一种紧凑式光纤耦合输出半导体激光器

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，特别是涉及一种紧凑式光纤耦合输出半导体激光器。

背景技术

半导体激光器广泛应用于加工、照明、医疗、通讯、科研等领域。目前，常规的半导体激光器大多为台阶式光纤耦合半导体激光器，该激光器由多个半导体激光芯片组成，半导体激光芯片可以是单管芯，也可以是多管芯。如图1和图2所示，是现有技术一种激光器的结构示意图。图中，01是半导体激光芯片，02是台阶状的热沉，03是快轴准直镜，04是慢轴准直镜。该激光器具有以下特征：

A、这些芯片以平行(沿快轴、沿慢轴或沿快慢轴)的方式分布在台阶状的热沉上，且芯片结平面与光纤耦合半导体激光器底面平行；

B、这些芯片激射的光束采用快轴准直镜和慢轴准直镜分别对快慢轴光束进行准直，准直过程中光束方向不发生变化；

C、准直后的光束采用反射镜对光束慢轴光轴进行方向改变，一般为正交变化；

D、光轴变化后，光束会形成1维或2维光束阵列；

E、光束阵列再由聚焦镜聚焦耦合进光纤内进行传输。聚焦镜一般为球面或非球面单透镜、球面或非球面透镜组，特点是沿快轴、慢轴的焦距相等。

然而，由于该激光器具有特征A，会导致每一个半导体激光芯片与相邻的半导体激光芯片相对于激光器安装面存在一个累加式的台阶高度差，随着芯片的数量增多，最高的半导体激光芯片相对于最低的半导体激光芯片存在着与数量正相关的累加高度差，这个高度差不但会使激光器的体积增大、重量增加，还会引起热阻变化使得半导体激光芯片有着不同的中心波长，导致激光器的设计谱宽增加。而现有的技术水平及装调工艺，无法有效减小其体积和重量。

另外，由于该激光器具有特征B、C，会导致慢轴方向的光束变换长度增加，界面损耗增加。由于该激光器具有特征E，使得慢轴准直镜的焦距与快轴准直镜的焦距存在联系，使得激光器的设计受限于快轴准直镜。

发明内容

本发明的目的在于提供一种紧凑式光纤耦合输出半导体激光器，能够减小体积和重量。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种紧凑式光纤耦合输出半导体激光器，包括激光器管壳、LD发光单元、快轴准直镜、反射式慢轴准直镜、多维合束元件、聚焦镜组和耦合光纤，所述激光器管壳内设有多个沿水平方向排列的倾斜台阶热沉和与多个倾斜台阶热沉并排的慢反镜安装台阶，所述多个倾斜台阶热沉的高度相等，所述多个慢反镜安装台阶的高度相等，且高度低于倾斜台阶热沉的高度，所述慢反镜安装台阶与倾斜台阶热沉的倾斜角度和倾斜方向均相同；

多个所述LD发光单元分别封装在多个倾斜台阶热沉上，用于向所述慢反镜安装台阶所在方向发出原始光束；

多个所述快轴准直镜分别紧靠多个LD发光单元安装，用于对所述原始光束进行快轴准直，向所述慢反镜安装台阶所在方向输出快轴准直光束；

多个所述反射式慢轴准直镜分别安装在多个慢反镜安装台阶上，用于将所述快轴准直光束的光轴折转一定角度并对所述快轴准直光束进行慢轴准直，向所述慢反镜安装台阶的排列方向输出快慢轴准直光束，其中，多个所述反射式慢轴准直镜的上边缘分别与多个快轴准直光束的上边缘齐平，输出的快慢轴准直光束平行于慢反镜安装台阶的台阶面，且快慢轴准直光束的倾斜角度和倾斜方向与慢反镜安装台阶相同，使得后一个反射式慢轴准直镜输出的快慢轴准直光束不会被前一个反射式慢轴准直镜遮挡，并且快慢轴准直光束的下边缘与前一个反射式慢轴准直镜输出的快慢轴准直光束的上边缘沿慢反镜安装台阶法线方向紧密拼接；

