《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》是王鋒於2013年6月18日申請的專利，該專利的公布號為CN103326237A，公布日為2013年9月25日，發明人是王鋒。該發明涉及半導體雷射器技術領域。
《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》所述二維堆疊是由n個巴條在快軸方向上平行封裝而成，每個巴條含有m個半導體雷射單元，n、m均為≥1的自然數，在去死區後，根據雷射器的目標光束積參數來決定所需的巴條的數目n和每個巴條含有半導體雷射單元的數目m以使得半導體雷射器二維堆疊的慢軸方向上的光束質量和二維堆疊的快軸方向上的光束質量大約相當，即光束質量在兩個方向上直接是對稱的，不再需要整形光學系統。依據該發明的設計方法，可以直接得到光束質量對稱的、高光束質量的大功率半導體雷射器，在進行光纖耦合或聚焦時，將不再需要複雜的光學整形系統，直接使用簡單的聚焦光學即可，使得整個系統變得簡單、高效。
2017年12月11日，《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法
- 申請人：王鋒
- 申請日：2013年6月18日
- 申請號：201310241846X
- 公布日：2013年9月25日
- 公布號：CN103326237A
- 發明人：王鋒
- 地址：湖北省武漢市東湖高新開發區東一產業園高新三路6號武漢凌雲光電科技有限責任公司
- 分類號：H01S5/06(2006.01)I
- 代理機構：武漢楚天專利事務所
- 代理人：孔敏
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,改善效果,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
大功率半導體雷射器由於其體積小、效率高、壽命長等優點，在加工、醫療、軍事等各個領域得到了廣泛的套用。尤其是，高亮度的千瓦級半導體雷射器已經顯現出取代千瓦級光纖雷射器和CO2雷射器進行金屬材料的焊接。更高亮度的半導體雷射器可以直接用於材料的切割。
2013年前，圍繞著得到光亮度、高功率的光纖雷射器，基於偏振耦合和波長耦合，中國國內外發展出了多種耦合合束技術。例如申請號為201010597864.8的中國發明專利中，提供了使用雙波長耦合然後偏振耦合實現四個半導體雷射陣列合束的方法。申請號為200910207824.5的中國發明專利中提供了一種多單管光束空間平行排布的光纖耦合方法。申請號為200810051211.2的中國發明專利中提出了通過偏振耦合和波長耦合實現四個半導體雷射器的合束。申請號為201010174581.2的中國發明專利中提供了一種基於同一波長的不同偏振態結合空間平行排列實現多個單管雷射器的光纖耦合結構。很顯然，上述提到的或類似的發明中，所使用的都是多個單管或多個半導體雷射列陣的耦合和合束，因此最終得到的雷射功率和光束質量取決於所使用的半導體雷射單元的雷射功率和光束質量。
如何得到高功率、高光束質量的半導體雷射單元方面，2013年前的通用方法是基於半導體雷射一維巴條（diodelaserbar），結合光學整形技術（beam-shaping）或稱為光束重排技術（beamre-arrangement），得到光束質量對稱的雷射輸出。這種方法的功率受限於單個巴條的功率，一般只有數十瓦。另一種方法是類似於申請號為200910207824.5的發明專利和200310118154.2的發明專利，即使用多個單管進行空間平行排布然後聚焦耦合。這種方法的功率受限於可排布的單管數目，一般也只有數十瓦。
得到千瓦級雷射輸出，最便捷的方式是多個一維巴條在另一個方向上並列封裝，及所謂的二維堆疊（Stack）。典型的巴條結構和發光特性如圖1所示。巴條是由多個間距500微米的邊沿發射的半導體雷射單元11組成的，2013年前商用的基本是小於10毫米的排布。每個半導體雷射單元11在慢軸方向上（平行於p-n節的方向）的發光長度為150微米，發散角全形為10°。相鄰的發光單元之間不發光的區域稱為暗區或死區（Deadarea）12，圖1中死區12長度為350微米。快軸方向（垂直於p-n節的方向）的發光寬度為1～2微米，發散角全形為40°，光束質量為衍射極限。
圖2是一個典型的二維堆疊的結構示意圖。每個巴條之間的間距為d＝1.7-1.8毫米（圖中所示為1.7毫米），因此在此方向上的死區距離也是約1.7-1.8毫米。可見，對於典型的巴條和堆疊，快軸和慢軸方向上的光束質量差異很大，且死區的存在極大地惡化了光束質量。因此，無法用常規的成像光學來得到高光束質量、高功率的雷射輸出。
