高功率高亮度光纖輸出半導體激光器的制造方法
【專利摘要】高功率高亮度光纖輸出半導體激光器結構，其結構為M個排列有N個半導體激光器芯片的單元，被適當安裝到熱沉上，每個激光器的光束經各自的快軸和慢軸準直鏡準直后形成M*N個準直光束，這些準直光束由兩組反射鏡改變光束方向，壓縮其間距離，重新排列后形成一個包括M*N個準直激光束的二維緊密排列準直光束。該準直光束由聚焦鏡會聚到大芯徑光纖中輸出。在此基礎上，還可以通過偏振和波長復用進一步增加輸出光功率。
【專利說明】
高功率高亮度光纖輸出半導體激光器
技術領域
[0001]本發明實現了半導體激光器大功率高亮度的光纖輸出，屬于激光應用領域。【背景技術】
[0002]在高功率激光應用領域，例如激光加工、光纖激光器栗源等，高亮度、高功率半導體激光器得到了長足發展。
[0003]傳統上采用列陣的方式來提高輸出功率。但是列陣的方式并不能提高輸出亮度。 有不少技術方案采用各種手段對列陣輸出的光束的各個單元的子光束進行整形、重排，將它們緊密地排列在一起，以提高總體亮度。這些方案都用到了復雜的透鏡、棱鏡系統，安裝、 調試都比較困難。
[0004]與列陣相比，單發光區的單管芯半導體激光器有不少優點。它的封裝散熱更好，因此壽命和可靠性更好;它可以在使用前通過嚴格的程序進行篩選，提高了可靠性。但是單管功率有限，因此為了獲得更高的功率，采用多只單管芯串聯，通過必要的光學手段將它們發出的光合并密排已經成為一種主流的獲取高功率、高功率密度激光輸出的方法，尤其應用于光纖耦合輸出的激光模塊中。這種多管芯方案使用便宜的分立透鏡和反射鏡，制造難度上優于列陣方式。
[0005]目前，采用多管芯整形的方案，大多是對排列成一維，或變形一維的單管陣列進行整形，壓縮間距形成密排光束，如7733932號美國專利，201010174581.2、200820180693.7、 200720195326.X和200720309495.1等中國專利。依據這些專利生產出來的產品已經達到了很高的水平，而且已經有了大量的應用。當需要進一步加大輸出功率，需要使用芯徑更大的光纖以及更多的激光器光束耦合進光纖時。一種切實可行的辦法是將多個光纖輸出模塊的光纖進行光纖合束，但因為合束的光纖之間有縫隙和包層，輸出光束的亮度會降低，同時合束過程中還會有功率損失，在大功率工作下散熱會是一個很嚴重的問題。另外還有將一維單管陣列擴展為二維的方法，如201220685959.X號專利中的方案，但它的結構并不適用于大功率半導體激光器。
【發明內容】
[0006]本發明是針對大芯徑光纖和二維排列的多列多行半導體激光器在保持高亮度的情況下獲得大功率半導體激光器輸出而設計的。
[0007]本結構的要點是經快慢軸準直后的多個半導體激光器的輸出光束通過兩組反射鏡改變方向，壓縮相互之間的距離并重新排列后形成二維緊密排列準直光束，該光束通過聚焦鏡耦合進光纖輸出。
[0008]首先將每個半導體激光器(1)通過快軸準直鏡(2)和慢軸準直鏡(3)準直后，以每列N個排成M列安裝在熱沉底板上，形成一個N*M的陣列。
[0009]每一列N個激光器，如圖1所示，出光方向垂直于排列方向。每一個激光器的光束通過各自的快軸和慢軸準直鏡準直后，分別被一個對應的第一反射鏡R1反射，改變其光束傳播方向，并使反射后的光束相互平行，相鄰的反射光束在z方向上錯開一個距離Lz，每個反射鏡都不遮擋其他光束，在光束出口 A處，形成沿Z方向N個準直光束緊密一維直線排列的組合準直光束GS1，其光束橫截面的排列如A1所不。
[0010]第二次反射整形如圖2所示。將每一列沿Z方向緊密排列的組合準直光GS1各自再通過第二反射鏡R2反射，再次改變其光束傳播方向，并使各列緊密排列的一維組合準直光束之間互相平行，相鄰的反射鏡在Y方向上錯開一個距離，每個反射鏡都不遮擋其他光束， 且該距離使相鄰組一維線性緊密排列的組合準直光束之間的間距被壓縮為最小，在光束出口B處，疊合形成二維緊密排列的準直光束GS2輸出，其光束橫截面排列方式如B2所不，為二維緊密排列，達到最高亮度的合束效果。
[0011]最后將得到的二維緊密排列的準直光束用聚焦透鏡(4)聚焦后耦合到光纖(5)中。
[0012]這里的聚焦鏡可以是一個對快、慢軸方向同時聚焦的單透鏡;也可以采用柱面透鏡組，在一定焦距上分別將光束在快、慢軸兩個方向進行聚焦，兩個方向上的焦點位于光纖端面。這里所用透鏡可以是球面透鏡、非球面透鏡，柱面鏡可以是圓柱面或非圓柱面。