所述多维合束元件用于对所述多个反射式慢轴准直镜输出的快慢轴准直光束进行二次多维合束，输出合束光束；

所述聚焦镜组用于将所述合束光束聚焦为耦合光束，并注入到耦合光纤中。

优选的，所述反射式慢轴准直镜为棱镜与普通柱面镜的组合体，所述棱镜的入射面面向快轴准直镜，所述直角棱镜的全反面用于将所述快轴准直光束的光轴折转，所述普通柱面镜连接棱镜的出光面，用于对所述快轴准直光束进行慢轴准直，输出快慢轴准直光束。

优选的，所述反射式慢轴准直镜的棱镜为直角棱镜，所述棱镜的全反面用于将所述快轴准直光束的光轴折转90°。

优选的，所述聚焦镜组包括两个曲面互相垂直的柱面镜，两个柱面镜的焦点重合在一点，第一个柱面镜用于对所述合束光束的快轴方向进行聚焦，第二个柱面镜用于对所述合束光束的慢轴方向进行聚焦。

优选的，所述耦合光纤的耦合端与聚焦镜组的焦点重合。

区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：

1.多个平行的倾斜台阶热沉可以有效降低LD发光单元的平均热阻，保证多个LD发光单元被动散热时散热路径的一致性，从而提高LD发光单元的电光转换效率，有利于节能减排，且有助于提高激光器可靠性。

2.反射式慢轴准直镜的使用可以减少光学元件的使用数量，使结构更紧凑，减少装调工序，有利于提高生产效率与生产质量。

3.分离聚焦镜组可缩短聚焦耦合部分光程长度，可以大幅度减小激光器模块的体积和重量，有利于节省成本和上游供应链的节能减排。

附图说明

图1是现有技术的激光器的主视示意图；

图2是现有技术的激光器的立体示意图；

图3是本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器的原理示意图；

图4是本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器的主视示意图；

图5是本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器的立体示意图；

图6是图3的光学模拟示意图；

图7是图3的俯视角的光学模拟示意图；

图8是本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器的聚焦镜组的主视图。

图9是本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器的聚焦镜组的俯视图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅图3至图5，本发明实施例的紧凑式光纤耦合输出半导体激光器包括包括激光器管壳1、LD发光单元2、快轴准直镜3、反射式慢轴准直镜4、多维合束元件5、聚焦镜组6和耦合光纤7，激光器管壳1内设有多个沿水平方向排列的倾斜台阶热沉11和与多个倾斜台阶热沉11并排的慢反镜安装台阶12，倾斜台阶热沉11与慢反镜安装台阶12是一一对应的，多个倾斜台阶热沉11的高度相等，多个慢反镜安装台阶12的高度相等，且高度低于倾斜台阶热沉11的高度，慢反镜安装台阶12与倾斜台阶热沉11的倾斜角度和倾斜方向均相同。

多个LD发光单元2分别封装在多个倾斜台阶热沉11上，用于向慢反镜安装台阶12所在方向发出原始光束。

多个快轴准直镜3分别紧靠多个LD发光单元2安装，用于对原始光束进行快轴准直，向慢反镜安装台阶12所在方向输出快轴准直光束。

多个反射式慢轴准直镜4分别安装在多个慢反镜安装台阶12上，用于将快轴准直光束的光轴折转并对快轴准直光束进行慢轴准直，向慢反镜安装台阶12的排列方向输出快慢轴准直光束，其中，多个反射式慢轴准直镜4的上边缘分别与多个快轴准直光束的上边缘齐平，输出的快慢轴准直光束平行于慢反镜安装台阶12的台阶面，且快慢轴准直光束的倾斜角度和倾斜方向与慢反镜安装台阶12相同，使得后一个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束不会被前一个反射式慢轴准直镜4遮挡，并且快慢轴准直光束的下边缘与前一个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束的上边缘沿慢反镜安装台阶12法线方向紧密拼接。