光束質量常常用M因子來表征：
其中，λ為波長，ω為束腰，θ為發散角（半角）。BPP＝ωθ為光束積參數（beamparameterproduct）。可見，對於特定的波長，光束質量可以用光束積參數BPP來表征。
對於圖1中顯示的巴條中的單個半導體雷射單元11，在慢軸方向上的BPP約為：
而具有衍射極限的光束質量的980納米的快軸的BPP為：
常用得到數百瓦以上高光束質量的半導體雷射輸出的思路有兩種：一種是基於常規封裝的二維堆疊，在快慢軸準（去除死區）之後，使用複雜的光學整形系統進行整形重排，使得快慢軸的光束質量對稱。困難是所需的整形重排系統非常複雜，難以加工，且體積龐大、調節困難；另一種思路是使用多個獨立的巴條，各自輔以整形重排系統，再進行合束。此體統依然存在器件過多、體積龐大、調節困難等弱點。
發明內容
專利目的
《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》的目的在於解決2013年6月之前的的有關高功率高光束質量的半導體雷射器的方案的缺陷，提供一種光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，在快慢軸準（去除死區）之後無需使用複雜的光學整形系統進行整形重排，可以通過簡單的聚焦光學實現高亮度、大功率的光纖耦合輸出，結構簡單、加工容易。
技術方案
《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》所述二維堆疊是由n個巴條在快軸方向上平行封裝而成，每個巴條含有m個半導體雷射單元，其中n、m均為≥1的自然數，在去死區後，根據雷射器的目標光束積參數來決定所需的巴條的數目n和每個巴條含有半導體雷射單元的數目m以使得半導體雷射器二維堆疊的慢軸方向上的光束質量和二維堆疊的快軸方向上的光束質量大約相當，即光束質量在兩個方向上直接是對稱的，不再需要整形光學系統。
進一步地，巴條的數目n為雷射器的目標光束積參數除以單個巴條的快軸的光束積參數再乘以快軸去死區效率，每個巴條所含的半導體雷射單元的數目m為雷射器的目標光束積參數除以單個半導體雷射單元的慢軸的光束積參數再乘以慢軸去死區效率。
進一步地，快軸去死區採用快軸準直透鏡或含多個快軸準直器的光學準直透鏡陣列。進一步地，快軸去死區採用採取非球面設計，且從每個快軸準直鏡的出射的光束寬度儘量接近相鄰巴條的間距以獲得最小的發散角，從而得到最大的快軸去死區效率。進一步地，慢軸去死區採用含多個慢軸準直器的光學準直透鏡陣列。
進一步地，慢軸去死區採取非球面設計，且從每個慢軸準直鏡的出射的光束寬度儘量接近相鄰兩個半導體雷射單元之間的間距以獲得最小的發散角，從而得到最大的慢軸去死區效率。進一步地，也可以輔以其它的去死區裝置達到有效去死區的目的，如梯形反射鏡陣列，以得到最佳的去死區效果。該發明所採用的快軸準直光學透鏡陣列和慢軸準直光學透鏡陣列也可以進一步集成為一片快慢軸準直透鏡陣列。
改善效果
依據《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》的設計方法，可以直接得到光束質量對稱的、高光束質量的大功率半導體雷射器，在進行光纖耦合或聚焦時，將不再需要複雜的光學整形系統，直接使用簡單的聚焦光學即可，使得整個系統變得簡單、高效。此雷射器結合偏振耦合和波長耦合，可以很方便地得到高光束質量（例如25毫米·mrad）的數千瓦級的雷射輸出，亦可方便地實現小芯徑光纖輸出。
附圖說明
圖1是常見的半導體雷射一維巴條結構和發光特性示意圖，其中單個半導體雷射單元的慢軸發光長度為150微米，發散角全形為10°。半導體雷射單元快軸方向的發光寬度為1-2微米，發散角全形為40°。相鄰半導體發光單元的間距為500微米；
圖2是常見的半導體雷射二維堆疊的結構示意圖；
圖3是該發明的光束質量對稱的高功率、高光束質量的半導體雷射器二維堆疊結構示意圖；
圖4是快慢軸準直去死區光學系統的示意圖，其中，圖4（a）是平面圖，圖4（b）是立體圖。
圖中：10-巴條，11-半導體雷射單元，12-死區，20-封裝模組。
權利要求
1.《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》所述二維堆疊是由n個巴條在快軸方向上平行封裝而成，每個巴條含有m個半導體雷射單元，其中n、m均為≥1的自然數，其特徵在於：在去死區後，根據雷射器的目標光束積參數來決定所需的巴條的數目n和每個巴條含有半導體雷射單元的數目m，以使得半導體雷射器二維堆疊的慢軸方向上的光束質量和二維堆疊的快軸方向上的光束質量大約相當，即光束質量在兩個方向上直接是對稱的，不再需要整形光學系統。
