一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法技术

一种慢轴优先半导体激光器及其制造方法，通过慢轴优先设计，在快轴方向上进行空间合束，从而得到大功率高亮度的光纤耦合半导体激光器输出。慢轴优先设计时，根据BPPs2≤BPP2max/2计算出最大单管数nmax，根据计算出的nmax，反算出此时短巴条慢轴光束参数积BPPs，结合耦合光纤的最大BPPmax，根据计算出快轴方向上最大光束参数积BPPf，从而反算出快轴方向上最大巴条数mmax。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体激光器光纤耦合
，尤其涉及一种大功率高亮度慢轴优先光纤耦合半导体激光器及其制造方法。
技术介绍
大功率半导体激光器由于其体积小、重量轻、效率高、寿命长、光谱线窄等优点，在加工、医疗、泵浦、相控、军事等各个领域得到了广泛的应用，近年来，在激光加工领域，已经尝试采用大功率高亮度的千瓦级半导体激光器取代千瓦级光纤激光器和CO2激光器进行金属材料的切割。为了得到大功率高亮度的光纤耦合半导体激光器，目前国际上主要有三种技术路线。一种是基于大功率堆栈技术，一种是基于多个长巴条技术，一种是基于多个单管技术。对于大功率堆栈技术而言，由于受限于堆栈封装技术，每个巴条的指向一致性差，严重影响了光束质量，亮度大大受到抑制。而对于基于多个长巴条技术而言，虽然克服了巴条的指向性问题，但其需要对光束进行整形，需要辅以整形单元，所以结构上变复杂，对称光束质量设计变复杂。所以，越来越多的研究者选择采用基于多个单管进行快轴空间合束的技术实现大功率高亮度。然而，现有技术中，对于基于多个单管或短巴条的合束进行光纤耦合的技术，基本上都是基于快慢轴对称光束质量进行设计。但是，经过本申请团队研究发现，这种设计还存在优化的可能。在简化结构的基础上，还能够进一步提高发光亮度，本专利技术正是提供这样一种基于多个单管或短巴条半导体激光器，通过慢轴优先设计，最优化选择单管数量和快轴合束方向上短巴条数量来实现最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器。对于如上所述的光束质量而言，通常采用M2因子来评判。M2因子指的是实际光束的束腰半径乘以实际光束的远场发散角(或者基膜高斯光束的束腰半径乘以基膜发散角)，而在某个方向上的光斑半径乘以该方向上远场发散角的乘积通常用光束参数积BPP(beamparameterproduct，简称BPP，单位常常取mm·mrad)表示。光束参数积衍射极限(或称为基模)光的M2因子为1，高阶模则远远大于1。目前市售短巴条发光宽度一般为80～100μm，中心间距为500μm，发散角全角为10°，光束质量为多模。快轴方向的发光宽度为1～2μm，发散角全角为40°，光束质量为衍射极限。对于半导体激光器，通常规定垂直于pn结平面方向为快轴方向，平行于pn结平面方向为慢轴方向。对于快轴方向，由于是基模，因此其快轴参数积BPPf为λ/π，λ为光束波长。对于常用980nm短巴条半导体激光器的单管，其慢轴方向的光束质量比快轴差了至少一个数量级。即，其慢轴的光束质量相当于十多个单管在快轴方向上的叠加。对于耦合光纤，设光纤半径为r，对应的接受角为α，则理论上可耦合进光纤的最大光束参数积BPPmax为rα。对于合束的激光光束阵列，光束阵列的合束光束参数积BPPspot与快轴光束参数积BPPf和慢轴光束参数积BPPs形成椭圆关系，即：，根据光束阵列的光束参数积BPPspot不大于光纤的最大光束参数积BPPmax的光纤耦合原则，满足BPPspot≤BPPmax的关系。现有技术中，此时，基本上都是按照快轴、慢轴对称的方式对快轴和慢轴方向上可容纳的单管数进行设计的，即BPPs2≤BPP2max/2，BPPf2≤BPP2max/2，然后根据该公式反算出快轴可容纳的单管数量。然而，根据该计算方式计算出的单管数量往往很粗糙，其并非最优配置结果。以上述常用980nm短巴条半导体激光器的单管为例，由于合束光束阵列的慢轴光束参数积BPPs只能是单管的慢轴光束参数积BPPs0的整数倍。单管慢轴光束参数积BPPs0约为4.37mm·mrad，而对于芯径为100μm，孔径为0.22的耦合光纤，其可接受最大光束参数积BPPmax为11mm·mrad，因此快慢轴最大的光束参数积BPPf、BPPs可以达到然而，在这样的设计中，单管慢轴方向只能有一个单管，此时可选择的光束阵列的慢轴光束参数积BPPs只能是4.37mm·mrad，远小于按照对称方式计算的如果仍然按照对称方式设计，则快轴也选择此时的光束阵列的光束参数积BPPspot只能为：远小于光纤的最大光束参数积BPPmax＝11mm·mrad，因此此设计并非最优化设计，存在很大提升空间。此时，如果在根据BPPs2≤BPP2max/2原则下结合每个单管的慢轴光束参数积BPPso确定慢轴单管个数然后确定合束光束的慢轴光束参数积BPPs后，我们在快轴方向上如果不按对称原则计算快轴的BPPf，而是按照椭圆关系：来确定，就可以选择更大的BPPf。这就意味着在快轴方向上能够容纳更多的单管激光器，从而提高光纤输出的亮度和功率。这就是我们专利技术团队提出的慢轴优先设计法的核心思想。还以上述常用980nm短巴条半导体激光器的单管为例，还是选用上述100μm/0.22的耦合光纤，如果用对称设计法，光束阵列快轴的最大光束参数积BPPf为7.77mm·mrad，而使用上述慢轴优先法设计得到的光束阵列快轴的最大光束参数积BPPf远大于7.77，为此时快轴方向可以排列更多的单管，从而提高光纤输出的亮度和功率。
技术实现思路
