一种基于光子晶体激光器合束的装置的制作方法

本发明属于激光器合束的应用领域，具体是设计一种基于光子晶体激光器合束的装置。

背景技术：

自19世纪60年代第一台红宝石激光器研制成功，半导体激光器作为新一代激光器，以其体积小、电光转换效率高、寿命长等优势在工业加工、医疗、军事、国防等领域得到广泛应用。但由于自身结构的限制，其快慢轴方向的发散角相差很大，整体光束质量差。随着工业加工和大功率光纤激光器泵浦源需求的不断提高，高功率、高亮度和高光束质量的半导体激光器已经成为了国际上热门的研究课题。激光合束是实现高功率、高亮度和高光束质量的有效方法之一。激光合束技术在激光加工和高功率光纤耦合产品中已得到广泛的应用。

目前，能实现合束的激光器有：单管激光器、巴条激光器和迭阵激光器。

单管激光器输出功率相对巴条激光器较低，研制大功率激光器光纤耦合模块时需要较多的单元器件，整个制作工艺复杂，对光束准直及指向精度要求较高。传统巴条激光器慢轴光束质量较差，“smile”效应现象明显，具有光学系统昂贵复杂和耦合效率较低的缺点。传统的合束方法一般只能在某一方向上实现光斑的叠加，不能有效的填充光纤的芯径，致使芯径的利用效率不高。在申请号为201410766549.1的发明专利中，发明人利用一系列激光光束偏移光学系统调整光束，实现二维圆形排列的多激光光束；在申请号为201510662366.X的发明专利中，提供一种新型多单管半导体激光器光纤耦合模块，使原本的单管半导体激光一维快轴方向的堆叠，变为快轴方向与慢轴方向共同叠加，目的都是希望能有效利用耦合镜的通光孔径空间及提高光纤耦合输出功率。这两种方法在一定程度上都增加了光学系统的复杂性，伴随着整个模块的装调难度及较贵的制作成本。

技术实现要素：

为解决现有技术中的至少一问题而提出本发明。本发明在下文中参考实施例的示例将更详细的描述，但本发明并不局限于所述实施例。

木发明提出了一种基于光子晶体激光器合束的装置，包括阶梯热沉、光子晶体激光器短巴条、球面透镜、反射镜和聚焦耦合镜；

根据本发明的实施例，所述阶梯热沉由不同高度的台阶组成，每个台阶上放置一个所述光子晶体激光器短巴条；

根据本发明的实施例，每个所述光子晶体激光器短巴条发射的激光均经所述球面透镜压缩后出射平行激光；

根据本发明的实施例，所述每个光子晶体激光器短巴条对应一个反射镜，由所述反射镜实现光子晶体激光器短巴条出射光束的光路的折转以入射到所述聚焦耦合镜；

根据本发明的实施例，所述聚焦耦合镜用于将激光合束后的光束聚焦；

根据本发明的实施例，所述阶梯热沉的台阶个数不小于2；

根据本发明的实施例，所述光子晶体激光器短巴条的前腔面采取镀增透膜处理；

根据本发明的实施例，所述光子晶体激光器短巴条含有多个发光单元；

根据本发明的实施例，所述光子晶体激光器短巴条上的发光单元的数量和间距与阶梯热沉台阶数量和间距分别相等，能够实现在所述聚焦耦合镜之前的光斑分布呈近距方形；

根据本发明的实施例，所述光子晶体激光器短巴条输出的光斑是近圆形光斑；

根据本发明的实施例，所述反射镜的反射面镀有与所述光子晶体激光器短巴条的激射波长相对应的高反膜；

根据本发明的实施例，所述反射镜到所述阶梯热沉的距离是保持不变的，且与所述阶梯热沉放置的角度也是保持不变的；

根据本发明的实施例，该装置还包括光纤，所述光纤用于传输由所述聚焦耦合镜聚焦后的激光；

根据本发明的实施例，该装置还包括管壳，所述管壳用于容纳所述阶梯热沉、所述光子晶体激光器短巴条、所述球面透镜、所述反射镜，所述聚焦耦合镜和所述光纤。

本发明提供了一种基于光子晶体激光器合束的装置，改善了该装置的快慢轴方向的发散角，提高了整体光束的质量，更有效利用聚焦耦合镜的通光孔径、降低装置装调的复杂性和装调难度，也降低制作成本，最大程度上提高聚焦耦合透镜的通光孔径和光纤芯径的利用率，从而获得最大的耦合输出。

附图说明

图1是基于光子晶体激光器合束的装置的俯视图；

图2是阶梯热沉的结构及尺寸示意图；

图3是光子晶体激光器短巴条示的结构示意图(阴影部分为激光器管芯)；

图4A和图4B分别是单个光子晶体激光器使用球面透镜进行快轴和慢轴压缩的光路图；

图5是由软件模拟进入光纤前探测得到的光斑强度分布图；

图6是本发明利用偏振技术扩展后的装置示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

在附图中示出了根据木发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种数据、形状以及它们之间的相对大小、位置关系仪是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术有限而造成的偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置。

图1为一种基于光子晶体激光器合束的装置的俯视图。如图所示，该装置包括：1阶梯热沉、2光子晶体激光器短巴条、3球面透镜、4反射镜，5聚焦耦合镜、6管壳和7光纤。

所述光子晶体激光器短巴条2和光纤7分别位于球面透镜3和聚焦耦合镜5的焦点处，进而实现从球面透镜3出射的激光都是平行光束，才能保证入射到聚焦耦合镜5的激光都是平行光束，光束在光纤一侧汇聚在聚焦耦合镜5的焦点处，最大程度上耦合进光纤。

