一种半导体激光耦合系统的制作方法

本申请涉及半导体激光器，尤其涉及一种半导体激光耦合系统。

背景技术：

1、半导体激光器具有电光效率高、体积小、波长覆盖范围广等优势，在工业加工、激光照明、光纤通信、固体激光器泵浦等领域得到广泛应用。然而，单个半导体激光芯片的输出功率有限，且亮度和光束质量往往难以同时满足高功率应用需求，因此通常采用多个半导体激光芯片进行合束耦合，将多路激光汇聚后耦合进入同一根输出光纤，以提升输出功率与亮度。

2、在多芯片合束耦合至光纤的架构中，各激光芯片输出的光束经准直、合束、聚焦后，在聚焦透镜入射面及光纤纤芯端面上形成组合光斑。由于光纤的接收能力由其数值孔径（na）决定，理论上只有落在聚焦面上"满足光纤 na 的圆形区域"内的光才能有效耦合进光纤。然而，在现有的多芯片耦合系统中，多路激光经合束后在聚焦面上的组合光斑分布往往与光纤 na 所定义的圆形接收区不匹配。如图1所示，当多个激光芯片采用线性阵列排布时，组合光斑在慢轴方向展开、快轴方向压缩，整体呈矩形或近似矩形分布，导致聚焦面上圆形 na 区域的边角（尤其是大 na 区域）未被光斑覆盖，造成光纤数值孔径的浪费；即便通过转向、折叠等合束方式将多路光束归并，也常因各路光束在聚焦面上的占位方式单一，导致光斑能量分布不均、耦合效率受限。

技术实现思路

1、有鉴于此，本申请提出了一种半导体激光耦合系统，以解决现有技术中多路激光合束后组合光斑与光纤数值孔径接收区域不匹配而导致光纤数值孔径利用率低及光斑能量分布不均匀的技术问题。

2、本申请的技术方案是这样实现的：

3、本申请提供了一种半导体激光耦合系统，包括：

4、多个第一激光芯片和至少一个第二激光芯片，用于输出激光；

5、多个准直光学组件，每个所述准直光学组件对应设置在一个所述第一激光芯片或所述第二激光芯片的出光光路上，用于对该激光芯片输出的激光进行准直；

6、合束组件，包括至少一层多角棱镜，所述多角棱镜的中心区域设有沿光轴方向贯穿的通孔，所述通孔的周缘设有多个反射面；所述第一激光芯片设置在所述多角棱镜的外周侧，各所述反射面分别对应于一个所述第一激光芯片，用于将该第一激光芯片输出的经准直后的激光折转后穿过所述通孔；

7、聚焦透镜组，设置在所述合束组件的出射光路上，用于对穿过所述通孔的激光进行聚焦并耦合至输出光纤；

8、所述第二激光芯片设置于所述合束组件的光轴上且位于远离聚焦透镜组的一侧，其输出的经准直后的激光直接穿过所述通孔；

9、当所述合束组件包括至少两层多角棱镜时，各层所述多角棱镜同轴层叠且边数互不相同，且各层多角棱镜的反射面在垂直于光轴的平面内沿不同方位角分布，以使穿过所述通孔的全部激光在所述聚焦透镜组的入射面上共同形成的组合光斑的轮廓与所述输出光纤的数值孔径所定义的圆形接收区域相匹配。

10、在上述技术方案的基础上，优选的，所述多角棱镜的边数为2n，其中n为大于等于2的整数。

11、在上述技术方案的基础上，优选的，多个所述第一激光芯片围绕所述多角棱镜的外周侧均匀分布，且每个所述第一激光芯片的出光方向垂直于对应的所述多角棱镜的侧面。

12、在上述技术方案的基础上，优选的，各层所述多角棱镜的反射面均为与光轴呈45°夹角的平面，用于将入射激光折转90°。

13、在上述技术方案的基础上，优选的，所述通孔的孔径大于或等于所述第二激光芯片输出的经准直后的激光在所述通孔处的组合光斑外径。

14、在上述技术方案的基础上，优选的，当所述合束组件包括多层多角棱镜时，沿光轴方向由靠近所述聚焦透镜组的一侧至远离所述聚焦透镜组的一侧，各层所述多角棱镜的边数依次递减。

