高功率高亮度光纤输出半导体激光器的制造方法
【专利摘要】高功率高亮度光纤输出半导体激光器结构，其结构为M个排列有N个半导体激光器芯片的单元，被适当安装到热沉上，每个激光器的光束经各自的快轴和慢轴准直镜准直后形成M*N个准直光束，这些准直光束由两组反射镜改变光束方向，压缩其间距离，重新排列后形成一个包括M*N个准直激光束的二维紧密排列准直光束。该准直光束由聚焦镜会聚到大芯径光纤中输出。在此基础上，还可以通过偏振和波长复用进一步增加输出光功率。
【专利说明】
高功率高亮度光纤输出半导体激光器
技术领域
[0001]本发明实现了半导体激光器大功率高亮度的光纤输出，属于激光应用领域。【背景技术】
[0002]在高功率激光应用领域，例如激光加工、光纤激光器栗源等，高亮度、高功率半导体激光器得到了长足发展。
[0003]传统上采用列阵的方式来提高输出功率。但是列阵的方式并不能提高输出亮度。 有不少技术方案采用各种手段对列阵输出的光束的各个单元的子光束进行整形、重排，将它们紧密地排列在一起，以提高总体亮度。这些方案都用到了复杂的透镜、棱镜系统，安装、 调试都比较困难。
[0004]与列阵相比，单发光区的单管芯半导体激光器有不少优点。它的封装散热更好，因此寿命和可靠性更好;它可以在使用前通过严格的程序进行筛选，提高了可靠性。但是单管功率有限，因此为了获得更高的功率，采用多只单管芯串联，通过必要的光学手段将它们发出的光合并密排已经成为一种主流的获取高功率、高功率密度激光输出的方法，尤其应用于光纤耦合输出的激光模块中。这种多管芯方案使用便宜的分立透镜和反射镜，制造难度上优于列阵方式。
[0005]目前，采用多管芯整形的方案，大多是对排列成一维，或变形一维的单管阵列进行整形，压缩间距形成密排光束，如7733932号美国专利，201010174581.2、200820180693.7、 200720195326.X和200720309495.1等中国专利。依据这些专利生产出来的产品已经达到了很高的水平，而且已经有了大量的应用。当需要进一步加大输出功率，需要使用芯径更大的光纤以及更多的激光器光束耦合进光纤时。一种切实可行的办法是将多个光纤输出模块的光纤进行光纤合束，但因为合束的光纤之间有缝隙和包层，输出光束的亮度会降低，同时合束过程中还会有功率损失，在大功率工作下散热会是一个很严重的问题。另外还有将一维单管阵列扩展为二维的方法，如201220685959.X号专利中的方案，但它的结构并不适用于大功率半导体激光器。
【发明内容】
[0006]本发明是针对大芯径光纤和二维排列的多列多行半导体激光器在保持高亮度的情况下获得大功率半导体激光器输出而设计的。
[0007]本结构的要点是经快慢轴准直后的多个半导体激光器的输出光束通过两组反射镜改变方向，压缩相互之间的距离并重新排列后形成二维紧密排列准直光束，该光束通过聚焦镜耦合进光纤输出。
[0008]首先将每个半导体激光器(1)通过快轴准直镜(2)和慢轴准直镜(3)准直后，以每列N个排成M列安装在热沉底板上，形成一个N*M的阵列。
[0009]每一列N个激光器，如图1所示，出光方向垂直于排列方向。每一个激光器的光束通过各自的快轴和慢轴准直镜准直后，分别被一个对应的第一反射镜R1反射，改变其光束传播方向，并使反射后的光束相互平行，相邻的反射光束在z方向上错开一个距离Lz，每个反射镜都不遮挡其他光束，在光束出口 A处，形成沿Z方向N个准直光束紧密一维直线排列的组合准直光束GS1，其光束横截面的排列如A1所不。
[0010]第二次反射整形如图2所示。将每一列沿Z方向紧密排列的组合准直光GS1各自再通过第二反射镜R2反射，再次改变其光束传播方向，并使各列紧密排列的一维组合准直光束之间互相平行，相邻的反射镜在Y方向上错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束， 且该距离使相邻组一维线性紧密排列的组合准直光束之间的间距被压缩为最小，在光束出口B处，叠合形成二维紧密排列的准直光束GS2输出，其光束横截面排列方式如B2所不，为二维紧密排列，达到最高亮度的合束效果。
[0011]最后将得到的二维紧密排列的准直光束用聚焦透镜(4)聚焦后耦合到光纤(5)中。
