多管芯耦合的半导体激光器、耦合方法及泵浦源

技术领域

本发明涉及一种多管芯耦合的泵浦源，同时也涉及包括该泵浦源的半导体激光器，还涉及利用该半导体激光器实现光束耦合的方法，属于激光技术领域。

背景技术

目前，工业上普遍使用的大功率半导体激光器光纤耦合，通常是由多个激光二极管（也称为管芯）集成得到的。为了将光束耦合到非常小的光纤口径（由于光纤弯曲半径的限制，一般光纤芯径不超过1mm，典型为105um、200um、400um等），一般需要对每个激光二极管采用光学整形。典型的光学整形是指每个激光二极管出射的光线，在光路上，依次经过单体快轴准直透镜（FAC）、慢轴准直透镜（SAC）、45度反射镜，再借助阶梯结构的基底的高度差，从45度反射镜射出到耦合透镜，最终通过耦合透镜会聚进入光纤。

如图6所示，利用基底（阶梯板）的阶梯结构（未图示），使得激光二极管LD1的高度比激光二极管LD9的高度更高。并且，激光二极管LD1到偏振光合束器（PBC）的光程，是从激光二极管LD1的出光到单体快轴准直透镜，经慢轴准直透镜，再经反射镜进入偏振光合束器。激光二极管LD1到偏振光合束器的光程远于激光二极管LD9到偏振光合束器的光程。

但是，这种传统的光纤耦合方式存在以下不足：

1）如前述，各个激光二极管出射的光线均通过单独的单体快轴准直透镜和慢轴准直透镜进行准直，这会导致准直后的来自不同激光二极管的光线的慢轴宽度存在差异；

2）由于每个激光二极管出射的光线到达偏振光合束器的光程不同，导致距离耦合透镜较近的激光二极管的慢轴光斑宽度最窄；而距离耦合透镜较远的激光二极管的慢轴光斑宽度最大。

因此，现有技术中的半导体激光泵浦源最终会形成梯形光斑结构。这种梯形的入射光斑会导致耦合光斑的上下不对称，降低耦合效率，对功率密度分布造成不利影响。而且，阶梯结构基底的加工精度要求很高，导致成本居高不下。最后，由于激光二极管是高功率器件，阶梯结构会导致各个激光二极管的温度差别很大，从而缩短器件使用寿命。

发明内容

本发明所要解决的首要技术问题在于提供一种多管芯耦合的泵浦源。

本发明所要解决的又一技术问题在于提供一种包括该泵浦源的半导体激光器。

本发明所要解决的另一技术问题在于提供一种利用该半导体激光器实现光束耦合的方法。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种多管芯耦合的泵浦源，其中包括N个管芯，分别用于出射光束；

单体快轴准直透镜阵列，包括N个快轴准直透镜，分别位于对应的所述管芯的出光侧以对所述光束进行快轴准直；

反射镜阵列，包括相互平行的N个反射镜，所述反射镜与所述快轴准直透镜一一对应，并且所述反射镜相对于所述快轴准直透镜倾斜45°设置；

慢轴准直透镜，其为具有轴向的柱面透镜，设置于所述反射镜阵列的出光侧，用于对各个所述光束分别进行慢轴准直；

耦合镜，设置于所述慢轴准直透镜的出光侧，用于将所述光束耦合到光纤内；

其中，从所述快轴准直透镜经过所述反射镜到所述慢轴准直透镜的光程相等，N为正整数。

其中较优地，所述各个管芯的光轴位于水平面，所述慢轴准直透镜的轴向与所述水平面垂直。

其中较优地，所述反射镜相对于水平面的仰角不同，以将从所述快轴准直透镜入射的各个光束的光路，从位于所述水平面内改变到位于垂直于所述水平面的方向，入射到慢轴准直透镜以进行慢轴准直。

