基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種大功率半導體激光器，特別是一種基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，可應用于大功率半導體激光器的制造中。本發明的大功率半導體激光器由N(N大于等于1)個大功率半導體激光器發光區、N個成像透鏡系統及一個N×M(M大于等于1)傳光束組成。其中，N×M傳光束有N個輸入子傳光束和M個輸出子傳光束，N個輸入子傳光束為橫截面為矩形的帶狀傳光束；成像透鏡系統為在兩個垂直方向上焦距不同的不對稱系統；每個成像透鏡系統將一個半導體激光器發光區端面成像到N×M傳光束的一個帶狀輸入子傳光束的端面上。本發明可以提供效率高、壽命長、體積小、成本低及光束質量高的大功率半導體激光器。
【專利說明】基于光纖傳光束的大功率半導體激光器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種大功率半導體激光器，特別是一種基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，可廣泛應用于大功率半導體激光器的制造中。
【背景技術】
[0002]與其它形式的激光器相比，半導體激光器具有效率高、壽命長、體積小、成本低等優點。但是，大功率半導體激光器存在以下固有缺陷:
[0003]I)大功率半導體激光器芯片的發光區是一個寬高比很大(通常超過100)的矩形區，并且在平行于PN結(通常被稱為慢軸)和垂直于PN結(通常被稱為快軸)兩個方向上光束的發散角差別很大，光束質量差。
[0004]2)單個半導體激光器芯片發出的光較小，往往達不到使用要求，為了增加功率，通常需將很多半導體激光器芯片發出的光匯合到一起使用，而通常匯合起來的光束質量會更差。
[0005]3)半導體激光芯片可以以多種方式提供，有含有單個發光區的單管，還有含有多個發光區的一維芯片陣列(LD Bar)。由于沒有有效的辦法將大量單管中的光高亮度的封裝在一起，目前大功率半導體激光器主要通過半導體激光器陣列的封裝來實現，為了實現大功率，還有的將一維陣列疊放在一起，形成兩維陣列(LD stack)。但是，由于陣列器件封裝中熱管理的困難，大功率激光器的壽命大幅降低。通常單管激光器的壽命大于100000小時，而陣列激光器的壽命小于10000小時。
[0006]在實際應用中，為了使用方便，半導體激光器芯片發出的光通常需要耦合到光纖中。目前有兩種方法將激光器芯片發出的光耦合到光纖中去。一種方法是將每個芯片發出的光通過透鏡系統基本整形到接近圓對稱后直接耦合到芯徑大于發光區寬度的光纖中，然后將所有光纖的出射端排列在一起輸出。這種方式匯集的光束光亮度很低，目前在大功率應用中很少采用。另一種方法是:首先用透鏡系統將每個芯片發出的光整形為平行光，且所有光束的傳播方向相同；然后對這些平行光束進行空間位置變換，盡可能剔除各光束間無光的區域；最后用透鏡系統將光束耦合到光纖中。這種方法采用的光學整形系統非常復雜，結果是價格高、耦合效率低，光束質量差。這兩種技術方案屬空間合束方案，在這兩種技術方案中，還可以加入偏振合束和波長合束技術，進一步提高光束的功率密度。
【發明內容】
[0007]本發明的目的主要是提供一種能將大量激光器單管發出的光整形封裝成大功率激光器的技術，這種結構的激光器將具有高光束質量、低成本和長壽命的特點；同時，這種技術也可以應用到半導體陣列激光器的光整形中，降低系統的復雜度，降低成本。
[0008]本發明的技術方案概括如下:
[0009]基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，包括N(N大于等于I)個大功率半導體激光器發光區、N個成像透鏡系統及一個NXM(M大于等于I)傳光束，其特征是:NXM傳光束有N個輸入子傳光束和M個輸出子傳光束，N個輸入子傳光束為橫截面為矩形的帶狀傳光束；成像透鏡系統為在兩個垂直方向上焦距不同的不對稱系統；每個成像透鏡系統將一個半導體激光器發光區端面成像到NXM傳光束的一個帶狀輸入子傳光束的端面上。
[0010]所述的NXM傳光束中的每個輸入子傳光束為一根橫截面為矩形的光導纖維。
[0011]所述的NXM傳光束中的每個輸入子傳光束由D(D大于等于2)個光導纖維按一維結構排列而成，各光導纖維的橫截面或者是矩形的，或者是方形的，或者是圓形的。
[0012]所述的成像透鏡系統由兩個分別在互相垂直方向上成像的一維柱面透鏡系統組成，柱面透鏡系統中的柱面透鏡或者是圓柱面柱面透鏡，或者是非圓柱面柱面透鏡。
[0013]所述的成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面快軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面短軸方向上成的像的尺寸小于該方向上光導纖維芯的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角；同時，所述的成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面慢軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面長軸方向上成的像的尺寸小于該方向上由最邊緣光導纖維的芯確定的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角。