鉴于上述技术问题，本专利技术目的在于提供一种结构简单、实现最高亮度和功率的光纤耦合半导体激光器及其制造方法。具体的，本专利技术提供一种光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，提供激光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数)个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器构成，每个短巴条半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数)个单管半导体激光器，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜、慢轴准直镜和平板玻璃，所述短巴条半导体激光器发射的激光束经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃上的反射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜和耦合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经过快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜后射入耦合光纤；其中，所述单管半导体激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直镜设置于单管半导体激光器的出射端，所述m个短巴条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述n个单管半导体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平高度，对于给出的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，提供激光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数)个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器构成，每个短巴条半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数)个单管半导体激光器，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜、慢轴准直镜和平板玻璃，所述短巴条半导体激光器发射的激光束经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃上的反射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜和耦合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经过快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透镜后射入耦合光纤；其中，所述单管半导体激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直镜设置于单管半导体激光器的出射端，所述m个短巴条半导体激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述n个单管半导体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平高度，对于给出的耦合光纤，根据其芯径和孔径，确定其可接收光束的最大光束参数积BPPmax，根据BPPs2≤BPP2max/2,计算出慢轴方向上最大光束参数积BPPs，并且根据短巴条里的每个单管激光器慢轴方向的光束参数积BPPs0，计算出每个短巴条半导体激光器最大单管数量nmax，根据计算出的nmax，反算出此时短巴条的慢轴实际光束参数积BPPs，结合所述耦合光纤的最大光束参数积BPPmax，计算出快轴方向上最大光束参数积BPPf，根据该快轴方向上最大光束参数积BPPf，以及每个短巴条在快轴方向的光束参数积BPPf0，反算出快轴方向上最大巴条数mmax。...

【技术特征摘要】
1.一种光纤耦合半导体激光器的制造方法，其特征在于，
提供激光光源，该激光光源由m(m为大于等于2的正整数)
个安装在阶梯状热沉上的短巴条半导体激光器构成，每个短巴条
半导体激光器含有n(n为大于等于2的正整数)个单管半导体
激光器，通过所述激光光源发射激光；提供快轴准直镜、慢轴准
直镜和平板玻璃，所述短巴条半导体激光器发射的激光束经过所
述快轴准直镜和所述慢轴准直镜后，射入粘接于平板玻璃上的反
射棱镜上，经过所述反射棱镜的反射，在快轴方向上进行空间合
束，成为一个光束阵列；提供快轴缩束器、慢轴扩束器、聚焦透
镜和耦合光纤，所述反射棱镜反射的光线先后经过快轴缩束器、
慢轴扩束器、聚焦透镜后射入耦合光纤；其中，所述单管半导体
激光器和快轴准直镜以及慢轴准直镜一一对应放置，并且，准直
镜设置于单管半导体激光器的出射端，所述m个短巴条半导体
激光器随着热沉阶梯状排列而呈阶梯状排列，所述n个单管半导
体激光器位于同一水平高度，反射棱镜和单管半导体激光器一一
对应放置，反射棱镜和其对应的单管半导体激光器位于同一水平
高度，对于给出的耦合光纤，根据其芯径和孔径，确定其可接收
光束的最大光束参数积BPPmax，根据BPPs2≤BPP2max/2,计算出慢
轴方向上最...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯绪华，
申请(专利权)人：侯绪华，
类型：发明
国别省市：广东;44