高功率高亮度光纖輸出半導(dǎo)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(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)為M個(gè)排列有N個(gè)半導(dǎo)體激光器芯片的單元，被適當(dāng)安裝到熱沉上，每個(gè)激光器的光束經(jīng)各自的快軸和慢軸準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后形成M*N個(gè)準(zhǔn)直光束，這些準(zhǔn)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(gè)包括M*N個(gè)準(zhǔn)直激光束的二維緊密排列準(zhǔn)直光束。該準(zhǔn)直光束由聚焦鏡會(huì)聚到大芯徑光纖中輸出。在此基礎(chǔ)上，還可以通過偏振和波長(zhǎng)復(fù)用進(jìn)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(dǎo)體激光器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器大功率高亮度的光纖輸出，屬于激光應(yīng)用領(lǐng)域?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在高功率激光應(yīng)用領(lǐng)域，例如激光加工、光纖激光器栗源等，高亮度、高功率半導(dǎo)體激光器得到了長(zhǎng)足發(fā)展。
[0003]傳統(tǒng)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(shù)方案采用各種手段對(duì)列陣輸出的光束的各個(gè)單元的子光束進(jìn)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(fù)雜的透鏡、棱鏡系統(tǒng)，安裝、 調(diào)試都比較困難。
[0004]與列陣相比，單發(fā)光區(qū)的單管芯半導(dǎo)體激光器有不少優(yōu)點(diǎn)。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(yán)格的程序進(jìn)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(lián)，通過必要的光學(xué)手段將它們發(fā)出的光合并密排已經(jīng)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(yīng)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(yōu)于列陣方式。
[0005]目前，采用多管芯整形的方案，大多是對(duì)排列成一維，或變形一維的單管陣列進(jìn)行整形，壓縮間距形成密排光束，如7733932號(hào)美國(guó)專利，201010174581.2、200820180693.7、 200720195326.X和200720309495.1等中國(guó)專利。依據(jù)這些專利生產(chǎn)出來的產(chǎn)品已經(jīng)達(dá)到了很高的水平，而且已經(jīng)有了大量的應(yīng)用。當(dāng)需要進(jìn)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(jìn)光纖時(shí)。一種切實(shí)可行的辦法是將多個(gè)光纖輸出模塊的光纖進(jìn)行光纖合束，但因?yàn)楹鲜墓饫w之間有縫隙和包層，輸出光束的亮度會(huì)降低，同時(shí)合束過程中還會(huì)有功率損失，在大功率工作下散熱會(huì)是一個(gè)很嚴(yán)重的問題。另外還有將一維單管陣列擴(kuò)展為二維的方法，如201220685959.X號(hào)專利中的方案，但它的結(jié)構(gòu)并不適用于大功率半導(dǎo)體激光器。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明是針對(duì)大芯徑光纖和二維排列的多列多行半導(dǎo)體激光器在保持高亮度的情況下獲得大功率半導(dǎo)體激光器輸出而設(shè)計(jì)的。
[0007]本結(jié)構(gòu)的要點(diǎn)是經(jīng)快慢軸準(zhǔn)直后的多個(gè)半導(dǎo)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(zhǔn)直光束，該光束通過聚焦鏡耦合進(jìn)光纖輸出。
[0008]首先將每個(gè)半導(dǎo)體激光器(1)通過快軸準(zhǔn)直鏡(2)和慢軸準(zhǔn)直鏡(3)準(zhǔn)直后，以每列N個(gè)排成M列安裝在熱沉底板上，形成一個(gè)N*M的陣列。
[0009]每一列N個(gè)激光器，如圖1所示，出光方向垂直于排列方向。每一個(gè)激光器的光束通過各自的快軸和慢軸準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后，分別被一個(gè)對(duì)應(yīng)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(cuò)開一個(gè)距離Lz，每個(gè)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(gè)準(zhǔn)直光束緊密一維直線排列的組合準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)直光束之間互相平行，相鄰的反射鏡在Y方向上錯(cuò)開一個(gè)距離，每個(gè)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(zhǔn)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(zhǔn)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(dá)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(zhǔn)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(gè)對(duì)快、慢軸方向同時(shí)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(gè)方向進(jìn)行聚焦，兩個(gè)方向上的焦點(diǎn)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(fā)明還可以推廣到更高功功率更高亮度的應(yīng)用中。如果在最后聚焦之前，對(duì)兩個(gè)偏振方向正交和多個(gè)波長(zhǎng)互不相同的二維緊密排列的準(zhǔn)直光束進(jìn)行偏振合束和波長(zhǎng)復(fù)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(shù)倍?！靖綀D說明】
