一种多波长合波光源装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及光机技术领域，具体涉及一种多波长合波光源装置及其制造方法。

背景技术

激光因其方向性、单色性、高能量等优点，在光纤通讯,汽车加工，生物医疗，可穿戴设备等方面有了广泛应用。近年来，随着微型投影仪技术、VR(虚拟现实)、AR(增强现实)等可穿戴设备技术的发展，结构紧凑、轻便化的微型激光光源的需求被扩大。在激光显示中一般利用RGB三基色光源进行合波，最后通过一个端口实现各种色光输出。目前市场上主流合波器包括空间光合波器、光纤熔融拉锥合波器、光波导合波器等。但存在耦合难度高，体积较大，损耗大等问题。目前的三基色激光器多采用半导体激光器，其在一般空气环境中极易产生不可逆损伤，并且工作时产生大量热也会损伤激光器，因此一般采用密封封装，这极大的增加了器件的体积及耦合难度。

专利CN206818927U中公开了一种高功率光纤合束器的封装结构，通过将拉锥光纤放置在带有凹槽的金属板中提高光纤的散热效果，但并未解决激光到光纤难以耦合的难题；专利CN206002784U中利用X棱镜同样使不同激光器光束最终合成一束达到合光效果，此种空间光合束的方法系统结构非常复杂，且体积较大。

发明内容

本发明针对目前集成激光光源合光效率低、器件结构复杂体积大、生产效率低的缺陷，发明一种多波长合波光源模块，极大地减小了器件尺寸，简化了生产流程，为微型激光光源的批量化生产提供了可靠方案。

为达到上述发明的目的，本发明的一种多波长合波光源装置，包括基板和与所述基板相适配的盖板；所述基板上设有N个半导体激光器、N个耦合透镜、N对1熔融拉锥光纤和准直透镜，其中N≥2；

所述耦合透镜位于所述半导体激光器与N对1所述熔融拉锥光纤之间；所述半导体激光器的发光点、耦合透镜的中心点和熔融拉锥光纤的入光侧中心点处于同一水平轴上；所述拉锥光纤的入光侧中心位置和出光侧中心位置分别在耦合透镜及准直透镜焦点处；

所述基板上包括激光器凹槽、耦合透镜V槽、输入端V槽、光纤过渡区凹槽、输出端V槽和准直透镜V槽；所述激光器凹槽用于放置N个半导体激光器；所述耦合透镜V槽用于放置N个耦合透镜；所述输出端V槽用于固定N对1熔融拉锥光纤的N个输出端；所述输出端V槽用于固定N对1熔融拉锥光纤的的输出端；所述光纤过渡区凹槽用于固定N对1熔融拉锥光纤的剩余部分；所述准直透镜V槽用于安装准直透镜。

优选地，所述激光器凹槽的数量为1个或N个。

优选地，N个所述半导体激光器成一列等间距或不等间距固定在基板上，考虑器件整体尺寸及激光器最小焊接间隔，可按照最小间隔排列。

优选地，N个所述半导体激光器成放射状等角度固定在基板上，半导体激光器摆放位置及角度没有特定规定，只要使激光入射方向与入射光纤同轴，保证激光能耦合进光纤即可。考虑到光纤弯曲损耗，放射状摆放能增大光纤弯半径，减小损耗。

优选地，所述基板的材质为石英或硅。

优选地，所述耦合透镜为非球面透镜、胶合透镜，微透镜阵列或自聚焦透镜。

优选地，不同所述点光源模块上的半导体激光器发出的激光波长相同或不同，都是为了满足使用需求，相同波长用来增加功率，不同波长激光可以消散斑或其它作用。比如医疗中不同波长激光有不同应用，红色激光可用于杀死癌细胞，而绿色激光可以用于凝血块粉碎。

优选地，所述熔融拉锥光纤为阶跃光纤、渐变折射率光纤、抗弯曲光纤或光子晶体光纤。

优选地，所述熔融拉锥光纤的芯径为1～200μm，其包层直径为50～500μm，如对出射激光质量要求较高可采用芯径较细的单模光纤(芯径＜10μm),如为方便耦合，可采用较粗芯径多模光纤(芯径≥10μm)。

