《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》是中國科學院長春光學精密機械與物理研究所於2010年5月18日申請的專利，該專利的申請號為2010101745812，公布號為CN101833150A，授權公布日為2010年9月15日，發明人是朱洪波; 王立軍; 彭航宇; 顧媛媛; 郝明明; 張志軍。
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》包括同一波長相同偏振態的多個單管半導體雷射器、光束準直透鏡、玻璃平板、反射稜鏡和聚焦器件。多個單管半導體雷射器除一路外均平行於x軸呈階梯狀排列；在每個單管半導體雷射器前安裝光束準直透鏡，每個單管雷射器發出的光通過光束準直透鏡後經過一反射稜鏡，每個反射稜鏡與其對應的單管雷射器在水平高度保持一致，多路單管雷射器發出的光經過反射傳輸至聚焦器件；其中，安放在z軸方向的單管雷射器，其出射的光束通過多個反射稜鏡中間的空隙直接傳輸至聚焦器件，然後與其它光束合束後一起聚焦進入光纖。該發明使每個單管雷射器的焊接位置距離變遠，焊接容易，調試方便，散熱效果好，耦合效率高。
2016年12月7日，《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組
- 公布號：CN101833150A
- 授權日：2010年9月15日
- 申請號：2010101745812
- 申請日：2010年5月18日
- 申請人：中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
- 地址：吉林省長春市東南湖大路3888號
- 發明人：朱洪波; 王立軍; 彭航宇; 顧媛媛; 郝明明; 張志軍
- Int.Cl.：G02B6/42(2006.01)I
- 代理機構：長春菁華專利商標代理事務所
- 代理人：南小平
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
由於半導體雷射器（LD）具有體積小、重量輕、效率高，壽命長、光譜線寬窄等優點，因此在醫療、泵浦、監控、加工等方面有著廣泛的套用。截至2010年5月，隨著半導體雷射器技術的發展，在提高半導體雷射器輸出功率和亮度要求的同時，也對其穩定性及壽命有了更高的要求。國際上大多數套用都採用LD線陣或者疊陣形式的光纖耦合模組，由於bar條中的每個發光點中間產生的熱量不能完全散失，導致其壽命較低。在單管合束中，每個單管雷射器是一個獨立的發光點，不受熱串聯的影響，具有良好的散熱，壽命穩定。
圖1是2010年5月前技術採用單管陣列合束的光纖耦合模組的示意圖，這是國際上2010年5月前的單管合束技術之一（High Brightness，Fiber Coupled Single Emitter Arrays Stefan，Heinemann，Boris Regaard，Torsten Schmidt，BenLewis，Proc. of SPIE Vol.719871980Q-1）。如圖1所示，該裝置是將多個單管半導體雷射器按圖中示意緊密焊接在一個階梯狀的熱沉17上形成單管雷射器陣列15，每一層的雷射器前面經過一個準直透鏡陣列16進行準直，然後傳輸到聚焦器件，進行聚焦進入光纖。這種方法要求雷射器焊接的工藝複雜，焊接精度高，每個雷射器要求嚴格平行，在焊接工藝上很難保證，而且由於每個單管雷射器離得很近，會影響單管雷射器的散熱，導致壽命降低。
發明內容
專利目的
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》的目的是提供一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其焊接簡易，調試方便，散熱性好，壽命長，耦合效率高。
技術方案
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》包括數個熱沉、數個單管半導體雷射器、數個光束準直透鏡和聚焦器件，熱沉、單管半導體雷射器和光束準直透鏡三者一一對應放置，單管半導體雷射器焊接在熱沉上，光束準直透鏡設定在單管半導體雷射器的出射端，其特徵在於，在該模組的光路中放置有玻璃平板，其上面安放數個反射稜鏡，數個單管半導體雷射器除第二單管半導體雷射器之外均呈階梯狀排列，每個單管半導體雷射器與其正對面的單管半導體雷射器位於同一水平高度，與其左右相鄰的單管半導體雷射器在水平高度上相差間距為d；反射稜鏡和單管半導體雷射器一一對應放置，反射稜鏡和其對應的單管半導體雷射器位於同一水平高度；第二單管半導體雷射器垂直於單管半導體雷射器放置，其出射的光束通過各反射稜鏡中間的間隙直接傳輸至聚焦器件；聚焦器件平行於單管半導體雷射器放置。
