專利名稱：一種單管半導體激光器合束方法
技術領域：
本發明涉及半導體激光器技術領域，具體涉及一種單管半導體激光器合束方法。
背景技術：
由于單管半導體激光器具有高光束質量，散熱特性好，壽命長等優點，因此采用單管合束技術制成的光纖耦合模塊在激光醫療、光纖激光器泵浦、激光監控、激光加工等方面都有著廣泛的應用。但是由于單管半導體激光器的功率輸出較低，為了能夠提高光纖耦合模塊的輸出功率以滿足單管半導體激光器技術應用，一些研究機構已經采取一些單管合束技術，如(100-W, 105- μ m, O. 15NA Fiber Coupled Laser Diode Module, Scott R.Karl sen, R. Kirk Price, Proc. of SPIE Vol. 7198 71980T-1)，這是國際上單管半導體激光器合束主要采用的技術。固定在階梯熱沉的每一級上的激光器在快軸方向疊加成組合光束，將兩個組合光束單元通過偏振合束技術進行偏振合束。由于偏振態的限制，只能將一個P偏振的組合光束單元與一個S偏振的組合光束單元進行合束，這樣就限制了合束單元 的數量以及光纖耦合模塊的輸出功率。
發明內容
本發明要解決現有單管合束技術中偏振合束方法對合束單元數量的限制問題，提供一種沒有合束單元數量限制的單管半導體激光器合束方法。為了解決上述技術問題，本發明的單管半導體激光器合束方法的技術方案具體如下一種單管半導體激光器合束方法，包括以下步驟步驟i :每個階梯熱沉和其上安裝的多個同一波長的單管半導體激光器形成一個單元，將多個所述單元安放在同一平面上，每個單元發出一路組合光束；步驟ii :每個組合光束經過不同角度擺放的反射鏡進行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光柵上，所有單元發出的組合光束的光斑在衍射光柵上重疊成一個光斑；步驟iii :逆用衍射光柵的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔鏡；步驟iv :激光束被外腔鏡反饋后經衍射光柵從原光路返回到各自的單管半導體激光器腔內，使每只單管半導體激光器發出具有與注入反饋相同波長的激光；步驟V :衍射光柵將經過注入反饋的光束合成為一束實現外腔合束，最后通過聚焦鏡耦合進入多模光纖。在上述技術方案中，每個所述的單管半導體激光器前腔面鍍有透過率在99%以上的增透膜。在上述技術方案中，在步驟i之前還包括步驟每個階梯熱沉上的多個單管半導體激光器發出的光束經過快軸準直鏡和慢軸準直鏡進行準直，以在快軸方向疊加成平行等距的組合光束；所述快軸準直鏡為柱面微透鏡或球面微透鏡；所述慢軸準直鏡為柱面微透鏡或球面微透鏡。在上述技術方案中，每個階梯熱沉上單管半導體激光器的數目為至少兩個。在上述技術方案中，所述衍射光柵為透射型衍射光柵或者反射型衍射光柵。在上述技術方案中，所述外腔鏡為具有一定反射率的平行平板，反射率值為從1%到 50%ο在上述技術方案中,所述外腔鏡的擺放方向與衍射光束的方向嚴格垂直。在上述技術方案中，所述聚焦鏡為球面透鏡、非球面透鏡或者兩個分離的柱面鏡。 在上述技術方案中，所述單管半導體激光器的波長從400nm 2000nm。在上述技術方案中，所述多模光纖纖芯直徑范圍為50 μ m ΙΟΟΟμπι,數值孔徑范圍為O. I到O. 3，光功率輸出為IW 1000W。本發明的單管半導體激光器合束方法具有以下的優點本發明的單管半導體激光器合束方法，將多個單管半導體激光器空間合束后的組合光束，利用衍射光柵實現外腔合束，并以單個階梯單元上激光器的組合光束的光束質量進行輸出，合束后還可以通過偏振合束進一步合束，解決了只采用空間合束和偏振合束中合束單元數量的限制，耦合進光纖后輸出功率相對于只采用空間合束和偏振合束技術制成的光纖耦合模塊有大幅度的提高。本發明的單管半導體激光器合束方法中，半導體激光器合束結構中階梯熱沉上激光器的數量可根據需要的激光總功率和單個激光器的功率、機械尺寸、散熱條件確定，十分靈活。參與合束的單元的數量取決于激光器的增益譜寬和衍射光柵的衍射能力以及衍射光柵的損傷閾值。
圖I是本發明的單管半導體激光器合束方法的一種具體實施方式
中單管半導體激光器合束結構的結構不意圖，其中衍射光柵為反射型衍射光柵；圖2是本發明的單管半導體激光器合束方法的另外一種具體實施方式
中單管半導體激光器合束結構的結構示意圖，其中衍射光柵為透射型衍射光柵；圖3是圖I所示的具體實施方式
中單管半導體激光器合束結構的一個階梯單元的立體結構示意圖；圖4是圖I所示的具體實施方式
中單管半導體激光器合束結構的一個階梯單元的側向光路圖；圖5是圖I所示的具體實施方式
