一种空间角度合束半导体激光器及其制备工艺和合束方法与流程

本发明涉及激光器领域，特别涉及一种半导体激光器领域，具体涉及一种空间角度合束方法及其半导体激光器。

背景技术：

当下本领域常见的半导体激光器结构主要有：水平阵列式半导体激光器、空间垂直阵列式半导体激光器、叠层阵列式半导体激光器。

水平阵列式半导体激光器（发明专利CN201510491665.1）具有各芯片温度均匀，激光单色性较好等优点，但是该结构占用空间大，不利于大规模集成。

空间台阶阵列式半导体激光器（发明专利CN201610052020.2）具有结构紧凑、便于继承等优点，但是由于该激光器采用台阶式热忱，导致各芯片温度分布不均匀，激光单色性差。且台阶式热忱难以加工冷却通道，制约了空间垂直阵列式半导体激光器向高功率化发展。

叠层阵列式半导体激光器（发明专利CN201410846317.7）解决了芯片大规模集成问题，提高了激光密度，但是由于采用的单体热忱为分层制造后封装而成，强度较低，导致不能使用先进的冷却技术，因此，该激光器冷却效果不好。只能采用脉冲输出方式，连续输出功率仍然较低。

而半导体激光器主要应用于毁伤武器或其他类型激光器的泵浦源。因此，提高连续输出功率对于半导体激光器的发展至关重要，仍是此领域的研发人员急需解决的问题之一。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术的不足，提供一种空间角度合束半导体激光器，能有效提高连续输出功率；通过反射镜组得到呈空间角度分布的光簇；利用耦合镜将空间角度分布的光簇合成一束，并通过光纤输出。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种空间角度合束半导体激光器，包括壳体1，安装在所述壳体1内的至少一个相变冷却热忱2、以及反射镜组3，安装在相变冷却热忱2上的若干个激光芯片4，所述激光芯片4上安装有准直镜组；所述反射镜组3与设置在壳体1上的光纤8在一直线上，所述光纤8和反射镜组3之间设置有耦合镜7，且壳体1上设置有至少一组与所述相变冷却热忱2连接的导入冷却气的进口11和出口12。

本发明一个较佳实施例中，每个所述准直镜组包括安装在每个激光芯片4上的至少一片FAC准直镜5，以及对应每个FAC准直镜5设置的至少一片SAC准直镜6。

本发明一个较佳实施例中，反射镜组3采用的是阵列式空间角度反射镜组，包括多片呈直线排列、且相互平行的反射镜31，每片所述反射镜31垂直设置在壳体1内。

本发明一个较佳实施例中，每片所述激光芯片4与对应的FAC准直镜5和SAC准直镜6在一直线上，且每片所述反射镜31将穿透过FAC准直镜5和SAC准直镜6的光束折射至所述耦合镜7上。

本发明一个较佳实施例中，每片激光芯片4上至少设置有一片FAC准直镜5，每片所述FAC准直镜5对应一片SAC准直镜6，每片所述SAC准直镜6对应有一片所述反射镜31。

本发明一个较佳实施例中，安装于壳体1上的一组相变冷却热忱2采用是的整体式宏通道结构，且宏通道区位于对应的激光芯片4下方。

本发明一个较佳实施例中，进口11和出口12的分别设置在壳体1的两端，且在壳体1中的进口11和出口12之间形成了用于导入冷却气的冷却通路。

具体的，本发明中的冷却气采用的是液氮。

本发明一个较佳实施例中，空间角度合束半导体激光器的空间角度合束方法：

a．每一个激光芯片4发出的激光光束；

b．光束入射到对应的各个激光芯片4前方所对应的FAC准直镜5上，并穿过与激光芯片4前呈一直线排布的FAC准直镜5和SAC准直镜6；激光光束通过FAC准直镜5传递到SAC准直镜6上，使单个激光芯片4发出的激光光束合成一束；

c．各光束经SAC准直镜6入射到空间角度阵列的反射镜组3上，反射镜组3中的每一个反射镜31将由穿设过对应的SAC准直镜6的光束折射至耦合镜7上，通过耦合镜7将多个激光芯片4发出的光束耦合后形成与水平面成一定空间角度的光簇；

d．通过耦合镜7耦合光簇，并由光纤8将光簇输出。

本发明一个较佳实施例中，空间角度合束半导体激光器的制备方法：

步骤一，每个激光芯片4通过金锡或银锡焊料封装在整体式的相变冷却热忱2上，相变冷却热忱2通过铟焊料封装在壳体1上；

步骤二， 多个FAC准直镜5通过玻璃胶粘在对应的每个激光芯片4的发射面，每个FAC准直镜5位于对应的激光芯片4的发射面的正前方。

步骤三，多个SAC准直镜6一一对应设置在每个FAC准直镜5的正前方，通过玻璃胶将每个SAC准直镜6粘在壳体1上。

步骤四，空间角度阵列的反射镜组3通过玻璃胶将每个反射镜31粘在壳体1上；反射镜31的安装角度由反射镜31之间的间距d1及光束入射点与反射镜31之间的距离d2之间的夹角决定。

