CN101324321A

CN101324321A - 光源

Info

Publication number: CN101324321A
Application number: CNA2008101111720A
Authority: CN
Inventors: 戈登·威尔逊; 邱向东; 戴育忠
Original assignee: Flex Products Inc
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 2007-06-12
Filing date: 2008-06-11
Publication date: 2008-12-17
Anticipated expiration: 2028-06-11
Also published as: JP2008311655A; US20080310027A1; EP2003484A1; EP2003484B1; US7668214B2; JP5268437B2; CN101324321B

Abstract

本发明公开了一种用于将单个激光二极管发射器的辐射光耦合入公共光纤的装置。所述辐射光沿快轴被准直并且采用交叉布置的成对的平面反射镜聚合该辐射光。聚合后的光束通过公共慢轴准直透镜准直。激光二极管发射器被置于慢轴准直透镜的光轴的两侧，使得发射器至慢轴准直透镜的光程相等。

Description

光源

技术领域

[01]本发明涉及半导体激光二极管的光机械封装，或尤其涉及将多个激光二极管片封装入单个二极管装置中，以便提供具有单一辐射光输出的光源，所述辐射光可被光纤耦合或者光纤准直。

背景技术

[02]被制造成单个发射激光器或者激光二极管条(laser diode bars)的半导体激光二极管的电-光转换效率可达到50％或者更高，并且其中目前每个单独的发射激光二极管的光能级可以达到几瓦或者甚至几十瓦，并且每个激光二极管条的光能级可以达到几十瓦至几百瓦。由于激光二极管和激光二极管条具有高转换效率、适当的能级以及高光谱亮度和高方向亮度，因此激光二极管和激光二极管条可应用于许多领域，如可用于材料加工、胶印(offset printing)、医疗、固体激光器的泵浦，并且尤其被用于光纤激光器的泵浦。

[03]将激光二极管封装入单个封装时需要考虑两个相关的重要问题。第一个需要考虑的重要问题是散热。在操作时，激光二极管会产生相当大的热量，这是由于并非所有被用于驱动激光二极管的电能都将会被转换成光能。这些未被转换的电能将以热量的形式释放。例如当转换效率为50％并且光能级为5W时，单个激光二极管发射器将产生5W的热量。需要对产生的热量进行散热以便确保激光二极管操作时的稳定和可靠。此外，由于激光发射的中心波长取决于激光芯片的温度，因此通常需要将激光芯片的温度稳定在典型精度大约为1摄氏度。

[04]与封装相关的第二个需要考虑的重要问题是光耦合。由于激光二极管的薄板几何构造，因此激光二极管沿Z-轴传播的光辐射沿X-轴和Y-轴的发散度和光功率密度的横向分布非常不对称。假定标准符号X轴位于激光二极管板面内，则激光二极管沿Y-轴的发散度通常高于沿X-轴的发散度并且几乎为受限衍射(diffraction limited)，其中激光二极管沿X-轴的发散度通常比Y-轴的发散度小并且不是受限衍射。当要求对称的圆形光束时，所述激光二极管光束的不对称性会造成一定的应用困难，例如在将多个激光二极管的光辐射耦合入单根光纤的一端的应用中。因为光纤通常具有基本呈圆形或者多边形的横截面并且具有基本对称的接受角，所以二极管激光器聚合后的光辐射具有对称的发散度和横向功率密度分布，以便尽可能的将大量的光束耦合入光纤中。

[05]在现有技术中公开了多种解决上述设计中存在问题的方法。例如为了提供散热，二极管激光装置中的激光二极管或者激光二极管条通常位于公共散热器上或者与公共散热器叠放在一起。尽管通过叠放可以提供一定的优势，例如较为简单的并且更为紧凑的光纤排列方式，但是这种叠放方式的散热效率不如共享的公共散热器的散热效率。在叠放排列方式中，热能以连续的方式流动，但是当提供公共散热器时，热能以并行的方式流动可以将更多的热量散出。而另一方面，采用公共散热方式经常造成耦合光纤的体积大并且效率低。例如，现有技术中的一种装置采用复杂的多面反射镜以将多个来自单独的激光二极管芯片中的光束会聚。最终获得的这种装置既昂贵又难于进行光学对准。现有技术中的其他设计方式采用波导或者复杂的阶梯状散热结构以及与结合有多面反射镜的微镜，这些设计被用于将激光二极管发射的单束光束合成为对称的输出光束。

