一种半导体激光器的聚焦耦合光路发明专利

专利名称：一种半导体激光器的聚焦耦合光路

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111487479.2

专利申请（专利权）人：深圳市星汉激光科技股份有限公司
权利人地址：广东省深圳市宝安区福海街道新和社区蚝业路39号旭竟昌工业园厂房B4栋5层

专利发明（设计）人：周少丰,黄良杰,刘鹏

专利摘要：本发明涉及一种半导体激光器的聚焦耦合光路，包括第一激光阵列、第二激光阵列和用于将所述第一反射镜传播过来的激光束进行聚焦进入一光纤的离轴曲面反射镜，第一激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第一激光芯片，第二激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第二激光芯片，每一第一激光芯片和每一第二激光芯片的出光方向上均设有一准直透镜，每一准直透镜的出光方向上设有一呈预设角度设置的第一反射镜，经第一反射镜转向后的两激光束平行于离轴曲面反射镜的对称轴，离轴曲面反射镜的焦点位于光纤的接收端面内；其中，位置对应的第一激光芯片与第二激光芯片所放置的台阶高度相等且平行交错设置，该聚焦耦合光路减少了壳体底壁用来加工台阶的厚度。

主权利要求：
1.一种半导体激光器的聚焦耦合光路，包括第一激光阵列和第二激光阵列，所述第一激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第一激光芯片，所述第二激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第二激光芯片，每一所述第一激光芯片和每一所述第二激光芯片的出光方向上均设有一准直透镜，每一所述准直透镜的出光方向上设有一呈预设角度设置的第一反射镜，其特征在于，还包括用于将所述第一反射镜传播过来的激光束进行聚焦进入一光纤的离轴曲面反射镜，经所述第一反射镜转向后的第一激光束和第二激光束平行于所述离轴曲面反射镜的对称轴，所述离轴曲面反射镜的焦点位于光纤的接收端面内；其中，以同一排序方向计数，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片所放置的台阶高度相等，且同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片平行交错设置；
同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的出光方向相同，所述准直透镜包括慢轴准直透镜，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片出光方向分别对应的两所述慢轴准直透镜的焦距差等于同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的激光出射点的位置距离差，使所述第一激光芯片和所述第二激光芯片对应的所述慢轴准直透镜排列成一条直线。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，所述第一激光阵列的第N位序的所述第一激光芯片与所述第二激光阵列的第N+1位序的所述第二激光芯片平行交错设置。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片共设于同一台阶上，且同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的中心均位于所述台阶的一对角线上。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片处于等高的两不同台阶上，用于放置同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的两台阶同方向的对角线位于同一直线上，所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的中心均位于对应台阶的对角线上。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片共一所述第一反射镜，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片中，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片发出的激光经对应的准直透镜准直后射向共用的第一反射镜上等高的不同位置，并被共用的第一反射镜反射而沿着平行所述离轴曲面反射镜的对称轴的方向射向所述离轴曲面反射镜。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，所述离轴曲面反射镜为抛物线反射镜，经所述抛物线反射镜转向后的光路方向上设有一快轴聚集透镜，所述快轴聚集透镜的焦点位于光纤的接收端面内，经所述快轴聚集透镜在快轴方向聚焦后的激光束耦合进光纤的接收端面内。
