[实用新型]半导体激光装置

说明书

技术领域

本装置涉及一种将多个独立半导体激光器发出的光束经整形和重新排列后合并耦合进入一根光纤的结构，通过它可以获得高功率的光纤激光输出，属于激光和应用光学领域。

背景技术

通过光纤输出的高功率半导体激光在激光加工领域和光纤激光器、固体激光器制造领域的应用越来越广泛。通过提高单个半导体激光器的输出光功率密度，并将多个半导体激光器的输出光合并后输出是提升光纤输出半导体激光器亮度的主要方法。在现有的半导体激光器材料生长和制作工艺水平下，半导体激光器单管的功率不可能有很快的提高，因此提升光纤输出半导体激光器亮度主要靠耦合技术的改进。

常见高亮度大功率半导体激光器采用单纤输出，其光纤耦合方式有两种：一是利用半导体激光器列阵，通过整形光学系统将列阵中每个激光器的输出光准直、重新排列、合并到一起输出；另一种方式是将多个单只半导体激光器的输出光经过准直、整形、合并到一起输出。采用多个单只激光器的方案，可以对单只管芯在安装前进行筛选，并且其散热通道比列阵也更大，因此基于多个单只半导体激光器的光纤耦合方案的可靠性、一致性、灵活性均好于使用列阵。

已经有一些基于多个单只激光器的高亮度大功率半导体激光器方案。在这些方案中，通常都是先用一个小焦距的柱面透镜将半导体激光器光束在快轴方向准直，然后用一个柱面透镜准直慢轴方向，再用一定的方法将多个半导体激光器发出的光束在在快轴方向上紧密叠起来形成一个合并的准直光束，可以用聚焦透镜将这个合并光束聚焦耦合到光纤当中。

第200610149340.6号专利提供了一种技术方案，将半导体激光器沿出光方向安装到阶梯型冷却块上，各个准直光束以阶梯高度为间隔排列。这种方案的安装调试比较复杂，比较难于消除阶梯前后的激光器准直透镜之间的互相影响。

另外一类方案是在快、慢轴整形的基础上，利用多个反射镜分别将多只半导体激光器的光束偏转一个角度，使光束之间平行并且间隔尽可能地小，以实现将多光束紧密合并成一个光束，获得最高的光纤耦合效率。例如7733932号美国专利，专利号为201010174581.2、200720309495.1、200820180693.7、200720195326.X的中国专利等。

在这类使用反射镜的专利方案中，都需要使用阶梯形状热沉来安装半导体激光器，这种方式的缺点是：芯片安装到阶梯热沉上的工艺，是需要一次性完成的高精度钎焊工艺。当为了获得高功率，使用的激光器数量比较多的时候，需要特制的高精度工装夹具、非常仔细的操作和精密的钎焊流程(温度、时间、压力)控制，由非常熟练的操作人员才能完成，实际生产难度很高。

其中7733932号美国专利、201010174581.2号和200720309495.1号中国专利所描述的结构，其激光器以PN结平面平行于底板的方式安装。这种安装方式是一种比较常见的方案，但是它有一个非常明显的缺点，即它要求所有激光器经快轴准直的输出光束必须严格平行，否则就会导致光束照射到反射镜的时候并不是等间距平行排列，在经调节反射镜使反射光束成为平行光束的时候，光束就无法达到等间距紧密排列的状态，甚至难以避免某些反射光束被前方反射镜遮挡的问题，从而严重影响总的光纤耦合效率。由于快轴准直柱面透镜的焦距通常只有几百微米，因此对它的安装精度必须控制到亚微米量级才能使快轴准直的光束角度偏差在许可范围内；台阶热沉的加工精度以及激光器到热沉的安装精度也必须足够高以满足光束平行的要求。这两方面的安装精度要求在激光器数量比较多的时候非常难以实现。

在200720195326.X号和200820180693.7号专利所描述的方案中，有将激光器结平面垂直于底板放置的方案，但是两种方案都采用的是阶梯热沉，有前述的安装难度问题。而200720195326.X号专利方案采用的所有激光器共用一个慢轴准直柱面透镜的方案，还带来了更多的问题。这种方式需要所有的激光器位置都在慢轴准直柱面透镜的焦点，也就是等光程排列，所有的激光器要排列在一条在安装平面上斜着展开的直线上。当激光器数量比较多时，为了有足够的空间来排列激光器管芯，光程势必拉长，必然导致整个器件在平面两维方向上的尺度都扩大，使得器件所占面积和体积更大。光程的增加还导致光束到达柱面透镜的时候尺寸会比较大，所需要的柱面透镜的尺寸和聚焦透镜尺寸也就比较大，对成本、安装调试带来不利影响。同时，器件封装材料因环境因素所导致的形变对耦合光路稳定性的影响也更严重，对器件可靠性造成影响。这种方案由于是等光程排列，每个激光器的输出光束大小基本一致，所以更适合自由空间光输出的应用而不是光纤耦合输出的器件。