其中较优地，所述各个管芯的光轴位于水平面，所述慢轴准直透镜的轴向与所述水平面平行。

其中较优地，N个所述反射镜在水平面上相互错开排列，以使各个所述反射镜的出光光束位于所述水平面内，并且各个所述光束平行入射到慢轴准直透镜以进行慢轴准直。

其中较优地，N个所述管芯、所述单体快轴准直透镜阵列、所述反射镜阵列、所述慢轴准直透镜和所述耦合镜均设置于没有高度差的表面上。

其中较优地，所述耦合镜为圆形透镜。

其中较优地，所述泵浦源还包括：

第一探测器，沿光路设置于所述慢轴准直透镜的前方，用于检测耦合前的光束的光强；

第二探测器，沿光路设置于所述耦合镜的后方，用于检测耦合后的光束的光强。

根据本发明实施例的第二方面，提供一种半导体激光器，其中包括上述泵浦源。

根据本发明实施例的第三方面，提供一种利用该半导体激光器实现光束耦合的方法，用于将上述泵浦源的光束耦合到增益光纤。

与现有技术相比较，本发明具有以下的技术效果：

1. 为光纤耦合提供上下、左右对称的矩形光斑，以改善耦合效率，优化了光纤出射光斑和功率密度分布；

2. 单体快轴准直透镜阵列和反射镜阵列排布在同一平面，降低器件高度，降低加工成本，还能避免温度差导致的器件性能下降，也可适应于不同场景下的光纤耦合；

3. 采用慢轴准直透镜，可以降低成本，减小器件体积。

附图说明

图1A为本发明第一实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源中，沿慢轴准直透镜轴向的结构示意图；

图1B为图1A中的一个光束的光程示意图；

图1C为图1A中的另一个光束的光程示意图；

图2为本发明第一实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源中，沿垂直于慢轴准直透镜轴向的结构示意图；

图3为本发明第二实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源的俯视结构示意图；

图4为本发明第三实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源的俯视结构示意图；

图5为本发明第四实施例提供的一种半导体激光器实现光束耦合的方法流程图；

图6为现有技术的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

第一实施例

如图1A所示，本发明第一实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源，包括N（N为正整数，下同）个激光二极管（也称为管芯）10、单体快轴准直透镜阵列1、反射镜阵列2、慢轴准直透镜3和耦合镜4。该泵浦源固定在管壳（未图示）内。

本实施例中，单体快轴准直透镜阵列1包括N个快轴准直透镜11（例如，快轴准直透镜111、112......11N），并分别与多个用于发射激光的管芯10一一对应，用于对管芯10的出射光线进行快轴准直。各个管芯10的光轴共面（在此称为“水平面”）。

各个快轴准直透镜具有较大的数值孔径，根据发散角的大小，典型焦距约为 500μm；并且由于发散孔径的尺寸小，发散角通常约为 20至25 度。各个快轴准直透镜111、112......11N的屈光力子午线均与各个管芯10的出射光束的光轴（快轴和慢轴的交点形成的线）平行，因此整个封装为低轮廓（low profile）结构，可以利用半导体制造工艺，以较低成本制造。而且，所有器件在同一平面，不需要现有技术中的台阶式基底，没有基底加工精度带来的影响，从而提高器件寿命并降低加工成本。

结合图1A和图2所示，反射镜阵列2包括多个反射镜21（包括反射镜211、212......21N）。各个反射镜21的中心与各个快轴准直透镜11，以使光轴对齐的方式一一对应。各个反射镜21的出光方向均位于垂直平面内。该垂直平面垂直于水平面且包含慢轴准直透镜3的光轴。而且，各个反射镜的相对水平面的仰角不同（即，各个反射镜的法线方向不重合），只需满足使每个反射镜的反射光均能入射到慢轴准直透镜3即可。例如，距离慢轴准直透镜3最近的反射镜211的（出光方向基于水平面的夹角）仰角θ1，与之相邻的反射镜212的仰角θ2......反射镜21N的仰角θN，满足θ2－θ1＝θ3－θ2......＝θN－θ(N－1)＝σ。其中，σ的取值范围为0.3～1.2度，较优的是0.5～1度。换言之，每个反射镜分别比其光路上的前一个反射镜上仰σ角度。因此，N个反射镜21的出光入射到慢轴准直透镜3为N个平行光束。前述N个平行光束，均平行于慢轴准直透镜3（柱面透镜）的屈光力子午线，因此被会聚为线。即，利用反射镜相对于水平面的仰角不同，将从快轴准直透镜入射的各个光束的光路，从位于水平面内改变到位于垂直面内。

