专利名称：半导体激光装置的制作方法
技术领域：
本装置涉及一种将多个独立半导体激光器发出的光束经整形和重新排列后合并耦合进入一根光纤的结构，通过它可以获得高功率的光纤激光输出，属于激光和应用光学领域。
背景技术：
通过光纤输出的高功率半导体激光在激光加工领域和光纤激光器、固体激光器制造领域的应用越来越广泛。通过提高单个半导体激光器的输出光功率密度，并将多个半导体激光器的输出光合并后输出是提升光纤输出半导体激光器亮度的主要方法。在现有的半导体激光器材料生长和制作工艺水平下，半导体激光器单管的功率不可能有很快的提高，因此提升光纤输出半导体激光器亮度主要靠耦合技术的改进。常见高亮度大功率半导体激光器采用单纤输出，其光纤耦合方式有两种一是利用半导体激光器列阵，通过整形光学系统将列阵中每个激光器的输出光准直、重新排列、合并到一起输出；另一种方式是将多个单只半导体激光器的输出光经过准直、整形、合并到一起输出。采用多个单只激光器的方案，可以对单只管芯在安装前进行筛选，并且其散热通道比列阵也更大，因此基于多个单只半导体激光器的光纤耦合方案的可靠性、一致性、灵活性均好于使用列阵。已经有一些基于多个单只激光器的高亮度大功率半导体激光器方案。在这些方案中，通常都是先用一个小焦距的柱面透镜将半导体激光器光束在快轴方向准直，然后用一个柱面透镜准直慢轴方向，再用一定的方法将多个半导体激光器发出的光束在在快轴方向上紧密叠起来形成一个合并的准直光束，可以用聚焦透镜将这个合并光束聚焦耦合到光纤当中。
第200610149340.6号专利提供了一种技术方案,将半导体激光器沿出光方向安装到阶梯型冷却块上，各个准直光束以阶梯高度为间隔排列。这种方案的安装调试比较复杂，比较难于消除阶梯前后的激光器准直透镜之间的互相影响。另外一类方案是在快、慢轴整形的基础上，利用多个反射镜分别将多只半导体激光器的光束偏转一个角度，使光束之间平行并且间隔尽可能地小，以实现将多光束紧密合并成一个光束，获得最高的光纤耦合效率。例如7733932号美国专利，专利号为201010174581. 2,200720309495. 1,200820180693. 7,200720195326. X 的中国专利等。在这类使用反射镜的专利方案中，都需要使用阶梯形状热沉来安装半导体激光器，这种方式的缺点是芯片安装到阶梯热沉上的工艺，是需要一次性完成的高精度钎焊工艺。当为了获得高功率，使用的激光器数量比较多的时候，需要特制的高精度工装夹具、非常仔细的操作和精密的钎焊流程(温度、时间、压力)控制，由非常熟练的操作人员才能完成，实际生产难度很高。其中7733932号美国专利、201010174581. 2号和200720309495.1号中国专利所描
述的结构，其激光器以PN结平面平行于底板的方式安装。这种安装方式是一种比较常见的方案，但是它有ー个非常明显的缺点，即它要求所有激光器经快轴准直的输出光束必须严格平行，否则就会导致光束照射到反射镜的时候并不是等间距平行排列，在经调节反射镜使反射光束成为平行光束的时候，光束就无法达到等间距紧密排列的状态，甚至难以避免某些反射光束被前方反射镜遮挡的问题，从而严重影响总的光纤耦合效率。由于快轴准直柱面透镜的焦距通常只有几百微米，因此对它的安装精度必须控制到亚微米量级才能使快轴准直的光束角度偏差在许可范围内；台阶热沉的加工精度以及激光器到热沉的安装精度也必须足够高以满足光束平行的要求。这两方面的安装精度要求在激光器数量比较多的时候非常难以实现。在200720195326. X号和200820180693. 7号专利所描述的方案中，有将激光器结平面垂直于底板放置的方案，但是两种方案都采用的是阶梯热沉，有前述的安装难度问题。而200720195326. X号专利方案采用的所有激光器共用一个慢轴准直柱面透镜的方案，还带来了更多的问题。