專利名稱：一種用于半導體激光器的光纖耦合模塊的制作方法
技術領域：
本發明屬于激光器制造領域，涉及
光器的光纖耦合模塊。
種光纖耦合模塊，尤其是一種用于半導體激
背景技術：
隨著半導體激光器在工業、醫療、軍事等領域越來越廣泛的應用，高功率以及高亮 度成為激光器發展的必然趨勢。其中高亮度半導體激光器以其廣闊的市場前景，正成為相 關工作者研究的焦點。要想實現半導體激光器的高亮度輸出，通常是在半導體激光器(LD) 前端加相應的光束整形系統，將激光束壓縮至需要的光斑輸出。 目前國內外最常見的提高亮度的方法就是將LD光束通過光纖耦合輸出，由于能 量光纖芯徑可以小到50 ii m， 100 ii m， 200 y m等，那么對于同樣功率輸出的光纖耦合激光 器，光纖芯徑越小，就意味著較高的亮度或者是較高的能量密度。國內外相關產品很多，但 多為兩種芯片基礎上開發出的產品，都存在一定的缺點1.單管(SingleEmitter)產品，該 產品只有一個發光點，可以做到808nm， 50 m， 5W的激光輸出，盡管光纖芯徑很小，但由于 功率的限制，亮度并不是很高。2.單巴條(Single Bar)產品，該產品的發光點一般為19個 或19個以上(如47個，62個)，針對這種Bar條，多使用切割、翻轉、重排、聚焦的光束整形 方式來實現光纖耦合輸出，這類產品可以達到很高的功率，但由于加入了復雜的光學系統， 成本較高，并且輸出光纖芯徑也不能做到很小，較難達到提高亮度的目的。3.多單管產品， 相對于傳統的單管產品，該型產品在功率上有一定的增加，但與基于Bar條類的產品相比， 其功率還是偏低。4.多Bar條產品，這類產品在功率方面具有絕對的優勢，但很難耦合進小 芯徑的光纖中去，這就決定了該類產品的亮度不會太高。 綜上所述，傳統的半導體激光器光纖耦合方案中，激光器芯片一般采用單管或者 單Bar，而光學整形系統(主要是Bar條類)則往往需要進行復雜的光學切割、旋轉、重排。 經過對比分析，我們總結出了傳統技術具有以下缺點。 1.基于Bar條的光纖耦合產品成本高，要求的驅動電流大。由于加入了復雜的光 學系統，使得整個產品成本提高，降低了該類產品的市場競爭力；而且該類產品一般需要很 高的驅動電流，這嚴重限制了此產品的應用。 2.功率和亮度偏低。對于單管光纖耦合產品，由于其功率的限制，很難做出大功 率、高亮度的激光器產品。而對于Bar條光纖耦合產品，由于很難將光束耦合進小芯徑的光 纖中，所以亮度也不大。 3.工藝復雜。常見的Bar條光纖耦合產品通常引入復雜的光學系統，以達到光束
整形、小芯徑光纖耦合輸出的目的，這種光學系統包含了復雜的光束整形透鏡，而在實際生 產中，每增加一個透鏡，就意味著工藝難度的提高，同時也會增加功率的損耗。
4.功率選擇范圍小。傳統技術中，無論是單管類產品還是Bar條類產品，其可選擇 的功率范圍都很小。例如15W的光纖耦合產品，單管功率無法達到，只能使用多單管或Bar 條產品進行耦合。其中多單管耦合產品的結構太過復雜，而Bar條產品的功率又偏大，造成
3浪費。
發明內容
本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供一種用于半導體激光器的光纖 耦合模塊，該光纖耦合模塊以微型巴條(MiniBAR)為基礎。微型巴條是一種介于單發光點 芯片和標準10毫米長芯片(19個或19個以上發光點)之間的芯片。這種芯片每個發光點 的功率也是介于單發光點芯片和標準10毫米長芯片每個發光點的功率之間，一般低于單 發光點芯片的，但高于標準10毫米長芯片的功率。針對該型芯片具有兩個或兩個以上(最 多可達IO個)發光點的特點，該種光纖耦合模塊無需經過復雜的切割、旋轉、重排的光學系 統即可將光束耦合進光纖內，不僅可以設計為單模塊，也可設計為多模塊組合的方式，具有 制作工藝簡單、體積小巧、亮度高的優點。
