一种千瓦级半导体激光器光纤耦合模块的制作方法

本发明涉及半导体激光器领域，更具体地，涉及一种千瓦级半导体激光器光纤耦合模块。

背景技术：

千瓦级半导体激光器光纤耦合模块在工业切割、焊接、熔覆等领域有广泛的应用。目前市场上千瓦级半导体激光器光纤耦合模块主要使用单管合束技术，千瓦级的半导体激光器光纤耦合模块需要数量超过100个的单管芯片，存在组装难度大，生产效率低和成本高等问题。若采用叠阵合束技术，由于叠阵合束的光束质量比较差，耦合到小芯径的光纤里传输难度大，使用过程中稳定性也不高，并且阵列合束的光学元器件复杂，也同样存在装调难度高，效率低且成本高的问题。

本发明使用bar条合束技术，只需用20个bar条单元就可以实现半导体激光器耦合输出功率千瓦以上，使用的器件数量的降低，比较容易装调，采用光学元器件相对简单，能有效的节约成本，适合工业批量成产。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷(不足)，提供一种千瓦级半导体激光器光纤耦合模块。

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题。

本发明的公开了一种千瓦级半导体激光器光纤耦合模块，其包括：

具有内凹结构的底座，所述内凹结构在同一水平线上两边高中间低，以此形成两列空间光束相向耦合叠阵空间；

分别设置于底座两边高位的第一巴条器件和第二巴条器件，第一巴条器件和第二巴条器件的巴条发光方向相向错位设置；

设于底座中间低位且与第一巴条器件的巴条一一对应的第一镜片组，设于底座中间低位且与第二巴条器件的巴条一一对应的第二镜片组；

在底座远离光束输出侧，与第一巴条器件连接的第一电极，与第二巴条器件连接的第二电极；

设于底座的内凹结构近光束输出侧的偏振合束组件，以将一束光偏振态反射另一束光透射后合束射出；

设于底座偏振合束组件的光束射出方向的聚焦耦合组件，以将合束光束纵横聚焦成点光斑；

设于聚焦耦合组件点光斑射出口的目标光纤。

优选地，所述底座的两边高位与中间低位分别呈纵向阶梯状，且两者在同一水平面的台阶彼此一一对应。

优选地，所述纵向阶梯状从光束输出侧由高至低排列。

优选地，所述纵向阶梯的阶梯高度为0.4-0.6mm。

优选地，至少所述底座的内凹结构采用高热导率铜合金热沉材料制成。

优选地，所述第一镜片组和第二镜片组分别包括：

快轴准直镜组，包括数个与巴条分别一一对应的快轴准直镜，快轴准直镜贴合在对应巴条的发射腔面上，用于压缩激光束的快轴发散角，将所接收的光束准直后在快轴方向发射快轴准直光束，慢轴方向发散线光斑；

慢轴准直镜组，包括数个与本组的快轴准直镜一一对应设置的慢轴准直镜，慢轴准直镜用于压缩快轴准直光束的慢轴发散角，将所接收的快轴准直光束准直后在快轴方向发射慢轴准直光束；

反射镜组，包括数个与本组的慢轴准直镜一一对应设置的反射镜，慢轴准直光束入射至反射镜，反射镜将慢轴准直光束折射至偏振合束组件。

优选地，所述偏振合束组件包括平面反射镜和偏振合束镜，平面反射镜将第一镜片组或第二镜片组的其中一组所折射的第一慢轴准直光束反射至偏振合束镜的入射面；第一镜片组或第二镜片组的另一组所折射的第二慢轴准直光束与第一慢轴准直光束透射偏振合束镜，反射的第一慢轴准直光束与透射的第二慢轴准直光束合束射出至聚焦耦合组件。

优选地，所述聚焦耦合组件包括平面透镜、y轴聚焦镜和x轴聚焦镜，第一慢轴准直光束与第二慢轴准直光束的合束光束透射穿过平面透镜，射入y轴聚焦镜纵向聚集后射出至x轴聚焦镜进行横向聚集，或者是，射入x轴聚焦镜横向聚集后射出至y轴聚焦镜进行纵向聚集，合束光束纵横聚集成一个点光斑射入目标光纤纤芯。