这种方式需要所有的激光器位置都在慢轴准直柱面透镜的焦点，也就是等光程排列，所有的激光器要排列在一条在安装平面上斜着展开的直线上。当激光器数量比较多时，为了有足够的空间来排列激光器管芯，光程势必拉长，必然导致整个器件在平面两维方向上的尺度都扩大，使得器件所占面积和体积更大。光程的増加还导致光束到达柱面透镜的时候尺寸会比较大，所需要的柱面透镜的尺寸和聚焦透镜尺寸也就比较大，对成本、安装调试带来不利影响。同时，器件封装材料因环境因素所导致的形变对耦合光路稳定性的影响也更严重，对器件可靠性造成影响。这种方案由于是等光程排列，每个激光器的输出光束大小基本一致，所以更适合自由空间光输出的应用而不是光纤耦合输出的器件。 发明内容为了避免现有技术方案的不足，本实用新型提供了ー种安装灵活、调节方便、エ艺简单高效、稳定性好的技术方案来解决多只半导体激光器的光纤耦合问题。整个结构由多只半导体激光器芯片、热沉、快轴准直柱面透镜、慢轴准直柱面透镜、反射镜、聚焦透镜和光纤构成，多个激光器芯片各自安装在一个热沉上作为ー个基本単元。如图1所示，激光器3安装在热沉2上，一个快轴准直柱面透镜4安装在激光器前方，可以将激光器输出光束在快轴方向准直，成为ー个扇形光束10.1。将这些安装了激光器芯片的热沉以激光器芯片PN结平面垂直于底板的方式安装到底板I上，如图2、3所示。热沉形状可以是完全相同的，也可以根据激光器的种类和位置做成不同的形状，热沉通过螺钉11安装在底板I上，或通过焊料焊接固定在底板I上。从每个激光器出射的光束经快轴准直柱面透镜4准直出射后，经过其光路前方的一个慢轴准直柱面透镜6和ー个反射镜5。光束通过慢轴准直柱面透镜6后即成为在快、慢轴方向上都准直的光束10. 2。反射镜5反射其所对应的一路光束，改变光束传输方向；每个反射镜都将反射光射向同一个方向，也就是说所有反射光束相互平行。各反射镜沿光束传播方向依次错开一定距离，这个距离应当尽量接近经快轴准直后的光束在快轴方向上的宽度，将所有激光器的光束在快轴方向的间距压缩为尽可能小，紧密排列起来。未经反射镜反射的各光束，其间距大，方向也不能保证一致，通过反射镜的作用，就将光束整形成为ー束排列紧密的准直平行光束了。聚焦透镜7和光纤8与经快、慢轴准直和反射压缩间距的准直光束共轴，通过聚焦透镜聚焦，光束10. 3照射到光纤端面，高效耦合到光纤内。在本实用新型装置中，每个激光器的规格和性能，包括功率、波长、尺寸、偏振、内部结构等，可以完全相同也可以互不相同。装置中每个激光器光路中的慢轴准直柱面透镜6既可以安装在光路中反射镜5前方，如图2，也可安装在反射镜后方，如图3。对于安放在反射镜后方的方案，慢轴准直柱面透镜的位置也要和反射镜一样错开一个光束宽度，以避免遮挡其他激光器的光束。多个激光器之间的电连接可以采用并联连接、串联连接，或串、并联混合连接，也可以对某一个或几个激光器单独连接电源分别控制。以上的基本结构还可以做出多种变化。多个激光器可以分成若干组，每个组有一个或多个激光器。如图6所示。对多于一个激光器的组，采用慢轴准直柱面透镜位于光路中反射镜后方的方式，慢轴准直柱面透镜6. 2安装在该组中离聚焦透镜最近的反射镜5.1后方，组内每个激光器的经快轴准直的激光束经过对应的反射镜反射压缩间距后，共用该慢轴准直柱面透镜6. 2，在慢轴方向进行准直，成为准直平行光束10. 2。这种方案要求组内的各个激光器都要位于准直柱面透镜的焦点位置上。这种方案可以减少所使用的慢轴准直柱面透镜的个数，节省成本。距离聚焦透镜最远的一个激光器3. 1，它的安装出光方向可以正对聚焦透镜，其输出光束10.1的光轴直接与聚焦透镜光轴7平行，不用反射镜反射，见图4和图5。这种方式可以省一个反射镜，同时也可以用这个不反射的激光束作为耦合调节的基准。当相邻两个激光器发射不同波长的激光，如图7和图8中的激光器3.1和3. 