本發明的目的是通過以下技術方案來實現的 這種用于半導體激光器的光纖耦合模塊，包括由發光芯片組、快軸準直鏡和慢軸 準直陣列組成的發光模塊，所述快軸準直鏡和慢軸準直陣列依次設于發光芯片組的激光發 射方向上，所述慢軸準直陣列的激光出射側設有第一聚焦鏡；所述快軸準直鏡為D型柱透 鏡或光纖透鏡，所述第一聚焦鏡為雙凸非球面透鏡，所述慢軸準直陣列為包含多個圓柱曲 面的透鏡。 上述發光芯片組包含有單個或多個發光芯片，所述多個發光芯片并列設置且各發 光芯片激光發射方向相同。 上述發光芯片為微型巴條(Mini Bar)。 上述快軸準直鏡和慢軸準直陣列的水平方向長度均小于10mm。 以上由發光芯片組、快軸準直鏡和慢軸準直陣列組成的發光模塊和聚焦鏡均設于
底板上。 進一步的，該光纖耦合模塊包含有多個發光模塊和一個階梯底座，所述多個發光 模塊呈橫向階梯狀排列分別固定在階梯底座的各階梯上，每個發光模塊前部均放置有一個 反射鏡，所述反射鏡相對于發光模塊的發射光軸向呈45。放置；所述階梯底座的前方依次 設有柱面鏡和第二聚焦鏡；每個發光模塊輸出的光斑經反射鏡反射后，由柱面鏡和第二聚 焦鏡對光束進行二次準直和聚焦耦合，最終實現光纖耦合輸出。
上述第二聚焦鏡為雙凸非球面透鏡。
本發明具有以下幾個優點 1.成本低。本設計采用Mini Bar芯片，無論從半導體激光芯片價格，還是后面光 學系統的價格，都比Bar條類光纖耦合產品更有競爭力；而相對于單管產品，本發明的一個 芯片產生的功率需要多個單管產品才能達到，在光學系統成本增加不大的前提下，成本自 然大大降低。 2.功率高。與傳統單管產品相比，本產品的功率大大提高。同時，本產品也可以用 多模塊設計或者Mini-Bar垂直疊陣(Vertical Stack)的方法，使輸出功率更高。
3.亮度高。這是本發明的主要特點之一。本發明采用比單管產品輸出功率更高 的Mini Bar芯片，同時又克服了傳統Bar條類產品不能實現小芯徑光纖輸出的缺陷，因此 亮度較高。
4.工藝簡單。本發明省去了通常Bar條光束整體系統所需要的光束翻轉、切割、重排過程，通過簡單的準直和聚焦的方式即可實現小芯徑光纖耦合的目的，工藝非常簡單。
圖1是本發明單模塊快軸方向光路圖； 圖2是本發明單模塊慢軸方向光路圖； 圖3是本發明單模塊立體示意圖； 圖4為本發明多模塊立體示意圖； 圖5為本發明多模塊替代方案立體示意圖； 圖6為基于Mini Bar的垂直疊陣示意圖； 圖7為圓柱曲面透鏡示意圖。 其中1為發光芯片組；2為快軸準直鏡；3為慢軸準直陣列；4為第一聚焦鏡；5為玻璃塊；6為第一底板；7為反射鏡；8為柱面鏡；9為第二聚焦鏡；10為階梯底座；ll為第二底板；12為二次慢軸準直鏡；13為第三聚焦鏡。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施實例詳細敘述本發明 對于單模塊方案，如圖3，包括由發光芯片組1、快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3組成的發光模塊。快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3依次設于發光芯片組1的激光發射方向上，慢軸準直陣列3的激光出射側設有第一聚焦鏡4。其中快軸準直鏡2為D型柱透鏡或光纖透鏡，第一聚焦鏡4為雙凸非球面透鏡，慢軸準直陣列3為包含多個圓柱曲面的透鏡(如圖7)。各個透鏡之間的距離由透鏡焦距，光參量乘積等參數確定。