一種多波長高功率半導體雷射器的製作方法
2023-09-20 17:56:10 1
本申請屬於雷射技術領域，具體地說，涉及一種多波長高功率半導體雷射器。
背景技術：
半導體雷射器具有電光效率高、體積小、壽命長、價格低等優點，在工業、醫療、軍事等領域應用的越來越廣泛，隨著應用需求提升高功率以及高亮度的半導體雷射器成為發展趨勢。在光纖雷射器泵浦應用中，作為激勵源其輸出功率水平直接限制了光纖雷射器輸出功率水平，為得到更高功率的雷射輸出需要高功率的半導體雷射器進行激勵。
目前實現半導體雷射器的高功率輸出主要採用兩種方式，一種是對多個單晶片輸出的雷射進行整形聚焦，反射鏡結構對傳輸光路進行偏轉，最後聚焦耦合進入光纖，由於採用光路轉折將多個晶片輸出光偏轉到一個平面才能聚焦到光纖輸出，限制了晶片個數的進一步增加無法實現更高功率的輸出。另一種方法是採用巴條的堆棧結構，經過自由空間光學透鏡結構實現光束整形，最後耦合聚焦到光纖輸出，採用該方式能得到較高功率的雷射輸出，但為實現雷射尾纖輸出其光學整形系統設計複雜，對光學結構的精細度要求極高，增加了雷射器設計及調試的難度，同時難以得到高光束質量雷射輸出，在一定程度上限制了其應用。
技術實現要素：
有鑑於此，本申請所要解決的技術問題是提供了一種多波長高功率半導體雷射器，通過兩組不同波長的雷射系統經波長合束器實現光的疊加輸出，實現高功率、高光束質量雷射輸出。
為了解決上述技術問題，本申請公開了一種多波長高功率半導體雷射器，其包括：具有第一雷射晶片的第一雷射系統；具有與第一雷射晶片不同輸出波長的第二雷射晶片的第二雷射系統；將第一雷射系統與第二雷射系統輸出的光束進行疊加耦合，實現尾纖輸出的雷射合束系統；以及面向雷射合束系統的光纖；其中，第一雷射系統與第二雷射系統包括分別面向第一雷射晶片與第二雷射晶片的柱透鏡、非球面鏡及反射鏡；雷射合束系統包括接收第一雷射系統的第一輸出光的全反射鏡、面向全反射鏡且接收第二雷射系統的第二輸出光的波長合束器、及非球面聚焦透鏡，其中波長合束器將第一輸出光與第二輸出光進行疊加耦合輸出，非球面聚焦透鏡將疊加後的光聚焦到光纖端面，實現尾纖輸出。
根據本發明的一實施方式，其中上述第一雷射晶片與第二雷射晶片焊接於階梯熱沉，階梯熱沉成階梯狀。
根據本發明的一實施方式，其中上述第一雷射晶片與第二雷射晶片設置為多個，且分別排列於階梯熱沉。
根據本發明的一實施方式，其中上述第一雷射系統與第二雷射系統的柱透鏡、非球面鏡鍍有與第一雷射晶片及第二雷射晶片出射波長匹配的高透過率膜層。
根據本發明的一實施方式，其中上述第一雷射系統與第二雷射系統的反射鏡鍍有與第一雷射晶片及第二雷射晶片出射波長匹配的全反射膜層，且反射鏡在階梯熱沉上成預定高度差排列，任一反射鏡不遮擋其他反射鏡反射光束的傳播。
根據本發明的一實施方式，其中上述波長合束器由體布拉格光柵結構構成，兩束波長不同的雷射光斑重疊並呈布拉格共軛角入射到布拉格光柵上，實現兩束光的疊加輸出。
根據本發明的一實施方式，其中上述非球面聚焦透鏡對合束後的雷射聚焦，且表面鍍有第一雷射晶片與第二雷射晶片出射波長匹配的高透過濾膜層。
根據本發明的一實施方式，其中上述光纖為多模光纖，且在光纖端面鍍有第一雷射晶片及第二雷射晶片兩種波長的高透過率膜層及相應激射波長的全反膜層。
與現有技術相比，本申請可以獲得包括以下技術效果：
1）採用體布拉格光柵結構的波長合束器進行雷射合束，實現兩種不同波長的雷射的高效率合束，兩束雷射在合束器實現了光斑的疊加滿足高功率雷射輸出的同時保證高光束質量的雷射的合束。