2，离聚焦透镜近的激光器所对应的反射镜可以是一个双色镜9。双色镜9对激光器3.1的光波长透射，对3. 2的光波长为反射。离聚焦透镜远的激光器3.1的光束透过双色镜9，与经双色镜反射的相邻激光器3. 2的光束共轴。由于透镜7的孔径受到光纤数值孔径、像差、器件体积等多方面的制约，所能容`纳的光束数量或宽度是有限制的，这种两束激光完全合束的方法可以使光束的数量减少一个，省出来的空间可以再多容纳一个激光器，有利于提高总功率。以上所述的基本结构以及变化结构中，经准直压缩后的光束10. 2直接照射到聚焦透镜7并耦合到光纤8中，由于聚焦透镜7的焦距和光纤8的安装都需要一定空间，会使整个器件体积加大。可以将经过准直、压缩后的光束经一个反射镜5. O反射，将方向改变90°，再经过聚焦透镜聚焦到光纤端面，如图9所示，反射镜横向的尺度总是小于其焦距和光纤的长度，所以这个方案使结构更紧凑，体积更小。90°反射角一般情况下是最好的选择，但是考虑到调节的需要或者其他功能需要，也可以用其他的反射角。在本使用新型装置方案中，快轴准直柱面透镜、慢轴准直柱面透镜、聚焦透镜和光纤端面都要镀有针对相应激光波长的增透膜，反射镜为镀膜玻璃平片或棱镜。由于本实用新型所采用的结构为每个激光器的PN结平面垂直底板放置，通过反射镜将光束反射、压缩间距十分方便，即使激光器和快轴准直透镜的安装有一些偏差，也可以通过反射镜的位置和角度精细调整来弥补。而且由于采用的是每个或每组激光器配一个慢轴准直柱面透镜，不需要等光程的条件，当为了获得更高功率需要增加激光器数量时，只需沿反射方向排列更多的激光器，也就是在一维方向上扩展体积，而不会像等光程方案需要在二维方向上扩展体积。另外，采用每只激光器安装在一个热沉上的方案，还给整个系统増加了安装的灵活性。在批量生产时，基本単元可以做成完全一祥，用同样的方法安装到底板上，可以简化结构、提高生产效率。当需要对某个激光器做特殊的处理时，只更换ー个基本単元就可以，非常灵活。
图1为装好激光器和快轴准直柱面透镜的单元。图2为ー个完整的装置，其慢轴准直柱面透镜位于反射镜前方光路，每ー激光器输出光束均由一个慢轴准直柱面透镜准直后经反射镜反射。图3为ー个完整的装置，其慢轴准直柱面透镜位于反射镜后方光路，每ー激光器输出光束均由ー个反射镜反射后经慢轴准直柱面透镜准直。图4在图2所示的装置基础上，将最远的一个激光器直对聚焦透镜7，省去ー个反射镜。图5在图3所示的装置基础上，将最远的一个激光器直对聚焦透镜7，省去ー个反射镜并且和相邻的激光器共用一个慢轴准直柱面透镜。图6所示为多个激光器分组，每组共用一个慢轴准直柱面透镜。图7所示为离聚焦透镜最远的两个激光器发射不同波长的光，经由ー个双色片合束。
图8所示为离聚焦透镜最远的两个激光器发射不同波长的光，经由ー个双色片合束，在分组的基础上，将最远的一个激光器直对聚焦透镜7，经双色片合束后共用一个慢轴准直柱面透镜。图9所示为经过快轴准直、慢轴准直、反射合束后的光束经ー个反射镜反射90°后再经聚焦透镜聚焦耦合到光纤的方案。
具体实施方式
基本单元结构见图1，包含一个激光器3、一个热沉2以及ー个快轴准直柱面透镜
4。激光器3包含一个激光器芯片，芯片安装在ー个过渡热沉上。激光器3用焊料焊装在热沉2上，快轴准直柱面透镜4将激光器的光束在快轴方向准直，用胶固定在激光器3或热沉2上。方案一以4个基本单元构成的整个结构为例描述基本方案，如图2所示。4个基本单元等间距整齐排列好，通过螺钉11固定到底板I上。在出光前方底板上有一个台阶，慢轴准直柱面透镜6就安装在台阶上，安装的时候调节它的高度和角度，使经快轴准直的光束10.1进ー步在慢轴方向准直，成为准直光10. 2出射，用胶固定柱面透镜6。在光路前方安装反射镜5，使准直光反射90°。接下来用同样步骤依次对后三个基本単元出射的激光安装慢轴准直柱面透镜和反射镜。