專利名稱：一種多發(fā)光單元半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及ー種多發(fā)光単元半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光二極管(LD)由于具有體積小、重量輕、壽命長、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在激光材料加工、信息與通信、醫(yī)療保健和國防軍事等主要領(lǐng)域。目前，LD抽運(yùn)的全固態(tài)激光器(DPL)和光纖激光器已得到廣泛重視和研究。為了提高半導(dǎo)體激光器的出射功率及亮度，目前主要采用的有單發(fā)光點(diǎn)耦合出射，陣列光纖巴條耦合出射，巴條陣列經(jīng)過整形直接出射等方法，可以使半導(dǎo)體激光芯片的光電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到60% — 70%，出射功率達(dá)600W — 1000W以上。由于半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束的質(zhì)量因子不一致，要使高功率的半導(dǎo)體激光器耦合入更小芯徑的光纖里，改善巴條的慢軸質(zhì)量因子更顯重要。目前改善慢軸質(zhì)量的方法很多，比如微階梯反射鏡、雙反射鏡、ニ元光學(xué)法 等。這些方法總體上來說零件加工難度比較大，而且耦合效率比較低，只能達(dá)到70%。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型提供一種多發(fā)光単元半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，以提高激光器光束的聚焦效率，從而達(dá)到耦合進(jìn)更小芯徑光纖的目的，實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度的耦合系統(tǒng)。本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下一種多發(fā)光単元半導(dǎo)體激光器光束切割重排的方法，至少采用ー對棱鏡堆，每對棱鏡堆由第一棱鏡堆和第二棱鏡堆組成，均是由多個棱鏡片沿其斜邊依次錯位堆疊而成；所述多個棱鏡片均為直角棱鏡以使得入射光束與出射光束平行；多發(fā)光單元半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束經(jīng)第一棱鏡堆反射，分割形成與所述多個棱鏡片一一對應(yīng)的多個錯位排列的光束単元；多個錯位排列的光束単元入射至第二棱鏡堆后再次反射，所述第二棱鏡堆的公共斜面與第一棱鏡堆的公共斜面平行，且第二棱鏡堆中每個棱鏡片的斜邊均與第一棱鏡堆中每個棱鏡片的斜邊垂直；使這些光束単元在與第一棱鏡堆錯位方向垂直的方向上再次錯位排列完成這些光束単元的整合?；谏鲜龇桨?，具體可設(shè)ai為第一棱鏡堆中棱鏡片的斜邊長度；a2為第二棱鏡堆中棱鏡片的斜邊長度；b為第一、第二棱鏡堆中棱鏡片的厚度；c為光斑到第一棱鏡堆處的寬度尺寸；e為光斑到第一棱鏡堆處的長度尺寸；d為第一和第二棱鏡堆沿斜邊錯開的距離；η為第一、第二棱鏡堆中棱鏡片的個數(shù)；則d彡b/2且b > c, e/b=n, a1 > 2〔d (n_l)+e〕，a2 > 2 (nb- (n_l)d〕。上述棱鏡片是進(jìn)行兩次內(nèi)反射或外反射實(shí)現(xiàn)入射光束與出射光束平行。—種應(yīng)用上述光束切割重排方法的多發(fā)光單兀半導(dǎo)體激光器光束稱合系統(tǒng)，包括依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器模塊、用以進(jìn)行光束切割重排的ー對棱鏡堆、用以將切割重排后光束聚焦耦合入光纖的聚焦模塊；所述的半導(dǎo)體激光器模塊是加了微透鏡的多個半導(dǎo)體激光器芯片堆疊組成。上述微透鏡組可以采用球面透鏡或非球面透鏡，與半導(dǎo)體激光器芯片一一對應(yīng)設(shè)置。上述棱鏡片可以采用光學(xué)玻璃、金屬或者全反射膜的形式。上述半導(dǎo)體激光器芯片可以采用微型巴條、半巴條芯片或者標(biāo)準(zhǔn)厘米巴條芯片。本實(shí)用新型的技術(shù)效果在于本實(shí)用新型采用了制作エ藝簡單的棱鏡堆對激光光束進(jìn)行分割重排的光學(xué)整形設(shè)計，解決了光束的快慢軸光參積均勻平衡問題，使光束耦合效率達(dá)80%以上，比現(xiàn)有同類 產(chǎn)品提高10%以上，光纖出射端光功率密度可以達(dá)到IO5瓦/平方厘米，不僅滿足了市場對高功率、高電光轉(zhuǎn)換率激光器系統(tǒng)的需求，而且元件加工エ藝簡單、成本低，便于エ業(yè)化應(yīng)用。