專利名稱：一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及大功率集成激光光源的耦合系統(tǒng)，具體為一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進步，各個領(lǐng)域?qū)す獾男枨笤絹碓斤@著，尤其是對大功率、高亮度、高質(zhì)量的激光，例如隨著投影顯示技術(shù)的發(fā)展，對照明光源要求不斷提高，激光越來越顯示其獨特的優(yōu)勢；再有如激光打標(biāo)、材料切割、焊接、光纖激光器的泵浦源、激光醫(yī)療等領(lǐng)域?qū)Ω吖β始す庖灿懈嗟男枨?。半?dǎo)體激光由于具有電光轉(zhuǎn)換效率高、波長覆蓋范圍廣、可靠性高、體積小和成本低廉等特點，使得它在激光應(yīng)用領(lǐng)域具有非常明顯的優(yōu)勢。但由于半導(dǎo)體激光器的輸出功率受限于數(shù)瓦量級，遠不能滿足這些領(lǐng)域?qū)す獾母吖β室?，必須進行激光光束集成；而且半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光束質(zhì)量差，也制約著半導(dǎo)體激光器在很多領(lǐng)域的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器按發(fā)光單元集成方式可分為單管半導(dǎo)體激光器、min1-bar半導(dǎo)體激光器和cm_bar半導(dǎo)體激光器。min1-bar半導(dǎo)體激光器和cm_bar半導(dǎo)體激光器的光纖耦合模塊需要利用自來水冷卻或離子水冷卻，并且由于光纖耦合模塊中的微通道結(jié)構(gòu)特點其使用壽命較低，受熱易產(chǎn)生Smile效應(yīng)(發(fā)射腔近場非線性效應(yīng))，降低光束質(zhì)量；而單管半導(dǎo)體激光器都是獨立的發(fā)光單元，可以采用傳導(dǎo)或風(fēng)冷的方式散熱，散熱性能好，不受熱串聯(lián)的影響，在焊接過程中不會產(chǎn)生Smile效應(yīng)，壽命通?？梢赃_到10萬小時。這使得基于單管半導(dǎo)體激光器制成的高效率光纖耦合模塊成為光纖激光器泵浦源、激光醫(yī)療和材料加工等領(lǐng)域的一個更好的選擇。美國nLIGHT公司就致力于單管半導(dǎo)體激光器的光纖稱合研究，目前該公司光纖稱合模塊出光功率可達1000W,光纖芯徑400 μ m, NA(數(shù)值孔徑)=0.2，光參數(shù)積為40mm.mrad。長春光機所利用單管半導(dǎo)體激光器作為子模塊，通過光束準(zhǔn)直、空間合束和聚焦等技術(shù)將33W的激光耦合到芯徑200 μ m, NA=0.22的光纖，耦合效率高達83%。北京凱普林公司利用單管半導(dǎo)體激光器為子發(fā)光單元，通過合束技術(shù)提高出光功率，目前 該公司100 μ m芯徑光纖出光功率可達50W，NA=0.15。顯然國外光纖耦合半導(dǎo)體激光模塊的出光功率、亮度等研究水平遠高于國內(nèi)對這項技術(shù)的研究水平。由于單管半導(dǎo)體激光器的封裝和散熱限制，激光器與激光器之間的間距不能做到很小，按照現(xiàn)有的研究水平，以單管半導(dǎo)體激光器為子模塊的集成光源在采用了空間合束系統(tǒng)以后，光束的填充比仍然比較小，光束質(zhì)量較差，較難達到高亮度的要求。尤其是要求光功率較高時，由于集成的激光器增多，導(dǎo)致光輸出面積增大，光參量積增大，且很難耦合進單根光纖，制約著其在光纖激光器泵浦源、激光醫(yī)療和工業(yè)加工等領(lǐng)域的發(fā)展。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決目前以單管半導(dǎo)體激光器為子模塊的集成光源在采用了空間合束系統(tǒng)后光束的填充比仍較小、光束質(zhì)量差、光纖耦合效率低的問題，提供了一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)。
本發(fā)明是采用如下的技術(shù)方案實現(xiàn)的:一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，包括同軸依次放置的匯聚元件、光楔陣列、微透鏡陣列和集束光纖，且光楔陣列放置在通過匯聚元件后的光束的匯聚點之前位置，集束光纖的端面放置在微透鏡陣列的出瞳位置，光楔陣列中光楔按一個光楔對應(yīng)一條光束的方式排列，或者按將光束與光軸的夾角在空間坐標(biāo)系內(nèi)分解成在豎直平面的角度和水平面的角度，豎直平面的角度和水平面的角度用光楔分別校正的方式排列。集成激光光束經(jīng)過匯聚元件后向匯聚點匯聚，匯聚點之前的光楔陣列改變匯聚光束的傳播方向，使匯聚光束的傳播方向平行于光軸，匯聚光束變?yōu)槠叫泄馐似叫泄馐某龉饷娣e小于入射到匯聚元件前的激光光束的出光面積，即經(jīng)過光楔陣列的光束填充比變大，光參量積減小，光束質(zhì)量提高；平行光束再通過微透鏡陣列，使通過每個微透鏡的平行光束成像在微透鏡的出瞳上，出瞳處放置集束光纖的端面，這樣集束光纖中的單根光纖對應(yīng)一個微透鏡的成像點，能達到100%接收光能，不受集束光纖的占空比限制。