[0014]圖1、N只導(dǎo)體激光器(1)排成一列，光束經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡(2)和慢軸準(zhǔn)直鏡(3)準(zhǔn)直、 經(jīng)反射鏡組R1重新排列。
[0015]圖2、M列激光器經(jīng)反射鏡組R2重新排列。
[0016]圖3、實(shí)施例，N行M列激光器的準(zhǔn)直光束經(jīng)二組反射重新排列后經(jīng)光纖輸出。【具體實(shí)施方式】
[0017]將N個(gè)半導(dǎo)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(lián)方式連接。芯片前方留有適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b快軸和慢軸準(zhǔn)直透鏡和反射鏡。
[0018]通過五維高精度的微調(diào)架和膠將快軸(2)和慢軸(3)準(zhǔn)直透鏡安裝在每個(gè)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(zhǔn)直，準(zhǔn)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(yuǎn)場(chǎng)光斑位置來確定光束的準(zhǔn)直度，準(zhǔn)直光束的位置和平行度。
[0019]在每個(gè)準(zhǔn)直光束前放置其對(duì)應(yīng)的反射鏡組R1，各個(gè)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(diào)裝置調(diào)整反射鏡，將反射光束在傳播方向旋轉(zhuǎn)90度，反射光束相互平行并依次從前一個(gè)反射鏡的上方通過，且每一個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，各個(gè)反射光束間的距離為階梯熱沉的高度。如此得到一列N個(gè)沿Z方向緊密排列的準(zhǔn)直光束 GS1。安裝過程中，通過檢查遠(yuǎn)場(chǎng)光斑位置來確定、調(diào)整這些反射準(zhǔn)直光束的位置和相互排列的情況。
[0020]在M個(gè)緊密排列的準(zhǔn)直光束GS1前放置各自對(duì)應(yīng)的反射鏡組R2,。用4維微調(diào)架調(diào)整 R2，將反射光束在傳播方向旋轉(zhuǎn)90度，使這M個(gè)緊密排列的準(zhǔn)直光束GS1對(duì)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(gè)激光束緊密排列的二維準(zhǔn)直光束GS2。安裝過程中，通過檢查遠(yuǎn)場(chǎng)光斑位置來確定和調(diào)整這些緊密排列準(zhǔn)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(diào)節(jié)為同軸并固定在底板上，在焦點(diǎn)出放置光纖(5)，將光纖調(diào)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(gè)實(shí)例:用915nm半導(dǎo)體激光器芯片其有源區(qū)寬度為100um，輸出功率10W，對(duì) 400um芯徑的光纖進(jìn)行耦合。在此M=4，N=32,總共有M*N=128個(gè)激光器形成4列每列32個(gè)的緊密排列準(zhǔn)直光束，通過聚焦透鏡將此光束耦合進(jìn)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(quán)項(xiàng)】
1.高功率高亮度光纖輸出半導(dǎo)體激光器，其特征為:多只半導(dǎo)體激光器以二維陣列的 方式安裝到熱沉上，每一個(gè)激光器的光束通過各自對(duì)應(yīng)的快軸和慢軸準(zhǔn)直透鏡準(zhǔn)直，準(zhǔn)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(zhǔn)直光束，再由聚焦鏡會(huì)聚到 光纖輸出。2.如權(quán)利要求1所述的高功率高亮度光纖輸出半導(dǎo)體激光器，其特征為:多個(gè)激光器排 為一列，出光方向垂直于排列方向，每一個(gè)激光器的光束通過各自的快軸和慢軸準(zhǔn)直鏡準(zhǔn) 直后，被一個(gè)對(duì)應(yīng)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(cuò)開一個(gè)距離，每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束。3.如權(quán)利要求1或2所述的高功率高亮度光纖輸出半導(dǎo)體激光器，其特征為:多列在快 軸方向上緊密排列的準(zhǔn)直光束，每列的光束通過其所對(duì)應(yīng)的一個(gè)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(cuò)開一定距離， 每個(gè)反射鏡都不遮擋其他光束，形成一個(gè)二維緊密排列的準(zhǔn)直光束。4.如權(quán)利要求1或2所述的高功率高亮度光纖輸出半導(dǎo)體激光器，其特征為:聚焦二維 緊密排列的準(zhǔn)直光束的聚焦鏡與光束共軸，可以是一個(gè)非球面透鏡，也可以是一個(gè)由兩個(gè) 互相正交的柱面鏡組成的透鏡組。
【文檔編號(hào)】H01S5/40GK205670615SQ201620487298
【公開日】2016年11月2日
【申請(qǐng)日】2016年5月26日
【發(fā)明人】王仲明
【申請(qǐng)人】北京大族天成半導(dǎo)體技術(shù)有限公司