有益效果
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》通過使用反射稜鏡對其相對應的單管半導體雷射器發出的光進行反射，反射後的光束相互平行傳輸，密集地排列在一起，無需再將單管半導體雷射器焊接成陣列的形式，這樣可以使每個雷射器有更充足的焊接位置和散熱空間，使焊接變容易，調試更方便，散熱性更好，壽命延長；通過反射稜鏡及單管半導體雷射器的適當排列，可以使反射過來的光束排列成近圓形，這樣聚焦後可以使聚焦光斑呈圓形，更符合光纖端面形狀的分布，可以提高耦合效率。
附圖說明
圖1是2010年5月前技術以單管陣列及微透鏡陣列實現的耦合輸出的大功率半導體雷射器的裝置示意圖。
圖2是《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》大功率半導體雷射器光纖耦合模組的結構示意圖。
圖3是圖2中所示的多路單管半導體雷射器位置高度示意圖。
圖4是該發明多路單管半導體雷射器發出的光束經過反射合束後的光斑示意圖。
圖中：1、熱沉，2、單管半導體雷射器，3、光束準直透鏡，4、玻璃平板，5、第一反射稜鏡，6、第二反射稜鏡，7、第三反射稜鏡，8、快軸聚焦柱面鏡，9、慢軸聚焦柱面鏡，10、第二單管半導體雷射器，11、熱沉塊，12、空隙，13、單管半導體雷射器的光斑，14、第二單管半導體雷射器的光斑，15、單管雷射器陣列，16、準直透鏡陣列，17、階梯狀熱沉。
技術領域
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》涉及半導體雷射器光纖耦合技術領域，尤其涉及一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組。
權利要求
1.《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》包括數個熱沉（1）、數個單管半導體雷射器（2）、數個光束準直透鏡（3）和聚焦器件，熱沉（1）、單管半導體雷射器（2）和光束準直透鏡（3）三者一一對應放置，單管半導體雷射器（2）焊接在熱沉（1）上，光束準直透鏡（3）設定在單管半導體雷射器（2）的出射端，其特徵在於，在該模組的光路中放置有玻璃平板（4），其上面安放數個反射稜鏡，數個單管半導體雷射器（2）除第二單管半導體雷射器（10）之外呈階梯狀排列，每個單管半導體雷射器（2）與其正對面的單管半導體雷射器位於同一水平高度，與其左右相鄰的單管半導體雷射器在水平高度上相差間距為d；反射稜鏡和單管半導體雷射器（2）一一對應放置，反射稜鏡和其對應的單管半導體雷射器（2）位於同一水平高度；第二單管半導體雷射器（10）垂直於單管半導體雷射器（2）放置，其出射的光束通過各反射稜鏡中間的間隙直接傳輸至聚焦器件；聚焦器件平行於單管半導體雷射器（2）放置。
2.如權利要求1所述的大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其特徵在於，所述數個單管半導體雷射器（2）發出的光束經過不同位置排列的反射稜鏡後相互平行傳輸，使光束密集排列形成近圓形，經過聚焦器件後形成的光斑呈圓形分布。
3.如權利要求1所述的大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其特徵在於，所述單管半導體雷射器（2）和第二單管半導體雷射器（10）為同一波長相同偏振態的單管半導體雷射器。
4.如權利要求1所述的大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其特徵在於，所述光束準直透鏡（3）採用球面透鏡或非球面透鏡對光束進行準直，或者採用兩個分離的非球面柱面鏡分別對單管半導體雷射器的快慢軸光束進行準直。
5.如權利要求1所述的大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其特徵在於，所述聚焦器件由沿耦合後光束傳輸方向依次設定的快軸聚焦柱面鏡（8）和慢軸聚焦柱面鏡（9）組成。
