一种整形合束的光学模组和蓝光半导体激光器的制作方法

1.本技术涉及激光器技术领域，具体涉及一种整形合束的光学模组和蓝光半导体激光器。


背景技术：

2.蓝光半导体激光器能够直接发射蓝光，具有结构简单、使用方便、电-光转换效率高等优点，主要广泛应用于激光焊接、彩色激光显示、高密度存储、数字视频技术、海洋水色和海洋资源探测、激光制冷等行业。其中，大功率蓝光半导体激光器在激光焊接领域占有重要地位。
3.但是当前大功率蓝光半导体激光器和光纤耦合时，耦合效率低，使得大功率蓝光半导体激光器的应用受限。


技术实现要素：

4.本技术实施例的目的在于提供一种整形合束的光学模组和蓝光半导体激光器，能够形成与光纤端面形状匹配的光斑，以提高耦合效率。
5.本技术实施例的一方面，提供了一种整形合束的光学模组，包括巴条阵列光源，以及依次设置在所述巴条阵列光源传播光路上的平行玻璃板阵列和聚焦耦合组件，所述巴条阵列光源出射的光束经所述平行玻璃板阵列整形后，由所述聚焦耦合组件耦合进入光纤，耦合后的所述光束形成与所述光纤的端面形状匹配的光斑入射所述光纤。
6.可选地，所述平行玻璃板阵列包括沿所述传播光路依次设置的第一平行玻璃板阵列和第二平行玻璃板阵列，所述第一平行玻璃板阵列用于对所述光束慢轴方向切割并产生纵向位移，所述第二平行玻璃板阵列用于对切割后的所述光束产生横向位移，并对所述光束的慢轴宽度进行压缩。
7.可选地，所述第一平行玻璃板阵列包括层叠设置的多层第一玻璃板组合，每层所述第一玻璃板组合包括多个第一平行四边形玻璃板，且位于中间层的所述第一玻璃板组合中所述第一平行四边形玻璃板的数量小于位于外层的所述第一玻璃板组合中所述第一平行四边形玻璃板的数量。
8.可选地，所述第一玻璃板组合中，多个所述第一平行四边形玻璃板的倾角不同，且沿多个所述第一平行四边形玻璃板排布方向上，多个所述第一平行四边形玻璃板的宽度相等。
9.可选地，所述第二平行玻璃板阵列包括层叠设置的多层第二玻璃板组合，每层所述第二玻璃板组合包括层叠设置的多个第二平行四边形玻璃板，多层第一玻璃板组合的层数和多层第二玻璃板组合的层数相同，每层所述第一玻璃板组合中所述第一平行四边形玻璃板的个数与每层所述第二玻璃板组合中所述第二平行四边形玻璃板的个数相同。
10.可选地，多个所述第二平行四边形玻璃板的倾角不同，且沿多个所述第二平行四边形玻璃板层叠方向上，多个所述第二平行四边形玻璃板的厚度相等；位于中间层的所述
第二平行四边形玻璃板的密度小于位于外层的所述第二平行玻璃板的密度。
11.可选地，所述巴条阵列光源和所述平行玻璃板阵列之间还设有第一透镜阵列，所述第一透镜阵列朝向所述巴条阵列光源的一面为平面、背向所述巴条阵列光源的一面为非球面，且所述第一透镜阵列的母线垂直于第一方向，所述第一方向为所述巴条阵列光源传播光路的方向。
12.可选地，所述第一透镜阵列和所述平行玻璃板阵列之间还设有第二透镜阵列，所述第二透镜阵列朝向所述巴条阵列光源的一面为平面、背向所述巴条阵列光源的一面为球面，且所述第一透镜阵列的母线平行于所述第一方向。
13.可选地，所述聚焦耦合组件包括沿所述传播光路依次设置的第三透镜、第四透镜和第五透镜，所述第三透镜、所述第四透镜用于对所述光束的快轴方向压缩，所述第五透镜用于聚焦。
14.本技术实施例的另一方面，提供了一种蓝光半导体激光器，包括：上述整形合束的光学模组，所述整形合束的光学模组的巴条阵列光源为蓝光巴条阵列。
15.本技术实施例提供的整形合束的光学模组和蓝光半导体激光器，巴条阵列光源出射光束，光束依次经平行玻璃板阵列和聚焦耦合组件，平行玻璃板阵列将光束进行整形，以形成和光纤端面形状匹配的光斑，再经聚焦耦合组件进入光纤。本技术利用平行玻璃板阵列将光束进行非均匀的切割，能将光斑整形接近为圆形，相比于现有的平行玻璃板阵列将光斑整形为方形，本技术将光斑整形为接近圆形更有利于耦合进入圆形端面的光纤，以提高耦合效率。并且，还充分利用光纤的数值孔径，在相同的数值孔径限制下，可耦合进入更小芯径的光纤，以扩大应用范围。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对本技术实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