多维合束元件5用于对多个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束进行二次多维合束，输出合束光束。多维合束元件5的合束方式可以是偏振合束、慢轴拼接、光谱合束等。

聚焦镜组6用于将合束光束聚焦为耦合光束，并注入到耦合光纤7中。其中，耦合光束的总体光束质量应与耦合光纤7的参数相匹配，可合束的快慢轴准直光束的数量的上限由耦合光纤7的束参积限定，保证耦合效果良好而不会损坏耦合光纤7的耦合端。

如图6所示，多个LD发光单元2发出的原始光束分别经多个快轴准直镜3准直后，再由多个反射式慢轴准直镜4将光轴折转并进行慢轴准直，最后，多个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束在慢反镜安装台阶12的法线方向上紧密拼接，形成多维阵列光束。

如图7所示，由于多个慢反镜安装台阶12是倾斜的，所以多个反射式慢轴准直镜4的上边缘也是倾斜的，而且分别与多个快轴准直光束的上边缘齐平，这样，多个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束也是倾斜的，所以，后一个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束不会被前一个反射式慢轴准直镜4遮挡，而是恰好掠过前一个反射式慢轴准直镜4的上边缘，并且快慢轴准直光束的下边缘与前一个反射式慢轴准直镜4输出的快慢轴准直光束在慢反镜安装台阶12法线方向上紧密拼接。需要注意的是，图中，相邻的两个反射式慢轴准直镜4中，左侧的反射式慢轴准直镜4在后，右侧的反射式慢轴准直镜4在前。

在具体实施时，倾斜台阶热沉11的高度与倾斜角度由相邻两倾斜台阶热沉11的平行间距和快轴准直镜3的参数精确确定，即倾斜台阶热沉11的高度等于或稍大于快轴准直光束在快轴方向的宽度，倾斜台阶热沉11的的倾斜角度为倾斜台阶热沉11的高度与相邻两倾斜台阶热沉11的平行间距的比值的反正切值；LD发光单元2的数量由LD的束参积和耦合光纤7的参数共同决定，倾斜台阶热沉11的数量与LD发光单元2的数量相等，原则上要求耦合光束的束参积不大于耦合光纤7的束参积。

通过上述方式，LD发光单元2和反射式慢轴准直镜4不是沿水平方向水平安装的，而是相对水平方向倾斜一定角度，这样的设计可以实现数量较多的LD发光单元2集成后，LD发光单元2的下端面与倾斜台阶热沉11也有一致的距离，使得结构更紧凑、散热更加均匀，从而激光器可以拥有更小的体积和更轻的重量。

在本实施例中，反射式慢轴准直镜4为棱镜41与普通柱面镜42的组合体，棱镜41的入射面面向快轴准直镜3，用于入射快轴准直光束，棱镜41的全反面用于将快轴准直光束的光轴折转，普通柱面镜42连接棱镜41的出光面，用于对快轴准直光束进行慢轴准直，输出快慢轴准直光束。棱镜41与普通柱面镜42可以一体成型。这样的设计可以缩短慢轴准直和正交转向的光路距离，有利于缩短结构尺寸。另外，还可以利用全反射能量损耗为零的特点进一步减小界面损耗。

进一步地，反射式慢轴准直镜4的棱镜41为直角棱镜，棱镜的全反面用于将快轴准直光束的光轴折转90°。

如图1、图8和图9所示，聚焦镜组6包括两个曲面互相垂直的柱面镜61、62，两个柱面镜61、62的焦点重合在一点，第一个柱面镜61用于对合束光束的快轴方向进行聚焦，第二个柱面镜62用于对合束光束的慢轴方向进行聚焦。而且，进一步的，耦合光纤7的耦合端与聚焦镜组5的焦点重合，也就是耦合光纤7的耦合端与两个柱面镜61、62的焦点重合重合。

以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。