2）採用階梯結構的熱沉作為雷射晶片的固定基板，提高晶片散熱基板的熱容積率的同時，使各個晶片出射的光斑實現一定量的偏移，實現了多雷射的勻化輸出，提高聚焦光斑的均勻性。
當然，實施本申請的任一產品必不一定需要同時達到以上所述的所有技術效果。
附圖說明
此處所說明的附圖用來提供對本申請的進一步理解，構成本申請的一部分，本申請的示意性實施例及其說明用於解釋本申請，並不構成對本申請的不當限定。在附圖中：
圖1是本發明一實施方式的多波長高功率半導體雷射器示意圖；
圖2是圖1的雷射傳輸示意圖；
圖3是本發明一實施方式的階梯熱沉示意圖；
圖4是本發明一實施方式的體布拉格光柵合束原理示意圖。
附圖標記
第一雷射系統10，第一雷射晶片11，柱透鏡12，非球面鏡13，反射鏡14，第二雷射系統20，第二雷射晶片21，雷射合束系統30，全反射鏡31，波長合束器32，非球面聚焦透鏡33，光纖40，階梯熱沉50，第一輸出光a，第二輸出光b。
具體實施方式
以下將配合附圖及實施例來詳細說明本申請的實施方式，藉此對本申請如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
請一併參考圖1與圖2，圖1是本發明一實施方式的多波長高功率半導體雷射器示意圖；圖2是圖1的雷射傳輸示意圖。如圖所示，一種多波長高功率半導體雷射器包括具有第一雷射晶片11的第一雷射系統10；具有與第一雷射晶片11不同輸出波長的第二雷射晶片21的第二雷射系統20；將第一雷射系統10與第二雷射系統20輸出的光束進行疊加耦合，實現尾纖輸出的雷射合束系統30；以及面向雷射合束系統30的光纖40；其中，第一雷射系統10與第二雷射系統20包括分別面向第一雷射晶片11與第二雷射晶片21的柱透鏡12、非球面鏡13及反射鏡14；雷射合束系統30包括接收第一雷射系統10的第一輸出光a的全反射鏡31、面向全反射鏡31且接收第二雷射系統20的第二輸出光b的波長合束器32、及非球面聚焦透鏡33，其中波長合束器32將第一輸出光a與第二輸出光b進行疊加耦合輸出，非球面聚焦透鏡33將疊加後的光聚焦到光纖40端面，實現尾纖輸出。
在本發明一實施方式中，第一雷射系統10和第二雷射系統20分別由兩種輸出波長不同的第一雷射晶片11、第二雷射晶片21構成，採用柱透鏡12及非球面鏡13對雷射晶片第一雷射晶片11、第二雷射晶片21發出的光束第一輸出光a、第二輸出光b進行快慢軸壓縮準直，反射鏡14對光束傳播方向進行偏轉。第一雷射系統10及第二雷射系統20中兩種緊密排列的不同波長的雷射經波長合束器32進行疊加兩束光中其中一束光能完全透過波長合束器32而另一波長的雷射在波長合束器32上全部反射束，實現兩束光的耦合輸出，非球面聚焦透鏡33將疊加後的光束聚焦到光纖40，實現多波長高功率半導體雷射器輸出。
接下來，請繼續參考圖1與圖3，圖3是本發明一實施方式的階梯熱沉50示意圖。如圖所示，第一雷射晶片11與第二雷射晶片21焊接於階梯熱沉50，階梯熱沉50成階梯狀。在其他一實施方式中，第一雷射晶片11與第二雷射晶片21設置為多個，且分別排列於階梯熱沉50。本發明將階梯熱沉50設置為階梯狀，一方面提高散熱，另一方面也是在提高晶片散熱基板的熱容積率的同時，使各個晶片出射的光斑實現一定量的偏移，實現多雷射的勻化輸出，提高聚焦光斑的均勻性。