(I)可同時實(shí)現(xiàn)對快軸和慢軸光束準(zhǔn)直，減小激光光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)的體積，從而減小半導(dǎo)體激光器整形及耦合的系統(tǒng)尺寸。(2)準(zhǔn)直效果好，通常情況下半導(dǎo)體激光器的快軸半發(fā)散角為35°，慢軸半發(fā)散角為5°，象散為O. 5，本實(shí)用新型的棱鏡堆，慢軸準(zhǔn)直后角度可以小于Smrad，快軸小于2mrad。(3)由于采用該棱鏡堆準(zhǔn)直度好，因此準(zhǔn)直之后的光束在用于光纖耦合時耦合效率高，且容易實(shí)現(xiàn)高亮度的耦合。

圖I為本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)示意圖；圖2為單個棱鏡片內(nèi)反射工作原理圖；圖3為單個棱鏡片外反射工作原理圖；圖4為巴條芯片出射激光光斑圖經(jīng)過第一、第二棱鏡堆后出射的激光光斑圖；圖5為本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)實(shí)施例示意圖。附圖標(biāo)號說明I、半導(dǎo)體激光器模塊；2、棱鏡堆模塊；3、聚焦模塊；4、半導(dǎo)體激光器芯片；5、微透鏡；6、第一棱鏡堆；7、第一棱鏡堆；8、9為透鏡；10、光纖；11、12為棱鏡片；13、14、15、16、17、18為激光光束。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)的具體實(shí)施方式
作進(jìn)ー步說明。本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，這種半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，由按光路依次排列的半導(dǎo)體激光器模塊、聚焦模塊和光纖組成，在半導(dǎo)體激光器模塊和聚焦模塊之間的光路上布設(shè)有棱鏡堆模塊，棱鏡堆模塊由相互直角排列的兩個棱鏡堆組成，分別為第一棱鏡堆和第二棱鏡堆，每個棱鏡堆由一組呈錯位堆疊排列的棱鏡片組成。所述半導(dǎo)體激光器模塊是加了微透鏡的多個半導(dǎo)體激光器芯片堆疊組成，半導(dǎo)體激光器芯片為多發(fā)光單元芯片，可以是微型巴條和半巴條芯片或者標(biāo)準(zhǔn)厘米巴條芯片，半導(dǎo)體激光器的芯片個數(shù)為I個或者多個；微透鏡是球面透鏡、非球面透鏡或者其它透鏡，微透鏡個數(shù)與半導(dǎo)體激光器芯片個數(shù)相同；所述棱鏡堆的材料可以是光學(xué)玻璃、金屬，也可以是全反射膜，棱鏡片可以是任何幾何形狀的立體鏡片，可以是內(nèi)反射原理，也可以是外反射原理，棱鏡堆可以是一體成型的，也可以是由2-100個棱鏡片組成一組，當(dāng)棱鏡片數(shù)量大于I個時，將它們按規(guī)則錯位堆疊排列，相互緊固連接；所述聚焦模塊為球面透鏡或非球面等聚焦透鏡。本實(shí)用新型半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)中，棱鏡堆模塊置于半導(dǎo)體激光器模塊后端用于對半導(dǎo)體激光器模塊所發(fā)出的激光光束切割重排，其中第一棱鏡堆的反射面與半導(dǎo)體激光器器模塊出射的光束相對應(yīng)；聚焦模塊置于棱鏡堆模塊后端用于對切割重排后的光 束進(jìn)行聚焦耦合進(jìn)光纖，光纖置于聚焦模塊后端用于出射激光。在本實(shí)用新型的耦合系統(tǒng)中，當(dāng)半導(dǎo)體激光器模塊的數(shù)量大于2個時,可選擇加入PBS棱鏡。圖I為本實(shí)用新型所述的半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，是由半導(dǎo)體激光器模塊I、棱鏡堆模塊2、聚焦模塊3和光纖10按光束路徑依次排列組成。每個棱鏡片的工作原理見圖2和圖3，半導(dǎo)體激光器模塊中半導(dǎo)體激光器芯片經(jīng)過微透鏡進(jìn)行快、慢軸預(yù)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的激光光束再經(jīng)過棱鏡堆模塊進(jìn)行切割重排，使光束的快慢軸的光束達(dá)到近似平衡，而后激光光束通過的聚焦模塊進(jìn)行聚焦耦合后出射。