中單管半導體激光器合束結構的多個階梯單元上的組合光束通過衍射光柵合束后的光斑不意圖。
具體實施例方式本發明的發明思想為本發明的單管半導體激光器合束方法，包括以下步驟首先，每個階梯熱沉上的多個單管半導體激光器發出的光束經過快軸準直鏡和慢軸準直鏡進行準直，以在快軸方向疊加成平行等距的組合光束。然后，每個階梯熱沉和其上安裝的多個同一波長的單管半導體激光器形成一個單元，將多個所述單元安放在同一平面上，每個單元發出一個組合光束；
再然后，每個組合光束經過不同角度的反射鏡進行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光柵上，所有單元發出的組合光束的光斑在衍射光柵上重疊成一個光斑；再然后，逆用衍射光柵的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔鏡；再然后，激光束被外腔鏡反饋后經衍射光柵從原光路返回到各自的單管半導體激光器腔內，使每只單管半導體激光器發出具有與注入反饋相同波長的激光；最后，衍射光柵將經過注入反饋的光束合成為一束實現外腔合束，最后通過聚焦鏡率禹合進入多模光纖。本發明的單管半導體激光器合束方法，所使用的單管激光器前腔面鍍有增透膜，透過率在99%以上，首先是通過在每只激光器前分別安裝快軸準直鏡和慢軸準直鏡以減小激光器快慢軸的發散角，準直后在快軸方向疊加成平行等距的組合光束，每個階梯熱沉作為一個單元，將多個單元在同一平面同方向排放，即多個單元等間距安放。每個單元的組合光束通過反射鏡的反射以不同角度入射到衍射光柵上，并且每個單元組合光束的光斑在衍 射光柵上發生疊加，疊加后的光斑與一個單元的組合光束的光斑相同。半導體激光器的光譜較寬，通常可以達到2 3nm (FffHM)0逆用衍射光柵的分光作用和波長選擇作用，將每個單元光束中波長與其對應的入射角滿足光柵方程的光以相同的角度衍射至外腔鏡，由于外腔鏡的部分反饋作用并且根據光路可逆原理，垂直入射到外腔鏡上的這部分光束將再次經衍射光柵按原光路回到各自的激光器腔內，這樣每個激光器將收到自己單元的輸出反饋并將在由激光器的后端面與外腔鏡構成的新諧振腔內進行振蕩，每只激光器反饋回來的波長依次呈線性變化。根據半導體激光器的模式競爭理論，反饋的作用迫使每個單元上的激光器激發出與注入反饋相同波長的激光。這樣每個單元的激光器都激發出波長略微不同的光束入射到衍射光柵上，此時每個單元的組合光束的波長和各自的入射角都滿足光柵方程，衍射光柵可以將這些波長和入射角不同的光束以相同衍射角合成一束并通過外腔鏡輸出實現外腔合束，最后通過聚焦鏡耦合進多模光纖。。本發明的單管半導體激光器合束方法，將多個單管半導體激光器空間合束后的組合光束，利用衍射光柵實現外腔合束，并以單個階梯單元激光器的組合光束的光束質量進行輸出，解決了只采用空間合束和偏振合束中合束單元數量限制的問題，耦合進光纖后輸出功率相對于只采用空間合束和偏振合束技術制成的光纖耦合模塊有大幅度的提高。以下結合附圖給出的實施例對本發明作進一步詳細說明。圖1、3、4和5顯示了本發明的單管半導體激光器合束方法的一種具體實施方式
。參照圖1，本具體實施方式
中的單管半導體激光器合束方法適用的單管半導體激光器合束結構包括同一波長的25個單管半導體激光器I、過渡熱沉2、5個階梯熱沉3、正過渡電極
4、負過渡電極5、快軸準直鏡6、慢軸準直鏡7、慢軸準直鏡座8、反射鏡9、衍射光柵10、外腔鏡11、聚焦鏡12、以及多模光纖13。如圖I所示，每個階梯熱沉3上固定了 5個單管半導體激光器1，5個階梯熱沉3并列設置。聚焦鏡12采用球面透鏡。所使用的激光器為帶有AlN陶瓷片子模塊封裝的單管半導體激光器I，激光器可以焊接在過渡熱沉2上，過渡熱沉2可以通過螺釘固定在階梯熱沉3上，過渡熱沉2和階梯熱沉3都應采用高熱導率的金屬，例如無氧銅；當然，在其他具體實施方式
中，也可以是將激光器直接燒結在階梯熱沉3上。由于激光器的子模塊為AlN材料，所以無論采用串聯方式還是并聯方式，都可以不采取絕緣措施，直接通過正電極4和負電極5分別引出電極即可。