[0014]所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束后面依次設置一個耦合透鏡系統和一根傳能光纖，耦合透鏡系統將NXM傳光束的每個輸出子傳光束發出的光耦合到一個相應的傳能光纖中。
[0015]所述成像透鏡系統中設置有偏振合束裝置，每個成像透鏡系統可以將兩個半導體激光器發光區的光耦合到NXM傳光束中的一個輸入帶狀子傳光束中。
[0016]所述的NXM傳光束的輸出子傳光束輸出的光為偏振光,在兩根這種NXM傳光束的輸出子傳光束后依次設置一偏振合束系統和一根傳能光纖，偏振合束系統將兩根NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光I禹合到傳能光纖中；這兩根輸出子傳光束或者來自同一根NXM傳光束，或者來自兩根不同的NXM傳光束。
[0017]所述的成像透鏡系統中設置有波分復用裝置，每個成像透鏡系統可以將NI (NI大于等于2)個半導體激光器發光區的不同波長的光耦合到NXM傳光束中的一個輸入帶狀子傳光束中。
[0018]所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出的光為某一波長附近的窄帶光，SP匯聚了 N個波長基本相同的半導體激光器發光區發出的光，在NI根這種分別匯聚了 NI個不同波長的NXM傳光束的輸出子傳光束后依次設置一波分復用系統和一根傳能光纖，波分復用系統將NI根分別來自NI個NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光耦合到傳能光纖中。
[0019]所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出光或者所述的傳能光纖輸出的光為某一波長附近的通過偏振合束的窄帶光，含有2N個半導體發光區輸出的光，在NI根這種分別匯聚了 NI個不同波長的NXM傳光束的輸出子傳光束的輸出端或者傳能光纖的輸出端后依次設置一波分復用系統和一根傳能光纖，波分復用系統將NI根分別來自NI個NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光或者將NI根傳能光纖發出的光耦合到一根傳能光纖中。
[0020]所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出的光為NNl個半導體發光區輸出的偏振光，在兩根這種NXM傳光束的匯聚端后依次設置一偏振合束系統和一根傳能光纖,偏振合束系統將兩根NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光f禹合到傳能光纖中，這兩根輸出子傳光束或者來自同一根NXM傳光束，或者來自兩根不同的NXM傳光束。
[0021]本發明的效果在于:可以提供效率高、壽命長、體積小、成本低及光束質量高的大功率激光器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的結構示意圖。
[0023]圖2A為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的采用的NXM傳光束中帶狀子傳光束的一種截面結構示意圖。
[0024]圖2B為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的采用的NXM傳光束中帶狀子傳光束的第二種截面結構示意圖。
[0025]圖2C為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的采用的NXM傳光束中帶狀子傳光束的第三種截面結構示意圖。
[0026]圖2D為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的采用的NXM傳光束中帶狀子傳光束的第四種截面結構示意圖。
[0027]圖3A、圖3B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的一種成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。
[0028]圖4A、圖4B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的第二種成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。
[0029]圖5A、圖5B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的采用的設置有偏振合束裝置的成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。
[0030]圖6A、圖6B及圖6C分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的柱面透鏡幾種可能的結構示意圖。
[0031]圖7A為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將NXM傳光束匯聚端輸出的光稱合到傳能光纖中的一種結構不意圖。