[06]激光二极管的一种重要的类型是单条装置。在单条激光二极管发射器中，激光二极管发射器在公共的半导体基板上并排地形成，并且因此允许热量平行流向公共基板。由于二极管条中的单个发射器的横向位置采用光蚀刻技术来精确限定，因此一组简单且可靠的预制造(pre-manufactured)微型光学元件可被用于准直而且重新配置输出激光光束。通过这种方式制造的激光二极管，可以很容易的产生几十瓦的输出功率光束并且该光束可以被耦合入光纤中。然而，如扭曲或者被称为条“弯曲”(smile)的其他问题会开始引起光纤耦合效率的降低和设备可靠性的降低；此外，热量从被置于公共半导体基板上的具有亚毫米间距的单个发射器中散出是很不容易的。尤其还存在一个涉及单条二极管激光器(single-bar diode laser)可靠性的问题：当单个激光二极管发射器在二极管条中突然损坏(例如由于电路短路的原因)，经常会损坏其邻近的发射器，使得整个单条二极管激光器损坏。

[07]目前有许多特定的几何构型可用来将激光二极管封装入装置中，很明显：一个成功的装置自然可以将对单个激光二极管发射器进行有效散热与一组简单的、便宜的、容易对准的光学器件结合起来，以将来自单个发射器的高度不对称的失真光束重新配置成低纵横比的光束，所述低纵横比的光束可适于光纤耦合、材料加工以及众多的其他工作。

发明内容

[08]因此，本发明的目的之一在于提供一种廉价的且紧凑的光纤耦合光源或者自由空间耦合光源，用于泵浦光纤激光器和固体激光器、材料加工、医疗、胶印等等。

[09]本发明提供一种光源，包括：

多个平面发射器，所述平面发射器用于发射光，其中每个所述平面发射器的发射光束具有慢轴发散特性和快轴发散特性；

[10]多个快轴准直装置，每个所述平面发射器具有一个所述快轴准直装置，用于将每个所述平面发射器的发射光束准直成快轴准直光束，其中所述快轴准直光束继续在慢轴发散面内发散；

[11]慢轴准直装置，所述慢轴准直装置被置于所述快轴准直装置的下游，用于将所述快轴准直光束准直成单一的准直光束；并且

[12]多个转向装置，所述多个转向装置用于使所述快轴准直光束转向，以便将所述快轴准直光束耦合至所述慢轴准直装置，使得：

[13]所述快轴准直光束之间基本平行并且平行于所述慢轴准直装置的光轴，

[14]所述快轴准直光束的所述慢轴发散面彼此基本平行，以及

[15]从所述平面发射器到所述慢轴准直装置的光程(optical path length)基本相等。

[16]根据本发明另一实施方式，还提供一种平面变形发射器的封装，包括：

[17]双发射器光学单元，

[18]所述双发射器光学单元包括：第一和第二平面变形发射器，所述第一和第二平面变形发射器用于发射光，其中，所述平面变形发射器的所述平面彼此平行，并且所述第一和第二发射器分别向彼此发射第一和第二光束，并且所述第一和第二光束具有快轴发散度和慢轴发散度；

[19]第一和第二快轴准直装置，所述第一和第二快轴准直装置分别被光耦合至所述第一和第二发射器，用于实质上使来自所述发射器的所述光束的快轴发散度达到最小，以便产生向彼此传播的第一和第二快轴准直光束；以及

[20]第一和第二平面反射镜，所述第一和第二平面反射镜分别被光耦合至所述第一和第二快轴准直装置，用于使所述第一和第二快轴准直光束转向，以使所述光束沿相同的方向传播并且彼此平行；

[21]慢轴准直装置，所述慢轴准直装置被置于所述双发射器光学单元的下游并且被光耦合至所述双发射器光学单元的所述第一和第二快轴准直光束处，用于实质上使所述第一和第二光束的慢轴发散度达到最小，以便产生准直光束；