在適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構中，通過6軸精密調整架和紫外膠，將快軸準直鏡6安裝到每一個激光器I的腔面前，使快軸方向的光束得到準直。慢軸準直鏡7下面可以由慢軸準直鏡座8支撐，慢軸準直鏡座8通過螺釘固定在階梯熱沉上，用紫外膠將慢軸準直鏡7和慢軸準直鏡座8進行膠合固定，從而實現激光束的快慢軸準直并得到一組平行、等距且出射方向一致的組合光束。在快軸準直鏡6和慢軸準直鏡7裝調過程中，需要檢查所有激光器的遠場光斑的中心位置在快軸方向是否在一條豎線上。在適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構中，通過六軸調整架和適當的夾具夾住反射鏡9進行調整，使得各單元的組合光束通過反射鏡9反射后以不同傾角入射到衍射光柵10預定的位置，并在該平面上發生疊加，疊加后的光斑應該與一個單元的組合光束的光斑相同，調整好后用紫外膠或者機械方法將反射鏡9進行固定。在適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構中，衍射光柵10是在基底材料上進行光刻鍍膜制成的，透射光柵的基底材料為微晶玻璃，反射光 柵的基底材料為金屬。通過六軸調整架和適當的夾具夾住衍射光柵10進行調整，將衍射光柵10放置在光斑重疊位置處，調整好后用紫外膠或者機械方法將衍射光柵10進行固定。在適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構中，夕卜腔鏡11是一個平行平板，反射率值為從1%到50%。外腔鏡11的基底材料為融石英或光學玻璃，一邊鍍有增透膜，一邊鍍有半透半反膜，將半透半反膜方向對著衍射光柵10從而實現光反饋。通過六軸調整架和適當的夾具夾住外腔鏡11進行調整，使得外腔鏡11的擺放方向與衍射光柵10的衍射方向嚴格垂直。再將聚焦鏡12和多模光纖13安裝在光路中,通過調整架對二者進行調整，直到獲得最高的光纖輸出功率，這樣就完成了光路系統的調節。在適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構中，可以采用芯徑為50 μ m 1000 μ m、數值孔徑范圍為O. I到O. 3的。單管半導體激光器I波長從400nm 2000nm，通過選擇不同的激光器數目和階梯單元(2 若干個)，可獲得IW IOOOff的光功率輸出。本發明的單管半導體激光器合束方法適用的單管半導體激光器合束結構中，所有的單管半導體激光器I可以是同一偏振態，也可以是不同偏振態。所述聚焦鏡12為球面透鏡，所述快軸準直鏡6和所述慢軸準直鏡7均為柱面微透鏡。當然在其他的具體實施方式
中，所述聚焦鏡12還可以為非球面透鏡或者兩個分離的柱面鏡；所述快軸準直鏡6和所述慢軸準直鏡7還可以分別為球面微透鏡。架設適用本發明的單管半導體激光器合束方法的單管半導體激光器合束結構時，將單管半導體激光器I焊接在過渡熱沉2上，通過螺釘將過渡熱沉2固定在階梯熱沉3的每一級上，階梯熱沉3的每一級尺寸都完全相等。本發明的單管半導體激光器合束方法具體的說首先，每只激光器前分別安裝快軸準直鏡6和慢軸準直鏡7以減小激光器快慢軸的發散角，準直后在快軸方向疊加成平行等距的組合光束。然后，以每個階梯熱沉3作為一個單元，將多個單元安放在同一平面上，每個單元發出一個組合光束。再然后，每個單元的組合光束經過不同角度擺放的反射鏡9進行反射，各自以一定的角度入射到衍射光柵10上，并且每個單元的光斑在衍射光柵10上發生疊加，疊加后的光斑與一個單元的組合光束的光斑相同。由于半導體激光器的光譜較寬，通常可以達到2 3nm (FffHM)0所以，再然后，逆用光柵的分光作用和波長選擇作用，將每個單元光束中波長與其對應的入射角滿足光柵方程的光以相同的角度衍射至外腔鏡11。
再然后，垂直入射到外腔鏡11上的這部分光束，由于外腔鏡11的部分反饋作用并且根據光路可逆原理，將再次經衍射光柵10按原光路回到各自的激光器腔內，這樣每個激光器將收到自己單元的輸出反饋并將在由激光器的后端面與外腔鏡11構成的新諧振腔內進行振蕩，每只激光器反饋回來的波長依次呈線性變化。根據半導體激光器的模式競爭理論，反饋的作用迫使每個單元上的激光器激發出與注入反饋相同波長的激光。最后，每個單元的激光器都激發出波長略微不同的光束入射到衍射光柵10上，此時每個單元的組合光束的波長和各自的入射角都滿足光柵方程，衍射光柵10可以將這些波長和入射角不同的組合光束合成一束并以相同衍射角通過外腔鏡11輸出實現外腔合束，最后通過聚焦鏡12耦合進多模光纖13。本發明的單管半導體激光器合束方法，將多個單管半導體激光器空間合束后的組合光束，利用衍射光柵實現外腔合束，并以單個階梯單元上激光器的組合光束的光束質量進行輸出，合束后還可以通過偏振合束進一步合束，解決了只采用空間合束和偏振合束中合束單元數量的限制，耦合進光纖后輸出功率相對于只采用空間合束和偏振合束技術制成的光纖耦合模塊有大幅度的提高。圖2顯示了本發明的單管半導體激光器合束方法的另外一種具體實施方式
。與圖I所示的具體實施方式
不同的是，衍射光柵為透射型衍射光柵。本具體實施方式