[0032]圖7B為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將NXM傳光束匯聚端輸出的光耦合到傳能光纖中的另一種結構示意圖。
[0033]圖8A為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中偏振合束系統的一種結構不意圖。
[0034]圖8B為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中偏振合束系統的另一種結構不意圖。
[0035]圖9為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的波分復用合束系統的一種結構示意圖。
[0036]圖10為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的波分復用合束系統的另一種結構示意圖。
[0037]圖11為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將偏振合束系統輸出的光進一步用波分復用系統合束的一種結構示意圖。
[0038]圖12為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將波分復用合束系統輸出的光進一步用偏振合束系統合束的一種結構不意圖。
[0039]其中:
[0040]I為N個大功率半導體激光器發光區，I⑴、I⑵、I (N-1)及I (N)分別為具體的某個半導體激光器發光區；Iα，λ2)、ια，λ3).....Ki, λΝ1)為第i組進行波分復用合束操作的系統中發光波長分別為λ P \ 2、λ 3、...、λ N1的半導體激光器發光區，A、Al為某個半導體激光器發光區端面。
[0041]2為N個成像透鏡系統，2 (I)、2(2)、...>2 (N-1)及2 (N)分別為具體的某個像透鏡系統；FL1、FL2和FL3為快軸柱面透鏡，SLl、SL2和和SL3為慢軸柱面透鏡；PBS為偏振分束鏡，PU/2)為λ/2波片。
[0042]3 為 NXM傳光束，3in(l)、3in(2)、...、3in(N_l)及 3in (N)分別為 NXM 傳光束的輸入子傳光束，3in(i)為NXM傳光束的第i個輸入子傳光束；30ut(l)、30ut(2).....3out (M-1)及3out(M)分別為NXM傳光束的輸出子傳光束，3out(i)為NXM傳光束的第i個輸出子傳光束。3out-l和3out-2表示NXM傳光束的偏振輸出子傳光束，此時，其輸出光為線偏振光。3out(i, λ j) ^out (i, X2)、3out(i, λ 3)、...、3out (i, λ N1)表示分別來自
NI個NXM傳光束的的第i個輸出子傳光束，此時其輸出的光分別處在λ P λ2、λ3.....λ Ν1所示的波長區，B為NXM傳光束的某個輸入子傳光束的端面；3out-l (i)和3out-2 (i)分別表不NXM傳光束的第i組輸出子傳光束,此時,其輸出光為線偏振光,匯聚了 N組光束，每組光束又含有 NI 個波長的光。3out (η, i, λ J、3out (n, i, λ 2)、3out (η, i, λ 3)、...、3out(n, i，λΝ1)表示分別來自NI個NXM傳光束的第i個輸出子傳光束，此時其輸出光分別處在λ P λ 2、λ 3、...、λ N1波長區域，每個輸出的光包含了 2組偏振方向正交的光,每組光來自N個半導體激光器發光區。
[0043]4為傳能光纖。4⑴表示第i個傳能光纖，它傳輸來自N個發光區的光。4(n，i)表不一種傳能光纖，其內部包括兩組偏振方向正交的光，每一組光來自N個發光區。4(n,i,λ λ2)、4(η, i, λ 3)、...、4 (n, i, λ N1)表不一種傳能光纖，此時其輸出的光分別處在λ P λ 2、λ 3、...、λ N1所不的波長區,每個輸出的光包含了 2組偏振方向正交的光,每組光來自N個半導體激光器發光區。
[0044]5L1、5L2為耦合透鏡。
[0045]6L(1)、6L(2)、6L(3)為偏振合束系統中的透鏡，6L (PBS)為偏振分束鏡，6 ( λ/2)為λ/2波片。
[0046]7L(1)、7L(2)、7L(3)、...、7L(NI)、7L(N1+1)為波分復用系統中的透鏡，7BS (I)、7BS(2)、7BS(3)、...、7BS(N1_1)為波分復用系統中的濾波片。7FL (I)、7FL (2)、7FL (3)、...、7FL (NI)、7FL (N1+1)為具有波分復用合束功能的成像系統中的快軸準直透鏡，7SL (I)、7SL(2)、7SL(3).....7SL(N1)、7SL(N1+1)為具有波分復用合束功能的成像系統中的慢軸準直透鏡。
【具體實施方式】
[0047]下面結合附圖和實施例詳細說明本發明提出的各種基于光纖傳光束的大功率半導體激光器。
[0048]圖1為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的結構示意圖。其中:
[0049]I表示N個(N大于等于I)大功率半導體激光器的發光區，1(1)、1 (2)、...、1(N-1)及I (N)分別為某個具體的半導體激光器發光區。這些發光區可以是半導體激光器單管的發光區，也可以是半導體激光器陣列(LD Bar)上的發光區。它們在空間可以任意排列，也可以排成一維或兩維陣列，比如形成兩維陣列(LD stack)。每個發光區的端面都是一個條狀發光區。
