一种多单管半导体激光器准直合束结构制造技术

本发明专利技术涉及多单管半导体激光器的合束领域，尤其是一种利于散热和光束密排的多单管半导体激光器准直合束结构，其包括放置在平面底板上进行波长合束或偏振合束的多组准直合束单元。每组中的多个准直合束单元进行空间合束。每个准直合束单元包括斜面热沉、激光芯片组件(COS)、快轴准直透镜(FAC)、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜。通过合理地设计斜面热沉、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜的角度，可使准直合束单元输出光束的慢轴方向与平面底板的安装面平行，一组准直合束单元输出的光束相互平行且合束后光斑能在快轴方向实现无间距紧密排列。本发明专利技术结构不需要台阶，冷却均匀性和散热效率好，光束紧密排列，耦合效率高。

A Collimating Beam Structure for Multi-single-tube Semiconductor Lasers

The invention relates to the field of multi-single-tube semiconductor lasers, in particular to a multi-single-tube semiconductor laser collimating beam structure which is beneficial to heat dissipation and close arrangement of beams. The collimating beam structure comprises a plurality of groups of collimating beam units arranged on a planar bottom plate for wavelength or polarization combining. Spatial bunching is performed by multiple collimating bunching units in each group. Each collimating beam unit includes inclined heat sink, laser chip assembly (COS), fast axis collimating lens (FAC), slow axis collimating lens (SAC) and 45-degree reflector. By reasonably designing the angles of inclined heat sink, slow axis collimating lens (SAC) and 45-degree reflector, the slow axis direction of output beam of collimating beam combining unit can be parallel to the installation plane of plane bottom plate. The output beams of a group of collimating beam combining unit are parallel to each other and the spot can be arranged closely in the fast axis direction without space. The structure of the invention does not need steps, has good cooling uniformity and heat dissipation efficiency, and has compact beam arrangement and high coupling efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种多单管半导体激光器准直合束结构
本专利技术涉及多单管半导体激光器的合束领域，尤其是一种利于散热和光束密排的多单管半导体激光器准直合束结构。
技术介绍
