一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法
【专利摘要】本发明提供了一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法的技术方案，该方案采用短bar条组装成叠阵，通过精密的光束质量和指向性控制，采用简单的光学整形系统，实现高亮度和高耦合效率的光纤耦合输出。
【专利说明】一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是激光技术应用领域，尤其是一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法。
【背景技术】
[0002]由于半导体激光器具有电光转换效率高、可靠性好、小型化等优点，在作为激光泵浦源和直接应用方面得到迅速发展及广泛应用，特别是作为固体激光器和光纤激光器泵浦源，推动了全固态激光器的快速发展。高亮度、高功率的半导体激光器泵浦源是光纤激光器和固体激光器实现高效率、高功率输出的重要条件。
[0003]目前国内外实现半导体激光器的高亮度光纤耦合输出的技术途径中:(1)单管半导体激光器散热好，不存在smile效应；但单管半导体激光器输出功率低(8-12W)，要实现高亮度的光纤耦合输出需要单管数量较多，光学整形系统复杂，成本昂贵；(2) cm-bar输出功率高，但存在较大的smile效应，慢轴光束质量较差，耦合进入光纤需要进行光束分割重排，光学系统昂贵复杂和耦合效率较低。
[0004]因此采用相对简单的光束整形系统来获得高亮度和高耦合效率的光纤耦合输出一直是半导体激光器的高亮度光纤耦合输出需要解决的关键技术。
【发明内容】
[0005]本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法的技术方案，该方案采用短bar条二极管激光芯片作为子光源，多个芯片通过叠阵组装、精密的光束准直和指向性控制，可实现高亮度、高耦合效率的光纤I禹合输出。
[0006]本方案是通过如下技术措施来实现的:1.一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出设备及方法:
a.将激光芯片组装成叠阵；
b.利用非球面微透镜阵列，对叠阵中每个激光芯片快慢轴光束质量进行精密准直；
c.利用空间叠加镜,将多列叠阵进行自由空间合束；
d.通过望远镜扩束系统和聚焦系统，将激光束聚焦耦合进入光纤输出。
[0007]作为本方案的优选:步骤a中，由激光芯片组成的叠阵中至少包含有5个发光点，各发光点之间的间距相同，填充因子占16%_25%。
[0008]作为本方案的优选:步骤a中，叠阵由多个BAR条焊接在热沉上组成；所述芯片焊接后smile值小于I μ m,在热沉上定位偏差小于20 μ m ;叠阵组装完成后,芯片快轴方向偏差小于50 μ m,热沉左右错位偏差小于20 μ m,绕Z轴偏角小于0.2°。
[0009]作为本方案的优选:热沉高1.8_±20 μ m,宽11.8_±30 μ m。
[0010]作为本方案的优选:步骤b中每个激光芯片精密准直后，快轴发散角小于
4.5mrad,慢轴发散角小于12.5mrad。[0011]作为本方案的优选:步骤c中的叠阵数目为两列，两列叠阵叠加后快轴光束尺寸小于9.5m,发散角小于4.5mrad ;慢轴光束尺寸小于5.3mm,发散角小于12.5mrad ;光束指向性精度优于±0.01°。
[0012]作为本方案的优选:步骤d中经过望远镜扩束系统后，快轴光束尺寸小于9.5m,发散角小于4.5mrad ;慢轴光束尺寸小于10.6mm,发散角小于6.3mrad。
[0013]一种半导体激光器的高亮度光纤耦合设备，包括有多个激光器芯片组成的叠阵、空间叠加镜、望远镜扩束系统、聚焦系统和耦合光纤；叠阵发出的光束射向空间叠加镜后经过反射射入望远镜扩束系统，光束通过望远镜扩束系统后射入聚焦系统，聚焦后的光束射入率禹合光纤。
[0014]作为本方案的优选:所述叠阵的数量至少为两个。
[0015]作为本方案的优选:所述激光器芯片包括有热沉、BAR条、快轴准直透镜、慢轴准直透镜、慢轴准直透镜固定支架；所述BAR条焊接在热沉一端的上方；所述BAR条发光方向上设置有快准直透镜；所述快准直透镜的下方设置有焊接在热沉上的慢轴准直透镜固定支架；所述慢轴准直透镜固定支架前端设置有慢轴准直透镜。
[0016]作为本方案的优选:焊接在热沉上的BAR条数量至少为5个。
[0017]本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，本方案提供了一种半导体激光器实现高亮度光纤耦合输出的新方法，具有光源结构紧凑、光束整形系统简单、耦合效率高的特点，基于该发明研制的二极管激光高亮度光纤耦合输出光源可应用在泵浦光纤激光器、医疗及工业加工等众多领域。
[0018]由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1为激光器芯片的结构示意图。
[0020]图2为本发明高亮度光纤耦合输出的流程结构示意图。
[0021]图中，I为热沉，2为BAR条，3为快轴准直透镜，4为慢轴准直透镜，5为慢轴准直透镜固定支架，6为叠阵，7为空间叠加镜，8为望远镜扩束系统，9为聚焦系统，10为耦合光纤。
【具体实施方式】