[0012]这里的聚焦镜可以是一个对快、慢轴方向同时聚焦的单透镜;也可以采用柱面透镜组，在一定焦距上分别将光束在快、慢轴两个方向进行聚焦，两个方向上的焦点位于光纤端面。这里所用透镜可以是球面透镜、非球面透镜，柱面镜可以是圆柱面或非圆柱面。
[0013]本发明还可以推广到更高功功率更高亮度的应用中。如果在最后聚焦之前，对两个偏振方向正交和多个波长互不相同的二维紧密排列的准直光束进行偏振合束和波长复用合束后再耦合到光纤中，即可将输出功率和输出能量密度提高数倍。【附图说明】
[0014]图1、N只导体激光器(1)排成一列，光束经快轴准直镜(2)和慢轴准直镜(3)准直、 经反射镜组R1重新排列。
[0015]图2、M列激光器经反射镜组R2重新排列。
[0016]图3、实施例，N行M列激光器的准直光束经二组反射重新排列后经光纤输出。【具体实施方式】
[0017]将N个半导体激光器芯片(1)直接安装在阶梯型热沉上，如图1所示，阶梯高度为 Lz。芯片热沉与底板绝缘，激光器以串联方式连接。芯片前方留有适当的位置安装快轴和慢轴准直透镜和反射镜。
[0018]通过五维高精度的微调架和胶将快轴(2)和慢轴(3)准直透镜安装在每个激光器的前方，使激光器的光束在快轴和慢轴方向都得到准直，准直后的光束相互平行且垂直于激光器端面。安装过程中，通过检查远场光斑位置来确定光束的准直度，准直光束的位置和平行度。
[0019]在每个准直光束前放置其对应的反射镜组R1，各个反射镜上方之间的高度依次相差阶梯热沉的高度Lz，用4维微调装置调整反射镜，将反射光束在传播方向旋转90度，反射光束相互平行并依次从前一个反射镜的上方通过，且每一个反射镜都不遮挡其他光束，各个反射光束间的距离为阶梯热沉的高度。如此得到一列N个沿Z方向紧密排列的准直光束 GS1。安装过程中，通过检查远场光斑位置来确定、调整这些反射准直光束的位置和相互排列的情况。
[0020]在M个紧密排列的准直光束GS1前放置各自对应的反射镜组R2,。用4维微调架调整 R2，将反射光束在传播方向旋转90度，使这M个紧密排列的准直光束GS1对齐，相互平行而且相互之间的距离最小，从而在空间形成了N*M个激光束紧密排列的二维准直光束GS2。安装过程中，通过检查远场光斑位置来确定和调整这些紧密排列准直光束的位置和相互排列的情况。
[0021]将聚焦透镜(4)与光束GS2调节为同轴并固定在底板上，在焦点出放置光纤(5)，将光纤调整到与GS2光束共轴，然后固定在底板上，就可以得到光纤输出的高率功率模块。 [〇〇22] 一个实例:用915nm半导体激光器芯片其有源区宽度为100um，输出功率10W，对 400um芯径的光纤进行耦合。在此M=4，N=32,总共有M*N=128个激光器形成4列每列32个的紧密排列准直光束，通过聚焦透镜将此光束耦合进400um光纤就可以得到1000W的光纤输出功率。耦合效率可以大于85%。
【主权项】
1.高功率高亮度光纤输出半导体激光器，其特征为:多只半导体激光器以二维阵列的 方式安装到热沉上，每一个激光器的光束通过各自对应的快轴和慢轴准直透镜准直，准直 后光束由两组反射镜反射改变方向重新排列为二维紧密排列准直光束，再由聚焦镜会聚到 光纤输出。2.如权利要求1所述的高功率高亮度光纤输出半导体激光器，其特征为:多个激光器排 为一列，出光方向垂直于排列方向，每一个激光器的光束通过各自的快轴和慢轴准直镜准 直后，被一个对应的第一反射镜反射，反射后的光束相互平行并在快轴方向上紧密排列在 一条直线上，相邻的光束在光传输方向上错开一个距离，每个反射镜都不遮挡其他光束。3.如权利要求1或2所述的高功率高亮度光纤输出半导体激光器，其特征为:多列在快 轴方向上紧密排列的准直光束，每列的光束通过其所对应的一个第二反射镜反射，反射后 的光束相互平行且在慢轴方向上紧密排列，相邻的反射镜在光传输方向上错开一定距离， 每个反射镜都不遮挡其他光束，形成一个二维紧密排列的准直光束。4.如权利要求1或2所述的高功率高亮度光纤输出半导体激光器，其特征为:聚焦二维 紧密排列的准直光束的聚焦镜与光束共轴，可以是一个非球面透镜，也可以是一个由两个 互相正交的柱面镜组成的透镜组。
【文档编号】H01S5/40GK205670615SQ201620487298
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年5月26日
【发明人】王仲明
【申请人】北京大族天成半导体技术有限公司