本發(fā)明創(chuàng)造性的選用了光楔陣列來優(yōu)化光束質(zhì)量，提高了光束的填充比，減小了光參量積，本發(fā)明同時還選用了微透鏡陣列實現(xiàn)光束的多點成像，使得每個像點的光束耦合進光纖，光束耦合效率高。本發(fā)明的光纖耦合方式，尤其適合大面積激光光束的光纖耦合，集束光纖中光纖根數(shù)可根據(jù)大面積光束的光參量積選擇，光參量積較大的情況，則根據(jù)需要選擇較多的光纖根數(shù)；光參量積小的極限情況是微透鏡陣列為單個微透鏡，而集束光纖為單根光纖。光楔陣列和微透鏡陣列的排列方式為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的排列方式。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，匯聚元件為聚焦透鏡或反射鏡陣列，聚焦透鏡和反射鏡陣列是光學(xué)中常用的光學(xué)器件，能達到光束的匯聚效果且控制了系統(tǒng)的成本。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，微透鏡陣列中的微透鏡為平凸偶次非球面透鏡，其通光孔徑小于1_，偶次非球面曲率半徑小于5_，非球面透鏡基本上消除了球差，使得匯聚后的光束的光能集中，且對其規(guī)格做出了優(yōu)選，光束匯聚效果更好。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，微透鏡陣列和集束光纖的橫截面形狀相同，能保證集束光纖完全接受出瞳處的光束，實現(xiàn)光束與集束光纖中的光纖的一對一耦合，光束的耦合率高。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，光楔陣列放置在使得各個入射到光楔上的光束的光斑能區(qū)分的位置，這樣通過光楔陣列的光束可全變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束再通過微透鏡陣列后成像。微透鏡陣列的入射光為平行光束也可保證微透鏡陣列軸外點成像像差小，即光能也集中，可全進入集束光纖，則光束的耦合率高。
上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，聚焦透鏡為消色差雙膠物鏡，可用于多波長激光耦合系統(tǒng)，匯聚效果好。上述的一種激光光源的光纖稱合系統(tǒng)，所述橫截面為六方形，橫截面為六方形的微透鏡陣列和集束光纖的結(jié)構(gòu)牢固。本發(fā)明利用匯聚元件和光楔對激光光束進行壓縮，使得通過光楔的光束的光參量積大大減小，光束的填充比增加，提高了光束的質(zhì)量；本發(fā)明利用微透鏡陣列使光束成像為規(guī)則排列的像點的特點，在微透鏡陣列的出瞳處放置集束光纖，使集束光纖接收并傳遞光能，滿足光纖激光器泵浦、激光醫(yī)療和工業(yè)加工等領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量激光的要求；本發(fā)明還規(guī)定了微透鏡陣列與集束光纖的橫截面相同，使得集束光纖能完全接收光束，即集束光纖耦合效率達到100%;本發(fā)明可用于輸出光束面積大和光參量積大的集成激光光源的光纖I禹合，光源經(jīng)過本發(fā)明的匯聚元件和光楔陣列后，經(jīng)微透鏡陣列耦合進入集束光纖；本發(fā)明也可適用于輸出光束面積不大和光參量積相對較小的集成激光光源的光纖稱合，光源經(jīng)過本發(fā)明的匯聚元件和光楔陣列后光參量積再次大大減小，經(jīng)單個非球面微透鏡耦合進入單根光纖。


圖1為系統(tǒng)中的匯聚元件為消色差雙膠物鏡的時的工作狀態(tài)圖。圖2為系統(tǒng)中的匯聚元件為反光鏡時的工作狀態(tài)圖。圖3為單個光楔的工作原理圖。圖4為光束與光軸夾角分解方式原理圖。圖中:1_光楔陣列，2-微透鏡陣列，3-集束光纖，4-集成激光光束，5-消色差雙膠物鏡，6-反射鏡陣列。
具體實施方式
一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，包括同軸依次放置的匯聚元件、光楔陣列1、微透鏡陣列2和集束光纖3，且光楔陣列I放置在通過匯聚元件后的光束的匯聚點之前的位置，集束光纖3的端面放置在微透鏡陣列2的出瞳位置；光楔陣列中光楔按一個光楔對應(yīng)一條光束的方式排列，或者按將光束與光軸的夾角在空間坐標(biāo)系內(nèi)分解成在豎直平面的角度和水平面的角度，豎直平面的角度和水平面的角度用光楔分別校正的方式排列。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，匯聚元件為聚焦透鏡或反射鏡陣列6。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，微透鏡陣列2中的微透鏡為平凸偶次非球面透鏡，其通光孔徑小于1mm，偶次非球面曲率半徑小于5mm。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，微透鏡陣列2和集束光纖3的橫截面形狀相同。