的轴线与激光器阵列的各个激光器一一对应对准；微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排的焦点在柱透镜的焦点上；在激光发射方向上放置一个具有适当焦距和数值孔径的会聚透镜；半导体激光器发射的激光经柱透镜在垂直方向准直、经微型的二维多焦点平面柱透镜或光柱排在水平方向准直，准直激光光束通过会聚透镜会聚到会聚透镜的焦点；耦合输出光纤的输入端面放置在焦点上。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器阵列的光纤耦合结构，其特征在于，其中耦合输出光纤的输入端面为平面、半球形或圆锥形。
全文摘要
本发明一种多个半导体激光器的光纤耦合结构，其特征在于，其中包括至少由多个半导体激光器，该多个半导体激光器同方向并行放置，是在一个平面或是在立体的空间内，每个半导体激光器的前端放置一个准直透镜；该多个激光器分别放置在准直透镜的焦点上；在与激光发射方向垂直的方向上放置一个会聚透镜；半导体激光器发射的激光经准直透镜准直，准直的激光光束通过会聚透镜会聚到会聚透镜的焦点；耦合输出光纤的输入端面放置在焦点上。
文档编号G02B6/26GK1617403SQ20031011815
公开日2005年5月18日 申请日期2003年11月10日 优先权日2003年11月10日
发明者谢福增 申请人:中国科学院半导体研究所