优选地，还包括导热陶瓷垫片和导热胶，第一镜片组及第二镜片组固定于导热陶瓷垫片，导热陶瓷垫片通过导热胶贴合于底座内凹结构的表面。

本发明还公开了一种千瓦级半导体激光器巴条光纤耦合的方法，，采用上所述的千瓦级半导体激光器光纤耦合模块实现下述方法，方法包括：

步骤一、封装千瓦级半导体激光器光纤耦合模块，电极通电，两组数只mini-bar条分别射出的两束叠加光束经过快轴准直镜准直后在快轴方向分别射出两束相向错位平行的快轴准直光束，分别在慢轴方向发散成线光斑；

步骤二、每束快轴准直光经过对应的慢轴准直镜准直后，再通过对应的反射镜折射出同向、快轴及慢轴发散角角度接近的准直光束；

步骤三、将其中一组准直光束通过反射镜折射至偏振合束镜被偏振态反射出来；另一组准直光束直射至偏振合束镜被透射出来；

步骤四、反射出来的光束与透射出来的光束合束穿射平面透镜，先射入x轴聚焦镜横向聚焦后，再射入y轴聚焦镜纵向聚焦，或者是，先射入y轴聚焦镜纵向聚焦后，再射入x轴聚焦镜横向聚焦；

步骤五、光束纵横聚焦成一个点光斑射入目标光纤纤芯。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明使用bar条合束技术采用至少20个bar条单元就可以实现半导体激光器耦合输出功率千瓦以上，使用的器件数量的降低，比较容易装调，采用光学元器件相对简单，能有效的节约成本，适合工业批量生产。

本发明还通过第一巴条器件和第二巴条器件的巴条发光方向相向错位设置，在底座的内凹结构形成两列空间光束相向耦合叠阵空间，实现了小体积高功率的半导体激光器耦合模块，利于多模块的封装。同时通过导热陶瓷垫片的设置，有效解决了因为长时间工作热效应所导致的铜合金热沉的微形变，由于铜合金热沉的形变引致的耦合模块输出光束偏移，从而提高了本模块的使用寿命。

附图说明

图1为本发明俯视透视示意图；

图2为本发明立体透视示意图；

图3为本发明正视透视示意图；

图4为本发明底座内凹结构的结构示意图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1-4所示，本发明的公开了一种千瓦级半导体激光器光纤耦合模块，其包括：

具有内凹结构的底座14，所述内凹结构在同一水平线上两边高中间低，以此形成两列空间光束相向耦合叠阵空间；

分别设置于底座14两边高位的第一巴条器件1和第二巴条器件10，第一巴条器件1和第二巴条器件10的巴条发光方向相向错位设置；

设于底座14中间低位且与第一巴条器件1的巴条一一对应的第一镜片组，设于底座中间低位且与第二巴条器件10的巴条一一对应的第二镜片组；

在底座14远离光束输出侧，与第一巴条器件1连接的第一电极3，与第二巴条器件10连接的第二电极9；

设于底座14的内凹结构近光束输出侧的偏振合束组件，以将一束光偏振态反射另一束光透射后合束射出；

设于底座偏振合束组件的光束射出方向的聚焦耦合组件，以将合束光束纵横聚焦成点光斑；

设于聚焦耦合组件点光斑射出口的目标光纤19。

本发明的bar条合束技术采用2组共至少20只bar条，产生激光经过快轴、慢轴准直及及合束、聚焦、耦合成点光斑射入目标光纤纤芯，通过目标光纤输出。

本发明还通过第一巴条器件1和第二巴条器件10的巴条发光方向相向错位设置，在底座14的内凹结构形成两列空间光束相向耦合叠阵空间，实现了小体积高功率的半导体激光器耦合模块，利于多模块的封装。同时通过导热陶瓷垫片13的设置，有效解决了因为长时间工作热效应所导致的铜合金热沉的微形变，由于铜合金热沉的形变引致的耦合模块输出光束偏移，从而提高了本模块的使用寿命。