本发明的另一目的在于提供一种多波长合波光源装置的制造方法，主要步骤包括，

第一步，在基板上加工出激光器凹槽、耦合透镜V槽、输入端V槽、光纤过渡区凹槽、输出端V槽和准直透镜V槽；加工工艺为机械冷加工、激光切割、化学腐蚀或3D打印；

第二步，在激光器凹槽内镀上一层金属薄膜，所述金属薄膜的材质是铜或金；

第三步，将半导体激光器芯片通过焊接固定在激光器凹槽内；将耦合透镜固定在耦合透镜V槽中；将熔融拉锥光纤激光的输入端固定在输入端V槽，输出端固定在输出端V槽中；将准直透镜或耦合透镜固定在准直透镜V槽中；其中，固定方式为胶粘或焊接；

第四步，将盖板盖合，并通过胶水固定。

本发明一种多波长合波光源装置及其制造方法，与现有技术相比，还具有以下优点：

(1)整个光源模块结构紧凑，器件体积小，适用于多种可传到显示器件中；；

(2)可采用无源耦合的方式进行激光的耦合，耦合效率高的同时可以保护半导体激光器；

(3)该方法适用于批量生产，大大提高了生产效率；

(4)该方式适用于生产多波长耦合激光器，因其结构紧凑，耦合效率高，因此应用范围极广，如微投影设备，VR设备，AR设备，医疗内窥镜，激光手术等。

附图说明

图1为实施例中的一种多波长合波光源装置的示意图；

图2为实施例中的基板的示意图；

图3为实施例中的一种多波长合波光源装置的侧视图；

图4为激光器凹槽的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明做进一步说明。

实施例

一种三基色激光合波光源，沿光路依次设有三基色半导体激光光源2、3、4，耦合透镜5，6，7，熔融拉锥光纤8，准直透镜9。

其中，半导体激光光源2，3，4分别为主波长为520nm的绿色半导体激光器，主波长为450nm蓝色半导体激光器，主波长为637nm红色半导体激光器；所述耦合透镜为直径0.5mm，焦距0.2mm，长度为1mm的G-Lens(自聚焦透镜)，熔融拉锥光纤8芯径为50μm，包层直径为125μm。准直透镜9的直径为0.5～1mm，焦距0.2～0.5mm。在本实施例中，三个半导体激光器成一列等间距固定在基板

激光传输路线如图1所示，激光从半导体激光器4发出，由耦合透镜7聚焦，耦合至光纤8中，经过光纤合波在尾端发出，最后由准直透镜9准直发出均匀白光；所有光学器件需与激光发光点保持同轴。

其中1为硅基板，其结构如图三所示，包含：激光器凹槽10、耦合透镜V槽11、输入端V槽12、光纤过渡区凹槽13、输出端V槽14、准直透镜V槽15。

图4为激光器凹槽10截面图，此凹槽可以为一个凹槽，也可以为多个凹槽，多个凹槽方便激光器焊接对位，二一个凹槽方便凹槽加工；在本实施例中，凹槽为一个。

上述多波长点光源装置的制造方法，主要包括，

(1)在基板上加工出激光器凹槽10、耦合透镜V槽11、输入端V槽12、光纤过渡区凹槽13、输出端V槽14和准直透镜V槽15；加工工艺为机械冷加工、激光切割、化学腐蚀或3D打印；在本实施例中基板的材质为硅，所用加工工艺为激光切割；

(2)在激光器凹槽内镀上一层金属薄膜，材质可以是铜，金，等金属或合金材质，在本实施例中，所镀的金属薄膜的材质为铜；

(3)将半导体激光器芯片通过焊接固定在激光器凹槽内；将耦合透镜固定在耦合透镜V槽中；将熔融拉锥光纤激光的输入端固定在输入端V槽，输出端固定在输出端V槽中；将准直透镜或耦合透镜固定在准直透镜V槽中；其中，固定方式为胶粘或焊接；在本实施例中，所用固定方式为胶粘；

(4)将盖板盖合，并通过胶水固定。

上述多波长点光源模块的检测数据如表1：

表1

其中，所采用的试验仪器为Optical Power Meter，P0为在激光器出口测试的光功率，P1为激光通过耦合透镜之后到大光纤入射端口之前的光功率，P2为激光通过光纤及光纤锥后光纤出射端口光功率，P3为最终准直透镜输出的光功率，。

本发明制备的合波光源模块可实现高效率同轴多波长激光的输出，包括合波器入射光束耦合效率的提升，光波导传输效率的提升，输出耦合效率提升等，并且实现无源耦合合波，。

在本说明书的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本专利的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本专利申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本专利申请的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本说明书中的具体含义。

在本说明书中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。