[0050]2表示N個成像透鏡系統，2 (I)、2⑵、...>2 (N-1)及2 (N)分別為某個具體的成像透鏡系統。這些成像系統都是在兩個垂直方向上焦距不同的非對稱系統。通常，每個成像透鏡系統由兩個分別在互相垂直方向上成像的一維柱面透鏡系統組成。柱面透鏡系統中的柱面透鏡可以是圓柱面柱面透鏡，也可以是非圓柱面柱面透鏡。圖6給出了幾種典型的柱面透鏡結構，其中，圖6A給出的是圓柱面柱面透鏡在兩個垂直方向上的投影圖；圖68給出的是三個面是平面，一個面是曲面的柱面透鏡在兩個垂直方向上的投影圖，其中的曲面可以是圓柱面，也可以是任意形狀的可實現光束匯聚的柱面；圖6C給出的是二個面是平面，二個面是曲面的柱面透鏡在兩個垂直方向上的投影圖，其中的曲面可以是圓柱面，也可以是任意形狀的可實現光束匯聚的柱面。
[0051]3為NXM傳光束，3in(l)、3in(2)、...、3in(N_l)及 3in(N)分別為 NXM 傳光束中的輸入子傳光束，3out (I)、3out (2)、…、3out (N-1)及3out (N)分別為NXM傳光束中的輸出子傳光束。該傳光束中的N個輸入子傳光束為橫截面為矩形的帶狀傳光束。這種NXM傳光束中的輸入子傳光束的一種結構是子傳光束為一根橫截面為矩形的光導纖維，如圖2k所不。這種NXM傳光束中的輸入子傳光束的另外一種結構是子傳光束由D(D大于等于2)個光導纖維按一維結構排列而成，各光導纖維的橫截面可以是矩形的，如圖2B所示；也可以是方形的，如圖2C所不；還可以是圓形的,如圖2D所不。NXM傳光束的輸出子傳光束的橫截面可以排列成方、園形或者是矩形，以滿足不同應用對光斑形狀的要求。
[0052]這種激光器的激光合束原理是:每個大功率半導體激光器發光區端面發出的光，通過一個成像透鏡系統成像在NXM傳光束中的一個輸入帶狀子傳光束的端面上，所有N個發光區發出的光最后匯聚并分配到NXM傳光束的輸出子傳光束中。
[0053]實際應用對激光器的要求差異很大，有些應用要求激光器有大的功率，而有些應用除了功率要求，還有光束質量要求，在輸出端采用分束結構，可以得到好的光束質量。
[0054]在這種激光器中，為了提高光耦合效率，半導體激光器發光區端面光學參數、透鏡系統參數和NXM傳光束中的輸入帶狀子傳光束的參數必須滿足下列關系:
[0055](I)成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面快軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面短軸方向上成的像的尺寸小于并盡可能接近該方向上光導纖維芯的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于并盡可能接近由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角；
[0056](2)成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面慢軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面長軸方向上成的像的尺寸小于并盡可能接近該方向上由最邊緣光導纖維的芯確定的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于并盡可能接近由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角。
[0057]圖3A、圖3B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的一種成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。其中，快軸方向的成像系統由兩個柱面透鏡構成，透鏡FLl將位于A處的發光區端面發出的快軸方向的光準直為平行光，透鏡FL2將該平行光聚焦到NXM傳光束中位于B處的輸入帶狀子傳光束矩形端面短軸方向上光導纖維芯確定的區域內；慢軸方向的成像系統為一個柱面透鏡SLl,它將位于A處的發光區端面發出的慢軸方向的光成像到NXM傳光束中位于B處的輸入帶狀子傳光束矩形端面長軸方向上，并位于由最邊緣光導纖維的芯確定的區域內。
[0058]圖4A、圖4B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的第二種成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。其中，快軸方向的成像系統由兩個柱面透鏡FLl和FL2構成，透鏡FLl將位于A處的發光區端面發出的快軸方向的光準直為平行光，透鏡FL2將該平行光聚焦到NXM傳光束中位于B處的輸入帶狀子傳光束矩形端面短軸方向上光導纖維芯確定的區域內；慢軸方向的成像系統為兩個柱面透鏡SLl和SL2組成，SLl將位于A處的發光區端面發出的慢軸方向的光變成平行光，SL2將該方向上的平行光匯聚到位于B處的輸入帶狀子傳光束矩形端面長軸方向上，并位于由最邊緣光導纖維的芯確定的區域內。