优选地，所述底座14的两边高位与中间低位分别呈纵向阶梯状，且两者在同一水平面的台阶彼此一一对应。

优选地，所述纵向阶梯是从光束输出侧由高至低排列。

优选地，所述纵向阶梯的阶梯高度为0.4-0.6mm。

优选地，至少所述底座的内凹结构采用高热导率铜合金热沉材料制成。

优选地，所述第一镜片组和第二镜片组分别包括：

快轴准直镜组2/8，包括数个与巴条分别一一对应的快轴准直镜，快轴准直镜贴合在对应巴条的发射腔面上，用于压缩激光束的快轴发散角，将所接收的光束准直后在快轴方向发射快轴准直光束，慢轴方向发散线光斑；

慢轴准直镜组5/6，包括数个与本组的快轴准直镜一一对应设置的慢轴准直镜，慢轴准直镜用于压缩快轴准直光束的慢轴发散角，将所接收的快轴准直光束准直后在快轴方向发射慢轴准直光束；

反射镜组4/7，包括数个与本组的慢轴准直镜一一对应设置的反射镜，慢轴准直光束入射至反射镜，反射镜将慢轴准直光束折射至偏振合束组件。

快轴准直镜组2/8可以表示一组快轴准直镜组2，另一组快轴准直镜组8；慢轴准直镜组5/6可以表示一组慢轴准直镜组5，另一组慢轴准直镜组6；反射镜组4/7可以表示一组反射镜组4，另一组反射镜组7。

优选地，所述偏振合束组件包括平面反射镜12和偏振合束镜15，平面反射镜12将第一镜片组或第二镜片组的其中一组所折射的第一慢轴准直光束反射至偏振合束镜15的入射面；第一镜片组或第二镜片组的另一组所折射的第二慢轴准直光束与第一慢轴准直光束透射偏振合束镜15，反射的第一慢轴准直光束与透射的第二慢轴准直光束合束射出至聚焦耦合组件。

优选地，所述聚焦耦合组件包括平面透镜16、y轴聚焦镜17和x轴聚焦镜18，第一慢轴准直光束与第二慢轴准直光束的合束光束透射穿过平面透镜16，射入y轴聚焦镜17纵向聚集后射出至x轴聚焦镜18进行横向聚集，或者是，射入x轴聚焦镜18横向聚集后射出至y轴聚焦镜17进行纵向聚集，聚集后的光束射入目标光纤19。

优选地，还包括导热陶瓷垫片13和导热胶，第一镜片组及第二镜片组固定于导热陶瓷垫片13，导热陶瓷垫片13通过导热胶贴合于底座14内凹结构的表面。

本发明还公开了一种千瓦级半导体激光器巴条光纤耦合的方法，采用上述的千瓦级半导体激光器光纤耦合模块实现下述方法，方法包括：

步骤一、封装千瓦级半导体激光器光纤耦合模块，电极通电，两组数只mini-bar条分别射出的两束叠加光束经过快轴准直镜2/8准直后在快轴方向分别射出两束相向错位平行的快轴准直光束，分别在慢轴方向发散成线光斑；

步骤二、每束快轴准直光经过对应的慢轴准直镜5/6准直后，再通过对应的反射镜折射出同向、快轴及慢轴发散角角度接近的准直光束；

步骤三、将其中一组准直光束通过平面反射镜12折射至偏振合束镜15被偏振态反射出来；另一组准直光束直射至偏振合束镜15被透射出来；

步骤四、反射出来的光束与透射出来的光束合束穿射平面透镜16，先射入x轴聚焦镜16横向聚焦后，再射入y轴聚焦镜18纵向聚焦，或者是，先射入y轴聚焦镜18纵向聚焦后，再射入x轴聚焦镜17横向聚焦；