7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器的聚焦耦合光路，其特征在于，所述离轴曲面反射镜为离轴双曲面反射镜，经所述离轴双曲面反射镜在快轴和慢轴方向聚焦后的激光束耦合进入光纤的接收端面内。 说明书 : 一种半导体激光器的聚焦耦合光路技术领域[0001] 本发明涉及激光器领域，尤其涉及一种半导体激光器的聚焦耦合光路。背景技术[0002] 激光器是一种能发射激光的装置，其常见的半导体激光器由于具有效率高、寿命长等优势在工业加工、军事、医疗、安防等领域中得到广泛地应用。[0003] 请参见公布号为CN112787220A的专利文件，在现有技术通常是激光芯片由高到底依次阶梯式排布，经过准直透镜准直后，由反射镜转向传播到聚焦组中，经过聚焦后再耦合进入到光纤中。发明内容[0004] 本发明的目的是提供一种半导体激光器输出相同功率，而且减少壳体底壁用来加工台阶的厚度的聚焦耦合光路，该聚焦耦合光路不仅节省成本，而且内部装配光学元器件的数量减少，加快装配速率。[0005] 本发明所采用的的技术方案为：[0006] 一种半导体激光器的聚焦耦合光路，包括第一激光阵列和第二激光阵列，所述第一激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第一激光芯片，所述第二激光阵列包括若干呈阶梯式排布的第二激光芯片，每一所述第一激光芯片和每一所述第二激光芯片的出光方向上均设有一准直透镜，每一所述准直透镜的出光方向上设有一呈预设角度设置的第一反射镜，其特征在于，还包括用于将所述第一反射镜传播过来的激光束进行聚焦进入一光纤的离轴曲面反射镜，经所述第一反射镜转向后的第一激光束和第二激光束平行于所述离轴曲面反射镜的对称轴，所述离轴曲面反射镜的焦点位于光纤的接收端面内；其中，[0007] 以同一排序方向计数，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片所放置的台阶高度相等，且同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片平行交错设置。[0008] 进一步地，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，所述第一激光阵列的第N位序的所述第一激光芯片与所述第二激光阵列的第N+1位序的所述第二激光芯片平行交错设置。[0009] 进一步地，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片共设于同一台阶上，且同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的中心均位于所述台阶的一对角线上。[0010] 进一步地，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片处于等高的两不同台阶上，用于放置同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的两台阶同方向的对角线位于同一直线上，所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的中心均位于对应台阶的对角线上。[0011] 进一步地，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的出光方向相同。[0012] 进一步地，所述准直透镜包括慢轴准直透镜，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，所述准直透镜包括慢轴准直透镜，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片出光方向分别对应的两所述慢轴准直透镜的焦距差等于同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的激光出射点的位置距离差，使所述第一激光芯片和所述第二激光芯片对应的所述慢轴准直透镜排列成一条直线。