[0059]上述兩種成像透鏡系統中的第一種適合半導體發光區與光纖傳光束輸入子傳光束直接耦合的情況，第二種適合系統中加入其它功能器件時的情況。如，加入偏振合束和波分復用合束器件、甚至隔離功能器件。
[0060]本發明所采用的矩形、方形和園形光導纖維可以由石英材料制造，也可以由多組分玻璃制造。通常，這種光導纖維的成本要高于常規的石英大芯徑傳能光纖，而實際使用中有時需要光纖傳輸的距離較長，這時可以將NXM傳光束中輸出子傳光束輸出的光耦合到石英大芯徑傳能光纖中，用于向遠處傳輸。
[0061]圖7A為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的將NXM傳光束輸出子傳光束輸出的光I禹合到傳能光纖中米用的一種結構不意圖。該方案利用成像透鏡5L1將NXM傳光束的某個輸出子傳光束3out(i)輸出的光耦合到傳能光纖4(i)中。為了提高耦合效率，NXM傳光束中光導纖維的數值孔徑要小于傳能光纖數值孔徑與成像系統放大率的比值。這種結構適合NXM傳光束中光導纖維的數值孔徑較小的情況。
[0062]圖7B為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的將NXM傳光束輸出子傳光束輸出的光耦合到傳能光纖中采用的另一種結構示意圖。該方案利用成像透鏡5L1將NXM傳光束的某個輸出子傳光束3out(i)輸出的光準直成平行光，然后由透鏡5L2耦合到傳能光纖4(i)中。為了提高耦合效率，NXM傳光束中光導纖維的數值孔徑要小于傳能光纖數值孔徑與成像系統放大率的比值。這種結構適合NXM傳光束中光導纖維的數值孔徑較大的情況。
[0063]為了進一步增加大功率半導體激光器輸出光的功率密度，本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的技術方案中還可以加入偏振合束技術，使功率密度翻倍。
[0064]圖5A、圖5B分別為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器采用的設置有偏振合束裝置的成像透鏡系統在兩個相互垂直截面上的透鏡結構及成像光路示意圖。其中，偏振合束裝置由偏振分束鏡PBS和λ /2波片Ρ( λ /2)組成；透鏡FLl和SLl將位于A處的發光區端面發出的快軸方向和慢軸方向的光的準直為平行光，透鏡FL3和SL3將位于Al處的發光區端面發出的快軸方向和慢軸方向的光的準直為平行光，這兩束光中的一束光通過一個λ /2波片Ρ(λ /2),使其偏振方向旋轉90度,之后,這兩個偏振方向相互垂直的光通過偏振分束鏡PBS后合為一束，然后由透鏡FL2和SL2將其匯聚到位于B處的NXM傳光束的某個輸入帶狀子傳光束3in(i)的矩形端面上，并位于由最邊緣光導纖維的芯確定的區域內。這時，NXM傳光束的輸出子傳光束中的包含2N個半導體激光器有源區發出的光，光束的功率密度提高一倍。
[0065]由于矩形光導纖維和方形光導纖維具有保偏特性，偏振合束功能還可以在NXN傳光束的輸出子傳光束后端實現。
[0066]圖8A為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中米用的偏振合束系統的一種結構不意圖。其中，3out-l (i)、3out-2(i)分別為NXM傳光束的輸出子傳光束的第i組進行偏振合束的輸出子傳光束，通過旋轉使它們輸出光的偏振方向互相垂直:透鏡6L(1)、6L(2)分別將3out-l (i)、3out-2(i)的輸出光準直成平行光，經偏振分束鏡6 (PBS)后合成為一束光,然后,透鏡透鏡6L (3)將其I禹合到傳能光纖4 (n, i)的輸入端。這時，傳能光纖中的光將包含2N個半導體激光器有源區發出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束技術時提高一倍。
[0067]圖8B為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中米用的偏振合束系統的另一種結構示意圖。其中，3out-l(i)、3out-2(i)分別為NXM傳光束的第i組進行偏振合束輸出子傳光束，通過旋轉使它們輸出光的偏振方向相同；透鏡6L(1)、6L(2)分別將30ut-l(i)、30ut-2(i)的輸出光準直成平行光，其中一束光經λ/2波片6( λ/2)，使其偏振方向旋轉90度,之后,這兩個偏振方向相互垂直的光通過偏振分束鏡6 (PBS)后合為一束，然后，透鏡透鏡6L(3)將其稱合到傳能光纖4(n, i)的輸入端。這時，傳能光纖中的光將包含2N個半導體激光器有源區發出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束技術時提高一倍。
[0068]需要指出的是，在這兩種偏振合束方案中，兩個輸出子傳光束3out_l(i)、3out-2(i)可以來自同一個NXM傳光束，也可以來自兩個不同的NXM傳光束。當來自同一個NXM傳光束時，可以將光束的質量參數提高一倍。
[0069]為了進一步增加大功率半導體激光器輸出光的功率密度，本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的技術方案中還可以加入波分復用合束技術，使功率密度增加多倍。
[0070]圖9為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的波分復用合束系統的一種結構示意圖。其中，ια，λ2)、ια，λ3).....l(i，λΝ1)為第i