17.图1是本实施例提供的整形合束的光学模组结构示意图；
18.图2是本实施例提供的整形合束的光学模组第一平行玻璃板阵列的结构示意图；
19.图3是本实施例提供的整形合束的光学模组第二平行玻璃板阵列的结构示意图；
20.图4是本实施例提供的整形合束的光学模组经第一平行玻璃板阵列后的光斑图；
21.图5是本实施例提供的整形合束的光学模组经第二平行玻璃板阵列后的光斑图；
22.图6是本实施例提供的整形合束的光学模组经第三透镜和第四透镜后的光斑图；
23.图7是本实施例提供的整形合束的光学模组经第五透镜后的光斑图。
24.图标：1-巴条阵列光源；2-第一透镜阵列；3-第二透镜阵列；4-第一平行玻璃板阵列；40、40a、40b、40c、40d、40e-第一玻璃板组合；401-第一平行四边形玻璃板；5-第二平行玻璃板阵列；50、50a、50b、50c、50d、50e-第二玻璃板组合；501、502、503、504、505、506、507、508、509、510、511、512、513、514、515、516、517、518、519-第二平行四边形玻璃板；6-第三透镜；7-第四透镜；8-第五透镜；f1-第一方向；f2-第二方向；a-倾角；d-宽度；t-厚度。
具体实施方式
25.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
26.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“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，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，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技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
28.请参照图1，本技术实施例提供一种整形合束的光学模组，包括：巴条阵列光源1，以及依次设置在巴条阵列光源1传播光路上的平行玻璃板阵列和聚焦耦合组件，巴条阵列光源1出射的光束经平行玻璃板阵列整形后，由聚焦耦合组件耦合进入光纤，耦合后的光束形成与光纤的端面形状匹配的光斑入射光纤。
29.其中，光源可具体采用蓝光巴条阵列光源1，蓝光巴条以等间距进行排列，组成蓝光巴条阵列。采用蓝光巴条作为光源，光束密度高，整形步骤少，便于安装，功率更大。
30.在光源传播光路上还依次设有平行玻璃板阵列和聚焦耦合组件，其中平行玻璃板阵列用于将巴条阵列光源1出射的光束进行整形，聚焦耦合组件用于使经整形的光束合束耦合并使光束进入光纤以应用。
31.平行玻璃板阵列对光束具有折射偏移作用，本技术通过采用平行玻璃板阵列，解决了巴条光源快慢轴光束质量相差巨大的难题。
32.本技术实施例提供的整形合束的光学模组，巴条阵列光源1出射光束，光束依次经平行玻璃板阵列和聚焦耦合组件，平行玻璃板阵列将光束进行整形，以形成和光纤端面形状匹配的光斑，再经聚焦耦合组件进入光纤。本技术利用平行玻璃板阵列将光束进行非均匀的切割，能将光斑整形接近为圆形，相比于现有的平行玻璃板阵列将光斑整形为方形，本技术将光斑整形为接近圆形更有利于耦合进入圆形端面的光纤，以提高耦合效率。并且，还充分利用光纤的数值孔径，在相同的数值孔径限制下，可耦合进入更小芯径的光纤，以扩大应用范围。
33.具体地，平行玻璃板阵列包括沿传播光路依次设置的第一平行玻璃板阵列4和第二平行玻璃板阵列5，第一平行玻璃板阵列4用于对光束慢轴方向切割并产生纵向位移，第二平行玻璃板阵列5用于对切割后的光束产生横向位移，并对光束的慢轴宽度d进行压缩。
34.巴条阵列光源1出射的光束依次入射第一平行玻璃板阵列4和第二平行玻璃板阵列5，采用第一平行玻璃板阵列4和第二平行玻璃板阵列5作为光束整形的手段，第一平行玻璃板阵列4主要对光束慢轴方向切割并产生纵向位移，第二平行玻璃板阵列5主要对切割后的光束产生横向位移，并对光束的慢轴宽度d进行压缩。通过平行玻璃板阵列将光束进行非均匀的切割，将光斑整形接近为圆形，这种接近圆形的光斑更有利于耦合进入圆形端面的光纤，充分利用了光纤的数值孔径，在相同的数值孔径限制下，可耦合进入更小芯径的光