[0013] 进一步地，在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片共一所述第一反射镜，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片中，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片发出的激光经对应的准直透镜准直后射向共用的第一反射镜上等高的不同位置，并被共用的第一反射镜反射而沿着平行所述离轴曲面反射镜的对称轴的方向射向所述离轴曲面反射镜。[0014] 进一步地，本发明的半导体激光器的聚焦耦合光路还包括第二反射镜和偏振合束器；[0015] 所述偏振合束器包括第一入光面、第二入光面、反射面和出光面，所述第一入光面与所述出光面相平行，所述第二入光面与所述出光面相垂直；[0016] 在所述第一激光阵列与所述第二激光阵列中，以同一排序方向计数，同一位序的所述第一激光芯片与所述第二激光芯片的出光方向相反，其中，所述第一激光芯片的出射激光经对应的所述第一反射镜转向后射向所述第一入光面，之后从所述出光面射出射向所述离轴曲面反射镜，所述第二激光芯片经对应的所述第一反射镜转向后射向所述第二反射镜，经所述第二反射镜转向后射向所述第二入光面，之后射向所述反射面，经所述反射面转向后从所述出光面射出射向所述离轴曲面反射镜。[0017] 进一步地，所述离轴曲面反射镜为抛物线反射镜，经所述抛物线反射镜转向后的光路方向上设有一快轴聚集透镜，所述快轴聚集透镜的焦点位于光纤的接收端面内，经所述快轴聚集透镜在快轴方向聚焦后的激光束耦合进光纤的接收端面内。[0018] 进一步地，所述离轴曲面反射镜为离轴双曲面反射镜，经所述离轴双曲面反射镜在快轴和慢轴方向聚焦后的激光束耦合进入光纤的接收端面内。[0019] 本发明的有益效果在于：[0020] (1)本发明提供的半导体激光器减少了壳体底壁用来加工台阶的厚度，例如现在技术中一半导体激光器要达到一固定功率需要内设呈阶梯式布置的L块激光芯片(L为正整数)，相邻两块激光芯片的高度差为ΔH，这样总高度差为(L‑1)ΔH；但是本发明的装配方式是将L块激光芯片等分成M个激光阵列(M为正整数且L能被M整除)，每个激光阵列包含L/M块,因同一位序的两激光芯片高度相等，即每个的激光阵列的总高度差为(L/M‑1)ΔH，相比现有技术，本发明的技术方案省了(L‑L/M)ΔH的台阶加工厚度，壳体底壁的厚度可以减少(L‑L/M)ΔH，半导体激光器的质量减轻，成本降低，但是半导体激光器输出的功率是一样的，具有明显优势。[0021] (2)现有技术中采用反射镜+聚焦透镜来实现激光耦合进光纤，相比现有技术，本发明通过采用离轴曲面反射镜来实现反射+聚焦的功能，减少了聚焦透镜的使用成本，提高了半导体激光器的生产效率。附图说明[0022] 图1是本发明实施例一的一聚焦耦合光路示意图。[0023] 图2是两激光芯片设置在同一台阶上的结构示意图。[0024] 图3是本发明实施例一的另一聚焦耦合光路示意图。[0025] 图4是本发明实施例二的聚焦耦合光路示意图。[0026] 图5是本发明实施例三的聚焦耦合光路示意图。[0027] 图6是本发明实施例四的聚焦耦合光路示意图。[0028] 图7是本发明实施例中多个激光芯片设置在等高的同一台阶上的结构示意图。[0029] 图8是本发明实施例中中两激光芯片设置在等高的不同台阶上的结构示意图。[0030] 图中，[0031] 100、第一激光阵列；110、第一激光芯片；120、第一激光束；[0032] 200、第二激光阵列；210、第二激光芯片；220、第二激光束；[0033] 300、台阶；310、第一台阶；320、第二台阶；[0034] 400、准直透镜；410、快轴准直透镜；420、慢轴准直透镜420；[0035] 500、第一反射镜；500′、第一反射镜；[0036] 600、抛物线反射镜；[0037] 700、光纤；710、接收端面；[0038] 800、快轴聚集透镜；[0039] 900、偏振合束器；910、第一入光面；920、第二入光面；930、反射面；[0040] 940、出光面。[0041] A、第二反射镜；B、离轴双曲面发射镜。具体实施方式[0042] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明一种半导体激光器的聚焦耦合光路进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0043] 在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。[0044] 实施例一[0045] 一种半导体激光器的聚焦耦合光路包括至少两激光阵列，为了方便描述，以相邻的第一激光阵列100和第二激光阵列200为例作具体说明。