在安装反射镜时，要以第一个激光器的光束为基准，调整反射镜的位置和角度，反射镜不能遮挡前ー个激光器的光束，同时反射光束与前一个激光器的光束要紧紧排列，间隙最小，并且互相平行。这样将4个基本単元的出射光完全调节成为紧密排列并且平行的一个大的合束光束。安装聚焦透镜7和光纤8，调节二者位置，使合束光束、光纤8与聚焦透镜7共轴，并且光纤位于焦点位置，聚焦光斑完全照射到光纤的纤芯，光就可以耦合入光纤。透镜7的焦距、数值孔径要与光纤8匹配，以获得最高的耦合效率。方案二在方案一中，经快轴准直的光束先经过慢轴准直再被反射。也可以反过来，先反射再慢轴准直，结构见图3所示，同样以四个单元为例。在安装基本单元的时候与方案一稍有差别，在光束出射方向热沉2要依次推进一个距离，这个距离和经反射后光束快轴方向的宽度相等。安装调节过程和标准与方案一相似，只不过先安装反射镜5，再安装慢轴准直柱面透镜6，后面三个单元以第一个单元的准直光束10. 2为基准依次安装反射镜和慢轴准直柱面透镜，除了反射镜不能遮挡前一个激光器光束以外，慢轴准直柱面透镜在安装的时候也不能遮挡前一光束。方案三在方案一和方案二的基础上进一步变化，可以将第一个激光器单元，也就是离聚焦透镜7最远的单元热沉2.1转90°，使它的出光方向直接正对聚焦透镜7。图4的方案是在方案一，也就是图2的方案基础上变化，图5的方案是在方案二，也就是图3的方案基础上变化，省去了原来热沉2.1上激光器所对应的反射镜，后面三个单元的光在调节的时候就以第一个单元激光光束为基准。图5的方案更进一步省了一个慢轴准直柱面透镜，2.1单元和2. 2单元的光束共用慢轴准直柱面透镜6. 2。方案四可以进一步变化，将激光器分组，每一组共用一个慢轴准直柱面透镜。仍以四个单元为例，如图6所示。四个单元分为两组，2.1和2. 2为一组，2. 3和2. 4为一组，采用先反射后慢轴准直的方案，2.1上的激光器光束经过反射镜5.1反射，2. 2上激光器光束经反射镜5. 2反射，两束光平行并且紧密排列，共同通过慢轴准直柱面透镜6. 2成为准直光束，这两个激光器必须位于柱面透镜6. 2的焦点位置，因此在出光方向上，两个激光器的热沉2.1和2. 2要错开一段距离，热沉2.1和2. 2可以做成不同的长度以方便安装。2. 3和2. 4 —组的反射镜和柱面透镜也同样处 理，将相应两个激光器的准直光束与2.1和2. 2那一组的光束紧密平行排列起来。实际上方案三的图5方案也可以看成2.1单元和2. 2单元为一组，共用一个慢轴准直柱面透镜6. 2，另外两个激光器分别各自为一组，只不过2.1单元旋转了 90°。方案五如果两个相邻的激光器波长不同，可以采用一个双色片9将二者的光束完全共轴合束为一个光束。图7和图8的不例描述的是离聚焦透镜最远的两个激光器3.1和3. 2的波长不同的一种情况。图7的基本构型为方案一的方式，激光器3.1的光束经慢轴准直柱面透镜6.1准直，由反射镜5反射照向双色片9，激光器3. 2的光束经慢轴准直柱面透镜6. 2准直，照射到双色片9。调整双色片9的位置和角度，使两束光完全重合。图8的结构则是综合了方案四和方案三，将激光器3.1和3. 2构成一个组，二者的不同波长的光束被双色片9合并为一个光束。方案六在方案一的基础上，将四束合并的光束10. 2用反射镜5. O反射90°，这样聚焦透镜7和光纤8就和激光器热沉平行放置了，与图2对比，它所占的面积更小，更适合应用于实际器件的制作当中。[0048]以上六个方案中，所有的光学元件都要在表面镀增透膜或者反射膜，对波长不同的情况，如方案五，相应的透镜、反射镜就要镀针对不同波长的增透膜或者反射膜。不同的激光器除了波长可以不同，它们的内部结构也可以不同，功率、波长、偏振态都可以不同。这种结构完全可以适应这种多祥性。由于各个単元独立，它们之间的电连接可以任意连接并联、串联， 或者单独控制。