所述每个光子晶体激光器短巴条2对应一个反射镜4，由反射镜4实现光子晶体激光器短巴条2上多个发光单元的光路的转折，反射镜4的反射面镀有与光子晶体激光器短巴条2的激射波长相对应的高反膜，所有反射镜4到阶梯热沉1的距离相同，且与阶梯热沉1呈45°放置。光束由反射镜4反射到聚焦耦合镜5的凸面上，再经过聚焦耦合镜5后实现聚焦，最后耦合进光纤7。

所述光子晶体激光器短巴条2和阶梯热沉1完成合束，且光子晶体激光器短巴条2上发光单元的数量和间距与阶梯热沉1台阶数量和间距分别相等，实现在聚焦耦合镜5之前的光斑分布呈近正方形，提高了聚焦耦合镜5通光孔径的利用率，亦能够减少聚焦耦合镜5像差的影响。

所述管壳用于放置1阶梯热沉、2光子晶体激光器短巴条、3球面透镜、4反射镜，5聚焦耦合镜和7光纤。

图2是阶梯热沉的结构及尺寸示意图。如图所示，具有一定台阶高度的阶梯热沉1，台阶高度差应结合光子晶体激光器短巴条2的光斑大小设计，满足相邻台面上出射的光斑经反射镜4反射时在快轴方向上没有重叠，台阶个数应该不小于2。模拟中我们设定的台阶高度为0.500mm，最低的台阶高度为1.600mm，共有3层台阶。

该装置中使用了阶梯热沉1，使用焊料把光子晶体激光器短巴条2焊接在所述阶梯热沉1表面上，不同台阶高度的光子晶体激光器短巴条2出射的激光经过反射镜4后，可以实现快轴方向光斑的叠加。所述阶梯热沉1的每个台阶上装有一个光子晶体激光器短巴条2。

图3是光子晶体激光器短巴条示的结构示意图(阴影部分为激光器管芯)。如图所示，木发明假定每个光子晶体激光器短巴条2上有三个发光单元，，整个装置中共有3个光子晶体激光器短巴条2，9个发光单元。且所述光子晶体激光器短巴条2的周期为0.500mm，在半高全宽处的快轴发散角约为12度，慢轴发散角约为7度。所使用的光子晶体激光器短巴条2的前腔面采取镀增透膜处理。每个光子晶体激光器短巴条2的每个单元使用一个球面透镜3进行快慢轴发散角的压缩，根据现有激光器参数设计的球面透镜3的焦距为0.256mm。快轴方向叠加后和慢轴方向的光斑数都是3个，以满足最后反射到聚焦耦合镜5前面的光斑分布呈近正方形，使聚焦耦合镜5的通光孔径和光纤7芯径都达到最大的利用率。

该装置使用光子晶体激光器短巴条2进行合束，利用光子晶体激光器可实现近圆形光斑输出的特点(如申请号为201310082285.3的发明专利和文献：Lei Liu，Wanhua Zheng et al.Design and Analysis of Laser Diodes Based on the Longitudinal Photonic Band Crystal Concept for High Power and Narrow Vertical Divergence，IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.21，NO.1，JANUARY/FEBRUARY2015中所述)，即快慢轴发散角差别很小，使用一个球面透镜3代替快轴准直镜和慢轴准直镜，实现快慢轴方向发散角的同时压缩，所述球面镜3，是要根据光子晶体激光器短巴条2输出光束的发散角和压缩后想要得到的光斑尺寸大小等进行设计。

所述光子晶体激光器短巴条2具有光子带隙特性的人造周期性电介质结构，频率落在光子带隙内的电磁波是禁止传播的。将光子晶体引入到半导体激光器中，光子晶体光子带隙的存在有利于自发辐射的抑制和受激辐射的产生。利用光子晶体对光子态的调制作用，可以获得比传统半导体激光器大好几个数量级的光学腔品质因子，大幅度提高激光的亮度和单色性。普通半导体激光器，快轴方向由于垂直于有源区的模式尺寸很小，使快轴发散角非常大。而光子晶体激光器短巴条2通过光子晶体的周期性调制和模式耦合可以降低快轴发散角，实现近圆形的光斑输出，从而可以设计一个球面镜代替快轴准直镜和慢轴准直镜完成对快慢轴发散角的压缩，减少了合束光源中光学元件的数量和更多透镜带米的装调误差，降低了制作成本。

图4A和图4B分别是单个光子晶体激光器使用球面透镜进行快轴和慢轴压缩的光路图。如图所示，单个光子晶体激光器使用球面透镜3进行快轴和慢轴压缩的光路图。由于光子晶体激光器能够实现近圆形光斑的远场输出，故单个光子晶体激光器使用球面透镜3进行快轴和慢轴压缩的光路图是相近的。

图5是由软件模拟进入光纤前探测得到的光斑强度分布图。如图所示，是模拟得到的进入光纤前探测到的光斑强度图，正如我们预期的一样，聚焦耦合镜5前的光斑呈近正方形分布，模拟得到的光束耦合进光纤7的耦合效率大于99％。

图6是本发明利用偏振技术扩展后的装置示意图。如图所示，该装置可以使用反射镜8、偏正棱镜9和半波片10进一步扩展。经过此方法扩展后使整体的输出功率增大一倍，光束质量不变。

该装置仍可进一步扩展，如图6所示的合束光源通过波长合束器实现波长合束，进而获得更大的输出功率。故该装置经过简单的扩展，亦可实现百瓦量级的耦合输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有盍效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。