[发明专利]基于光纤传光束的大功率半导体激光器

说明书

技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光器，特别是一种基于光纤传光束的大功率半导体激光器，可广泛应用于大功率半导体激光器的制造中。

背景技术

与其它形式的激光器相比，半导体激光器具有效率高、寿命长、体积小、成本低等优点。但是，大功率半导体激光器存在以下固有缺陷：

1)大功率半导体激光器芯片的发光区是一个宽高比很大(通常超过100)的矩形区，并且在平行于PN结(通常被称为慢轴)和垂直于PN结(通常被称为快轴)两个方向上光束的发散角差别很大，光束质量差。

2)单个半导体激光器芯片发出的光较小，往往达不到使用要求，为了增加功率，通常需将很多半导体激光器芯片发出的光汇合到一起使用，而通常汇合起来的光束质量会更差。

3)半导体激光芯片可以以多种方式提供，有含有单个发光区的单管，还有含有多个发光区的一维芯片阵列(LD Bar)。由于没有有效的办法将大量单管中的光高亮度的封装在一起，目前大功率半导体激光器主要通过半导体激光器阵列的封装来实现，为了实现大功率，还有的将一维阵列叠放在一起，形成两维阵列(LD stack)。但是，由于阵列器件封装中热管理的困难，大功率激光器的寿命大幅降低。通常单管激光器的寿命大于100000小时，而阵列激光器的寿命小于10000小时。

在实际应用中，为了使用方便，半导体激光器芯片发出的光通常需要耦合到光纤中。目前有两种方法将激光器芯片发出的光耦合到光纤中去。一种方法是将每个芯片发出的光通过透镜系统基本整形到接近圆对称后直接耦合到芯径大于发光区宽度的光纤中，然后将所有光纤的出射端排列在一起输出。这种方式汇集的光束光亮度很低，目前在大功率应用中很少采用。另一种方法是：首先用透镜系统将每个芯片发出的光整形为平行光，且所有光束的传播方向相同；然后对这些平行光束进行空间位置变换，尽可能剔除各光束间无光的区域；最后用透镜系统将光束耦合到光纤中。这种方法采用的光学整形系统非常复杂，结果是价格高、耦合效率低，光束质量差。这两种技术方案属空间合束方案，在这两种技术方案中，还可以加入偏振合束和波长合束技术，进一步提高光束的功率密度。

发明内容

本发明的目的主要是提供一种能将大量激光器单管发出的光整形封装成大功率激光器的技术，这种结构的激光器将具有高光束质量、低成本和长寿命的特点；同时，这种技术也可以应用到半导体阵列激光器的光整形中，降低系统的复杂度，降低成本。

本发明的技术方案概括如下：

基于光纤传光束的大功率半导体激光器，包括N(N大于等于1)个大功率半导体激光器发光区、N个成像透镜系统及一个N×M(M大于等于1)传光束，其特征是：N×M传光束有N个输入子传光束和M个输出子传光束，N个输入子传光束为横截面为矩形的带状传光束；成像透镜系统为在两个垂直方向上焦距不同的不对称系统；每个成像透镜系统将一个半导体激光器发光区端面成像到N×M传光束的一个带状输入子传光束的端面上。

所述的N×M传光束中的每个输入子传光束为一根横截面为矩形的光导纤维。

所述的N×M传光束中的每个输入子传光束由D(D大于等于2)个光导纤维按一维结构排列而成，各光导纤维的横截面或者是矩形的，或者是方形的，或者是圆形的。

所述的成像透镜系统由两个分别在互相垂直方向上成像的一维柱面透镜系统组成，柱面透镜系统中的柱面透镜或者是圆柱面柱面透镜，或者是非圆柱面柱面透镜。

所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面快轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面短轴方向上成的像的尺寸小于该方向上光导纤维芯的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角；同时，所述的成像透镜系统使半导体激光器发光区端面慢轴方向发出的光在N×M传光束中输入带状子传光束矩形端面长轴方向上成的像的尺寸小于该方向上由最边缘光导纤维的芯确定的尺寸，并且使成的像的光束发散角的一半小于由输入带状子传光束中光导纤维数值孔径决定的接受角。

所述的N×M传光束的每个输出子传光束后面依次设置一个耦合透镜系统和一根传能光纤，耦合透镜系统将N×M传光束的每个输出子传光束发出的光耦合到一个相应的传能光纤中。

所述成像透镜系统中设置有偏振合束装置，每个成像透镜系统可以将两个半导体激光器发光区的光耦合到N×M传光束中的一个输入带状子传光束中。