权利要求1.一种半导体激光装置，由半导体激光器芯片、热沉、快轴准直柱面透镜、慢轴准直柱面透镜、反射镜、聚焦透镜和光纤构成，其特征为多个激光器芯片各自安装在一个热沉上作为一个单元，多个安装了激光器芯片的热沉以芯片PN结平面垂直于底板的方式安装到底板上，每个激光器的光路上都安装一个快轴准直柱面透镜，其光路前方有一个慢轴准直柱面透镜和一个反射镜，每个反射镜反射其所对应的一路光束，经快轴准直、慢轴准直和反射压缩间距的准直光束通过聚焦透镜聚焦到光纤端面。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征为多个激光器可以分成若干组，每个组有一个或多个激光器，对多于一个芯片的组，慢轴准直柱面透镜安装在该组中离聚焦透镜最近的反射镜后方，每个组内的激光器芯片的输出光束共用该慢轴准直柱面透镜。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征为距离聚焦透镜最远的一个激光器，它的安装出光方向也可以正对聚焦透镜，其输出光束的光轴直接与聚焦透镜光轴平行，不用反射镜反射。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光装置，其特征为当相邻两个激光器发射不同波长的激光，离聚焦透镜近的激光器所对应的反射镜可以是一个双色镜，离聚焦透镜远的激光器的光束透过双色镜，与经双色镜反射的相邻激光器的光束共轴。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为每个激光器的规格和性能，包括功率、波长、尺寸、偏振、内部结构，可以完全相同也可以不同。
6.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为装置中每个激光器光路中的慢轴准直柱面透镜既可以安装在光路中反射镜前方，也可安装在反射镜后方。
7.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为安装激光器芯片的热沉形状可以是完全相同的也可以是不同的，热沉通过螺钉或通过焊料焊接固定在底板上。
8.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为多个激光器之间可以并联连接、串联连接，或串、并联混合连接，也可以对某一个或几个激光器单独连接电源分别控制。
9.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为经过准直、压缩后的光束也可以经一个反射镜反射使方向改变90°或其他角度，再经过聚焦透镜聚焦到光纤端面。
10.根据权利要求1、2、3或4所述的一种半导体激光装置，其特征为快轴准直柱面透镜、慢轴准直柱面透镜、聚焦透镜和光纤端面都镀有针对相应激光波长的增透膜，反射镜为镀膜玻璃平片或棱镜。
专利摘要一种半导体激光装置。将多个结平面垂直于底板安装的半导体激光器所发出的光，经快轴准直、慢轴准直，以及反射镜改变光束方向，在慢轴方向上形成压缩了间距的准直光束，再经透镜耦合进入光纤获得高功率密度光输出。每个半导体激光器可以对应一个慢轴准直柱面透镜，也可以分成若干组，每组共用一个准直柱面透镜。离耦合透镜最远的半导体激光器可以直接将其安装为光轴平行于耦合透镜光轴从而不需要反射镜。这样的装置有很高的可靠性、紧凑的外形，可以集成使用多种波长的激光器，并且很容易扩展出更多功能。
文档编号H01S5/40GK202888604SQ20122038362
公开日2013年4月17日 申请日期2012年8月6日 优先权日2012年8月6日
发明者韩静 申请人:北京大族天成半导体技术有限公司