組進行波分復用合束操作的系統中發光波長分別為λρ λ2、λ3.....λΝ1的半導體激光器發光區，3in(i)為NXM傳光束的第i個輸入子傳光束；7BS(1)、7BS(2)、7BS(3).....7L(Nl-1)為波分復用系統中的濾波片;7FL(1)、7FL(2)、7FL(3)、...、7FL(NI)、7FL(N1+1)
為具有波分復用合束功能的成像系統中的快軸準直透鏡，7SL(1)、7SL(2)、7SL(3).....7SL(N1)、7SL(N1+1)為具有波分復用合束功能的成像系統中的慢軸準直透鏡。由l(i，A1)發出的光的快軸和慢軸方向分別由7FL(1)和7SL(1)準直，由l(i，λ 2)發出的光的快軸和慢軸方向分別由7FL(2)和7SL(2)準直，這兩束光由7BS (I)合為一束；由l(i，λ 3)發出的光的快軸和慢軸方向分別由7FL(3)和7SL(3)準直，該光束與7BS(1)輸出的合束光由7BS(2)合為一束；依次類推，由l(i，λΝ1)發出的光的快軸和慢軸方向分別由7FL (NI)和7SL(N1)準直，該光束與前面輸出的合束光由7BS(Nl-1)合為一束，由快軸準直透鏡7FL(N1+1)和慢軸準直透鏡7SL(N1 + I)耦合到NXM傳光束的第i個輸入子傳光束3in(i)中。這時，NXM傳光束的輸出子傳光束中匯聚了 NNl個半導體激光器發光區發出的光，光束的功率密度比不采用波分復用合束技術時提高了(Nl-1)倍。
[0071]圖10為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中采用的波分復用合束系統的另一種結構示意圖。其中，3out(i, λ j) ^out (i, X2)、3out(i, λ 3)、...、3out(i, λΝ1)分別表示NI個匯聚不同波長的NXN傳光束的第i個輸出子傳光束，此時其輸出的光分別處在λρ λ2、λ3、...、λ N1所不的波長區，每個輸出光含有N個半導體激光器發光區發出的光，7L (I)、7L(2)、7L(3).....7L(N1)、7L(N1+1)為波分復用系統中的透鏡，
7BS(1)、7BS(2)、7BS(3).....7L(Nl-1)為波分復用系統中的濾波片，4(i)為第i個傳能光纖。由3out(i，A1)發出的光由7L⑴準直，由3out(i，λ 2)發出的光由7L⑵準直，這兩束光由7BS(1)合為一束；由3out(i，λ 3)發出的光的由7L (3)準直，該光束與7BS(1)輸出的合束光由7BS(2)合為一束；依次類推，由3out(i，λΝ1)發出的光的由7L(N1)準直，該光束與前面輸出的合束光由7BS (Nl-1)合為一束，由準直透鏡7L(N1+1)耦合到傳能光纖4 (i)中。這時，傳能光纖中4(i)匯聚了 NNl個半導體激光器發光區發出的光，光束的功率密度比不采用波分復用合束技術時提高了(Nl-1)倍。
[0072]為了進一步增加大功率半導體激光器輸出光的功率密度，本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器的技術方案中還可以同時加入波分復用合束技術和偏振合束技術。
[0073]圖11為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將偏振合束系統輸出的光進一步用波分復用系統合束的一種結構示意圖。該方案是將前面圖5和圖8給出的方案所輸出的光在波長域中進一步合束。其中，3out(n,i, λ D、3out (n, i, λ 2) ,3out (η,
i，λ 3).....3out(n, i, λΝ1)表示分別來自NI個NXM傳光束的某個輸出子傳光束，此時其輸出光分別處在λ2、λ 3、...、λ N1波長區域，每個輸出的光包含了 2組偏振方向正交的光，每組光來自N個半導體激光器發光區。4 (η, i, λ j)、4(n, i, λ 2)、4(n, i, λ 3)、...、4(n, i, λ N1)分別表不傳能光纖,此時其輸出的光分別處在λ P λ 2、λ 3、...、λ N1所不的波長區，每個輸出的光包含了 2組偏振方向正交的光。
[0074]當該方案的輸入光為圖5所不方案的輸出光時,其工作原理為:由3out(n,i, A1)發出的光由7L⑴準直，由3out(n，i，λ2)發出的光由7L⑵準直，這兩束光由7BS(1)合為一束:由3out(n，i, λ 3)發出的光的由7L(3)準直，該光束與7BS(1)輸出的合束光由7BS(2)合為一束；依次類推，由3out(n，i，λ N1)發出的光的由7L(N1)準直，該光束與前面輸出的合束光由7BS(Nl-1)合為一束，由準直透鏡7L(N1+1)耦合到傳能光纖4(i)中。這時，傳能光纖4 (i)中匯聚了 2NN1個半導體激光器發光區發出的光，光束的功率密度比不采用偏振合束和波分復用合束技術時提高了(2N1-1)倍。
[0075]當該方案的輸入光為圖8所不方案的輸出光時,其工作原理為:由4(n, i, λ J發出的光由7L(1)準直，由4(n，i，λ2)發出的光由7L(2)準直，這兩束光由7BS (I)合為一束；由4(n，i，λ 3)發出的光的由7L(3)準直，該光束與7BS(1)輸出的合束光由7BS(2)合為一束；依次類推，由4(n，i，λΝ1)發出的光的由7L(N1)準直，該光束與前面輸出的合束光由7BS(Nl-1)合為一束，由準直透鏡7L(N1+1)耦合到傳能光纖4(i)中。這時，傳能光纖4(i)中光束的功率密度比不采用偏振合束和波分復用合束技術時提高了(2N1-1)倍。