6.如權利要求5所述的大功率半導體雷射器光纖耦合模組，其特徵在於，所述快軸聚焦柱面鏡（8）和慢軸聚焦柱面鏡（9）均採用球面柱面聚焦鏡或者非球面圓形聚焦鏡或者消像差透鏡組。
實施方式
如圖1所示，《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》大功率半導體雷射器光纖耦合模組包括：同一波長相同偏振態的多個單管半導體雷射器2、10，多個光束準直透鏡3，玻璃平板4，多個反射稜鏡（如第一反射稜鏡5、第二反射稜鏡6、第三反射稜鏡7等，這些反射稜鏡都是相同的稜鏡，只是位置排放不同），快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9。就其中一組光路來說，單管半導體雷射器2焊接在陶瓷熱沉1上，在單管半導體雷射器2的出射端設定一光束準直透鏡3，單管半導體雷射器2發出的光束通過光束準直透鏡3以減小其快慢軸發散角，然後，傳輸到第二反射稜鏡6，光束的傳輸方向被改變了90°後傳輸至由快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9組成的聚焦器件。多個與單管半導體雷射器2相同的單管半導體雷射器被放置在階梯狀的熱沉塊11（見圖2）上，其發出的光經過反射傳輸至聚焦器件，其中，第二單管半導體雷射器10安置在z軸方向，其發出的光束直接通過多個反射稜鏡中間的空隙12傳輸至聚焦器件，與其它光束合束成一束光，最後聚焦進入光纖。
上述的聚焦器件由沿耦合後光束傳輸方向依次設定的快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9組成，快軸聚焦柱面鏡8和慢軸聚焦柱面鏡9也可以使用球面柱形聚焦鏡或者非球面圓形聚焦鏡或者消像差的透鏡組。對於半導體雷射器，普遍規定垂直於P-n結平面方向為快軸方向，平行於P-n結平面方向為慢軸方向，如圖1所示z軸方向為單管半導體雷射器2的慢軸方向，垂直於紙面的方向為其快軸方向；光束經過反射合束後，x軸為單管半導體雷射器2的慢軸方向，垂直於紙面的方向為其快軸方向。
上述的光束準直透鏡3採用球面透鏡或非球面透鏡對光束進行準直，或者採用兩個分離的非球面柱面鏡分別對快慢軸光束進行準直。
如圖2所示，每個單管半導體雷射器2與其對面放置的單管雷射器安放在同樣的水平高度，與其左右相鄰的單管雷射器在水平高度間距相差為d，呈階梯狀排列。第二單管半導體雷射器10沿z軸放置，其發出的光束沿z軸傳輸，經過光束準直透鏡3後直接從多個反射稜鏡中間的空隙12穿過，與其它被反射的光束合束。這樣可以使聚焦光斑呈圓形分布，能提高耦合效率。空隙12可以通過加工反射稜鏡的固定底座時預先留出。
《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》的關鍵器件是固定在玻璃平板4上的多個反射稜鏡，每個反射稜鏡與沿x軸放置的單管半導體雷射器一一對應放置，例如，單管半導體雷射器2發出的光經過第二反射稜鏡6反射，其傳輸方向旋轉90°。每個反射稜鏡都為三角形稜鏡，在兩個通光面上鍍有增透膜。每個反射稜鏡與其上下兩層反射稜鏡在水平方向的高度相差為d，例如，第二反射稜鏡6和第一反射稜鏡5、第三反射稜鏡7在水平高度分別相差距離d，呈階梯狀排列；這樣就可以使每個反射稜鏡與其相對應的安放在階梯狀熱沉上的單管半導體雷射器在水平高度上保持一致。反射稜鏡高度的固定可以通過在反射稜鏡和玻璃平板中間加入不同厚度的玻璃墊塊來實現，玻璃墊塊在圖中沒有畫出。每個沿x軸方向放置的單管半導體雷射器2發出的光束經過反射稜鏡反射後都沿z軸方向傳輸。沿Z軸放置的第二單管半導體雷射器10，其發出的光束也沿z軸傳輸，經過光束準直透鏡3後直接從多個反射稜鏡中間的空隙12穿過，與其它被反射的光束合束。
如圖4所示，其為光束合束後的光斑形狀，圖中標號13為單管雷射器2經過光束準直透鏡、反射稜鏡後傳輸到聚焦器件-快軸聚焦柱面鏡8前面形成的光斑，圖中標號14為第二單管半導體雷射器10經過光束準直透鏡後，從多個反射稜鏡中間形成的空隙12直接傳輸到聚焦器件-快軸聚焦柱面鏡8前面形成的光斑。通過反射稜鏡對多路單管半導體雷射器發出的光的反射傳輸，可以使反射過來的光束排列成近圓形，這樣聚焦後可以使聚焦光斑更符合光纖端面形狀的分布，可以提高其耦合效率。
榮譽表彰
2016年12月7日，《一種大功率半導體雷射器光纖耦合模組》獲得第十八屆中國專利優秀獎。
