一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法的技術(shù)方案，該方案采用短bar條組裝成疊陣，通過(guò)精密的光束質(zhì)量和指向性控制，采用簡(jiǎn)單的光學(xué)整形系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高亮度和高耦合效率的光纖耦合輸出。
【專利說(shuō)明】一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其是一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]由于半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性好、小型化等優(yōu)點(diǎn)，在作為激光泵浦源和直接應(yīng)用方面得到迅速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，特別是作為固體激光器和光纖激光器泵浦源，推動(dòng)了全固態(tài)激光器的快速發(fā)展。高亮度、高功率的半導(dǎo)體激光器泵浦源是光纖激光器和固體激光器實(shí)現(xiàn)高效率、高功率輸出的重要條件。
[0003]目前國(guó)內(nèi)外實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出的技術(shù)途徑中:(1)單管半導(dǎo)體激光器散熱好，不存在smile效應(yīng)；但單管半導(dǎo)體激光器輸出功率低(8-12W)，要實(shí)現(xiàn)高亮度的光纖耦合輸出需要單管數(shù)量較多，光學(xué)整形系統(tǒng)復(fù)雜，成本昂貴；(2) cm-bar輸出功率高，但存在較大的smile效應(yīng)，慢軸光束質(zhì)量較差，耦合進(jìn)入光纖需要進(jìn)行光束分割重排，光學(xué)系統(tǒng)昂貴復(fù)雜和耦合效率較低。
[0004]因此采用相對(duì)簡(jiǎn)單的光束整形系統(tǒng)來(lái)獲得高亮度和高耦合效率的光纖耦合輸出一直是半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的，就是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法的技術(shù)方案，該方案采用短bar條二極管激光芯片作為子光源，多個(gè)芯片通過(guò)疊陣組裝、精密的光束準(zhǔn)直和指向性控制，可實(shí)現(xiàn)高亮度、高耦合效率的光纖I禹合輸出。
[0006]本方案是通過(guò)如下技術(shù)措施來(lái)實(shí)現(xiàn)的:1.一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出設(shè)備及方法:
a.將激光芯片組裝成疊陣；
b.利用非球面微透鏡陣列，對(duì)疊陣中每個(gè)激光芯片快慢軸光束質(zhì)量進(jìn)行精密準(zhǔn)直；
c.利用空間疊加鏡,將多列疊陣進(jìn)行自由空間合束；
d.通過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，將激光束聚焦耦合進(jìn)入光纖輸出。
[0007]作為本方案的優(yōu)選:步驟a中，由激光芯片組成的疊陣中至少包含有5個(gè)發(fā)光點(diǎn)，各發(fā)光點(diǎn)之間的間距相同，填充因子占16%_25%。
[0008]作為本方案的優(yōu)選:步驟a中，疊陣由多個(gè)BAR條焊接在熱沉上組成；所述芯片焊接后smile值小于I μ m,在熱沉上定位偏差小于20 μ m ;疊陣組裝完成后,芯片快軸方向偏差小于50 μ m,熱沉左右錯(cuò)位偏差小于20 μ m,繞Z軸偏角小于0.2°。
[0009]作為本方案的優(yōu)選:熱沉高1.8_±20 μ m,寬11.8_±30 μ m。
[0010]作為本方案的優(yōu)選:步驟b中每個(gè)激光芯片精密準(zhǔn)直后，快軸發(fā)散角小于
4.5mrad,慢軸發(fā)散角小于12.5mrad。[0011]作為本方案的優(yōu)選:步驟c中的疊陣數(shù)目為兩列，兩列疊陣疊加后快軸光束尺寸小于9.5m,發(fā)散角小于4.5mrad ;慢軸光束尺寸小于5.3mm,發(fā)散角小于12.5mrad ;光束指向性精度優(yōu)于±0.01°。
[0012]作為本方案的優(yōu)選:步驟d中經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)后，快軸光束尺寸小于9.5m,發(fā)散角小于4.5mrad ;慢軸光束尺寸小于10.6mm,發(fā)散角小于6.3mrad。