[0046] 具体地，请参见图1‑图2，第一激光阵列100包括若干呈阶梯式排布的第一激光芯片110，第二激光阵列200包括若干呈阶梯式排布的第二激光芯片210，第一激光阵列100和第二激光阵列200以同一排序方向计数，例如自左往右计数第一个、第二个、第三个……，同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210均设于同一台阶300上，并且同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210在排序方向上错开，从而避免第一激光芯片110和第二激光芯片210相互干扰，优选的，在本实施例中将第一激光芯片110和第二激光芯片210的中心设于该台阶300的一对角线上，从而可保证同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210在排序方向上错开；且第一激光阵列100中第N位序的激光芯片与第二激光阵列200的第N+1位序的激光芯片平行交错设置，避免遮挡，N为大于等于1的正整数。[0047] 请参见图1，同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210的出光方向相同,每一第一激光芯片110和每一第二激光芯片210的出光方向上都设有准直透镜400，准直透镜400包括快轴准直透镜410和慢轴准直透镜420，同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210分别对应的慢轴准直透镜420的焦距相同；每一准直透镜400的出光方向上都设有一呈预设角度设置的第一反射镜500，第一激光阵列100中若干第一激光芯片110分别所对应的第一反射镜500位于同一直线上，第二激光阵列200中若干第二激光芯片210分别所对应的第一反射镜500位于同一直线上。[0048] 请参见图1，第一激光阵列100中若干第一激光芯片110经各自对应的第一反射镜500转向后形成由多束自上往下的平行光所组成的第一激光束120，第二激光阵列200中若干第二激光芯片210经各自对应的第一反射镜500转向后形成由多束自上往下的平行光所组成的第二激光束220，第一激光束120与第二激光束220空间平行，第一激光束120和第二激光束220射向一抛物线反射镜600，该抛物线反射镜600的焦点位于光纤700的接收端面710内，在光学原理中，若反射镜面的形状是抛物曲线，平行于对称轴入射的光线经该反射镜面反射后，其光路必会聚于焦点，基于抛物线反射镜600的光学特性，使第一激光束120和第二激光束220平行于抛物线反射镜600的对称轴，从而使第一激光束120和第二激光束220在慢轴方向实现聚焦，为了实现在快轴方向上的聚焦，在抛物线反射镜600与光纤700的接收端面710之间设置了快轴聚集透镜800，该快轴聚集透镜800的焦点位于光纤700的接收端面710内，第一激光束120和第二激光束220经过抛物线反射镜600在慢轴方向聚焦和快轴聚集透镜800在快轴方向聚焦后耦合进入光纤700的接收端面710内。[0049] 需要提到的是，请参见图3，同一位序的两激光芯片可以共用一较大的第一反射镜500′，第一激光芯片110和第二激光芯片210发出的激光分别在第一反射镜500′上不同的位置被反射，互不干扰，具体的，同一位序的两激光芯片中，第一激光芯片110发出的激光经准直透镜400准直后射向第一反射镜500′上的C点，第二激光芯片210发出的激光经准直透镜400准直后射向第一反射镜500′上的D点，C点和D点等高，C点位于第一反射镜500′的后端，D点位于第一反射镜500′的前端，这样可以减少贴反射镜的次数，提高加工效率。[0050] 实施例二[0051] 请参见图4，在实施例一的基础上，将第一激光芯片110与第二激光芯片210分别对应的慢轴准直透镜420的焦距设置成不同，同一位序的第一激光芯片110与第二激光芯片210对应的两慢轴准直透镜420的焦距差即为同一位序的第一激光芯片110与第二激光芯片210激光出射点的位置距离差，这样两慢轴准直透镜420可以排列在一直线上，因此慢轴准直透镜的设置位置不受激光阵列增加的影响，同一波长的芯片，采用不同焦距的慢轴准直镜有助于调节光斑形态，改善空心光斑和环状光斑，使光斑更匀化。[0052] 同时，随着激光阵列数量的增加，若对应增加同焦距的慢轴准直透镜420，同一位序的慢轴准直透镜420必须交错设置，这样会增加壳体的宽度，增大壳体体积，实施例二有效避免壳体体积过大的问题。