半导体激光器空间合束装置的制作方法

本实用新型涉及半导体激光技术领域，具体地说，涉及一种半导体激光器空间合束装置。

背景技术：

半导体激光器有着成本低，寿命长，体积小，可靠性高等优点，在工业加工，泵浦，医疗，通信等方面都有广泛的应用前景。能否进一步提高半导体激光器的亮度是制约半导体激光器未来发展的一个重要因素。激光光束的亮度由输出功率的大小和光束质量决定，功率越大、光束质量越好，亮度就越高，半导体激光器的应用领域也会更加广泛。由于单个半导体激光器的功率存在一定限制，不能满足多样化的需求，因此多个二极管合束是必然选择。

目前在激光合束领域，尤其是半导体激光器合束方面，主要方法有相干合束和非相干合束两类。相干合束能有效地改善并提高半导体激光束阵列输出光的光束质量，但是该技术容易受到外界环境的干扰，不易获得同相超模的大功率稳定输出，需要合束阵列单元在光谱、相位、振幅及偏振态等方面严格控制。相干合束目前还没有在工业或其它领域得到应用。

非相干合束的方法是将多个激光器的输出激光沿着相同的方向传播，使得激光的功率可以得到成倍的增加，功率水平和激光器的数目成正比。非相干合束技术包括偏振合束，波长合束和空间合束等。相比于相干合束，非相干合束没有相位、光谱及振幅的要求，容易调试，是目前激光器合束的主要方法。

偏振合束主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的两路激光组合在一起沿相同方向传播。通常偏振合束技术是将两路偏振方向相互垂直的激光束或激光束组合相互合并，且总是与其它合束技术配合使用。波长合束受到镀膜技术的限制，合束单元数一般不超过5个，对功率和亮度的提高也有限。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型提供一种半导体激光器空间合束装置，通过将半导体激光二极管在空间上排列堆叠，使其合束后耦合进入光纤，提高光束质量，增加输出亮度。

本实用新型提供一种半导体激光器空间合束装置，包括呈阶梯状排列的多路激光组件、一聚焦透镜和一多模光纤，每路激光组件包括：TO封装的半导体激光二极管，用于发射经准直的激光束，各路激光组件的半导体激光二极管发射的激光束的光轴相平行；光束整形元件，位于半导体激光二极管的出光侧，用于对激光束分别进行快轴准直和慢轴准直，准直后激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度；反射镜，位于光束整形元件的出光侧，所述反射镜的反射面与激光束的光轴呈45°，激光束经所述反射面反射后旋转90°射出，各路激光组件旋转后的激光束形成沿快轴方向堆叠的激光束阵列；所述聚焦透镜位于激光束阵列的出光方向，用于聚焦激光束阵列至多模光纤，所述多模光纤的第一端的纤芯中心重合于所述聚焦透镜的焦点，聚焦后的激光束阵列进入多模光纤后合束并由多模光纤的第二端输出。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置还包括一阶梯热沉，所述多路激光组件呈阶梯状排列在所述阶梯热沉的各级台阶上。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述阶梯热沉的各级台阶在高度方向上等间距排列。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，各路激光组件的半导体激光二极管各自包括一发光单元。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，各路激光组件的半导体激光二极管发射的激光束的波长相同。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述光束整形元件包括快轴整形元件和慢轴整形元件，所述快轴整形元件和慢轴整形元件各自包括一个或多个光学元件。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述光束整形元件是同时具有光束快轴准直作用和光束慢轴准直作用的一个或多个光学元件。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述光束整形元件是柱透镜、透镜、光纤、棱镜中的任意一种或几种。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述聚焦透镜是单个非球面透镜、单个球面透镜、多个球面透镜组成的透镜组、多个非球面透镜组成的透镜组、多个柱透镜组成的透镜组中的任一种。