纤。
35.进一步地，第一平行玻璃板阵列4包括层叠设置的多层第一玻璃板组合40，每层第一玻璃板组合40包括多个第一平行四边形玻璃板401，且位于中间层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量小于位于外层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量。
36.第一平行玻璃板阵列4包括多层第一玻璃板组合40，分别为第一玻璃板组合40a、第一玻璃板组合40b、第一玻璃板组合40c、第一玻璃板组合40d、第一玻璃板组合40e，多层第一玻璃板组合40层叠设置，其中，每层第一玻璃板组合包括多个第一平行四边形玻璃板401，多个第一平行四边形玻璃板401在排布方向相互贴合设置。并且，多个第一平行四边形玻璃板401的倾角a不同，因此多个第一平行四边形玻璃板401相互贴合时之间存在缝隙，沿多个第一平行四边形玻璃板401排布方向(第二方向f2)上，多个第一平行四边形玻璃板401的宽度d相等。
37.需要说明的是，倾角a不同的情况包括，以第一玻璃板组合40a为例，第一玻璃板组合40a包括5个第一平行四边形玻璃板401，5个第一平行四边形玻璃板401中每个第一平行四边形玻璃板401的倾角a都各不相同，倾角a不同的情况还包括部分相同，部分不同，例如4个第一平行四边形玻璃板401的倾角a都相同，1个第一平行四边形玻璃板401的倾角a与其他4个第一平行四边形玻璃板401的倾角a不同，倾角a不同的情况还包括3个第一平行四边形玻璃板401的倾角a都相同，其余2个第一平行四边形玻璃板401的倾角a相同、或不同，但这3个第一平行四边形玻璃板401的倾角a不同，依次类推。
38.而不同层的第一玻璃板组合40来说，可有倾角a相同的示例，例如第一玻璃板组合40a中的5个第一平行四边形玻璃板401的倾角a不同，但至少其中一个第一平行四边形玻璃板401可与第一玻璃板组合40b中的至少一个第一平行四边形玻璃板401的倾角a相同，当然倾角a也可不同。本技术只限定同一层的第一玻璃板组合中，第一平行四边形玻璃板401的倾角a不同，对于不同层的第一玻璃板组合40的倾角a并未限定，本领域技术人员可根据实际需要设置。同理，同一层的第一玻璃板组合40中，第一平行四边形玻璃板401的宽度d相同，不同层的第一玻璃板组合40的宽度d并未限定。
39.这样形成多层第一玻璃板组合40，多层第一玻璃板组合40中，位于中间层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量小于位于外层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量。在本技术的一个可实现的方式中，如图2所示，中间三层的第一玻璃板组合中均包括了三个第一平行四边形玻璃板401，顶层和底层的第一玻璃板组合40中均包括了五个第一平行四边形玻璃板401；应理解，图2只是示出了第一平行玻璃板阵列4的一种情况，并非是对本技术第一平行玻璃板阵列4的唯一限制或者是本技术实施例唯一可以支持的方案，只要是满足上述条件的第一平行玻璃板阵列4均属于本技术的保护范围之内。例如，第一平行玻璃板阵列4还可包括四层第一玻璃板组合40，那么中间两层的第一玻璃板组合40中可包括五个第一平行四边形玻璃板401，顶层和底层的第一玻璃板组合40中可包括六个第一平行四边形玻璃板401；又例如，第一平行玻璃板阵列4的多层第一玻璃板组合40中，顶层和底层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量也可不同，中间层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量也可不同，如此等等。另外，中间层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量并没有限定顺序