安裝時，先將快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3通過玻璃塊5連接在一起，再將發光芯片組1，玻璃塊5，第一聚焦鏡4都固定在事先加工好的第一底板6上，第一底板6經過精密的設計和加工，只需將各個部件固定在相應位置即可。 對于多模塊方案，如圖4，該光纖耦合模塊包含有多個由發光芯片組1、快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3組成的發光模塊和一個階梯底座IO，其中多個發光模塊呈橫向階梯狀排列分別固定在階梯底座10的各階梯上，每個發光模塊前均放置有一個反射鏡7，反射鏡7相對于發光模塊的發射光軸呈45°放置。階梯底座10的前方依次設有柱面鏡8和第二聚焦鏡9 ;每個發光模塊輸出的光斑經反射鏡7反射后，由柱面鏡8和聚焦鏡9對光束進行二次準直和聚焦耦合，最終實現光纖耦合輸出。安裝時，實施方法基本同單模塊方案相同，重點是用于固定各個光學元件的階梯底座10和第二底板11的加工誤差要在容忍范圍內，否則最終耦合效率會有很大的損失。
工作原理 —般半導體激光器的慢軸光參量乘積(BPP)約為435mm mrad，快軸BPP約為0. 3mm mrad，快慢軸方向的BPP相差過大，光束無法直接耦合到光纖內，必須經過復雜的光束整形系統，使快慢軸方向BPP達到均衡并小于所要耦合進的光纖的BPP。而本發明則主要是利用了 Mini Bar的快慢軸BPP本身就小于耦合光纖的BPP的原理，省去了傳統方案中均衡快慢軸光參量乘積的過程。以3個發光單元，填充因子為20X填充因子的Mini Bar來說，其慢軸BPP約為43mm mrad，快軸BPP約為0. 3mm mrad，而對于芯徑400 ii m， NA =0. 22的光纖來說，其BPP約為44mm mrad，只要經過簡單的準直和聚焦就可以將光束耦合進光纖。與此同時，由于快軸方向BPP為0. 3mm'mrad，遠小于耦合光纖的BPP，在該方向上可以進行疊加，做成Mini Bar的垂直疊陣，如圖6所示。經過計算，20個含有3個發光點的Mini Bar組成的垂直疊陣，其BPP仍小于44mm mrad，無需光束切割、旋轉、重排就可以耦合到小芯徑光纖。 圖3中展示了單模塊的立體結構圖，發光芯片組1發出的激光，在快軸方向呈70。左右發散(如圖l)，而慢軸方向則呈10°左右發散(如圖2)，這種光束在空間發散太快，要想耦合進光纖，必須加入必要的光束整形系統，所以本發明先通過快軸準直鏡2對該光束快軸進行準直壓縮，然后在慢軸方向通過慢軸準直陣列3對三個發光點發出激光一一對應的進行準直，經過快慢軸光束整形后，光線基本被準直，這樣的近準直光線通過聚焦透鏡4后無論從光斑還是入射角方面考慮都可以較容易的耦合進光纖。 圖4為多模塊立體結構示意圖。該結構是將多個單模塊呈橫向階梯型排開，每一個發光芯片組1發出的光束經快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3準直過后，通過對應的45°放置的反射鏡7，實現多束光的垂直疊加，形成一個方形的光斑，該光斑再經過二次慢軸準直鏡(柱面鏡8)和第二聚焦鏡9實現光纖耦合輸出。
替換方案 1)本發明不僅適用于光纖耦合類產品，還可以作為小光斑輸出光源。例如，去除光纖后，利用本產品可以實現3mmX 3mm光斑或20mradX 20mrad的光束發散角輸出。
2)多模塊光纖耦合模塊除采用圖4的方案外，也可以采取圖5的方案，即多個單一發光模塊呈縱向階梯狀排列。發光芯片組1發出的激光分別經過快軸準直鏡2和慢軸準直陣列3進行壓縮準直后經二次慢軸準直鏡12進一步準直，實現光參量乘積的進一步優化，最終通過第三聚焦鏡13耦合入光纖輸出。 3)本發明中的慢軸準直陣列3也可以用柱面鏡來代替。 綜上所述，本發明不同于現有技術的光纖耦合模塊產品，它是在Mini Bar的基礎上開發出來的產品，其無需經過復雜的切割、旋轉、重排的光學系統即可將光束耦合進光纖。并且由于體積小巧，本發明可以根據不同客戶需求，設計出各種結構形式的多模塊、高亮度半導體激光光纖耦合模塊來。因此本發明的應用更廣泛。 本發明從輸出功率、驅動電流、價格等方面均處于單管類和Bar條類產品之間，彌補了后兩者的不足，同時對市場需求也是有效的補充，具有廣闊的市場前景。