步骤五，经空间角度阵列反射镜组3射出的空间角度的光簇光束在耦合镜7上合成一束，耦合镜7通过玻璃胶粘在壳体1上；合束后的激光最终通过光纤8输出；

步骤六，整体式的相变冷却热忱2置于激光芯片4下方，相变冷却热忱2采用整体式宏通道结构，宏通道区位于激光芯片4的下方，壳体1外部一侧的左右两边分别有一个进口11和一个出口12，通过进口11循环注入液氮，再经由出口12将液氮排出，利用相变冷却技术不断冷却降温。

本发明一个较佳实施例中，空间角度合束半导体激光器的制备方法中，反射镜组3的每一片反射镜31与入射光之间的夹角成45度角，且反射镜31的安装角度由反射镜31之间的间距d1及光束入射点与反射镜31之间的距离d2之间的夹角构成。

根据上述实施例中空间角度合束半导体激光器的有益效果是：

一种空间角度合束半导体激光器，能有效提高连续输出功率；通过反射镜组得到呈空间角度分布的光簇；利用耦合镜将空间角度分布的光簇合成一束，并通过光纤输出。

第一，本发明提出新型空间角度合束半导体激光器包含阵列式空间角度反射镜组，激光器阵列中的各激光芯片发出的激光光束入射到对应的反射镜上成呈空间角度光簇。采用空间角度合束方法，克服了传统空间台阶合束时，热忱结构复杂，热容效应差异大，光谱质量差、单色性差的缺陷。

第二，传统半导体激光器采用空间台阶及水平合束时，激光器厚度及横向的尺寸增大，不利于激光器结构小型化。本发明提出的空间角度合束方法，使得激光器结构更加紧凑，便于激光器芯片集成，有利于高功率密度激光器的研发。

第三，本发明提出新型空间角度合束半导体激光器包含了整体式相变冷却热忱，该热忱采用整体式宏通道结构，与常用的层叠式微通道封装热忱相比，既降低了成本，又提高了强度。能够承受相变冷却技术产生的相变高压，将极大提高散热效率，契合了半导体激光器的高功率发展趋势。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明；

图1为本发明实施例中空间角度合束半导体激光器的结构示意图；

图2是本发明实施例中空间角度合束方法示意图一；

图3是本发明实施例中空间角度合束方法示意图二；

图4是本发明实施例中整体式的相变冷却热忱示意图；

图中：1、壳体，11-进口，12-出口，2、相变冷却热忱，21-宏通道，3、反射镜组，31、反射镜，4、激光芯片，5、FAC准直镜，6、SAC准直镜，7、耦合镜，8、光纤。

具体实施方式

现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

如图1~图4所示，本实施例的一种空间角度合束半导体激光器，包括壳体1，安装在壳体1内的至少一个相变冷却热忱2、以及反射镜组3，安装在相变冷却热忱2上的若干个激光芯片4；每个激光芯片4上安装有一组准直镜组，每个准直镜组包括安装在每个激光芯片4上的至少一片FAC准直镜5，以及对应每个FAC准直镜5设置的至少一片SAC准直镜6，激光芯片4发射的激光光束通过穿设过准直镜组的FAC准直镜5和SAC准直镜6后合束至反射镜组3上；反射镜组3与设置在壳体1上的光纤8在一直线上，光纤8和反射镜组3之间设置有耦合镜7，光束穿设过耦合镜7后合束至光纤8；且壳体1上设置有至少一组与相变冷却热忱2连接的进口11和出口12，进口11和出口12分别设置在壳体1的两端，且在壳体1中，进口11和出口12之间形成了用于导入液氮的冷却通路。

本发明一个较佳实施例中，安装于壳体1上的一组相变冷却热忱2采用是的整体式宏通道结构，且宏通道区位于对应的激光芯片4下方。

具体的，反射镜组3中的反射镜31安装在壳体1内的安装板上，安装板与排成一排的多个激光芯片4平行。且反射镜组3中的反射镜31安装呈一定角度安装在安装板上，而反射镜31与安装板之间的夹角为Θ角，如图3所示。

本发明一个较佳实施例中，每片激光芯片4上至少设置有一片FAC准直镜5，每片FAC准直镜5对应一片SAC准直镜6，每片SAC准直镜6对应有一片反射镜31。具体的，每片激光芯片4与对应的FAC准直镜5和SAC准直镜6在一直线上，且每片反射镜31将穿透过FAC准直镜5和SAC准直镜6的光束折射至所述耦合镜7上。

