一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，该光纤耦合激光器的激光光源包括m个半导体激光短巴条，每个短巴条包括在慢轴方向上的n个单管，光束经快慢轴准直后，在快轴方向上进行空间合束得到光束阵列，随后进行慢轴扩束或快轴压缩，最后经聚焦镜聚焦耦合到目标光纤中。本发明专利技术还提供一种包括多个上述光纤耦合激光器的光纤耦合激光器系统。在此基础上，提供一种优化方法，利用慢轴优先设计法确定半导体激光每个短巴条的单管数量和短巴条数目，可以最大限度优化并得到小芯径、高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器输出。
【技术实现步骤摘要】
光纤耦合激光器、光纤耦合激光器系统及其优化方法
本专利技术涉及半导体激光器领域，具体涉及一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器、光纤耦合激光器系统及其优化方法。
技术介绍
大功率半导体激光器具有体积小、效率高、寿命长等优点，在加工、医疗、军事等各个领域得到了广泛的应用，高亮度的千瓦级半导体激光器已经开始取代千瓦级光纤激光器和CO2激光器进行金属材料的切割。为了得到高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器，目前，国内外主要有三种技术路线：一种是基于高功率堆栈(stacks)辅以整形技术，比如美国专利US7860170B2中所提供的方法；一种是基于多个半导体激光长巴条(bars)辅以光学整形的方法，例如公开号为CN201199288Y的中国专利；再一种就是，基于多个半导体激光单管(emitters)或短巴条在快轴方向进行空间合束，例如公开号为WO2008/010966A2、US2007/0195850A1、US2008/0063017A1、WO2007/061515A3等国外专利，公开号为CN104836113A、CN102540472A等中国专利。上述方法再结合偏振合束和波长合束，可更进一步提高输出功率和亮度。一方面，由于堆栈封装技术的限制导致每个Bar条的指向一致性较差，因此不可避免地严重损坏了光束质量，最终的结果是输出亮度受到限制。而基于多个长巴条的技术路线，虽然通过各自的准直微透镜可调以克服巴条之间的指向性问题，但是单个长巴条的功率密度、亮度往往都不高，而且每个巴条之后常常配以整形单元，结构和优化上都较为复杂。另一方面，基于长巴条或堆栈封装的结构，存在散热难度大和smile效应，功率密度本身就受到限制。因此，基于多个半导体激光单管(emitters)或短巴条在快轴方向进行空间合束是更优的方法。而如果选用独立封装的短巴条进行快轴空间合束，则可以结合基于多个单管方法和基于独立封装的长巴条方法优点，避免各自缺点，得到高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光输出。目前，虽然有专利涉及到多个单管或短巴条的合束进行光纤耦合，但是都是完全基于快慢轴光束对称的优化原理进行的，这种方法往往并不是最优的。而本专利技术使用慢轴优先法进行优化，能够最优化选择每个短巴条所需的单管数目和在快轴合束方向上所需的短巴条数目来优化最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器。
技术实现思路
本专利技术提供一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，所述激光器包括激光光源、光学耦合装置和目标光纤；所述激光光源包括在m个半导体激光短巴条，每个半导体激光短巴条包括在慢轴方向的n个单管，其中n≥2；光学耦合装置包括与半导体激光短巴条对应的快轴准直器、慢轴准直器、合束器、光束整形器以及聚焦镜；半导体激光短巴条发出的光束依次通过快轴准直器、慢轴准直器以及合束器之后形成光束阵列，再经过光束整形器整形使得光束尺寸在快慢轴方向基本相同，最后经聚焦镜聚焦耦合到目标光纤。进一步的，每个半导体激光短巴条为独立封装。进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，为了提高合束质量，所述快轴准直器和/或慢轴准直器尽量选择对光束质量破坏小的微透镜或微透镜阵列进行快、慢轴准直，例如非球面柱透镜或非球面柱透镜阵列等。进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，选择合适焦距的微透镜对快轴准直，使得准直之后快轴方向的光束宽度d接近相邻光束的间距l。也即，追求空间光束阵列最大的快轴方向光束占空比ηfast。进一步的，对于每一个半导体激光短巴条，尽量选择合适焦距的微透镜阵列对慢轴进行准直，使得准直之后慢轴方向上的光束长度s接近相邻光束的间距q，即半导体激光短巴条中相邻单管的间距p。以追求空间光束阵列最大的的慢轴方向光束占空比ηslow。进一步的，在快慢轴准直之后，光束列阵在快慢轴方向尺寸可能相同，也可能不同。当快慢轴方向尺寸不同时，光束列阵可以在快轴方向通过缩束器或慢轴方向上通过扩束器进行光学整形，以调整光束列阵在各个方向的尺寸和发散角。进一步的，为了得到合束光束阵列，m个半导体激光短巴条可以以特定的方式安装。优选的以半导体激光短巴条平行于底板在快轴方向平行设置，再通过多个不同高度的直角反射镜进行合束，即，m个半导体激光短巴条沿其快轴方向顺序设置，合束器为m个反射镜，与m个半导体激光短巴条一一对应，在m个半导体激光短巴条的出射方向上错开设置。进一步的，在对光束列阵向目标光纤进行耦合聚焦的过程中，可以分别在快慢轴方向上设置不同的聚焦系统分别聚焦，也可以使用对称的聚焦系统在快慢轴方向同时聚焦。进一步的，所述激光光源还包括在慢轴方向设置一个或多个半导体激光短巴条。本专利技术还提供一种包括多个上述光纤耦合激光器的光纤耦合激光器系统，多个光纤耦合激光器之间采用偏振合束和/或波长合束，进一步提高光纤耦合输出的亮度和功率。