其中所述第一和第二发射器至所述慢轴准直装置的光程彼此基本相等。

附图说明

[22]下面将结合附图对本发明的实施例进行详细的说明，其中：

[23]图1是现有技术中单个激光器芯片布局和光束合成光学器件的示意图；

[24]图2A和图2B是双透镜变形望远镜的示意图，其用于准直来自单个激光二极管发射器的光辐射；

[25]图3A和图3B是根据本发明的基本双发射器光学单元的设计布局图；

[26]图4A是根据本发明的光源的平面图；

[27]图4B是根据本发明的的光源的主视图；

[28]图5A和图5B是通过软件制作的根据本发明的光源的光束路径的光学设计视图；

[29]图6是7个激光二极管发射器封装的三维(3D)视图。

具体实施方式

[30]通过结合各种实施例和事例对本发明教导进行描述，然而并非要将本发明教导限制于所述实施例。相反，本发明教导包含各种可选择的、可修改的以及等同的实施例，本领域的那些技术人员可以领会到所述各种实施例。在图2-5中，相同的标号代表相同的元件。

[31]图1示出了根据现有技术的用于将发射光束耦合入光纤中的装置100的设计布局。所述装置100包括单个的激光二极管发射芯片111a-111f，每一个二极管发射芯片111a-111f均具有被耦合在其上的一组准直微光学元件131a-131f、多面重定向镜、或者整体反射镜120、聚焦光学器件151以及具有包层171的输出光纤170。在操作时，发射芯片111a-111f的发射孔径被无焦中继光学系统成像到整体反射镜120上，所述整体反射镜120使光辐射转向至公共的输出无焦中继系统151，所述中继系统151可以将来自发射芯片111a-111f的光辐射耦合入输出光纤170的包层171中。

[32]即使如图1所示的装置允许将单个激光发射器111a-111f的热量散到公共板上，但是所需的用于将来自单个发射器111a-111f的光辐射重新配置并且耦合至光纤170的包层171上的光学组件非常复杂并且难于对准，因为整体反射镜120不允许对其反射表面进行单独调整，并且每个激光二极管发射芯片111a-111f与微光学元件131a-131f相关联，所述微光学元件131a-131f需要精确调整，因为微光学元件131a-131f具有短焦距。现有技术中存在用于将单个激光发射器合并入公共输出光纤的其他结构并且所述其他结构包括，例如，代替整体反射镜120的凹面镜、复杂的阶梯状反射镜排列、或者波导结构，所述波导结构被耦合至位于多发射器二极管激光器的单个封装内的单个发射器里。

[33]图2A和图2B分别示出了基本光学结构的平面视图和侧视图，该光学结构在本发明的装置中用于准直来自单个激光二极管发射器的辐射光。被设置在XZ平面212A内的平面半导体激光二极管202发射出光束206，所述光束206在YZ平面212B内通过快轴准直透镜204被准直。所述准直透镜204可以为圆柱形，或者更通常地为环形，以使当在YZ平面212B内的光束206的发散度达到最小时，在XZ平面212A内的光束206的发散度几乎不受影响。光束206向慢轴准直透镜208传播，所述慢轴准直透镜208也可以为圆柱形或者环形。准直透镜208的功能在于准直XZ平面212A内的光束206，使得输出光束210在两个平面内被准直，即在XZ平面212A内和YZ平面212B内被准直。

[34]通过选择变形望远镜214的准直透镜204和准直透镜208之间合适的焦距比(focallength ratio)，技术工人可以重新配置由发射器202发射出的光束轮廓，以便达到适用于如下文所述的根据本发明的二极管激光装置中的光束轮廓的形状和大小。

[35]如图3A和图3B所示，基本的双发射器光学单元的结构被用作根据本发明的装置中的结构模块，图3A是该光学单元模块结构的平面图，图3B是该光学单元模块结构的主视图。两个平面半导体激光二极管302和303被平行设置于XZ平面312A内，但沿如图3B中平面312B的Y-轴偏置，所述两个平面半导体激光二极管302和303发射光束306和307，所述光束306和307分别通过快轴准直透镜304和305沿312B的Y-轴被准直。所述光束306和307通过反射镜316和317发生偏转，所述反射镜316和317被布置在彼此的顶部，以便直接将光束306和307导入慢轴准直透镜308。如图3B中所示，反射镜316和317上的变形光束306和307的光斑轮廓分别由椭圆318和319示出。经慢轴准直透镜308准直后，当在如图3A中XZ平面312A观察光束310时，可知光束310中的一束位于另一束的下方。