[0053] 实施例三[0054] 请参见图5，与实施一相比区别在于，第一激光束120和第二激光束220射向一离轴双曲面发射镜B，该离轴双曲面发射镜B的焦点位于光纤700的接收端面710内，离轴双曲面发射镜B与抛物线反射镜600都属于离轴曲面镜，都有平行与对称轴的平行光射入时，其光路必会聚于焦点的光学特性，但是离轴双曲面发射镜B可以实现快轴和慢轴两个方向的聚焦，不用再额外增加快轴聚焦透镜，直接将第一激光束120和第二激光束220聚焦耦合进入光纤700的接收端面710内，除了以上区别，实施例五其他部分与实施例一均相同，在此不再赘述。[0055] 因此实施例五相对于实施例一降了产品的生产成本，由于产品的内部的安装零部件减少，提升了生产效率。[0056] 实施例四[0057] 请参见图6，与实施一至实施例三相比，半导体激光器还包括偏振合束器900和第二反射镜A，并且同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210的出光方向相反。[0058] 例如在实施例一的基础上，将同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210的出光方向设置成相反方向，该偏振合束器900包括第一入光面910、第二入光面920、反射面930和出光面940，其中第一入光面910与出光面940相平行，第二入光面920与出光面940相垂直。[0059] 第一激光束120直接入射第一入光面910，之后从出光面940射出射向抛物线反射镜600，第二激光束220通过第二反射镜A转向后射向第二入光面920，之后射向反射面930，经反射面930转向后从出光面940射出，从出光面940射出的第一激光束120和第二激光束220射向抛物线反射镜600，除了以上区别，其他部分与实施例一均相同，在此不再赘述。[0060] 需要提到的是，可以在偏振合束器900和抛物线反射镜600之间可以设置滤波片(图中未示出)，这样可以防止其他波长的杂光返回至激光芯片影响其性能。[0061] 实施例一至实施例三中同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210出光方向同向会使得热量集中在一定区域，实施例四的装配方式相比实施例一可以使壳体的散热更均匀。[0062] 请参见图7，实施例一至实施例四中，仅针对存在两激光阵列的情况进行说明，当半导体激光器随着功率需求的增加，增加激光阵列的数量时，应当清楚在各激光阵列中，以同一排序方向计数，同一位序的激光芯片共设于同一层台阶上，且同一位序的激光芯片的中心均位于台阶的一对角线上，并且相邻的两激光阵列中，以同一排序方向计数，一激光阵列的第N位序的激光芯片与相邻另一激光阵列的第N+1位序的激光芯片平行交错设置，避免遮挡。[0063] 请参见图8，实施例一至实施例四中，同一位序的第一激光芯片110和第二激光芯片210也可位于等高的不同台阶上，具体地，第一激光芯片110设置在第一台阶310上，第二激光芯片210设置在第二台阶320上，第一台阶310的垂直高度与第二台阶320的垂直高度相等，并且第一台阶310与第二台阶同方向的对角线位于同一直线上，第一激光芯片110的中心位于第一台阶310上的对角线上，第二激光芯片210的中心位于第二台阶320的对角线上，以上只是针对存在两激光阵列的情况进行说明，当半导体激光器随着功率需求的增加，增加激光阵列的数量时，应当清楚在各激光阵列中，以同一排序方向计数，同一位序的激光芯片同样设于等高的不同台阶上，仅台阶数量对应增多，用来放置同一位序的激光芯片的台阶同方向的对角线共同一直线，芯片的中心均落在对应台阶的对角线上，这样可以保证每一激光芯片的前后左右方向都有散热空隙，加快芯片的散热效率，保证芯片的稳定的工作状态。[0064] 在实施例一至实施例四中的半导体激光器，都有效减少了壳体底壁用来加工台阶的厚度，例如现在技术中一半导体激光器要达到一固定功率需要内设呈阶梯式布置的L块激光芯片(L为正整数)，相邻两块激光芯片的高度差为ΔH，这样总高度差为(L‑1)ΔH；但是本发明的装配方式是将L块激光芯片等分成M个激光阵列(M为正整数且L能被M整除)，每个激光阵列包含L/M块,因同一位序的两激光芯片高度相等，即每个的激光阵列的总高度差为(L/M‑1)ΔH，相比现有技术，本发明的技术方案省了(L‑L/M)ΔH的台阶加工厚度，壳体底壁的厚度可以减少(L‑L/M)ΔH，半导体激光器的质量减轻，成本降低，但是半导体激光器输出的功率是一样的，具有明显优势。[0065] 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

专利地区：广东

专利申请日期：2021-12-08

专利公开日期：2024-07-26

专利公告号：CN114172015B