每个反射镜21的出光方向与对应的快轴准直透镜11的光轴的夹角均为45度，以将经过快轴准直透镜11的光路产生90度的改变，均入射到慢轴准直透镜3。

慢轴准直透镜3设置于反射镜阵列2的出光侧，用于对N个平行光束（已经过快轴准直透镜的快轴准直）进行慢轴准直。从管芯10出射的光线的慢轴的发散角比快轴的发散角小3至5倍，因此，要使光斑圆化，慢轴准直透镜具有比快轴准直透镜更长的焦距。本实施例中，慢轴准直透镜3的轴向（图2中的箭头所示）与管芯10的出光方向垂直，即慢轴准直透镜3的轴向垂直于水平面。

耦合镜4在慢轴准直透镜3的出光侧，将被慢轴准直透镜3准直后的光线耦合到光纤20内。

需要强调的是，本发明实施例中的各个快轴准直透镜11与对应的反射镜21之间的光程均不同，并且各个反射镜21到慢轴准直透镜3的光程均不同，但是从快轴准直透镜11经过反射镜21到达慢轴准直透镜3的光程之和相等。

换言之，在不同管芯10出射的光束到慢轴准直透镜3的光程相等的前提下，管芯10和快轴准直透镜11到耦合镜4的光轴的距离不相等，并且不同反射镜到慢轴准直透镜3的距离也不相等。

虽然本发明实施例是利用两个光轴交叉的柱面透镜来补偿激光二极管快轴和慢轴的发散角之间的差异，但是，本发明实施例中的慢轴准直透镜3到快轴准直透镜11的光程是不同的。通过在耦合镜4位置实现相同的光程和相同的慢轴宽度，从而为光纤耦合提供上下、左右对称的矩形光斑，以改善耦合效率，优化了光纤出射光斑和功率密度分布。

具体的，在上述实施例中，如图1A所示，在慢轴准直透镜3的轴向上（即，垂直于水平面的垂直面内），所有反射镜21的出光方向重合，各快轴准直透镜11与对应的反射镜21之间的光程不同，即：越靠近慢轴准直透镜3的反射镜21与对应的快轴准直透镜11之间的光程（图1B中的L

可以理解的是，上述实施例中，慢轴准直透镜3可以是一个预设尺寸的慢轴准直透镜，也可以是由多个慢轴准直透镜组成的慢轴准直透镜阵列，具体可根据实际需要进行适应性选择。

此外，在上述实施例中，优选地，泵浦源还包括第一探测器和第二探测器。其中在光路上，第一探测器设置于慢轴准直透镜之前，以检测耦合前的光强；第二探测器设置于耦合镜4之后，用于检测耦合后的光强。

在现有技术中，一个管芯对应一个单体快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜，然后利用方形透镜进行耦合，实现圆化。即，有同等数量的管芯、单体快轴准直透镜、慢轴准直透镜以及反射镜，这就导致大量的单体快轴准直透镜和慢轴准直透镜占据平台可用空间的三分之一以上，不利于实现小型化。与现有技术相比较，本发明实施例中的管芯、单体快轴准直透镜和反射镜的数量相同，但是只有一个慢轴准直透镜，因此大幅减小占用空间，有利于实现小型化。而且，利用相同光程的设计，容易实现均匀光斑。

此外，本实施例中，管芯10和单体快轴准直透镜阵列1的光路在同一平面（以下简称水平面）；具有不同仰角的反射镜阵列2将光路改变到与水平面垂直的垂直面；慢轴准直透镜3和耦合镜4的光轴位于垂直面内。N个管芯、单体快轴准直透镜阵列、反射镜阵列、慢轴准直透镜和耦合镜均设置于没有高度差的表面上，例如各个器件均位于平板基底（未图示）上，无需台阶。利用这样的平面化设计，有利于降低器件高度，集成更多管芯，也避免了温度差导致的效率下降、器件寿命缩短。

