一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体激光器光纤禪合技术领域，尤其设及一种大功率高亮度慢轴优 先光纤禪合半导体激光器及其制造方法。
【背景技术】
[0002] 大功率半导体激光器由于其体积小、重量轻、效率高、寿命长、光谱线窄等优点，在 加工、医疗、累浦、相控、军事等各个领域得到了广泛的应用，近年来，在激光加工领域，已经 尝试采用大功率高亮度的千瓦级半导体激光器取代千瓦级光纤激光器和C〇2激光器进行金 属材料的切割。
[0003] 为了得到大功率高亮度的光纤禪合半导体激光器，目前国际上主要有Ξ种技术路 线。一种是基于大功率堆找技术，一种是基于多个长己条技术，一种是基于多个单管技术。
[0004] 对于大功率堆找技术而言，由于受限于堆找封装技术，每个己条的指向一致性差， 严重影响了光束质量，亮度大大受到抑制。而对于基于多个长己条技术而言，虽然克服了己 条的指向性问题，但其需要对光束进行整形，需要辅W整形单元，所W结构上变复杂，对称 光束质量设计变复杂。所W，越来越多的研究者选择采用基于多个单管进行快轴空间合束 的技术实现大功率高亮度。
[0005] 然而，现有技术中，对于基于多个单管或短己条的合束进行光纤禪合的技术，基本 上都是基于快慢轴对称光束质量进行设计。但是，经过本申请团队研究发现，运种设计还存 在优化的可能。在简化结构的基础上，还能够进一步提高发光亮度，本发明正是提供运样一 种基于多个单管或短己条半导体激光器，通过慢轴优先设计，最优化选择单管数量和快轴 合束方向上短己条数量来实现最高亮度和功率的光纤禪合半导体激光器。
[0006] 对于如上所述的光束质量而言，通常采用M2因子来评判。M2因子指的是实际光束的 束腰半径乘W实际光束的远场发散角(或者基膜高斯光束的束腰半径乘W基膜发散角），而 在某个方向上的光斑半径乘W该方向上远场发散角的乘积通常用光束参数积BPP(beam parameter product,简称BPP，单位常常取mm · mrad)表示。光束参数积衍射极限（或称为基 模)光的M2因子为1，高阶模则远远大于1。
[0007] 目前市售短己条发光宽度一般为80~10化m，中屯、间距为500μπι，发散角全角为 10°，光束质量为多模。快轴方向的发光宽度为1~2μπι，发散角全角为40°，光束质量为衍射 极限。对于半导体激光器，通常规定垂直于ρη结平面方向为快轴方向，平行于ρη结平面方向 为慢轴方向。
[000引对于快轴方向，由于是基模，因此其快轴参数积BPPf为λ/3?，λ为光束波长。
[0009] 对于常用980nm短己条半导体激光器的单管，其慢轴方向的光束质量比快轴差了 至少一个数量级。即，其慢轴的光束质量相当于十多个单管在快轴方向上的叠加。
[0010] 对于禪合光纤，设光纤半径为r，对应的接受角为α，则理论上可禪合进光纤的最大 光束参数积BPPmax为ra。
[0011] 对于合束的激光光束阵列，光束阵列的合束光束参数积BPPspDt与快轴光束参数积 BPPf和慢轴光束参数积BPPs形成楠圆关系，即：如f =公^巧+ap巧，根据光束阵列的光 束参数积BPPspDt不大于光纤的最大光束参数积BPPmax的光纤禪合原则，满足 [001 ^ WPspot ^PPmax的关系。
[0013] 现有技术中，此时，基本上都是按照快轴、慢轴对称的方式对快轴和慢轴方向上可 容纳的单管数进行设计的，即BPPs2含BPP2max/2，BPPf2含BPP 2max/2，然后根据该公式反算出快 轴可容纳的单管数量。然而，根据该计算方式计算出的单管数量往往很粗糖，其并非最优配 置结果。
[0014] W上述常用980nm短己条半导体激光器的单管为例，由于合束光束阵列的慢轴光 束参数积BPPs只能是单管的慢轴光束参数积BPPso的整数倍。单管慢轴光束参数积BPPso约为 4.37mm . mrad，而对于忍径为10化m，孔径为0.22的禪合光纤，其可接受最大光束参数积 BPPmax为11mm · mrad，因此快慢轴最大的光束参数积BPPf、BPPs可W达到
然而，在运样的设计中，单管慢轴方向只能有一个单管，此时 可选择的光束阵列的慢轴光束参数积BPPs只能是4.37mm · mrad，远小于按照对称方式计算 的