權利要求
一種用于半導體激光器的光纖耦合模塊，包括由發光芯片組(1)、快軸準直鏡(2)和慢軸準直陣列(3)組成的發光模塊，其特征在于所述快軸準直鏡(2)和慢軸準直陣列(3)依次設于發光芯片組(1)的激光發射方向上，所述慢軸準直陣列(3)的激光出射側設有第一聚焦鏡(4)；所述快軸準直鏡(2)為D型柱透鏡或光纖透鏡，所述第一聚焦鏡(4)為雙凸非球面透鏡，所述慢軸準直陣列(3)為包含多個圓柱曲面的透鏡。
2. 根據權利要求1所述的用于半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于所述發光芯片組(1)包含有單個或多個發光芯片，所述多個發光芯片并列設置且各發光芯片激光發射方向相同。
3. 根據權利要求2所述的用于半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于所述發光芯片為微型巴條(Mini Bar)。
4. 根據權利要求1所述的用于半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于所述快軸準直鏡(2)和慢軸準直陣列(3)的水平方向長度均小于10mm。
5. 根據權利要求1所述的用于半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于由發光芯片組(D、快軸準直鏡(2)和慢軸準直陣列(3)組成的發光模塊和聚焦鏡(4)均設于底板(6)上。
6. 根據權利要求1所述的用于半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于該光纖耦合模塊包含有多個發光模塊和一個階梯底座(10)，所述多個發光模塊呈橫向階梯狀排列分別固定在階梯底座(10)的各階梯上，每個發光模塊前均放置有一個反射鏡(7)，所述反射鏡(7)相對于發光模塊的發射光軸呈45。放置；所述階梯底座(10)的前方依次設有柱面鏡(8)和第二聚焦鏡(9);每個發光模塊輸出的光斑經反射鏡(7)反射后，由柱面鏡(8)和第二聚焦鏡(9)對光束進行二次準直和聚焦耦合，最終實現光纖耦合輸出。
7. 根據權利要求6所述的半導體激光器的光纖耦合模塊，其特征在于所述第二聚焦鏡(9)為雙凸非球面透鏡。
全文摘要
本發明公開了一種用于半導體激光器的光纖耦合模塊，包括由發光芯片組、快軸準直鏡和慢軸準直陣列組成的發光模塊，快軸準直鏡和慢軸準直陣列依次設于發光芯片組的激光發射方向上，所述慢軸準直陣列的激光出射側設有第一聚焦鏡；所述快軸準直鏡為D型柱透鏡或光纖透鏡，所述第一聚焦鏡為雙凸非球面透鏡。本發明不同于現有技術的光纖耦合模塊產品，它是在微型巴條(Mini Bar)的基礎上開發出來的產品，無需經過復雜的切割、旋轉、重排的光學系統即可將光束耦合進光纖內。并且由于體積小巧，本發明可以根據不同客戶需求，設計出各種結構形式的多模塊、高亮度半導體激光光纖耦合模塊來，因此本發明的應用更廣泛。
文檔編號H01S5/06GK101728763SQ20091021888
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月10日 優先權日2009年11月10日
發明者劉興勝, 康利軍, 楊凱 申請人:西安炬光科技有限公司