[0013]本發明還可以推廣到更高功功率更高亮度的應用中。如果在最后聚焦之前，對兩個偏振方向正交和多個波長互不相同的二維緊密排列的準直光束進行偏振合束和波長復用合束后再耦合到光纖中，即可將輸出功率和輸出能量密度提高數倍。【附圖說明】
[0014]圖1、N只導體激光器(1)排成一列，光束經快軸準直鏡(2)和慢軸準直鏡(3)準直、 經反射鏡組R1重新排列。
[0015]圖2、M列激光器經反射鏡組R2重新排列。
[0016]圖3、實施例，N行M列激光器的準直光束經二組反射重新排列后經光纖輸出。【具體實施方式】
[0017]將N個半導體激光器芯片(1)直接安裝在階梯型熱沉上，如圖1所示，階梯高度為 Lz。芯片熱沉與底板絕緣，激光器以串聯方式連接。芯片前方留有適當的位置安裝快軸和慢軸準直透鏡和反射鏡。
[0018]通過五維高精度的微調架和膠將快軸(2)和慢軸(3)準直透鏡安裝在每個激光器的前方，使激光器的光束在快軸和慢軸方向都得到準直，準直后的光束相互平行且垂直于激光器端面。安裝過程中，通過檢查遠場光斑位置來確定光束的準直度，準直光束的位置和平行度。
[0019]在每個準直光束前放置其對應的反射鏡組R1，各個反射鏡上方之間的高度依次相差階梯熱沉的高度Lz，用4維微調裝置調整反射鏡，將反射光束在傳播方向旋轉90度，反射光束相互平行并依次從前一個反射鏡的上方通過，且每一個反射鏡都不遮擋其他光束，各個反射光束間的距離為階梯熱沉的高度。如此得到一列N個沿Z方向緊密排列的準直光束 GS1。安裝過程中，通過檢查遠場光斑位置來確定、調整這些反射準直光束的位置和相互排列的情況。
[0020]在M個緊密排列的準直光束GS1前放置各自對應的反射鏡組R2,。用4維微調架調整 R2，將反射光束在傳播方向旋轉90度，使這M個緊密排列的準直光束GS1對齊，相互平行而且相互之間的距離最小，從而在空間形成了N*M個激光束緊密排列的二維準直光束GS2。安裝過程中，通過檢查遠場光斑位置來確定和調整這些緊密排列準直光束的位置和相互排列的情況。
[0021]將聚焦透鏡(4)與光束GS2調節為同軸并固定在底板上，在焦點出放置光纖(5)，將光纖調整到與GS2光束共軸，然后固定在底板上，就可以得到光纖輸出的高率功率模塊。 [〇〇22] 一個實例:用915nm半導體激光器芯片其有源區寬度為100um，輸出功率10W，對 400um芯徑的光纖進行耦合。在此M=4，N=32,總共有M*N=128個激光器形成4列每列32個的緊密排列準直光束，通過聚焦透鏡將此光束耦合進400um光纖就可以得到1000W的光纖輸出功率。耦合效率可以大于85%。
【主權項】
1.高功率高亮度光纖輸出半導體激光器，其特征為:多只半導體激光器以二維陣列的 方式安裝到熱沉上，每一個激光器的光束通過各自對應的快軸和慢軸準直透鏡準直，準直 后光束由兩組反射鏡反射改變方向重新排列為二維緊密排列準直光束，再由聚焦鏡會聚到 光纖輸出。2.如權利要求1所述的高功率高亮度光纖輸出半導體激光器，其特征為:多個激光器排 為一列，出光方向垂直于排列方向，每一個激光器的光束通過各自的快軸和慢軸準直鏡準 直后，被一個對應的第一反射鏡反射，反射后的光束相互平行并在快軸方向上緊密排列在 一條直線上，相鄰的光束在光傳輸方向上錯開一個距離，每個反射鏡都不遮擋其他光束。3.如權利要求1或2所述的高功率高亮度光纖輸出半導體激光器，其特征為:多列在快 軸方向上緊密排列的準直光束，每列的光束通過其所對應的一個第二反射鏡反射，反射后 的光束相互平行且在慢軸方向上緊密排列，相鄰的反射鏡在光傳輸方向上錯開一定距離， 每個反射鏡都不遮擋其他光束，形成一個二維緊密排列的準直光束。4.如權利要求1或2所述的高功率高亮度光纖輸出半導體激光器，其特征為:聚焦二維 緊密排列的準直光束的聚焦鏡與光束共軸，可以是一個非球面透鏡，也可以是一個由兩個 互相正交的柱面鏡組成的透鏡組。
【文檔編號】H01S5/40GK205670615SQ201620487298
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年5月26日
【發明人】王仲明
【申請人】北京大族天成半導體技術有限公司