更进一步，本发明实施例采用的是与慢轴准直透镜的光轴重合（共轴）的圆形透镜作为耦合镜，与现有技术中的方形耦合镜和会聚透镜组合相比，有利于提高精度、降低成本。

第二实施例

如图3所示，本发明第二实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源，包括多个管芯10、单体快轴准直透镜阵列1、反射镜阵列2、慢轴准直透镜3和耦合镜4。与第一实施例相比，本实施例的区别之处在于，单体快轴准直透镜阵列1和反射镜阵列2的排列方式不同。

具体而言，在本实施例中，管芯10和快轴准直透镜11到耦合镜4的光轴的距离相等。但是，管芯10和快轴准直透镜11并行排列（分别平行于柱面透镜慢轴准直透镜3的轴向，即图3中的箭头所示方向），其光路位于水平面。反射镜21在水平面上相互错开排列，以使各个反射镜的出光光束在水平面内，并且各光束以垂直于慢轴准直透镜3的轴向的方式，平行入射到慢轴准直透镜3。本实施例中，慢轴准直透镜3的屈光力子午线与管芯10的出光方向（光轴）平行，即慢轴准直透镜3的轴向平行于水平面。

越靠近慢轴准直透镜3的反射镜21与对应的快轴准直透镜11之间的光程越远，越远离慢轴准直透镜3的反射镜21与对应的快轴准直透镜11之间的光程越小，但是不同管芯10出射的光束到慢轴准直透镜3的光程相等。

换言之，在不同管芯10出射的光束到慢轴准直透镜3的光程相等的前提下，管芯10和快轴准直透镜11到耦合镜4的光轴的距离相等，并且不同反射镜到慢轴准直透镜3的距离不相等。

本实施例除上述区别之外，其他结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。

本实施例中，所有光束的光路均位于同一平面，因此比第一实施例进一步实现器件高度的降低，并进一步降低加工成本。

第三实施例

如图4所示，本发明第三实施例提供的一种多管芯耦合的泵浦源，包括单体快轴准直透镜阵列1、反射镜阵列2、慢轴准直透镜3和耦合镜4。与第二实施例相比，本实施例的区别之处在于，单体快轴准直透镜阵列1和反射镜阵列2的排列方式不同。

本实施例中，慢轴准直透镜3的轴向与管芯10的出光方向平行，即慢轴准直透镜3的轴向平行于水平面。但是，不同于第二实施例，在不同管芯10出射的光束到慢轴准直透镜3的光程相等的前提下，管芯10和快轴准直透镜11到耦合镜4的光轴的距离不相等，并且不同反射镜到慢轴准直透镜3的距离不相等。各光束的光路位于同一平面。

本实施例除上述区别之外，其他结构与第一实施例均相同，在此不再赘述。

第四实施例

在上述第一实施例至第三实施例的基础上，本实施例还提供一种半导体激光器，其中包括上述多管芯耦合的泵浦源。该半导体激光器的输出功率稳定、泵浦效率高、体积小，寿命长，成本低。

第五实施例

如图5所示，本实施例提供一种利用上述半导体激光器实现光束耦合的方法，用于将管芯10出射的光束耦合到增益光纤20内。

可以理解的是，利用本实施例提供的光束耦合方法，能够将各管芯发射的激光耦合到光纤20内，优化光纤的出射光斑和功率密度分布，结构简单、性能稳定，具有较高的光功率输出。

综上所述，本发明主要具有以下的有益效果：

1. 为光纤耦合提供上下、左右对称的矩形光斑，以改善耦合效率，优化了光纤出射光斑和功率密度分布；

2. 单体快轴准直透镜阵列和反射镜阵列排布在同一平面，降低器件高度，降低加工成本，还能避免温度差导致的器件性能下降，也可适应于不同场景下的光纤耦合；

3. 采用慢轴准直透镜，可以降低成本，减小器件体积。

上面对本发明提供的多管芯耦合的半导体激光器、耦合方法及泵浦源进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。