优选地，上述的半导体激光器空间合束装置中，所述多模光纤包括不同纤芯直径的光纤，或者包括不同结构的光纤。

本实用新型采用上述技术方案，通过多路激光组件在空间上排列堆叠，缩小激光器尺寸；每路激光组件具有单独的光束整形元件，形成准直激光输出；多路激光组件的激光束经阶梯排列的反射镜反射后合成一列激光束阵列，经聚焦透镜聚焦后耦合进入多模光纤合束，提高光束质量，增加输出亮度。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是本实用新型实施例中半导体激光器空间合束装置的一种结构示意图；

图2是本实用新型实施例中半导体激光器空间合束装置的另一种结构示意图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

空间合束是一种十分有效的半导体激光器合束技术。其主要优点在于，每个激光器光源相互之间独立，可以通过增加激光器光源的数目来提高合束后的输出功率，通过对每一路的激光光束整形，使其紧密堆叠，可以提高合束后的远场光束质量。利用空间合束技术，结合光纤耦合技术，可以开发出具备高功率、小体积的光纤耦合半导体激光器。

结合图1和图2所示，在本实用新型的一些实施例中，半导体激光器空间合束装置包括呈阶梯状排列的多路激光组件(图中示出三路，包括激光组件1、激光组件2和激光组件3；实际使用中可根据需求增加或减小激光组件的数量)、一聚焦透镜4和一多模光纤5。每路激光组件包括TO封装的半导体激光二极管，光束整形元件和反射镜，如图示的激光组件1包括TO封装的半导体激光二极管11，光束整形元件12和13，以及反射镜14；激光组件2包括TO封装的半导体激光二极管21，光束整形元件22和23，以及反射镜24；激光组件3包括TO封装的半导体激光二极管31，光束整形元件32和33，以及反射镜34。

其中，TO封装即Transistor Outline Package，下文将TO封装的半导体激光二极管简称为半导体激光二极管。

以X-Y-Z三维坐标系作为参照，上述各个元件的堆叠方式为：激光组件1、激光组件2和激光组件3沿X轴方向依次排列，且具有沿Y轴方向的高度差。在优选的实施例中，激光组件1、激光组件2和激光组件3沿Y轴方向等间距排列。每路激光组件中各个元件沿Z轴方向依次排列，如激光组件1的半导体激光二极管11，光束整形元件12和13，以及反射镜14沿Z轴方向依次排列，激光束从半导体激光二极管11中沿Z轴方向射出，经光束整形元件12和13准直后射入反射镜14，经反射镜14反射后旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。同样地，激光组件2的半导体激光二极管21，光束整形元件22和23，以及反射镜24沿Z轴方向依次排列，激光束从半导体激光二极管21中沿Z轴方向射出，经光束整形元件22和23准直后射入反射镜24，经反射镜24反射后旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。激光组件3的半导体激光二极管31，光束整形元件32和33，以及反射镜34沿Z轴方向依次排列，激光束从半导体激光二极管31中沿Z轴方向射出，经光束整形元件32和33准直后射入反射镜34，经反射镜34反射后旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。

多路激光组件可以呈阶梯状排列在一阶梯热沉6的各级台阶上。且优选地阶梯热沉6的各级台阶在高度方向上等间距排列，使得各路激光组件，包括激光组件1、激光组件2和激光组件3沿Y轴方向等间距排列。

每路激光组件的半导体激光二极管均含有一发光单元，用于产生准直过的平行的激光束。激光组件1的半导体激光二极管11、激光组件2的半导体激光二极管21和激光组件3的半导体激光二极管31各自发射经准直的激光束。各个半导体激光二极管固定在阶梯热沉6的各个台阶上，呈阶梯状排列，使各路激光组件的半导体激光二极管发射的激光束的光轴相平行。

在优选的实施例中，各个半导体激光二极管发射的激光束的波长相同。在其他实施例中，可替换为发射不同波长的激光束、不同数目或不同尺寸规格的半导体激光二极管。

每路激光组件中，光束整形元件位于半导体激光二极管的出光侧，用于对激光束分别进行快轴准直和慢轴准直，准直后激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度。在一些实施例中，光束整形元件包括快轴整形元件和快轴整形元件，快轴整形元件和慢轴整形元件各自包括一个或多个光学元件。在另一些实施例中，光束整形元件是同时具有光束快轴准直作用和光束慢轴准直作用的一个或多个光学元件。光束整形元件可以是柱透镜、透镜、光纤、棱镜中的任意一种或几种。