[36]可以看出，图3A和图3B的结构类似于图2A和图2B，在某种意义上两种结构都采用诸如望远镜214的变形望远镜，以重新配置并且准直激光二极管的发射光，区别在于图3A和图3B中的望远镜的两个透镜之间采用折叠反射镜。除了共享公共光学元件308外，图3A和图3B结构的有利之处在于还可以有效地利用慢轴准直透镜308的光轴320的两边区域而对激光二极管302和303进行有效地散热。另一有利之处在于从激光二极管302和303输出的光束310可以被单独准直：首先用于激光二极管302的快轴准直透镜304和折叠反射镜316可以被校准并且被固定，并且然后用于激光二极管303的光学元件305和317被校准并且被固定。如图3A和图3B示出的另一更加有利之处在于这种结构可以作为一种用于将越来越多的激光二极管对(laser diode pairs)添加到同一光学封装中的集成模块(building block)，如下文所述。

[37]图4A是二极管激光器400的结构示意图，包括7个独立的平面激光二极管发射器，如图所示。在这7个独立的平面激光二极管发射器中，两个发射器402和403，被平行设置于XZ平面412A内，所述两个平面半导体激光二极管402和403发射光束406和407，所述光束406和407分别通过快轴准直透镜404和405被准直。所述光束406和407通过反射镜416和417发生偏转，所述反射镜416和417被布置在彼此的顶部，以便直接将光束406和407导入慢轴准直透镜408。经慢轴准直透镜408准直后，当在如图4A中XZ平面412A观察光束410时，可知光束410中的一束位于另一束的下方。然而，在图4A中，另外两对激光二极管，与各自的快轴准直光学元件和折叠反射镜相关联，如在激光器400的设计布局中示出。这两对二极管的布置位置分别用虚线框420和422标记出。虚线框420和422包括与元件组402、404、406、416、417、407、405和403相同的一组元件。最终，另外一个激光二极管芯片426，与快轴准直透镜424耦合，在图4A的上部示出。二极管426的发射光，通过准直透镜424在快轴方向被准直，随后被耦合至慢轴准直透镜408，而不带任何中间反射镜。通过比较图2A、2B与图4A，可以看出，准直透镜424和408构成的变形望远镜类似于图2A和图2B中的望远镜214。

[38]方框420和422中的激光二极管芯片较激光器402和403更接近各自的折叠反射镜，因为所选取的激光二极管芯片发射端和公共慢轴准直透镜408之间的距离相等。这样，慢轴准直条件可以同时满足所有激光二极管的准直条件。这样聚焦透镜428可以将发自激光二极管的发射光会聚入光纤430中。

[39]如图4B所示，示出了从XY平面412B方向观察的二极管激光器400的示意图。两个平面半导体激光二极管402和403发射光束406和407，所述光束406和407分别沿坐标系412B的Y-轴通过快轴准直透镜404和405准直。光束406和407经由反射镜416和417发生偏转，所述反射镜416和417被布置在彼此的顶部，以便直接将光束406和407导入平面视图中的慢轴准直透镜408。反射镜416和417上的变形光束406和407的光斑轮廓分别由椭圆418和419示出。另外两对激光二极管中，每对二极管对与快轴准直透镜和折叠反射镜相关联，如图内方框420和422所示。如图4B所示，这些激光二极管对中的一对被布置在另一对的顶部。如图4A中示出的所述激光二极管芯片426发射经过快轴准直透镜424在Y-轴方向准直过的光束。椭圆432表示通过透镜424在快轴方向准直过的光束的横向光束轮廓。类似地，椭圆434-440表示从二极管激光器400的其他激光二极管芯片发出快轴准直光束的横向光束轮廓。通过选择透镜的焦距、透镜之间的距离以及快轴准直透镜和激光二极管芯片之间的距离，可以设计椭圆418、419和432-440的形状以填充慢轴准直透镜408的缝隙。例如，对于慢轴准直透镜408的矩形通光孔径，椭圆轴比率可以大约等于1/n，其中n为二极管装置400中的激光二极管芯片的数量。