值得一提的是，本發明的第一雷射系統10與第二雷射系統20的柱透鏡12、非球面鏡13鍍有與第一雷射晶片11及第二雷射晶片21出射波長匹配的高透過率膜層，實現半導體雷射的高效率透過，同時對相應光纖雷射器應用中回返的光束進行反射，對半導體雷射器中各透鏡系統及雷射晶片進行有效保護。
另外，第一雷射系統10與第二雷射系統20的反射鏡14鍍有與第一雷射晶片11及第二雷射晶片21出射波長匹配的全反射膜層，且反射鏡14在階梯熱沉50上成預定高度差排列，任一反射鏡14不遮擋其他反射鏡14反射光束的傳播。在本發明一實施方式中，全反射膜層實現第一雷射晶片11或者第二雷射晶片21輸出光的高效率反射，同時將反射鏡14呈高度差排列在階梯熱沉50上，致使任一反射鏡14的反射中心低於另一反射鏡14的頂部，由此實現任一反射鏡14反射的光束不被其他反射鏡14阻擋，實現光束的有效傳播，結構簡單，操作方便。
波長合束器32由體布拉格光柵結構構成，兩束波長不同的雷射光斑重疊並呈布拉格共軛角入射到布拉格光柵上，實現兩束光的疊加輸出。
詳細而言，請參考圖4，圖4是本發明一實施方式的體布拉格光柵合束原理示意圖。當一束光入射到體布拉格光柵上時，其衍射效率可由下式計算：
其中：λ0為光柵的中心波長，t為光柵的厚度，nav為光柵的平均折射率，光柵的折射率按正弦函數周期性變化，δn為折射率調製的振幅，f為光柵的空間頻率，δλ為入射光波與λ0的波長差。當平面波波長和入射至光柵的角度滿足波長λ0對應的布拉格條件，即δλ=0時，獲得了最大的衍射效率η0，由下式表示：
當入射光波長和角度滿足布拉格條件時，衍射效率最大，近似於1，而對於其他偏離布拉格波長條件的波長而言，衍射效率近似為0。所以當兩束具有一定波長差的光束以共軛的角度入射至光柵且相互重疊時，滿足布拉格條件的光束在光柵上反射傳輸，而另一束光束經光柵投射傳輸，實現兩束波長不同的光的合束輸出。
請復參考圖1及圖2，非球面聚焦透鏡33對合束後的雷射聚焦，且表面鍍有第一雷射晶片11與第二雷射晶片21出射波長匹配的高透過濾膜層，實現多束雷射的透射，同時提高效率。
另外，本發明的光纖40為多模光纖，且在光纖40端面鍍有第一雷射晶片11及第二雷射晶片21兩種波長的高透過率膜層及相應激射波長的全反膜層，實現半導體雷射的高效率透過，同時對相應光纖雷射器應用中回返的光束進行反射，對半導體雷射器中各透鏡系統及雷射晶片進行有效保護，實現多波長高功率半導體雷射器輸出。
值得一提的是，本發明優選一個實施例，採用11個915nm的出光為12w的第一雷射晶片11呈梯狀焊接貼在階梯熱沉50上，對每個第一雷射晶片11採用柱透鏡12進行快軸壓縮、非球面鏡13進行慢軸壓縮準直，輸出光經反射鏡14實現光束傳播角度偏轉，最終11個第一雷射晶片11輸出的光斑實現了緊密的排列，另一組由11個975nm出光功率為12w的第二雷射晶片21進行同樣快慢軸壓縮操作實現光束的緊密排列。兩列波長不同的光同時經過體布拉格光柵結構的波長合束器32，實現兩束光的疊加輸出，最後通過非球面聚焦透鏡33耦合進105um纖芯直徑的多模光纖40，實現功率達220w的多波長高功率半導體雷射尾纖輸出。
上述說明示出並描述了本申請的若干優選實施例，但如前所述，應當理解本申請並非局限於本文所披露的形式，不應看作是對其他實施例的排除，而可用於各種其他組合、修改和環境，並能夠在本文所述申請構想範圍內，通過上述教導或相關領域的技術或知識進行改動。而本領域人員所進行的改動和變化不脫離本申請的精神和範圍，則都應在本申請所附權利要求的保護範圍內。