本发明一个较佳实施例中，反射镜组3采用的是阵列式空间角度反射镜组，包括多片呈直线排列、且相互平行的反射镜31，每片反射镜31垂直设置在壳体1内。

本发明一个较佳实施例中，如图1~图4所示，空间角度合束方法：

a．每一个激光芯片4发出的激光光束；

b．光束入射到对应的各个激光芯片4前方所对应的FAC准直镜5上，并穿过与激光芯片4前呈一直线排布的FAC准直镜5和SAC准直镜6；激光光束通过FAC准直镜5传递到SAC准直镜6上，使单个激光芯片4发出的激光光束合成一束；

c．各光束经SAC准直镜6入射到空间角度阵列的反射镜组3上，反射镜组3中的每一个反射镜31将由穿设过对应的SAC准直镜6的光束折射至耦合镜7上，通过耦合镜7将多个激光芯片4发出的光束耦合后形成与水平面成一定空间角度的光簇；

d．通过耦合镜7耦合光簇，并由光纤8将光簇输出。

如图1~图3所示，本发明一个较佳实施例中，空间角度合束半导体激光器的制备方法：

步骤一，每个激光芯片4通过金锡或银锡焊料封装在整体式的相变冷却热忱2上，相变冷却热忱2通过铟焊料封装在壳体1上。

步骤二， 多个FAC准直镜5通过玻璃胶粘在对应的每个激光芯片4的发射面，每个FAC准直镜5位于对应的激光芯片4的发射面的正前方。

步骤三，多个SAC准直镜6一一对应设置在每个FAC准直镜5的正前方，激光通过FAC准直镜5传递到SAC准直镜6上，使单个激光芯片4发出的激光光束合成一束；SAC准直镜6与FAC准直镜5的距离与FAC准直镜5的焦距相关，通过玻璃胶将每个SAC准直镜6粘在壳体1上。

步骤四，空间角度阵列的反射镜组3通过玻璃胶将每个反射镜31粘在壳体1上；且反射镜31的安装角度由反射镜31之间的间距d1及光束入射点与反射镜31之间的距离d2之间的夹角构成。

具体的，本发明一个较佳实施例中，空间角度合束半导体激光器的制备方法中，反射镜组3的每一片反射镜31与入射光之间的夹角成45度角。

步骤五，经空间角度阵列反射镜组3射出的空间角度的光簇光光束在耦合镜7上合成一束，耦合镜7通过玻璃胶粘在壳体1上；合束后的激光最终通过光纤8输出。

步骤六，整体式的相变冷却热忱2置于激光芯片4下方，相变冷却热忱2采用整体式宏通道结构，宏通道区位于激光芯片4的下方，壳体1外部一侧的左右两边分别有一个进口11和一个出口12，通过进口11循环注入液氮，再经由出口12将液氮排出，利用相变冷却技术不断冷却降温。

本发明工作原理：安装于壳体1上整体式相变冷却热忱2，采用整体式宏通道21的设计，宏通道区位于芯片区的下方，壳体1外部一侧的左右两边分别有一个进口11和出口12，通过循环注入液氮来不断冷却降温，降低了对制冷液体的要求，同时也降低了成本。能够承受相变产生的高压，极大提高了散热效率。阵列式空间角度反射镜组3安装于壳体1上，通过反射镜组3，可得到呈空间角度分布的光簇，最后利用耦合镜7将空间角度的光簇合成一束，由光纤输出。安装于整体式相变冷却热忱2上的激光芯片4，通过金锡焊料焊接于整体式相变冷却热忱2上，其结构紧凑，有利于大规模的集成。减少了激光芯片4温度的差异，提高半导体激光器的功率。安装于激光芯片4上FAC准直镜5，激光芯片4的阵列中的各激光芯片4发出的激光光束入射到对应的FAC准直镜5上，FAC准直镜5可以减少高能量半导体激光的快轴光束的发散。SAC准直镜6与FAC准直镜5相互匹配，补偿了射束的散光性。耦合镜7，将入射到空间反射镜组3的光簇通过耦合镜7输出。获得高功率的合束效果。

本发明的一种新型空间角度合束半导体激光器提出一种新型空间角度合束方法，阵列式半导体激光器包含多个激光芯片4，各激光芯片4水平阵列分布于整体式相变冷却热忱2。激光芯片4发出的光经过FAC准直镜5准直、SAC准直镜6准直，入射到阵列式空间角度反射镜组3。通过反射镜组3，可得到呈空间角度分布的光簇。最后利用耦合镜7将空间角度分布的光簇合成一束，由光纤8输出。

以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。