2.如權利要求1所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，其特徵在於：巴條的數目n為雷射器的目標光束積參數除以單個巴條的快軸的光束積參數再乘以快軸去死區效率，每個巴條所含的半導體雷射單元的數目m為雷射器的目標光束積參數除以單個半導體雷射單元的慢軸的光束積參數再乘以慢軸去死區效率。
3.如權利要求1所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，其特徵在於：快軸去死區採用快軸準直透鏡或含多個快軸準直器的光學準直透鏡陣列。
4.如權利要求3所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，其特徵在於：快軸去死區採用採取非球面設計，且從每個快軸準直鏡的出射的光束寬度儘量接近相鄰巴條的間距以獲得最小的發散角，從而得到最大的快軸去死區效率。
5.如權利要求1所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二 維堆疊設計方法，其特徵在於：慢軸去死區採用含多個慢軸準直器的光學準直透鏡陣列。
6.如權利要求5所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，其特徵在於：慢軸去死區採取非球面設計，且從每個慢軸準直鏡的出射的光束寬度儘量接近相鄰兩個半導體雷射單元之間的間距以獲得最小的發散角，從而得到最大的慢軸去死區效率。
7.根據權利要求3-6中任一權利要求所述的光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法，其特徵在於：去死區時可以輔以梯形反射鏡陣列，以得到最佳的去死區效果。
實施方式
《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》該二維堆疊是由n（n為≥1的自然數）個巴條10在快軸方向上平行封裝而成。每個巴條10含有m（m為≥1的自然數）個半導體雷射單元11組成。設計原則是：在去死區（deadarea）後，半導體雷射器二維堆疊的慢軸方向上的光束質量和二維堆疊的快軸方向上的光束質量大約相當，在進行光纖耦合或聚焦時，將不再需要複雜的光學整形系統，直接使用簡單的聚焦光學即可。
巴條10的數目n取決於雷射器的目標光束質量和單個巴條10的快軸的光束質量以及巴條10之間的死區12的去死區效率，進一步地，所需巴條10的數目n為雷射器的目標光束積參數（BPPstack）除以單個巴條的快軸的光束積參數（VPPfast）再乘以快軸去死區效率（ηfast），即
。
每個巴條10所含的半導體雷射單元11的數目m取決於雷射器的目標光束質量和單個半導體雷射單元慢軸的光束質量以及巴條的半導體雷射單元之間的死區的去死區效率，進一步地，每個巴條10所含的半導體雷射單元11的數目m為雷射器的目標光束積參數（BPPstack）除以單個半導體雷射單元的慢軸的光束積參數（BPPslow）再乘以慢軸去死區效率（ηslow），即
。
在其中一個實施例中，如果其目標是設計出快慢軸方向的光束積參數（BPPstack）不大於30毫米·mrad的、波長980納米的500瓦半導體雷射二維堆疊，則由圖1所示的典型一維巴條結構圖可知，單個半導體雷射單元在快軸和慢軸方向上的光束積參數分別為：；
。
一般來說，使用如圖4所示的常用的快慢軸準直陣列，快軸去死區的效率可達70％，慢軸去死區效率大於50％，即ηfast＝70％，ηslow＝50％。
因此，所需要的巴條數n為：
每個巴條所含的半導體雷射單元數m為：
因此，可以得到如圖3所示的結構設計，即使用67個相距1.8毫米的一維巴條10，每個巴條10含有2個發光長度為150微米、間距500微米的半導體雷射單元11，結合常規的、非球面設計的快慢軸準直去死區陣列，即可得到快慢軸的光束積參數都不大於30毫米·mrad的半導體雷射二維堆疊。
常見的上述的單個半導體雷射單元的發光功率Ps不小於4瓦，則此二維堆疊可輸出的總雷射功率為：P＝mnPs＝67×2×4＝536瓦。
可見，按照該發明的設計方法，可以方便地設計出光束積參數不大於30毫米·mrad的、波長980納米的500瓦半導體雷射二維堆疊。使用簡單的聚焦系統，就可以實現芯徑300微米、數值孔徑0.22的光纖輸出。結合波長耦合和偏振耦合，可以方便地實現數千瓦的300微米的光纖輸出。
榮譽表彰
2017年12月11日，《光束質量對稱的高功率半導體雷射器二維堆疊設計方法》獲得第十九屆中國專利優秀獎。