的單管半導體激光器合束方法的工作原理與圖I所示的具體實施方式
相同，故在此不再贅述。顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而并非對實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處于本發明創造的保護范圍之中。
權利要求
1.一種單管半導體激光器合束方法，其特征在于，包括以下步驟 步驟i :每個階梯熱沉(3)和其上安裝的多個同一波長的單管半導體激光器(I)形成一個單元，將多個所述單元安放在同一平面上，每個單元發出一路組合光束； 步驟ii :每個組合光束經過不同角度擺放的反射鏡(9)進行反射，反射后各自以一定的角度入射到衍射光柵(10)上，所有單元發出的組合光束的光斑在衍射光柵(10)上重疊成一個光斑； 步驟iii :逆用衍射光柵(10)的分光作用，所有激光束以相同的衍射角衍射至外腔鏡(11)； 步驟iv :激光束被外腔鏡(11)反饋后經衍射光柵(10)從原光路返回到各自的單管半導體激光器(I)腔內，使每只單管半導體激光器(I)發出具有與注入反饋相同波長的激光； 步驟V :衍射光柵(10)將經過注入反饋的光束合成為一束實現外腔合束，最后通過聚焦鏡(12)耦合進入多模光纖(13)。
2.根據權利要求I所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，每個所述的單管半導體激光器(I)前腔面鍍有透過率在99%以上的增透膜。
3.根據權利要求I所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，在步驟i之前還包括步驟 每個階梯熱沉(3)上的多個單管半導體激光器(I)發出的光束經過快軸準直鏡(6)和慢軸準直鏡(7)進行準直，以在快軸方向疊加成平行等距的組合光束；所述快軸準直鏡(6)為柱面微透鏡或球面微透鏡；所述慢軸準直鏡(7)為柱面微透鏡或球面微透鏡。
4.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，每個階梯熱沉(3 )上單管半導體激光器(I)的數目為至少兩個。
5.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述衍射光柵(10)為透射型衍射光柵或者反射型衍射光柵。
6.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述外腔鏡(11)為具有一定反射率的平行平板，反射率值為從1%到50%。
7.根據權利要求6所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述外腔鏡(11)的擺放方向與衍射光束的方向嚴格垂直。
8.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述聚焦鏡(12 )為球面透鏡、非球面透鏡或者兩個分離的柱面鏡。
9.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述單管半導體激光器(I)的波長從400nm 2000nm。
10.根據權利要求1-3任意一項所述的單管半導體激光器合束方法，其特征在于，所述多模光纖(13)纖芯直徑范圍為50μπι ΙΟΟΟμπι，數值孔徑范圍為O. I到O. 3，光功率輸出為 Iff IOOOff0
全文摘要
本發明涉及一種單管半導體激光器合束方法，包括以下步驟多個階梯熱沉在同一平面同方向排放，每個階梯熱沉上固定的多個單管半導體激光器可發出一列方向相同的組合光束；多列組合光束通過反射鏡以不同傾角入射到衍射光柵上并發生重疊，通過衍射光柵的分光作用和外腔鏡的反饋作用下，每只激光器發出的光束在由激光器的后腔面和外腔鏡構成的諧振腔內實現外腔反饋和波長鎖定，并由衍射光柵將多路光束合成一束從而實現外腔合束，最后耦合進入多模光纖。本發明突破了傳統的空間合束和偏振合束對合束單元數量的限制，可顯著增加合束單元的數量，耦合進光纖后輸出功率相對于采用空間合束和偏振合束技術制成的光纖耦合模塊有大幅度的提高。
文檔編號G02B27/10GK102916341SQ20121042744
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月31日 優先權日2012年10月31日
發明者朱洪波, 郝明明, 秦莉, 張志軍, 王立軍 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所