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，光楔陣列I放置在使得各個入射到光楔上的光束的光斑能區(qū)分的位置。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，聚焦透鏡為消色差雙膠物鏡5。上述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，所述橫截面為六方形。具體實施時，按面陣排布的單管半導(dǎo)體激光器陣列發(fā)出的激光光束或經(jīng)空間合束系統(tǒng)的集成激光光束，經(jīng)過消色差雙膠物鏡后向匯聚點匯聚，匯聚光束再經(jīng)過匯聚點之前的光楔陣列后變?yōu)槠叫泄馐?，平行光束再?jīng)過微透鏡陣列匯聚在出瞳處，集束光纖接受出瞳處的光束。激光光束經(jīng)過匯聚元件后向光軸會聚，產(chǎn)生與光軸的夾角為
α的傾斜角，傾斜角α可在空間坐標(biāo)系的χοζ平面(水平面)和γοζ平面(豎直面)投影為ex和。利用光楔陣列校正激光光束傳播方向時，可以米用兩種方法排列光楔:一種是分別考慮每個激光光束的傾斜角a，一條激光光束對應(yīng)一個光楔，按激光光束傾斜角α排列光楔，此時只需一排光楔；一種是將光束與光軸的傾斜角a分解為a+x和以y，分解后位于同一排或同一列的激光光束具有相同的和，因此，采用兩排光楔分別校正Cix和，此時位于同一排或同一列的激光光束的αχ和cxy 一起校正，光楔在同一排或同一列為條 形。
權(quán)利要求
1.一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于包括同軸依次放置的匯聚元件、光楔陣列(I)、微透鏡陣列(2)和集束光纖(3)，且光楔陣列(I)放置在通過匯聚元件后的光束的匯聚點之前的位置，集束光纖(3)的端面放置在微透鏡陣列(2)的出瞳位置；光楔陣列中光楔按一個光楔對應(yīng)一條光束的方式排列，或者按將光束與光軸的夾角在空間坐標(biāo)系內(nèi)分解成在豎直面的角度和水平面的角度，豎直面的角度和水平面的角度用光楔分別校正的方式排列。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于匯聚元件為聚焦透鏡或反射鏡陣列(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于微透鏡陣列(2)中的微透鏡為平凸偶次非球面透鏡，其通光孔徑小于1_，偶次非球面曲率半徑小于5mm ο
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于微透鏡陣列(2)和集束光纖(3)的橫截面形狀相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于光楔陣列(1)放置在使得各個入射到光楔陣列上的光束的光斑能區(qū)分的位置。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于聚焦透鏡為消色差雙膠物鏡(5)。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于所述微透鏡陣列(2)和集束光纖(3)的橫截面為六方形。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于微透鏡陣列(2)和集束光纖(3)的橫截面形狀相同。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于放置光楔陣列(I)的位置為使得各個入射到光楔上的光束的光斑能區(qū)分的位置。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，其特征在于微透鏡陣列(2)和集束光纖(3)的橫截面為六方形。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光光源的耦合系統(tǒng)，具體為一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，解決了激光光束空間合束后光束的填充比小、光束質(zhì)量差、光纖耦合效率低的問題。一種激光光源的光纖耦合系統(tǒng)，包括同軸依次放置的匯聚元件、光楔陣列、微透鏡陣列和集束光纖，且光楔陣列放置在通過匯聚元件后的光束的匯聚點之前的位置，集束光纖的端面放置在微透鏡陣列的出瞳位置。本發(fā)明利用匯聚元件和光楔陣列對激光光束進行壓縮，使得通過光楔的光束的光參量積大大減小，光束的填充比增加，提高了光束的質(zhì)量；進一步利用微透鏡陣列使光束成像在出瞳面，利用集束光纖一對一接收成像的光束，耦合效率高，能滿足光纖激光器泵浦、激光醫(yī)療和工業(yè)加工等領(lǐng)域?qū)Ω哔|(zhì)量激光的要求。
文檔編號G02B6/42GK103219648SQ20131012454
公開日2013年7月24日 申請日期2013年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月11日
發(fā)明者王艷紅, 王高, 趙輝 申請人:中北大學(xué)