[40]可以看出，这种结构可以实现激光二极管芯片和相关的光学元件与图4A中菱形封装442很好地紧密封装。因为二极管激光器400的激光芯片可以被置于接近菱形442的周边，激光芯片彼此之间的热耦合达到最小，并且最终结果实现对公共散热器的有效散热。而且，激光二极管芯片便于串联，以减小供应给二极管激光器400的最大电流。

[41]图5A和图5B分别示出在XZ平面512A和YZ平面512B中的光束路径的光学设计的软件制作的视图。来自4个发射器的光(未示出)在YZ平面512B中通过圆柱形透镜504A-504D(在图5A中被统一标为透镜504)被准直。光束506A-506D沿慢轴准直透镜508传播。光束506A-506D在图5A中被视为一束光506，因为光束在传播中沿Y-轴偏移而一束位于另一束下方。此外，慢轴准直透镜508对所述4条光束506A-506D进行准直，以便其可以作为合成光束510向聚焦透镜528处传播，所述聚焦透镜528将单个的光束542A-542D聚合成单个光斑544。为简化起见，图5A和图5B中未示出折叠反射镜。

[42]图6是根据本发明的光纤耦合二极管激光光源的模型600的三维(3D)视图。所述模型包括密封封装602，所述密封封装602可以作为复合散热器同时对7个激光二极管中的每个单个的发射芯片611-617进行散热。所述单个发射芯片按照串联的方式进行电连接，通过接线端子604和606提供驱动电流。金属环608用于支撑输出光纤610。聚焦透镜620和圆柱形慢轴准直透镜618置于光纤610的前端。图6中还示出了3对折叠反射镜，以3个X-型结构沿由图中坐标系622示出的Z-轴方向布置在圆柱形慢轴准直透镜618后。反射镜为三角形玻璃板，所述三角形玻璃板被磨光并且在三角形斜边的棱上涂有抗反射层。所述反射镜和单个的发射芯片611-617在Y-轴方向上以间隔1mm的方式布置。封装602的覆盖区域大小为45mm×45mm。所述光纤是直径为105微米并且数值孔径为0.22的多模光纤。

Claims

1.一种光源，包括：

多个快轴准直装置，每个所述平面发射器具有一个所述快轴准直装置，用于将每个所述平面发射器的发射光束准直成快轴准直光束，其中所述快轴准直光束继续在其慢轴发散面内发散；

慢轴准直装置，所述慢轴准直装置被置于所述快轴准直装置的下游，用于将所述快轴准直光束准直成单一的准直光束；并且

多个转向装置，所述多个转向装置用于使所述快轴准直光束转向，以便将所述快轴准直光束耦合至所述慢轴准直装置，使得：

所述快轴准直光束彼此基本平行并且平行于所述慢轴准直装置的光轴，

所述快轴准直光束的慢轴发散面彼此基本平行，以及

从所述平面发射器到所述慢轴准直装置的光程基本相等。

2.如权利要求1所述的光源，其中，所述平面发射器在垂直于所述快轴准直光束的所述慢轴发散面的方向上彼此相互偏置。

3.如权利要求1所述的光源，包括用于将所述平面发射器的热量散出的散热器。

4.如权利要求1所述的光源，其中，所述平面发射器被置于所述慢轴准直装置的光轴的两侧。

5.如权利要求1所述的光源，其中，对所述平面发射器中的一个进行设置，以使在操作中所述平面发射器发射出的光沿与所述慢轴准直装置的所述光轴平行的方向传播，并且所述光不会碰到任何所述转向装置。

6.如权利要求1所述的光源，其中所述平面发射器彼此基本平行，并且所述转向装置为借助其侧表面彼此联结的平面反射镜，并且其中所述侧表面彼此平行并且平行于所述平面发射器。