光纤输出高功率半导体激光器，作为光纤激光器泵浦源和作为工业加工的直接光源得到了越来越广泛的应用，需求功率不断提高。光纤输出高功率半导体激光器的准直耦合结构在提高输出功率方面主要解决两方面的问题，一是提高散热效率，降低激光芯片的温升，二是实现光束密排提高耦合效率，把更多单管半导体激光器的光高效率地耦合到指定的光纤中。在提高散热效率方面，无论采用何种散热方式，缩短发热源与散热面之间的距离都是至关重要的。所谓光束密排，是指在不挡光的情况下将相同数量的光束排列在一起的时候，光束最外侧点的外接圆最小，或者在相同直径的圆中放入最多的光束。如果把单管半导体激光器准直光束的光斑等效为一个矩形，在对多单管半导体激光器准直光束进行合束时，矩形长边之间紧贴并且短边对齐排列，称为正排列，如果矩形长边紧贴但短边没有对齐，称为斜排列，对于相同的准直光束，斜排列所形成的合束光斑外接圆将大于正排列所形成的合束光斑外接圆，因此光束只有正排列才能实现密排。多单管半导体激光器准直合束结构都是由半导体激光器单芯片准直单元经空间合束、偏振合束或波长合束等方式构成，其中由一列单芯片准直单元进行空间合束组成准直合束阵列是最基本的结构，进一步提高功率可由这种准直合束阵列进行空间合束、偏振合束或波长合束来实现。由于准直合束阵列的空间合束、偏振合束和波长合束技术已经比较成熟，因此设计最优的准直合束阵列结构非常重要。准直合束阵列中的基本单元是单芯片准直单元，所以准直合束阵列的结构主要由单芯片准直单元的结构予以体现。单芯片准直单元主要由热沉、激光芯片组件(COS)、快轴准直透镜(FAC)、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜等元件构成。准直合束阵列设计的基本要求是要让一列单芯片准直单元输出的光束在快轴方向进行空间叠加形成空间合束。已有技术在设计准直合束阵列时主要采用两类方案，一类是将单芯片准直单元放置在不同的高度上形成台阶结构，将输出光束进行简单的空间叠加，这种方式能够使用最简单的单芯片准直单元结构实现光束密排，但由于不同单芯片准直单元处于不同高度，与散热面的距离有差异，当单芯片准直单元数量较多时，高度差会很大，从而产生很大的散热差异；另一类是将单芯片准直单元放置在同一个平面上，使所有单芯片准直单元与散热面的距离相同，不同单芯片准直单元之间的散热没有差异，但这样的阵列结构前面的单芯片准直单元会挡住后面单芯片准直单元的光，无法进行光束叠加，要避免挡光，一般采用两种方式，一种是让单芯片准直单元的输出光形成一定的仰角，使后一个单芯片准直单元输出的光能够越过前一个单芯片准直单元的光学元件，另一种是变换光路，让不同单芯片准直单元的输出光产生高度差。如申请号为201120534542.9和201520045376.4的技术，采用的就是台阶结构，虽然能够实现光束密排，但不同芯片距离散热面的高度依此增加，当芯片数量比较多时，高度差将很明显，会导致散热的明显差异；申请号为201310322539.4的专利技术专利，虽然所有单芯片准直单元都安装在同一个平面，但却是一种变相的台阶结构，单芯片准直单元之间不但依然存在高度差，而且还需要将单芯片准直单元的输出光进行旋转，导致合束之后的光束呈斜排列，无法实现光束密排；申请号为201510359284.8的专利技术专利，所有单芯片准直单元均放置在同一个平面，慢轴准直透镜SAC是有一定的倾角的，并且不同的SAC倾角不一样，通过不一样的倾角折射出不一样的高度差，但不同单芯片准直单元形成输出光束高度差的方式会使光斑发生弯曲，且弯曲半径各不相同的，光束之间无法紧密排列，无法实现光束密排；申请号为201110394648.8的专利技术专利，所有单芯片准直单元均放置在同一个平面，形成输出光束高度差时也不会导致光束变形，也有可能实现光束密排，但每一个发光单元都需要使用结构复杂价格昂贵的光束变换元件，并且要实现密排时光束变换元件不允许有崩边，加工难度极高，且调节难度大、对位要求非常高，成本和制作难度均大幅增加，不适合用于批量生产。对于将所有单芯片准直单元安装在同一个平面，采用让单芯片准直单元的输出光形成一定仰角的方式进行空间合束的方案，已有技术形成仰角是通过调整45度反射镜来实现，用这种方式形成仰角，单芯片准直单元输出光束的慢轴方向会发生旋转，导致准直合束阵列的合束光只能形成斜排列，无法实现光束密排。
技术实现思路
本专利技术的目的，是提供一种将所有单芯片准直单元均放置在同一个平面且能实现光束密排的低成本的新型多单管半导体激光器准直合束结构。本专利技术的具体方案如下。一种利于散热和光束密排的多单管半导体激光器准直合束结构，由平面底座和安装在平面底座安装面上的多组准直合束单元构成，多组准直合束单元能够进行波长合束或偏振合束。每组准直合束单元中的多个准直合束单元进行空间合束。每个安装在平面底座安装面上的准直合束单元，包含单芯片激光发射组件(COS)、斜面热沉、快轴准直透镜(FAC)、慢轴准直透镜(SAC)和45度平面反射镜等。斜面热沉设置有一个斜焊接面，激光芯片组件就焊接在该斜焊接面上。激光芯片组件发出的激光经快轴准直透镜进行快轴准直和慢轴准直透镜进行慢轴准直后，由45度反射镜反射输出。输出的光束与平面底座间有一定的仰角。