一种基于偏振面复用的高功率光纤耦合系统

1.本发明涉及一种光纤耦合系统。


背景技术：

2.半导体激光器因为空间小、寿命长、电光之间的转化率高等优点，在工业加工、激光泵浦、生物医疗等领域得到广泛的使用。为了提高输出功率及满足实际应用，常采用巴条在垂直方向上堆叠等封装方式，这会导致快轴方向上光束存在暗区，快慢轴上的光束质量不均匀，进而难以耦合进入目标光纤，因此对半导体激光器光束整形及光纤耦合模块的设计研究至关重要。
3.现有的光束整形方法有平行平板玻璃、全反射棱镜、偏振棱镜合束、多波长合束等等，其中所使用的偏振棱镜合束的偏振面的利用效率不高，只有一组p、s偏振光进行偏振合束，另设计的全反射棱镜的阶梯数比较多，安装、生产较复杂，平行板的厚度较薄，加工精度要求较高，调节困难。


技术实现要素：

4.发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于偏振面复用的高功率光纤耦合系统，对于巴条在垂直方向上堆叠封装方式的激光源，能够实现不同偏振光的偏振合束，并有效消除快轴方向上光束存在的暗区，最终以较高的光效率耦合进光纤。
5.技术方案：一种基于偏振面复用的高功率光纤耦合系统，包括s偏振态的半导体激光器堆叠、第一p偏振态的半导体激光器堆叠、第二p偏振态的半导体激光器堆叠、第一至第三波长合束镜、直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件、旋转棱镜组、扩束柱面镜以及非球面透镜；
6.其中，所述直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件中，直角棱镜与阶梯棱镜的厚度一致，所述阶梯棱镜包括一组直角边平面以及阶梯斜面；所述直角棱镜的斜边平面与所述阶梯棱镜的一个直角边平面相结合，相结合的其中一个面上镀有偏振膜；所述阶梯棱镜的阶梯斜面由依次交替设置的第一斜面和第二斜面构成，其中第一斜面与所述阶梯棱镜的一个直边平角面垂直，第二斜面与第一斜面连接处形成135
°
夹角；
7.每组半导体激光器堆叠均包括波长为λ1、λ2的两组偏振态激光器；第三波长合束镜用于将所述s偏振态的半导体激光器堆叠输出的不同波长光束进行波长合束后，从所述结构件中阶梯斜面的第二斜面垂直方向入射；第一波长合束镜用于将所述第二p偏振态的半导体激光器堆叠输出的不同波长光束进行波长合束后，从所述结构件中直角棱镜的一个直角边平面垂直方向入射；第二波长合束镜用于将所述第一p偏振态的半导体激光器堆叠输出的不同波长光束进行波长合束后，从所述结构件中直角棱镜的另一个直角边平面垂直方向入射；所述偏振膜用于将输入的两组s、p偏振光进行偏振合束，结构件的所述阶梯斜面用于在快轴方向对偏振合束的光束进行全反射输出，实现快轴方向光束的压缩；
8.所述旋转棱镜组用于对从所述结构件输出光束进行切割重排，均衡快慢轴方向的
光参数积；所述扩束柱面镜对切割重排后的光束宽度进行匀化；所述非球面透镜用于将匀化后的光束聚焦耦合进入光纤中。
9.进一步的，每组半导体激光器堆叠的结构中都包括用于快轴和慢轴方向上光束准直的d型柱面镜和微透镜阵列。
10.进一步的，所述s偏振态的半导体激光器堆叠包括输出波长分别为λ1、λ2的8个巴条的两组s偏振态的激光器，第一p偏振态的半导体激光器堆叠、第二p偏振态的半导体激光器堆叠均包括输出波长分别为λ1、λ2的4个巴条的两组p偏振态的激光器。
11.进一步的，所述结构件的厚度为9mm-12mm，直角棱镜的两直角边长度为7mm-10mm，直角棱镜的斜边长度为9.9mm-15mm；阶梯棱镜中，单个第一斜面的长度为√2/2mm，单个第二斜面的长度为1.3mm。
12.进一步的，所述结构件的各入射面均镀99.5％的增透膜。
13.进一步的，所述旋转棱镜组由三个结构相同的旋转棱镜组成，各旋转棱镜的长边为8mm，短边及厚度为4mm，斜边倾角为45
°
。
14.有益效果：对于巴条在垂直方向上堆叠封装方式的激光源，本发明在不需要平板镜、条纹镜或棱镜堆栈的同时，利用波长合束技术以及直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件实现波长合束以及多组偏振光合束，并使偏振平面得到复用，极大地提高了偏振面的利用效率，并通过对光束快轴方向的压缩来有效消除快轴方向上光束存在的暗区，最终以较高的光效率耦合进光纤。
附图说明
15.图1为本发明基于偏振面复用的高功率光纤耦合系统的整体结构示意图；
16.图2为本发明中直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件的结构示意图；
17.图3为本发明中直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件的光线传播示意图；