15、在上述技术方案的基础上，优选的，当所述合束组件包括多层多角棱镜时，相邻两层所述多角棱镜上的所述反射面沿径向方向错开设置。

16、在上述技术方案的基础上，优选的，所述多角棱镜的反射面设有高反射膜。

17、在上述技术方案的基础上，优选的，所述准直光学组件包括快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜贴设在对应的激光芯片的出光端面上，所述慢轴准直镜设置在所述快轴准直镜的出光方向上。

18、在上述技术方案的基础上，优选的，所述多角棱镜的外周侧固定设置有基板，所述第一激光芯片和对应的所述准直光学组件固定设置于所述基板的表面，且所述基板内开设有冷却流道。

19、本申请相对于现有技术具有以下有益效果：

20、1）、本申请提出的半导体激光耦合系统，通过设置带有中心通孔和反射面的多角棱镜，将第一激光芯片的光束经反射折转后穿过通孔，同时将第二激光芯片的光束直接沿光轴穿过通孔，并在多层多角棱镜的情况下实现同轴层叠与方位角差异化分布，使得全部激光在聚焦透镜组入射面上形成的组合光斑的轮廓与输出光纤的数值孔径所定义的圆形接收区域相匹配，从而提高了光纤数值孔径的利用率，改善了光斑能量分布的均匀性，实现了多路激光的高效耦合。

21、2）、通过将多角棱镜设置为偶数边，保证了多角棱镜具有对称的几何结构，使得各反射面在垂直于光轴的平面内能够沿圆周方向均匀分布，有利于各第一激光芯片的光束经反射后形成对称的环形光斑。

22、3）、多层多角棱镜同轴层叠设置，各层棱镜的边数由外向内依次递减，外层棱镜的反射面形成直径较大的环形光斑，内层棱镜的反射面形成直径较小的环形光斑，各层环形光斑由外向内依次嵌套，通过这种多层嵌套的环形光斑与中心光斑的协同配合，全部激光在聚焦透镜组入射面上共同形成一个近似实心的圆形组合光斑，该组合光斑的轮廓与输出光纤的数值孔径所定义的圆形接收区域相匹配，能够充分填充该圆形接收区域，从而显著提高光纤数值孔径的利用率，改善光斑能量的分布均匀性，实现多路激光的高效耦合和输出功率的最大化。

23、4）、通过在多角棱镜的外周侧固定设置基板，第一激光芯片和对应的准直光学组件集成安装于基板表面，保证了各元件的定位精度和装配一致性，简化了装配过程；基板内开设的冷却流道可通入冷却介质，有效带走第一激光芯片工作时产生的热量，确保系统在高功率状态下的热稳定性和长期可靠性。

1.一种半导体激光耦合系统，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：所述多角棱镜的边数为2n，其中n为大于等于2的整数。

3.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：多个所述第一激光芯片围绕所述多角棱镜的外周侧均匀分布，且每个所述第一激光芯片的出光方向垂直于对应的所述多角棱镜的侧面。

4.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：各层所述多角棱镜的反射面均为与光轴呈45°夹角的平面，用于将入射激光折转90°。

5.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：所述通孔的孔径大于或等于所述第二激光芯片输出的经准直后的激光在所述通孔处的组合光斑外径。

6.如权利要求2所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：当所述合束组件包括多层多角棱镜时，沿光轴方向由靠近所述聚焦透镜组的一侧至远离所述聚焦透镜组的一侧，各层所述多角棱镜的边数依次递减。

7.如权利要求2所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：当所述合束组件包括多层多角棱镜时，相邻两层所述多角棱镜上的所述反射面沿径向方向错开设置。

8.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：所述多角棱镜的反射面设有高反射膜。

9.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：所述准直光学组件包括快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜贴设在对应的激光芯片的出光端面上，所述慢轴准直镜设置在所述快轴准直镜的出光方向上。

10.如权利要求1所述的半导体激光耦合系统，其特征在于：所述多角棱镜的外周侧固定设置有基板，所述第一激光芯片和对应的所述准直光学组件固定设置于所述基板的表面，且所述基板内开设有冷却流道。