如果仍然按照对称方式设计，则快轴也选择
此时的光束阵列的光束参数积BPPspDt只能为：
f远小于光纤的最大光束参数积BPPmax = 11mm · mrad，因此此设计并非最优化设计，存在很大提升空间。
[001引此时，如果在根据WPs2非PP2maV2原则下结合每个单管的慢轴光束参数积WPso确 定慢轴单管个数然后确定合束光束的慢轴光束参数积BPPs后，我们在快轴方向上如果不按 对称原则计算快轴的BPPf，而是按照楠圆关系：<-6/>巧。-β/Yf农确定，就可W选 择更大的BPPf。运就意味着在快轴方向上能够容纳更多的单管激光器，从而提高光纤输出 的亮度和功率。运就是我们发明团队提出的慢轴优先设计法的核屯、思想。
[0016] 还W上述常用980nm短己条半导体激光器的单管为例，还是选用上述100皿/0.22 的禪合光纤，如果用对称设计法，光束阵列快轴的最大光束参数积BPPf为7.77mm · mrad，而 使用上述慢轴优先法设计得到的光束阵列快轴的最大光束参数积BPPf远大于7.77,为
比时快轴方向可W排列更多的单管，从而提高光纤输 出的亮度和功率。
【发明内容】
[0017] 鉴于上述技术问题，本发明目的在于提供一种结构简单、实现最高亮度和功率的 光纤禪合半导体激光器及其制造方法。
[0018] 具体的，本发明提供一种光纤禪合半导体激光器的制造方法，其特征在于，提供激 光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数)个安装在阶梯状热沉上的短己条半导体 激光器构成，每个短己条半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数)个单管半导体激光 器，通过所述激光光源发射激光;提供快轴准直镜、慢轴准直镜和平板玻璃，所述短己条半 导体激光器发射的激光束经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃 上的反射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵 列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜和禪合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经 过快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜后射入禪合光纤;其中，所述单管半导体激光器和快 轴准直镜W及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直镜设置于单管半导体激光器的出射端， 所述m个短己条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述η个单管半导体激 光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应 的单管半导体激光器位于同一水平高度，对于给出的禪合光纤，根据其忍径和孔径，确定其 可接收光束的最大光束参数积BPPmax，根据BPPs2含BPP2max/2，计算出慢轴方向上最大光束参 数积BPPs，并且根据短己条里的每个单管激光器慢轴方向的光束参数积BPPso，计算出每个 短己条半导体激光器最大单管数量nmax，根据计算出的nmax，反算出此时短己条的慢轴实际 光束参数积BPPs,结合所述禪合光纤的最大光束参数积BPPmax，计算出快轴方向上最大光束 参数积BPPf，根据该快轴方向上最大光束参数积BPPf，W及每个短己条在快轴方向的光束参 数积BPPf 0，反算出快轴方向上最大己条数nw。
[0019] 如上述光纤禪合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述单管半导体激光器 为相同波长相同偏振态的单管半导体激光器。
[0020] 如上述光纤禪合半导体激光器的制造方法，其特征在于，所述光束阵列在快轴或 慢轴方向上通过所述缩束器或扩束器进行缩束或扩束，W调整所述光束阵列的尺寸和发散 角。
[0021] 如上述光纤禪合半导体激光器的