[0076]圖12為本發明提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器中將波分復用合束系統輸出的光進一步用偏振合束系統合束的一種結構示意圖。該方案將前面圖9給出的方案所輸出的光在波長域中進一步合束。圖10所示方案由于傳能光纖不保偏，不能進一步增加功率密度。在圖12A和12B所示方案中，3out-l(i)和3out-2(i)分別表示兩個經波分復用合束的兩個NXM傳光束的第i組進行偏振合束的輸出子傳光束的輸出端,此時,其輸出光為線偏振光，匯聚了 N組光束,每組光束又含有NI的波長的光。6L(1)、6L(2)、6L(3)為偏振合束系統中的透鏡，6L(PBS)為偏振分束鏡，6(λ/2)為λ /2波片，4⑴為傳能光纖。
[0077]圖12Α所示方案工作原理為:通過旋轉3out_l (i)和3out_2 (i)使它們輸出光的偏振方向互相垂直；透鏡6L(1)、6L(2)分別將30ut-l(i)、30ut-2(i)的輸出光準直成平行光，經偏振分束鏡6 (PBS)后合成為一束光,然后,透鏡透鏡6L (3)將其I禹合到傳能光纖4 (i)的輸入端。這時，傳能光纖中的光將包含2NN1個半導體激光器有源區發出的光，光束的功率密度是不采用波分復用合束技術和偏振合束技術時的2N1倍。
[0078]圖12B所示方案工作原理為:通過旋轉3out_l (i)和3out_2 (i)使它們輸出光的偏振方向平行；透鏡6L(1)、6L(2)分別將30ut-l(i)、30ut-2(i)的輸出光準直成平行光，其中一束光經λ /2波片6(λ /2),使其偏振方向旋轉90度,之后,這兩個偏振方向相互垂直的光通過偏振分束鏡6 (PBS)后合為一束,然后,透鏡透鏡6L (3)將其I禹合到傳能光纖4 (i)的輸入端。這時，傳能光纖中的光將包含2NN1個半導體激光器有源區發出的光，光束的功率密度是不采用波分復用合束技術和偏振合束技術時的2N1倍。
[0079]下面我們給出一些實際采用本發明技術方案的激光器的例子。所采用的半導體激光器單管的波長分別為915、940、975納米，功率為12瓦，發光區域90微米長、I微米寬，快軸95%能量對應的發散角為58度，慢軸95%能量對應的發散角為12度。
[0080]我們的第一種激光器采用15 X I傳光束進行光的耦合，傳光束有15個輸入子傳光束和一個輸出端，每個輸入子傳光束為一帶狀光導纖維，其截面米用圖2A所不結構，尺寸為91 X6um2，芯部區域尺寸為90.2X5.2um2，輸出端匯聚區域為91X90um2方形區域，光導纖維的數值孔徑為0.1。成像透鏡系統采用圖3A所示結構，FLl采用圖6A所示圓柱面柱面鏡，FL2采用圖6B所示柱面鏡，FL2的焦距是FLl的5.2倍。SL采用圖6A所示圓柱面柱面鏡。采用圖1所示結構，將15個波長為940納米的上述激光器單管發出的光耦合到15X1傳光束的15個輸入子傳光束中，在輸出端得到155瓦的光功率，耦合效率約85%。
[0081]為了提高光功率密度，將兩個這種激光器采用圖SB所示結構進行偏振合束，在芯徑100微米數值孔徑0.1的傳能光纖中，得到280瓦的光功率。
[0082]為了進一步提高光功率密度，我們采用圖11所示技術方案，將波長分別位于915、940和975的三個上述激光器進行波分復用合束，在芯徑100微米數值孔徑0.1的傳能光纖中，得到800瓦的光功率。
[0083]這種光束質量的大功率半導體激光器在許多應用中可以取代大功率半導體激光器泵浦的固體激光器。
[0084]我們的第二種激光器采用I X 2傳光束進行光的耦合，傳光束有I個輸入傳光束和2個輸出子傳光束。輸入傳光束為一帶狀傳光束，其截面米用圖2B所不結構，由6根矩形光導纖維組成,光導纖維的尺寸為16X6um2,芯部區域尺寸為15.2X5.2um2,兩個輸出子傳光束分別由3根光導纖維疊成16X ISum2的近方形區域，光導纖維的數值孔徑為0.1。成像透鏡系統采用圖3A所示結構，FLl采用圖6A所示圓柱面柱面鏡，FL2采用圖6B所示柱面鏡，FL2的焦距是FLl的5.2倍。SL采用圖6A所示圓柱面柱面鏡。采用圖1所示結構，將I個波長為940納米的上述激光器單管發出的光耦合到I X 2傳光束中，在兩個輸出端分別得到5.1瓦的光功率，耦合效率約85%。
[0085]為了提高光功率密度，將該激光器的兩個輸出端采用圖SB所示結構進行偏振合束，在芯徑18微米數值孔徑0.1的傳能光纖中，得到8.5瓦的光功率。
[0086]為了進一步提高光功率密度，我們采用圖11所示技術方案，將波長分別位于915、940和975的三個上述激光器進行波分復用合束，在芯徑18微米數值孔徑0.1的傳能光纖中，得到25瓦的光功率。
[0087]這種光束質量的激光器，在有些應用中可以取代半導體激光器泵浦的光纖激光器。
[0088]本發明的提出的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器使光的耦合效率提高、功率密度提高、成本降低及壽命增長。可增加大功率半導體激光器相對其它種激光器的競爭力。
【權利要求】