7.如权利要求6所述的光源，其中，所述平面反射镜成对交叉安装以使来自一对平面发射器的光转向，所述一对平面发射器被置于所述慢轴准直装置的光轴的两侧。

8.如权利要求1所述的光源，其中，所述平面发射器为多个单独的激光二极管发射芯片。

9.如权利要求8所述的光源，其中，所述激光二极管芯片以串联方式连接。

10.如权利要求1所述的光源，其中，所述平面发射器为激光二极管阵列芯片。

11.如权利要求1所述的光源，进一步包括聚焦装置，所述聚焦装置被置于所述慢轴准直装置的下游，用于将所述单个准直光束耦合入光纤。

12.一组平面变形发射器，其包括：

双发射器光学单元，其包括：第一和第二平面变形发射器，所述第一和第二平面变形发射器用于发射光，其中，所述平面变形发射器的所述平面的取向彼此平行，并且所述第一和第二发射器分别向彼此发射第一和第二光束，并且所述第一和第二光束具有快轴发散度和慢轴发散度；

第一和第二快轴准直装置，所述第一和第二快轴准直装置分别被光耦合至所述第一和第二发射器，用于实质上使来自所述发射器的所述光束的快轴发散度达到最小，以便产生向彼此传播的第一和第二快轴准直光束；以及

第一和第二平面反射镜，所述第一和第二平面反射镜分别被光耦合至所述第一和第二快轴准直装置，用于使所述第一和第二快轴准直光束转向，以使所述光束沿相同的方向传播并且彼此平行；

慢轴准直装置，所述慢轴准直装置被置于所述双发射器光学单元的下游并且被光耦合至所述双发射器光学单元的所述第一和第二快轴准直光束处，用于实质上使所述第一和第二光束的慢轴发散度达到最小，以便产生准直光束；

13.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，还包括散热装置，所述散热装置被热耦合至所述双发射器光学单元的所述第一和第二发射器。

14.如权利要求13所述的一组平面变形发射器，其中所述平面反射镜通过其侧表面被连接至所述散热器上，和/或其彼此之间通过其所述侧表面连接，并且其中所述侧表面彼此平行并且平行于所述第一和第二平面发射器的平面。

15.如权利要求14所述的一组平面变形发射器，其中所述第一平面反射镜被安装到所述散热器上，并且所述第二平面反射镜被安装所述第一平面反射镜上，并且所述第一和第二平面反射镜发射至所述散热器的平面上的光束之间彼此交叉。

16.如权利要求15所述的一组平面变形发射器，包括三个所述双发射器光学单元，所述双发射器光学单元具有六个所述平面变形发射器，并且包括第七个所述平面变形发射器，其中：

所有的所述平面变形发射器彼此平行并且在垂直于所述发射器平面的方向上彼此相互偏置；

所有的所述平面变形发射器至所述慢轴准直装置的光程彼此基本相等；

除了第七个平面变形发射器外，所述平面变形发射器被置于所述慢轴准直装置的光轴的两侧；以及

所述平面反射镜发射至所述散热器的平面上的光束彼此基本呈直角交叉布置。

17.如权利要求16所述的一组平面变形发射器，进一步包括聚焦装置，所述聚焦装置被置于所述慢轴准直装置的下游，用于将所述准直光束耦合入光纤。

18.如权利要求12或16所述的一组平面变形发射器，其中所述平面发射器为多个单独的激光二极管发射芯片。

19.如权利要求18所述的一组平面变形发射器，其中所述激光二极管发射芯片以串联方式连接。

20.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，其中，所述发射器被置于所述慢轴准直装置的光轴的两侧。

21.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，还包括：第三平面变形发射器和被光耦合至所述第三平面变形发射器上的第三快轴准直装置，用于沿同一方向发射第三快轴准直光束并且所述第三快轴准直光束平行于所述第一和第二快轴准直光束，所述第一和第二快轴准直光束分别位于所述第一和第二平面反射镜的下游，使得所述第三快轴准直光束被光耦合至所述慢轴准直装置而不会反射离开反射镜，然后经由所述慢轴准直装置被准直，并且所述第一、第二和第三发射器至所述慢轴准直装置的光程彼此基本相等。

22.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，还包括聚焦装置，所述聚焦装置位于所述慢轴准直装置的下游，用于将所述准直光束耦合入光纤。

23.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，包括两个所述双发射器光学单元，其中所有的所述发射器的取向彼此平行并且在垂直于所述发射器平面的方向上彼此相互偏置。

24.如权利要求12所述的一组平面变形发射器，包括三个或更多个所述双发射器光学单元，其中所有的所述发射器的取向彼此平行并且在垂直于所述发射器平面的方向上彼此相互偏置。