举例来说，激光组件1中光束整形元件包括快轴整形元件12和慢轴整形元件13，快轴整形元件12位于半导体激光二极管11的出光侧，用于对激光束进行快轴准直，慢轴整形元件13位于快轴整形元件12的出光侧，用于对激光束进行慢轴准直，准直后激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度，形成椭圆形光斑。激光组件2中光束整形元件包括快轴整形元件22和慢轴整形元件23，快轴整形元件22位于半导体激光二极管21的出光侧，用于对激光束进行快轴准直，慢轴整形元件23位于快轴整形元件22的出光侧，用于对激光束进行慢轴准直，准直后激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度，形成椭圆形光斑。激光组件3中光束整形元件包括快轴整形元件32和慢轴整形元件33，快轴整形元件32位于半导体激光二极管31的出光侧，用于对激光束进行快轴准直，慢轴整形元件33位于快轴整形元件32的出光侧，用于对激光束进行慢轴准直，准直后激光束的光斑的慢轴长度大于快轴长度，形成椭圆形光斑。

每路激光组件中，反射镜位于光束整形元件的出光侧，反射镜的反射面与激光束的光轴呈45°，激光束经反射面反射后旋转90°射出，各路激光组件旋转后的激光束形成沿快轴方向堆叠的激光束阵列。

具体来说，激光组件1中反射镜14位于慢轴整形元件13的出光侧，其反射面与激光束的光轴呈45°，使由半导体激光二极管11产生、经快轴整形元件12和慢轴整形元件13分别准直的沿Z轴方向传输的激光束射入反射镜14后，经反射面反射，旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。同样地，激光组件2中反射镜24位于慢轴整形元件23的出光侧，其反射面与激光束的光轴呈45°，使由半导体激光二极管21产生、经快轴整形元件22和慢轴整形元件23分别准直的沿Z轴方向传输的激光束射入反射镜24后，经反射面反射，旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。激光组件3中反射镜34位于慢轴整形元件33的出光侧，其反射面与激光束的光轴呈45°，使由半导体激光二极管31产生、经快轴整形元件32和慢轴整形元件33分别准直的沿Z轴方向传输的激光束射入反射镜34后，经反射面反射，旋转90°，沿与X轴相反的方向射出。由于各路激光组件的反射镜呈阶梯状排列，使各路激光束旋转后形成光束快轴堆叠的激光束阵列。如图2所示，在优选的实施例中，形成沿快轴方向等间距平行排列的激光束阵列。

聚焦透镜4位于激光束阵列的出光方向，具体是位于最底层阶梯的反射镜(即激光组件1的反射镜14)之后，用于聚焦激光束阵列至多模光纤5。聚焦透镜4可以是单个非球面透镜、单个球面透镜、多个球面透镜组成的透镜组、多个非球面透镜组成的透镜组、多个柱透镜组成的透镜组中的任一种。

多模光纤5的第一端51的纤芯中心重合于聚焦透镜4的焦点，聚焦后的激光束阵列进入多模光纤5后合束并由多模光纤5的第二端52输出。多模光纤5可以包括不同纤芯直径的光纤，或者包括不同结构的光纤。

上述各个实施例的半导体激光器空间合束装置通过多路激光组件在阶梯热沉上排列堆叠以缩小激光器尺寸；每路激光组件具有单独的TO封装的半导体激光二极管和整形元件，形成准直的激光束输出；每路激光束经各自的反射镜反射后形成光束快轴堆叠的激光束阵列，并由聚焦透镜耦合进入多模光纤。上述的半导体激光器空间合束装置能够显著提升激光输出功率，提高光束质量，增加输出亮度，改善光斑圆度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。