[0022]为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个【具体实施方式】，并结合其附图，对本方案进行阐述。
[0023]通过附图可以看出，采用半导体激光器芯片焊接机器，将短bar条焊接到热沉上，通过对焊接夹具和程序的优化设计和控制，实现短bar条焊接后smile值小于I μ m，在热沉上定位偏差小于20 μ m。将5个芯片焊接到热沉上的短bar条组装成叠阵，通过叠阵组装夹具，使用测量显微镜检测，多次组装，实现叠阵中短bar条快轴方向偏差小于50 μ m,热沉左右错位偏差小于20 μ m,绕Z轴偏角小于0.2°。
[0024]将上述组装完成后叠阵，采用快轴准直透镜(FAC)和慢轴准直透镜(SAC)进行快慢轴光束准直，光束精密准直后，叠阵整体快轴发散角为4mrad，慢轴为12mrad。[0025]将两列快慢轴准直后的叠阵，采用空间叠加镜进行自由空间合束，叠加镜镜面镀条形(45°)高反膜和增透膜(或抠空处理)。由于镀该类膜层对工艺要求较高，目前实现较为困难，因此，方案设计中叠加镜采用柱镜单元拼接的方法，柱镜单元采用石英玻璃加工，利用耐高温及耐激光辐射的胶水拼接成条格状，使用时利用柱镜单元作为反射窗口，镀45° 980nm高反膜，空格区域作为透射窗口。空间叠加后快轴光束尺寸小于9.5m,发散角小于4.5mrad ;慢轴光束尺寸小于5.3mm,发散角小于12.5mrad ;光束指向性精度优于±0.01。。
[0026]对叠加后的光束采用望远镜扩束系统进行扩束，进一步缩小慢轴方向发散角，扩束后快轴光束尺寸小于9.5m,发散角小于4.5mrad ;慢轴光束尺寸小于10.6_，发散角小于
6.3mrad。
[0027]最后，将扩束后的光束聚焦进入0.2μπι、ΝΑΟ.22光纤，实现半导体激光器的高亮度光纤I禹合输出。
【权利要求】
1.一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是: a.将激光芯片组装成垂直叠阵； b.利用非球面微透镜阵列，对叠阵中每个激光芯片快慢轴光束质量进行精密准直； c.利用空间叠加镜,将多列叠阵进行自由空间合束； d.通过望远镜扩束系统和聚焦系统，将激光束聚焦耦合进入光纤输出。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是:所述步骤a中，由激光芯片组成的叠阵中至少包含有5个发光点，各发光点之间的间距相同。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是:所述步骤a中，叠阵由多个BAR条焊接在热沉上组成；所述激光芯片焊接后smile值小于I μ m,在热沉上定位偏差小于20 μ m ;所述叠阵组装完成后，激光芯片快轴方向偏差小于50 μ m,热沉左右错位偏差小于20 μ m，绕Z轴偏角小于0.2°。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是:所述步骤b中每个激光芯片精密准直后，快轴发散角为3-4.5mrad，慢轴发散角为11-12.5mrad。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是:所述步骤c中的叠阵数目为两列，两列叠阵叠加后快轴光束尺寸小于9.5mm,发散角小于5mrad ;慢轴光束尺寸小于5.3mm,发散角小于13mrad ;光束指向性精度优于±0.01°。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合输出方法，其特征是:所述步骤d中经过望远镜扩束系统后，快轴光束尺寸小于9.5mm,发散角小于5mrad ;慢轴光束尺寸小于10.6mm,发散角小于6.5mrad。
7.一种半导体激光器的高亮度光纤耦合设备，其特征是:包括有多个激光器芯片组成的叠阵、空间叠加镜、望远镜扩束系统、聚焦系统和耦合光纤；所述叠阵发出的光束射向空间叠加镜后经过反射射入望远镜扩束系统，光束通过望远镜扩束系统后射入聚焦系统，聚焦后的光束射入稱合光纤。
8.根据权利要求7所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合设备，其特征是:所述叠阵的数量至少为两个。
9.根据权利要求7所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合设备，其特征是:所述激光器芯片包括有热沉、BAR条、快轴准直透镜、慢轴准直透镜、慢轴准直透镜固定支架；所述BAR条焊接在热沉一端的上方；所述BAR条发光方向上设置有快准直透镜；所述快准直透镜的下方设置有焊接在热沉上的慢轴准直透镜固定支架；所述慢轴准直透镜固定支架前端设置有慢轴准直透镜。
10.根据权利要求7所述的一种半导体激光器的高亮度光纤耦合设备，其特征是:焊接在热沉上的BAR条数量至少为5个。
【文档编号】H01S5/02GK104037616SQ201410294320
【公开日】2014年9月10日 申请日期:2014年6月27日 优先权日:2014年6月27日
【发明者】张凯, 郭林辉, 余俊宏, 王昭, 谭昊, 高松信, 武德勇 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所