18.图4为本发明中旋转棱镜的结构示意图；
19.图5为本发明中光束扩束镜的结构示意图。
具体实施方式
20.下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
21.如图1所示，一种基于偏振面复用的高功率光纤耦合系统，包括s偏振态的半导体激光器堆叠1、第一p偏振态的半导体激光器堆叠2、第二p偏振态的半导体激光器堆叠3、第一至第三波长合束镜6～8、直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件9、旋转棱镜组11、扩束柱面镜12以及非球面透镜13。
22.其中，直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件9中，直角棱镜与阶梯棱镜的厚度一致，阶梯棱镜包括一组直角边平面以及阶梯斜面；直角棱镜的斜边平面与阶梯棱镜的一个直角边平面相结合，相结合的其中一个面上镀有偏振膜。阶梯棱镜的阶梯斜面由依次交替设置的第一斜面和第二斜面构成，其中第一斜面与阶梯棱镜的一个直边平角面垂直，第二斜面与第一斜面连接处形成135
°
夹角。
23.每组半导体激光器堆叠均包括波长为λ1、λ2的两组偏振态激光器。每组半导体激光器堆叠的结构中都包括用于快轴和慢轴方向上光束准直的d型柱面镜4和微透镜阵列。第三
波长合束镜8用于将s偏振态的半导体激光器堆叠1输出的不同波长光束进行波长合束后，从结构件9中阶梯斜面的第二斜面垂直方向入射。第一波长合束镜6用于将第二p偏振态的半导体激光器堆叠3输出的不同波长光束进行波长合束后，从结构件9中直角棱镜的一个直角边平面垂直方向入射。第二波长合束镜7用于将第一p偏振态的半导体激光器堆叠2输出的不同波长光束进行波长合束后，从结构件9中直角棱镜的另一个直角边平面垂直方向入射。结构件9中，偏振膜用于将输入的两组s、p偏振光进行偏振合束，阶梯斜面用于在快轴方向对偏振合束的光束进行全反射输出，实现快轴方向光束的压缩来填补暗区，从而消除快轴方向上光束存在的暗区，光线传播示意图如图3所示。
24.旋转棱镜组11用于对从结构件9输出光束进行切割重排，均衡快慢轴方向的光参数积。扩束柱面镜12对切割重排后的光束宽度进行匀化。非球面透镜13用于将匀化后的光束聚焦耦合进入光纤14中。
25.结构件9上部分为直角棱镜，下部分为阶梯棱镜，结构件9的厚度为9mm-12mm；直角棱镜的两直角边长度为7mm-10mm，直角棱镜的斜边长度为9.9mm-15mm；阶梯棱镜中，两直角边长度等于上部分直角棱镜的斜边长度，单个第一斜面的长度为√2/2mm，单个第二斜面的长度为1.3mm。直角棱镜与阶梯棱镜相结合的结构件9能够使两组p、s偏振光进行偏振合束，达到偏振平面的复用，同时能够对快轴方向的光束进行压缩。直角棱镜的高度由光源快轴准直后光斑的高度决定，直角棱镜的厚度由光源慢轴轴准直后光斑的宽度决定，阶梯棱镜直角边长度等于直角棱镜的斜边长度，阶梯棱镜中第一斜面和第二斜面的长度由单个发光巴条内发光单元准直度确定。图2展示了结构件9的一种具体实施案例。
26.第一至第三波长合束镜6～8均涂覆通过波长λ1，反射波长λ2的薄膜。s偏振态的半导体激光器堆叠1包括输出波长分别为λ1、λ2的8个巴条的两组s偏振态的激光器，其位于第三波长合束镜8下侧的8个巴条的波长为λ1，位于第三波长合束镜8右侧8个巴条的波长为λ2。经过快慢轴准直后的λ1波长光束透过第三波长合束镜8，而经过快慢轴准直后的λ2波长光束在第三波长合束镜8处反射，实现λ1和λ2波长光束的合束。第一p偏振态的半导体激光器堆叠2、第二p偏振态的半导体激光器堆叠3均包括输出波长分别为λ1、λ2的4个巴条的两组p偏振态的激光器；其中，位于第二波长合束镜7上侧4个巴条的波长为λ1，位于第二波长合束镜7左侧4个巴条的波长为λ2；位于第一波长合束镜6左侧4个巴条的波长为λ1，位于第一波长合束镜6下侧4个巴条的波长为λ2。偏振膜为p偏振膜；第一波长合束镜6和第二波长合束镜7的作用实现功能同第三波长合束镜8。为了增加光线的透过率，结构件9的各入射面均镀99.5％的增透膜。
27.本实施例中，如图4所示，旋转棱镜组11由三个结构相同的旋转棱镜组成，旋转棱镜的长边为8mm，短边及厚度为4mm，斜边倾角为45
°
。三个旋转棱镜依次排列，将光束切割成三等份，即通过旋转切割重排来均衡快慢轴的光参数积，使光束快慢轴的光参数积满足光纤耦合的光参数积。如图5所示，扩束柱面镜12由一个平凹柱面镜和一个平凸柱面镜组成，扩束镜将光束扩束为近似矩形，该光束快慢轴光参数积相近且符合耦合光纤的光参数积，有利于耦合进200μm/0.22的标准光纤，提高耦合效率。
28.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。