本专利技术还提供一种如前所述的光纤耦合激光器或光纤耦合激光器系统的优化方法，基于多个半导体激光短巴条，按照慢轴优先的设计原则确定所需的短巴条数目以及每个短巴条所需的单管数目，通过快轴空间合束、扩束/缩束、聚焦耦合，实现高亮度、高功率的光纤耦合半导体激光器输出，包括如下步骤：1)根据目标光纤的参数，确定可接收光束的最大光束参数积BPPfiber；2)根据光纤耦合原则，确定慢轴方向上允许的最大光束参数积BPPslow；3)根据每个单管的慢轴光束参数积BPP1/slow，计算出每个半导体激光短巴条最多可容纳的单管数目nmax，根据n≤nmax确定单管数目n；4)根据计算出的n，算出此时半导体激光短巴条的实际慢轴光束参数积BPP’slow，并结合可接收光束的最大光束参数积BPPfiber，算出快轴方向上允许的最大光束参数积BPPfast；5)根据每个半导体激光短巴条的快轴光束参数积BPP1/fast，计算出快轴方向上最多可容纳的半导体激光短巴条数目mmax，根据m≤mmax确定半导体激光短巴条数量m，优选的，n＝nmax，m＝mmax。本专利技术中所涉及的光束质量方面使用M2因子来评判，M2因子的定义为：其中，ω为光束束腰，θ为光束远场发散角。而两者的乘积，称为光束参数积(beamparameterproduct，简称BPP，单位取mm·mrad)。衍射极限(或称为基模)光束的M2因子为1，而高阶模则远远大于1。典型侧向发射的半导体激光短巴条的结构如附图1a和1b所示。导体激光短巴条芯片12安装在热沉11和电极13之间，在慢轴方向生长了n个发光宽度为w、中心间距为p的单管。目前可商用的短巴条单管宽度w一般为80～100μm，中心间距p为500μm，慢轴方向发散角全角为10°，光束质量为多模。快轴方向(垂直于P-N节的方向)的发光宽度为1～2μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限。目前的商用短巴条每个单管输出光在980nm波段时功率可以达到12W。以下内容是针对慢轴优先设计方法的理论依据：对于快轴方向，由于是基模，因此其参数积BPPλ/fast为：对于常见商用的980nm波段半导体激光短巴条，快轴BPP1/fast为：而在慢轴方向，每个单管的参数积BPP1/slow为w是单管慢轴的发光长度，θslow是慢轴的发散角全角。对于常见商用的980nm波段半导体激光短巴条，每个单管发光长度为100μm、发散角全角为10本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，包括激光光源、光学耦合装置和目标光纤(27)，其特征在于：所述激光光源包括m个半导体激光短巴条(21)，每个半导体激光短巴条(21)包括在慢轴方向的n个单管，其中n≥2；光学耦合装置包括与半导体激光短巴条(21)对应的快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)、合束器、光束整形器(25)以及聚焦镜(26)；半导体激光短巴条(21)发出的光束依次通过快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)以及合束器之后形成光束阵列，再经过光束整形器(25)整形，使得光束尺寸在快慢轴方向基本相同，最后经聚焦镜(26)聚焦耦合到目标光纤(27)。
【技术特征摘要】
1.一种基于多个半导体激光短巴条的光纤耦合激光器，包括激光光源、光学耦合装置和目标光纤(27)，其特征在于：所述光纤耦合激光器基于慢轴优先设计，所述激光光源包括m个半导体激光短巴条(21)，每个半导体激光短巴条(21)包括在慢轴方向的n个单管，其中n≥2，m、n为正整数，所述每个半导体激光短巴条为独立封装；光学耦合装置包括与半导体激光短巴条(21)对应的快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)、合束器、光束整形器(25)以及聚焦镜(26)；半导体激光短巴条(21)发出的光束依次通过快轴准直器(22)、慢轴准直器(23)以及合束器之后形成光束阵列，再经过光束整形器(25)整形，使得光束尺寸在快慢轴方向相同，最后经聚焦镜(26)聚焦耦合到目标光纤(27)。2.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述快轴准直器(22)为对光束质量破坏小的微透镜或微透镜阵列，和/或所述慢轴准直器(23)为对光束质量破坏小的微透镜或微透镜阵列，其中，所述微透镜为非球面柱透镜，微透镜阵列为非球面柱透镜阵列。3.如权利要求2所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述微透镜为非球面柱透镜，或者微透镜阵列为非球面柱透镜阵列。4.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述快轴准直器(22)的焦距设置为使得准直后快轴方向上光束宽度d接近相邻光束的快轴间距l。5.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述慢轴准直器(23)的焦距设置为使得准直后慢轴方向上光束长度s接近相邻光束的慢轴间距q。6.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述光束整形器(25)为慢轴扩束器或快轴缩束器。7.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：所述聚焦镜(26)为在快慢轴方向同时聚焦的对称透镜，或者所述聚焦镜(26)为分别在快轴和慢轴方向上设置的透镜。8.如权利要求1所述的光纤耦合激光器，其特征在于：m个半导体激光短巴条(21)沿其快轴方向顺序设置，所述合束器为m个反射镜，与m个半导体激光短巴条(21)一一对应，在m个半导体激光短巴条(21)的出射方...
【专利技术属性】
技术研发人员：王锋，
申请(专利权)人：武汉凌云光电科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42
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