关系，可按一定顺序按由大到小的数量层叠排列，也可按由小到大的数量层叠排列，还可按数量的大小随机排列，例如第一玻璃板组合40b可包括三个第一平行四边形玻璃板401，第一玻璃板组合40c可包括四个第一平行四边形玻璃板401，第一玻璃板组合40d可包括两个第一平行四边形玻璃板401，这属于按数量的大小随机排列的示例，按数量大小顺序排列的示例此处不再详述，按同理推证即可，只要是中间层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量小于外层的第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的数量即可，此处不再一一例举。
40.对于第二平行玻璃板阵列5来说，第二平行玻璃板阵列5包括层叠设置的多层第二玻璃板组合50，每层第二玻璃板组合50包括层叠设置的多个第二平行四边形玻璃板，多层第一玻璃板组合40的层数和多层第二玻璃板组合50的层数相同，每层第一玻璃板组合40中第一平行四边形玻璃板401的个数与每层第二玻璃板组合50中第二平行四边形玻璃板的个数相同。
41.示例地，请参照图3，第二平行玻璃板阵列5包括五层第二玻璃板组合50，分别为第二玻璃板组合50a、第二玻璃板组合50b、第二玻璃板组合50c、第二玻璃板组合50d、第二玻璃板组合50e，每层第二玻璃板组合50包括层叠设置的多个第二平行四边形玻璃板，一个第二平行四边形玻璃板单独形成一个子层，第二玻璃板组合50a中包括的第二平行四边形玻璃板的个为5，分别为第二平行四边形玻璃板501、第二平行四边形玻璃板502、第二平行四边形玻璃板503、第二平行四边形玻璃板504、第二平行四边形玻璃板505；第二玻璃板组合50b中包括的第二平行四边形玻璃板的个数为3，分别为第二平行四边形玻璃板506、第二平行四边形玻璃板507、第二平行四边形玻璃板508；第二玻璃板组合50c中包括依次设置的第二平行四边形玻璃板509、第二平行四边形玻璃板510、第二平行四边形玻璃板511；第二玻璃板组合50d中包括第二平行四边形玻璃板512、第二平行四边形玻璃板513、第二平行四边形玻璃板514；第二玻璃板组合50e中包括第二平行四边形玻璃板515、第二平行四边形玻璃板516、第二平行四边形玻璃板517、第二平行四边形玻璃板518、第二平行四边形玻璃板519，图3已清晰示出各层第二玻璃板组合50，此处不再一一例举。
42.由此可知，第二平行玻璃板阵列5包括的五层第二玻璃板组合50的层数，与图2中第一平行玻璃板阵列4包括的五层第一玻璃板组合40的层数相同，而第二玻璃板组合50a中包括的五个的第二平行四边形玻璃板个数，与图2中第一玻璃板组合40a中包括的五个第一平行四边形玻璃板401个数相同；同理，其他层的第一玻璃板组合40和第二玻璃板组合50也一一对应。
43.一个第二平行四边形玻璃板单独形成一个子层，这样层叠形成多层第二平行四边形玻璃板，多个第二平行四边形玻璃板的倾角a不同，多个第二平行四边形玻璃板的倾角a指的是每个第二平行四边形玻璃板的倾角a，与各层第二玻璃板组合50无关。例如图3中第二平行玻璃板阵列5包括19个第二平行四边形玻璃板，倾角a不同的情况包括，19层第二平行四边形玻璃板中每个第二平行四边形玻璃板的倾角a都各不相同不同，倾角a不同的情况还包括部分相同，部分不同，例如18个第二平行四边形玻璃板的倾角a都相同，1个第二平行四边形玻璃板的倾角a与其他18个第二平行四边形玻璃板的倾角a不同，倾角a不同的情况还包括17个第二平行四边形玻璃板的倾角a都相同，其余2个第二平行四边形玻璃板的倾角a相同、或不同，但这2个与其他17个第二平行四边形玻璃板的倾角a不同，依次类推。沿多个
第二平行四边形玻璃板层叠方向上，多个第二平行四边形玻璃板的厚度t相等。
44.另外，位于中间层的第二平行四边形玻璃板的密度小于位于外层的第二平行玻璃板的密度。也就是说，最顶层和最底层第二平行四边形玻璃板的密度大于中间层的第二平行四边形玻璃板的密度，其中，最顶层和最底层第二平行四边形玻璃板的密度可相同，也可不同，例如第二平行四边形玻璃板501和第二平行四边形玻璃板519的密度可相同，也可不同；中间层的第二平行四边形玻璃板的密度可相同，也可不同，又例如，第二平行四边形玻璃板502～第二平行四边形玻璃板518的密度可相同，也可不同，不同时，第二平行四边形玻璃板502～第二平行四边形玻璃板518中可有一个的密度与其他不同，也可有两个的密度与其他不同，依次类推，且并不限于第二玻璃板组合50内，示例地，分属于不同第二玻璃板组合50的第二平行四边形玻璃板502和第二平行四边形玻璃板513可以相同，也可以不同，分属于同第二玻璃板组合50的第二平行四边形玻璃板502和第二平行四边形玻璃板505可以相同，也可以不同。另外，中间层的各第二平行四边形玻璃板的密度并没有限定顺序关系，可按一定顺序按由大到小的密度层叠排列，也可按由小到大的密度层叠排列，还可按密度的大小随机排列，只要使中间层的第二平行四边形玻璃板的密度小于位于外层的第二平行玻璃板的密度即可，此处不再详述。