圖4為半導(dǎo)體激光器芯片出射激光光斑圖經(jīng)過第一、第二棱鏡堆后出射的激光光斑圖，其中SlOl為半導(dǎo)體激光器芯片出射激光光斑圖；S102為SlOl中出射光斑圖經(jīng)過第一棱鏡堆后的出射激光光斑圖，出射的光斑寬度總和與SlOl中出射的光斑寬度相同；S103為S102中出射光斑圖經(jīng)過第二棱鏡堆后的出射激光光斑圖，出射的光斑高度與S102中出射的光斑高度之和相同。本實(shí)用新型的一個實(shí)施例如圖5所示，首先在每個半導(dǎo)體激光器芯片4的發(fā)光區(qū)附近安裝微透鏡5，將包括第一棱鏡堆7和第二棱鏡堆6的棱鏡堆模塊2置于半導(dǎo)體激光組模塊I后端，把聚焦模塊3置于棱鏡堆模塊2的后端，光纖10置于聚焦模塊3的后端。半導(dǎo)體激光器模塊I中，半導(dǎo)體激光器芯片4發(fā)出的光束經(jīng)過微透鏡5進(jìn)行快、慢軸預(yù)準(zhǔn)直，準(zhǔn)直后的激光光束再經(jīng)過棱鏡堆模塊2中的第一棱鏡堆7和第二棱鏡堆6進(jìn)行切割重排，使光束的快、慢軸的光參積達(dá)到近似平衡，經(jīng)過光學(xué)整形的激光光束再經(jīng)過聚焦模塊3進(jìn)行聚焦耦合后，通過光纖10出射。本實(shí)施例中，棱鏡堆模塊2中的第一棱鏡堆7和第二棱鏡堆6，分別由ー組包括7個錯位堆疊排列的三角體棱鏡片組成，其排列規(guī)則是d ^ b/2且b>c,e/b=n, al > 2〔d(n_l)+e〕，a2 > 2〔nb- (n_l) d〕；其中B1 為第一棱鏡堆中棱鏡片的斜邊長度；a2為第二棱鏡堆中棱鏡片的斜邊長度；b為第一、第二棱鏡堆中棱鏡片的厚度；c為光斑到第一棱鏡堆處的寬度尺寸；e為光斑到第一棱鏡堆處的長度尺寸；d為第一、第二棱鏡堆沿斜邊錯開的距離；n為第一、第二棱鏡堆中棱鏡片的個數(shù)。上述的僅為本實(shí)用新型的一種實(shí)施例，當(dāng)然不能以此來限定本實(shí)用新型的權(quán)利范圍，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠根據(jù)本實(shí)用新型提出的基本方案和以上實(shí)施例做出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)當(dāng)屬于本實(shí)用新型的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種多發(fā)光単元半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，其特征在于包括依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器模塊、用以進(jìn)行光束切割重排的ー對棱鏡堆、用以將切割重排后光束聚焦耦合入光纖的聚焦模塊；所述的半導(dǎo)體激光器模塊是加了微透鏡的多個半導(dǎo)體激光器芯片堆疊組成。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，其特征在于微透鏡組采用球面透鏡或非球面透鏡，與半導(dǎo)體激光器芯片一一對應(yīng)設(shè)置。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，其特征在于所述棱鏡片采用光學(xué)玻璃、金屬或者全反射膜的形式。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器芯片采用微型巴條、半巴條芯片或者標(biāo)準(zhǔn)厘米巴條芯片。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種多發(fā)光單元半導(dǎo)體激光器光束耦合系統(tǒng)。該光束耦合系統(tǒng)包括依次設(shè)置的半導(dǎo)體激光器模塊、用以進(jìn)行光束切割重排的一對棱鏡堆、用以將切割重排后光束聚焦耦合入光纖的聚焦模塊；所述的半導(dǎo)體激光器模塊是加了微透鏡的多個半導(dǎo)體激光器芯片堆疊組成。本實(shí)用新型的光束耦合系統(tǒng)能夠提高激光器光束的聚焦效率，從而達(dá)到耦合進(jìn)更小芯徑光纖的目的，實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度的耦合系統(tǒng)。
文檔編號H01S5/40GK202472066SQ20112056584
公開日2012年10月3日 申請日期2011年12月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月20日
發(fā)明者劉興勝, 欒凱, 王敏, 王曉飚, 鄭艷芳, 高毅 申請人:西安炬光科技有限公司