[发明专利]用于传递辐射的光导以及制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于传递辐射，尤其是高功率二极管激光器的辐射的光导，以及用于制造该光导的方法。

背景技术

高功率二极管激光器通常由一个或多个所谓的激光棒组成，其中，每个激光棒具有多个带有呈狭缝状的光耦出面的发射极，所述发射极沿着半导体结并排布置在激光棒上。单个的发射极沿半导体结方向，即沿所谓的快轴线方向，具有很小的仅约为1μm并且平行于半导体结的膨胀，沿所谓的慢轴线，具有典型为100μm至200μm的膨胀。发射的辐射就半角而言沿快轴线具有典型为20°至30°的发散角，沿慢轴线则具有明显更小的、典型为5°的发散角。

有广泛的现有技术用于将半导体激光耦入光导内。所有方案都是为了如下目标，即，以尽可能小的耦合损失以及在尽可能好地保持光束质量的情况下，将半导体激光器发出的辐射耦入到一根或多根纤维中，其中，光束质量可以通过光束直径和发散度的乘积，即所谓的光束参数乘积来描述。光束质量描述了激光器的辐射可以聚焦得有多好以及对大多数应用起着关键作用。光束质量越高，光束参数乘积就越小，反之亦然。

按照基本的物理学定律，光束参数乘积从不会变小，即使通过光学元件或其它器具也不会变小。与此相应地，光束质量无法得到改善。但尤其在光束导引和光束成形时，利用非成像的光学元件可以降低光束质量。基于发射极的呈狭缝状的形状以及沿慢轴线和快轴线的不同的光束发散度，在尽可能好地保持光束质量的情况下将发射的辐射耦入到光学纤维中是一项高要求的任务，尤其是光学纤维通常具有圆形的横截面形状。

在将半导体激光器的发散的辐射耦入到光学纤维中时，选用带有足够大的数值孔径(NA)的纤维类型，该纤维类型可以吸收所有辐射。在此，NA说明将由纤维传递的光束相对于纤维轴线的最大半角的正弦。激光辐射沿快轴线为20°-30°的半角对应于0.34至0.5的NA，慢轴线的半角对应于0.09的NA。

在将激光辐射耦入到光学纤维(这些光学纤维沿快轴线具有比激光辐射的NA小的NA)中时，例如耦入到带有0.22的NA的标准石英纤维中时，在耦入前，需要沿快轴线对激光辐射准直，这例如通过引入微透镜尤其是柱面透镜，或可以通过非成像的透镜，例如通过带有沿光传播方向加宽的横截面例如呈锥形的横截面的光导棒来进行。若没有沿快轴线对辐射进行准直，那么仅激光辐射的一部分在纤维的NA内导引。激光辐射的以较大的孔径角耦入到纤维内的那部分从纤维中耦出并且可能导致光学耦入端的热损伤进而损毁。

作为备选，也可以使用带有足够高的NA的纤维，这些纤维可以吸收所有的激光光束。在这种情况下，容忍了半导体激光器的大发散度。这种解决方案的有利之处在于，在这种情况下可以舍弃昂贵的微透镜和微透镜的定位，并且纤维可以直接联接到发射极上。在这种情况下，也可以考虑对接联接(stumpfer Kopplung)。例如在DE 102005057617A1中可找到相应的实施方案，其中，这种解决方案此外特征在于，为每个发射极分配多根纤维。除了对接联接外，这种实施方案的特征还在于，将辐射耦入到融合的纤维束中，也就是说，光学纤维在耦入面中形状锁合地(formschlüssig)相互连接。通过纤维的融合，一方面提高了耦合效率，因为去除了纤维之间的纤维间隙的面部分，另一方面则避免了在耦入面区域内使用粘合物质，粘合物质由于高功率半导体激光器的高功率密度而被禁用。

此外，为了不非必要地降低光束质量而重要的是，引导带有尽可能小的光束直径激光光束，也就是说，耦入到带有尽可能小的导光横截面面积的光导中。例如在US 4,763,975中存在一种方案，在该方案中，将唯一一个耦合元件定位在带有多个发射极的整个激光棒之前，该耦合元件具有长的椭圆形的光耦入面和圆形的耦出面。在这个方案中，激光光束的横截面面积被明显且不可逆转地扩大，因为涉及一种非成像的透镜。由此，光束质量大幅下降。此外，还存在如下方案，在该方案中，为每个发射极分配带有圆形的横截面造型的单根纤维。因为纤维直径在这种情况下必须对应于发射极宽度选择为相对较大，所以这种方案的特征在于，合计的纤维横截面面积相对于所有发射极的横截面面积而大幅扩大，进而其特征同样在于光束质量的下降。在另一种就横截面积而言有所改进的实施方式中，为每个发射极分配一个矩形单根纤维(US 5,629,997)。但在这种矩形单根纤维的情况下，带有足够大的NA的矩形纤维的可用性是个问题，此外，单根纤维在发射极前的定位与很大的费用相联系。