1.一種基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，包括N(N大于等于I)個大功率半導體激光器發光區、N個成像透鏡系統及一個NXM(M大于等于I)傳光束，其特征是:NXM傳光束有N個輸入子傳光束和M個輸出子傳光束，N個輸入子傳光束為橫截面為矩形的帶狀傳光束；成像透鏡系統為在兩個垂直方向上焦距不同的不對稱系統；每個成像透鏡系統將一個半導體激光器發光區端面成像到NXM傳光束的一個帶狀輸入子傳光束的端面上。
2.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束中的每個輸入子傳光束為一根橫截面為矩形的光導纖維。
3.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束中的每個輸入子傳光束由D(D大于等于2)個光導纖維按一維結構排列而成，各光導纖維的橫截面或者是矩形的，或者是方形的，或者是圓形的。
4.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的成像透鏡系統由兩個分別在互相垂直方向上成像的一維柱面透鏡系統組成，柱面透鏡系統中的柱面透鏡或者是圓柱面柱面透鏡，或者是非圓柱面柱面透鏡。
5.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面快軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面短軸方向上成的像的尺寸小于該方向上光導纖維芯的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角:同時，所述的成像透鏡系統使半導體激光器發光區端面慢軸方向發出的光在NXM傳光束中輸入帶狀子傳光束矩形端面長軸方向上成的像的尺寸小于該方向上由最邊緣光導纖維的芯確定的尺寸，并且使成的像的光束發散角的一半小于由輸入帶狀子傳光束中光導纖維數值孔徑決定的接受角。
6.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束后面依次設置一個耦合透鏡系統和一根傳能光纖，耦合透鏡系統將NXM傳光束的每個輸出子傳光束發出的光耦合到一個相應的傳能光纖中。
7.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述成像透鏡系統中設置有偏振合束裝置，每個成像透鏡系統可以將兩個半導體激光器發光區的光耦合到NXM傳光束中的一個輸入帶狀子傳光束中。
8.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束的輸出子傳光束輸出的光為偏振光,在兩根這種NXM傳光束的輸出子傳光束后依次設置一偏振合束系統和一根傳能光纖，偏振合束系統將兩根NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光I禹合到傳能光纖中；這兩根輸出子傳光束或者來自同一根NXM傳光束,或者來自兩根不同的N X M傳光束。
9.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的成像透鏡系統中設置有波分復用裝置，每個成像透鏡系統可以將NI (NI大于等于2)個半導體激光器發光區的不同波長的光耦合到NXM傳光束中的一個輸入帶狀子傳光束中。
10.根據權利要求1所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出的光為某一波長附近的窄帶光，即匯聚了 N個波長基本相同的半導體激光器發光區發出的光，在NI根這種分別匯聚了 NI個不同波長的NXM傳光束的輸出子傳光束后依次設置一波分復用系統和一根傳能光纖，波分復用系統將NI根分別來自NI個NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光耦合到傳能光纖中。
11.根據權利要求7或權利要求8所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出光或者所述的傳能光纖輸出的光為某一波長附近的通過偏振合束的窄帶光，含有2N個半導體發光區輸出的光，在NI根這種分別匯聚了 NI個不同波長的NXM傳光束的輸出子傳光束的輸出端或者傳能光纖的輸出端后依次設置一波分復用系統和一根傳能光纖，波分復用系統將NI根分別來自NI個NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光或者將NI根傳能光纖發出的光耦合到一根傳能光纖中。
12.根據權利要求9所述的基于光纖傳光束的大功率半導體激光器，其特征是:所述的NXM傳光束的每個輸出子傳光束輸出的光為NNl個半導體發光區輸出的偏振光,在兩根這種NXM傳光束的匯聚端后依次設置一偏振合束系統和一根傳能光纖,偏振合束系統將兩根NXM傳光束的輸出子傳光束發出的光f禹合到傳能光纖中，這兩根輸出子傳光束或者來自同一根N X M傳光束，或者來自兩根不同的N X M傳光束。
【文檔編號】G02B6/28GK104377550SQ201310354925
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年8月15日 優先權日:2013年8月15日
【發明者】方強, 方笑塵 申請人:方強