[0013]一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合設(shè)備，包括有多個(gè)激光器芯片組成的疊陣、空間疊加鏡、望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖；疊陣發(fā)出的光束射向空間疊加鏡后經(jīng)過(guò)反射射入望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，光束通過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)后射入聚焦系統(tǒng)，聚焦后的光束射入率禹合光纖。
[0014]作為本方案的優(yōu)選:所述疊陣的數(shù)量至少為兩個(gè)。
[0015]作為本方案的優(yōu)選:所述激光器芯片包括有熱沉、BAR條、快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架；所述BAR條焊接在熱沉一端的上方；所述BAR條發(fā)光方向上設(shè)置有快準(zhǔn)直透鏡；所述快準(zhǔn)直透鏡的下方設(shè)置有焊接在熱沉上的慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架；所述慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架前端設(shè)置有慢軸準(zhǔn)直透鏡。
[0016]作為本方案的優(yōu)選:焊接在熱沉上的BAR條數(shù)量至少為5個(gè)。
[0017]本方案的有益效果可根據(jù)對(duì)上述方案的敘述得知，本方案提供了一種半導(dǎo)體激光器實(shí)現(xiàn)高亮度光纖耦合輸出的新方法，具有光源結(jié)構(gòu)緊湊、光束整形系統(tǒng)簡(jiǎn)單、耦合效率高的特點(diǎn)，基于該發(fā)明研制的二極管激光高亮度光纖耦合輸出光源可應(yīng)用在泵浦光纖激光器、醫(yī)療及工業(yè)加工等眾多領(lǐng)域。
[0018]由此可見(jiàn)，本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著地進(jìn)步，其實(shí)施的有益效果也是顯而易見(jiàn)的。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1為激光器芯片的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2為本發(fā)明高亮度光纖耦合輸出的流程結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中，I為熱沉，2為BAR條，3為快軸準(zhǔn)直透鏡，4為慢軸準(zhǔn)直透鏡，5為慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架，6為疊陣，7為空間疊加鏡，8為望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，9為聚焦系統(tǒng)，10為耦合光纖。
【具體實(shí)施方式】
[0022]為能清楚說(shuō)明本方案的技術(shù)特點(diǎn)，下面通過(guò)一個(gè)【具體實(shí)施方式】，并結(jié)合其附圖，對(duì)本方案進(jìn)行闡述。
[0023]通過(guò)附圖可以看出，采用半導(dǎo)體激光器芯片焊接機(jī)器，將短bar條焊接到熱沉上，通過(guò)對(duì)焊接夾具和程序的優(yōu)化設(shè)計(jì)和控制，實(shí)現(xiàn)短bar條焊接后smile值小于I μ m，在熱沉上定位偏差小于20 μ m。將5個(gè)芯片焊接到熱沉上的短bar條組裝成疊陣，通過(guò)疊陣組裝夾具，使用測(cè)量顯微鏡檢測(cè)，多次組裝，實(shí)現(xiàn)疊陣中短bar條快軸方向偏差小于50 μ m,熱沉左右錯(cuò)位偏差小于20 μ m,繞Z軸偏角小于0.2°。
[0024]將上述組裝完成后疊陣，采用快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)和慢軸準(zhǔn)直透鏡(SAC)進(jìn)行快慢軸光束準(zhǔn)直，光束精密準(zhǔn)直后，疊陣整體快軸發(fā)散角為4mrad，慢軸為12mrad。[0025]將兩列快慢軸準(zhǔn)直后的疊陣，采用空間疊加鏡進(jìn)行自由空間合束，疊加鏡鏡面鍍條形(45°)高反膜和增透膜(或摳空處理)。由于鍍?cè)擃惸訉?duì)工藝要求較高，目前實(shí)現(xiàn)較為困難，因此，方案設(shè)計(jì)中疊加鏡采用柱鏡單元拼接的方法，柱鏡單元采用石英玻璃加工，利用耐高溫及耐激光輻射的膠水拼接成條格狀，使用時(shí)利用柱鏡單元作為反射窗口，鍍45° 980nm高反膜，空格區(qū)域作為透射窗口。空間疊加后快軸光束尺寸小于9.5m,發(fā)散角小于4.5mrad ;慢軸光束尺寸小于5.3mm,發(fā)散角小于12.5mrad ;光束指向性精度優(yōu)于±0.01。。
[0026]對(duì)疊加后的光束采用望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束，進(jìn)一步縮小慢軸方向發(fā)散角，擴(kuò)束后快軸光束尺寸小于9.5m,發(fā)散角小于4.5mrad ;慢軸光束尺寸小于10.6_，發(fā)散角小于
6.3mrad。