通过合理地设计斜面热沉、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜之间的角度，能够调节激光芯片组件慢轴方向的旋转角度，从而补偿由于调整45度反射镜形成仰角所导致的慢轴方向发生的旋转，使输出的光束的慢轴方向与平面底板的安装面平行而光束传输方向与平面底座间有一定的仰角，，一组准直合束单元输出的光束相互平行且合束后光斑能够在快轴方向实现无间距紧密排列。将激光芯片组件发出的激光经快轴准直和慢轴准直后所形成的光束称为发射光束，发射光束的传输方向称为发射方向，发射光束的快轴方向称为发射快轴方向，发射光束的慢轴方向称为发射慢轴方向；将发射光束经45度反射镜反射后的激光束称为输出光束，输出光束的传输方向称为输出方向，输出光束的快轴方向称为输出快轴方向，输出光束的慢轴方向称为输出慢轴方向；所有单芯片准直单元均安装在底座安装面，设置底座安装面的法线方向为Y轴方向，发射方向为Z轴方向，X轴方向按右手法则由Z至Y确定；设置斜面热沉斜焊接面的法线方向为Yh轴方向，发射方向为Zh轴方向，Xh轴的方向按右手法则由Zh至Yh确定；设置慢轴准直透镜的柱面轴为Ys轴方向，发射方向为Zs轴方向，Xs轴的方向按右手法则由Zs至Ys确定；设置45度反射镜反射面法线方向为Zr轴方向，反射面的高度方向设为Yr轴方向，Xr轴方向按右手法则由Zr至Yr确定；设置Xh轴方向与X轴方向的夹角为A1，Ys轴方向与Y轴方向之间的夹角为A2，Xr轴方向与Xz平面之间的夹角为A3，Zr轴方向与XZ平面之间的夹角为A4，发射慢轴方向与XZ平面之间的夹角为A5，输出慢轴方向与XZ平面之间的夹角为A6，输出方向与XZ平面之间的夹角为A7，A7为准直合束单元输出光束的仰角。由于激光芯片组件焊接在斜面热沉的斜焊接面上，因此发射慢轴方向与Xh轴方向平行，即A5＝A1，调节A1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种利于散热和光束密排的多单管半导体激光器准直合束结构，由平面底座和安装在平面底座安装面上的多组准直合束单元构成，每个准直合束单元包含单芯片激光发射组件(COS)、热沉、快轴准直透镜(FAC)、慢轴准直透镜(SAC)和45度平面反射镜，平面底座的安装面为一个平面，其特征是：热沉为斜面热沉，斜面热沉设置有一个斜焊接面，单芯片激光芯片组件焊接在该斜焊接面上，准直合束单元通过合理地设计斜面热沉、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜之间的角度，能够调节激光芯片组件慢轴方向的旋转角度，从而补偿由于调整45度反射镜形成仰角所导致的慢轴方向发生的旋转，能够使输出光束的慢轴方向与平面底板的安装面平行而光束传输方向与平面底座间有一定的仰角，一组准直合束单元输出的光束相互平行且合束后光斑能够在快轴方向实现无间距紧密排列。

【技术特征摘要】
1.一种利于散热和光束密排的多单管半导体激光器准直合束结构，由平面底座和安装在平面底座安装面上的多组准直合束单元构成，每个准直合束单元包含单芯片激光发射组件(COS)、热沉、快轴准直透镜(FAC)、慢轴准直透镜(SAC)和45度平面反射镜，平面底座的安装面为一个平面，其特征是：热沉为斜面热沉，斜面热沉设置有一个斜焊接面，单芯片激光芯片组件焊接在该斜焊接面上，准直合束单元通过合理地设计斜面热沉、慢轴准直透镜(SAC)和45度反射镜之间的角度，能够调节激光芯片组件慢轴方向的旋转角度，从而补偿由于调整45度反射镜形成仰角所导致的慢轴方向发生的旋转，能够使输出光束的慢轴方向与平面底板的安装面平行而光束传输方向与平面底座间有一定的仰角，一组准直合束单元输出的光束相互平行且合束后光斑能够在快轴方向实现无间距紧密排列。2.根据权利要求1所述的多单管半导体激光器准直合束结构，其特征是：设置底座安装面的法线方向为Y轴方向，发射方向为Z轴方向，X轴方向按右手法则由Z至Y确定；斜面热沉斜焊接面的法线方向为Yh轴方向，发射方向为Zh轴方向，Xh轴的方向按右手法则由Zh至Yh确定；慢轴准直透镜的柱面轴为Ys轴方向，发射方向为Zs轴方向，Xs轴的方向按右手法则由Zs至Ys确定；45度反射镜反射面法线方向为Zr轴方向，反射面的高度方向设为Yr轴方向，Xr轴方向按右手法则由Zr至Yr确定；Xh轴方向与X轴方向的夹角为A1，Ys轴方向与Y轴方向之间的夹角为A2，Xr轴方向与Xz平面之间...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍峰，徐海军，牛奔，陈欣，许晶晶，韩琼，
申请(专利权)人：北京热刺激光技术有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11