45.另一方面，巴条阵列光源1和平行玻璃板阵列之间还设有第一透镜阵列2，第一透镜阵列2朝向巴条阵列光源的一面为平面、背向巴条阵列光源的一面为非球面，且第一透镜阵列2的母线垂直于第一方向f1，第一方向f1为巴条阵列光源传播光路的方向。
46.第一透镜阵列2为平凸非球柱面透镜阵列，并且的第一透镜阵列2朝向光源侧的一面为平面、背向光源侧的一面为非球面，柱面镜母线方向垂直于第一方向，第一方向可看成纸面所在的平面，多个第一透镜以等间距进行排列，组成第一透镜阵列2。第一透镜阵列2为快轴准直透镜组，能够降低巴条阵列光源输出光束快轴的发散角。
47.第一透镜阵列2和平行玻璃板阵列之间还设有第二透镜阵列3，第二透镜阵列3朝向巴条阵列光源的一面为平面、背向巴条阵列光源的一面为球面，且第一透镜阵列2的母线平行于第一方向f1。
48.第二透镜阵列3为柱面微透镜阵列，并且的第二透镜阵列3朝向光源侧的一面为平面、背向光源侧的一面为球面，柱面微透镜阵列母线方向平行于纸面所在的平面，即平行于第一方向f1，多个第二透镜以等间距进行排列，组成第二透镜阵列3。第二透镜阵列3为慢轴准直透镜组，能够降低巴条阵列光源输出光束慢轴的发散角。
49.采用柱面微透镜阵列实现了对巴条阵列光源的慢轴准直，降低了慢轴发散角，在后续的合束过程中降低了能量损耗，同时提高了光束质量，便于聚焦耦合进更小芯径的光纤中。
50.经过第一透镜阵列2和第二透镜阵列3后的光束，如图4所示，第一平行玻璃板阵列4对光束慢轴方向切割并产生纵向位移，如图5所示，第二平行玻璃板阵列5对切割后的光束产生横向位移，对光束慢轴宽度进行了压缩。
51.光束入射聚焦耦合组件进行合束，聚焦耦合组件包括沿传播光路依次设置的第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8，第三透镜6、第四透镜7用于对光束的快轴方向压缩，第五透镜8用于聚焦。
52.其中，如图6所示，第三透镜6和第四透镜7组成伽利略望远镜系统，对光束快轴方
向进行压缩，如图7所示，第五透镜8用于对光斑进行聚焦，最后耦合进行光纤。
53.在本技术的一个可行的实施例中，第三透镜6为平凸柱面透镜，柱面镜母线方向垂直于第一方向，第一方向为巴条阵列光源传播光路的方向，第四透镜7为平凹柱面透镜，柱面镜母线方向垂直于第一方向；第五透镜8为平凸非球面透镜，并且的第五透镜8朝向光源侧的一面为非球面、背向光源侧的一面为平面。
54.在本技术的另一个可行的实施例中，第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8共同组成的聚焦耦合组件可采用两个平凸柱面镜作为替代。
55.本技术实施例还公开了一种蓝光半导体激光器，包括如上任意一项的整形合束的光学模组，整形合束的光学模组的巴条阵列光源为蓝光巴条阵列。
56.通过前述实施例的整形合束的光学模组，以对蓝光巴条阵列光源出射的光束进行整形、合束，利用平行四边形玻璃板平行四边形的特征，使入射光和出射光错位，通过使光束依次通过两个不同方向的平行四边形玻璃板组合，第一平行玻璃板阵列4对光束慢轴方向切割并产生纵向位移，第二平行玻璃板阵列5对切割后的光束产生横向位移，对光束慢轴宽度d进行了压缩，以出射与光纤端面形状匹配的光斑，提高耦合效率。将光斑整形接近为圆形，这种接近圆形的光斑更有利于耦合进入圆形端面的光纤，充分利用了光纤的数值孔径，在相同的数值孔径限制下，可耦合进入更小芯径的光纤。
57.该蓝光半导体激光器包含与前述实施例中的整形合束的光学模组相同的结构和有益效果。整形合束的光学模组的结构和有益效果已经在前述实施例中进行了详细描述，在此不再赘述。
58.以上所述仅为本技术的实施例而已，并不用于限制本技术的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。