[0027]最后，將擴(kuò)束后的光束聚焦進(jìn)入0.2μπι、ΝΑΟ.22光纖，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖I禹合輸出。
【權(quán)利要求】
1.一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是: a.將激光芯片組裝成垂直疊陣； b.利用非球面微透鏡陣列，對(duì)疊陣中每個(gè)激光芯片快慢軸光束質(zhì)量進(jìn)行精密準(zhǔn)直； c.利用空間疊加鏡,將多列疊陣進(jìn)行自由空間合束； d.通過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)和聚焦系統(tǒng)，將激光束聚焦耦合進(jìn)入光纖輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是:所述步驟a中，由激光芯片組成的疊陣中至少包含有5個(gè)發(fā)光點(diǎn)，各發(fā)光點(diǎn)之間的間距相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是:所述步驟a中，疊陣由多個(gè)BAR條焊接在熱沉上組成；所述激光芯片焊接后smile值小于I μ m,在熱沉上定位偏差小于20 μ m ;所述疊陣組裝完成后，激光芯片快軸方向偏差小于50 μ m,熱沉左右錯(cuò)位偏差小于20 μ m，繞Z軸偏角小于0.2°。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是:所述步驟b中每個(gè)激光芯片精密準(zhǔn)直后，快軸發(fā)散角為3-4.5mrad，慢軸發(fā)散角為11-12.5mrad。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是:所述步驟c中的疊陣數(shù)目為兩列，兩列疊陣疊加后快軸光束尺寸小于9.5mm,發(fā)散角小于5mrad ;慢軸光束尺寸小于5.3mm,發(fā)散角小于13mrad ;光束指向性精度優(yōu)于±0.01°。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合輸出方法，其特征是:所述步驟d中經(jīng)過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)后，快軸光束尺寸小于9.5mm,發(fā)散角小于5mrad ;慢軸光束尺寸小于10.6mm,發(fā)散角小于6.5mrad。
7.一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合設(shè)備，其特征是:包括有多個(gè)激光器芯片組成的疊陣、空間疊加鏡、望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)、聚焦系統(tǒng)和耦合光纖；所述疊陣發(fā)出的光束射向空間疊加鏡后經(jīng)過(guò)反射射入望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)，光束通過(guò)望遠(yuǎn)鏡擴(kuò)束系統(tǒng)后射入聚焦系統(tǒng)，聚焦后的光束射入稱合光纖。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合設(shè)備，其特征是:所述疊陣的數(shù)量至少為兩個(gè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合設(shè)備，其特征是:所述激光器芯片包括有熱沉、BAR條、快軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡、慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架；所述BAR條焊接在熱沉一端的上方；所述BAR條發(fā)光方向上設(shè)置有快準(zhǔn)直透鏡；所述快準(zhǔn)直透鏡的下方設(shè)置有焊接在熱沉上的慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架；所述慢軸準(zhǔn)直透鏡固定支架前端設(shè)置有慢軸準(zhǔn)直透鏡。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種半導(dǎo)體激光器的高亮度光纖耦合設(shè)備，其特征是:焊接在熱沉上的BAR條數(shù)量至少為5個(gè)。
【文檔編號(hào)】H01S5/02GK104037616SQ201410294320
【公開(kāi)日】2014年9月10日 申請(qǐng)日期:2014年6月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月27日
【發(fā)明者】張凱, 郭林輝, 余俊宏, 王昭, 譚昊, 高松信, 武德勇 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院應(yīng)用電子學(xué)研究所