步骤五、光束纵横聚焦成一个点光斑射入目标光纤19纤芯。

本发明设计了一种千瓦级半导体激光器封装模块，通过设计两组巴条器件的巴条错位相向合束出光的方式。极大的精简了模块的体积，小体积有利于多个模块封。通过采用导热陶瓷垫片13固定镜片组，再由导热陶瓷垫片13固定于铜合金热沉14上，有效解决因为长时间工作热效应导致铜合金微变形所带来的镜片偏移，提高了半导体激光器光纤耦合模块的使用寿命。又通过设计了x轴聚焦镜17、y轴聚焦镜18将偏振合束镜合束的激光聚焦，两轴聚焦可调性比较高，更容易将激光耦合到输出光纤上，相比于激光经聚焦镜直接聚焦再耦合到光纤里更有操作性。通过使用高热导率铜合金热沉材料，提升高功率半导体激光器散热效率，降低半导体激光器工作温度的高效封装，可以显著提高器件工作的寿命和可靠性。

实操实例：

本发明半导体激光bar条采用的是功率80w激光波长915nm的mini-bar，采用内六角螺钉固定在铜合金热沉上，每组的数个mini-bar从光束输出侧由高至低阶梯状延排列，第一镜片组、第二镜片组、偏振合束组件及聚焦耦合组件的镜片均采用导热胶固定于导热陶瓷垫片，导热陶瓷垫片贴合于铜合金热沉。反射镜组中反射镜采用尺寸8mmx4mmx1mm，在表面700-1000nm镀反射膜，反射镜与入射光束最佳位置成45度。平面反射镜12采用尺寸8mmx8mmx1mm，表面镀700nm-900nm反射膜。采用快、慢轴准直镜、偏振合束镜15、两轴聚焦镜之间配合将激光光束处理为目标光纤可以接受的点光斑，铜合金热沉紧邻底座台阶高度差为0.6mm，在20个bar条封装后通电后测试得到最终经光纤耦合输出1530w功能，达到千瓦级别。具体实施如下：

1、封装通电后，由1组10只半导体激光器mini-bar条发射出来的激光先经过快轴准直镜2准直，激光经过快轴准直后在快轴方向平行光束，慢轴方向发散成一束线光斑。

2、由10组10只半导体激光器mini-bar条发射出来的激光先经过快轴准直镜8准直，激光经过快轴准直后在快轴方向平行光束，慢轴方向发散成一束线光斑。

3、由第一巴条器件1发射的激光经过快轴准镜组2准直后，再经过慢轴准直镜组6准直后成一束平行光束。

4、由第二巴条器件10发射的激光经过快轴准镜组8准直后，再经过慢轴准直镜组5准直后成另一束平行光束。

5、经过快慢轴准直镜准直后，由第一巴条器件1发射的激光经过反射镜组7发射，入射光与反射光成90度角，10束反射光在同一方向传播，最终叠加合束成快轴和慢轴发散角角度相接近的一束光束。

6、经过快慢轴准直镜准直后，由第二巴条器件10发射的激光经过反射镜组4发射，入射光与反射光成90度角，10束反射光在同一方向传播，最终叠加合束成快轴和慢轴发散角角度相接近的另一束光束。

7、反射的激光合成的一束光束经过平面反射镜12反射，反射光与入射光成90度。

8、经过平面反射镜12反射的光束通过偏振合束镜15反射至聚焦耦合组件。

9、反射的光束通过偏振合束镜15反射至平面透镜16，反射的另一光束穿透偏振合束镜15，与反射的光束合束射入平面透镜16。

10、经过平面透镜的激光16经过y轴聚焦镜聚焦17，再经过x轴聚焦镜18聚焦成一个点光斑。

13、聚焦后的点光斑最小直径需小于光纤芯径，激光的最大入射角需要小于光纤的数值孔径na，满足耦合条件激光耦合进光纤里面传输，本例采用的是芯径600um的光纤。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。