一种蓝光半导体激光器合束装置及高亮度蓝光输出方法

一种蓝光半导体激光器合束装置及高亮度蓝光输出方法
1.本发明涉及半导体激光器技术领域，特别是涉及一种蓝光半导体激光器合束装置高亮度蓝光输出方法。


背景技术：

2.蓝光光源具有波长短、发散角小等优点，在数据存储方面，它可将存储容量提高一个数量级；蓝光光源作为标准三原色之一，应用在彩色显示中，能够实现三原色的平衡。在材料加工领域，由于金属铜、铝对波长450nm附近的激光吸收率很高，因此，蓝光激光可用于铜铝等金属合金材料的微加工，提高工作效率和质量。此外，蓝光激光还可以应用于海洋水色和海洋资源探测、材料科学和光通信等多个领域。对于传统的蓝光获取技术来说，主要有直接发射蓝光的半导体激光器(ld)、通过ld倍频输出蓝色激光、蓝色波导激光器以及利用非线性光学技术(倍频、和频)获得的蓝色激光器。但是，这些蓝光激光器不仅结构复杂、电光效率低、而且体积较大，系统工作也不稳定。随着半导体技术的迅速发展，各种工艺制造技术的提高以及光纤耦合技术手段的丰富，采用蓝光ld光束合成技术来获得高亮度蓝光光源已成为研究的热点。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述的研究热点，本发明的目的是提出一种蓝光半导体激光器合束装置，在保证耦合效率降低较小的情况下，得到高亮度的蓝光输出。
5.(二)技术方案
6.蓝光半导体激光器合束装置，包括蓝光单管半导体激光器、沿所述蓝光单管半导体激光器的光路方向依次设有快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜，沿所述反射镜的光路方向设有1/2玻片、偏振棱镜、耦合聚焦镜和光纤，所述蓝光半导体激光器合束装置使用的单管为to封装。
7.可选的,所述蓝光单管半导体激光器的数量为48个，所述光纤数值孔径为100微米。
8.可选的,所述的48个蓝光单管半导体激光器分成两组，分别为第一组和第一组。
9.可选的,所述第一组和第一组的激光光路发射端均包括m
×
n的快慢轴准直镜组合,其中，m表示行，n表示列，m的数值为8，n的数值为3。
10.可选的,蓝光单管半导体激光器发出的激光经快轴准直镜和慢轴准直镜准直后成为一束平行光。
11.可选的,所述平行光经由反射镜反射后成为一组排列紧密的光斑，再经过1/2玻片成为偏振态不同的两组光束，由偏振棱镜合束后将亮度提高一倍，再由聚焦镜耦合进105um/0.2na的多模光纤中。
12.还提供一种高亮度蓝光输出方法，包括：
13.步骤s1，蓝光单管半导体激光器发射出初始蓝光；
14.步骤s2，所述初始激光依次穿过快轴准直镜和慢轴准直镜，形成平行光；
15.步骤s3，所述平行光经反射镜反射后，形成光斑；
16.步骤s4，所述光斑穿过1/2玻片后，形成偏振态不同的两组初始光束；
17.步骤s5，所述初始光束经过偏振棱镜后，形成高亮度的目标光束；
18.步骤s6，所述目标光束经耦合聚焦镜后耦合进光纤，所述目标光束从所述光纤的输出端输出，得到目标蓝光。
19.可选的,所述步骤s2，所述初始激光依次穿过快轴准直镜和慢轴准直镜，形成平行光，具体包括：
20.步骤s201，分别采集所述初始蓝光和光纤的参数；
21.步骤s202，基于所述参数计算快轴准直镜和慢轴准直镜的数量和排布方式。
22.可选的,步骤s6，所述目标光束经耦合聚焦镜后耦合进光纤，所述目标光束从所述光纤的输出端输出，得到目标蓝光，具体包括：
23.步骤s7，判断所述目标光束经耦合聚焦镜后是否耦合进100微米的光纤中；
24.步骤s8，若耦合进100微米的光纤中，则得到目标蓝光；若未耦合进100微米的光纤中，则执行步骤s202，基于所述参数计算快轴准直镜和慢轴准直镜的数量和排布方式。
25.(三)有益效果
26.本发明的蓝光半导体激光器合束装置在确保耦合效率降低较少的情况下，增加了耦合的单管数量，提高了输出功率，达到了高亮度的蓝光输出。
附图说明
27.图1是光纤耦合条件的示意图；
28.图2分别是(a)6
×
3光斑直径与发散角示意图、(b)7
×
3光斑直径与发散角示意图、(c)8
×
3光斑直径与发散角示意图和(d)9
×
3光斑直径与发散角示意图这4种快慢轴组合的示意图；
29.图3是48只to单管ld的高亮度蓝光半导体激光器的结构示意图；
30.图4是经由反射镜后的光斑示意图；
31.图5是经由耦合聚焦镜后的光斑示意图；
32.图6是经由光纤输出的光斑示意图；
33.上述附图中，附图标记含义如下：
34.1、蓝光单管半导体激光器；
ꢀꢀ
2、快轴准直镜；
35.3、慢轴准直镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
4、反射镜；
36.5、1/2玻片；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
6、偏振棱镜；
37.7、耦合聚焦镜；
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
8、光纤。
具体实施方式
38.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
39.本发明利用光纤耦合条件来进行to单管ld的快慢轴组合选择，以提高ld单管的耦合数量，提高输出功率，达到高亮度的目的。
40.包括蓝光单管半导体激光器1、沿所述蓝光单管半导体激光器1的光路方向依次设有快轴准直镜2、慢轴准直镜3和反射镜4，沿所述反射镜4的光路方向设有1/2玻片5、偏振棱镜6、耦合聚焦镜7和光纤8，所述蓝光半导体激光器合束装置使用的单管为to封装。
41.在本实施例中，1/2玻片5和偏振棱镜6的作用是进行偏振合束，偏振合束就是将两束功率相近、偏振态不同的光束合在一起，这样可以提高一倍的输出功率，同时输出光束的光斑大小保持不变，以达到高功率高亮度的目的。该合束结构中的两组光束在未经1/2玻片5前的偏振态是相同的，为了满足偏振棱镜6的使用条件，需经1/2玻片5来改变其中一组光束的偏振态。经由1/2玻片5后得到两组不同偏振态的光束，再通过偏振棱镜6进行偏振合束，提高输出功率，达到高亮度的目的。
42.如果不使用1/2玻片5、偏振棱镜6，整体的输出功率会减半。
43.所述蓝光单管半导体激光器1的数量为48个，所述光纤8数值孔径为100微米。
44.在本实施例中，48个单管半导体激光器1是经由计算模拟得到的最佳结果，可以兼顾输出功率和效率得到较高亮度的蓝光输出。
45.所述的48个蓝光单管半导体激光器1分成两组，分别为第一组和第一组。
46.在本实施例中，第一组和第二组在结构上是完全相同的，唯一不同的地方在于第二组模块的输出光束的偏振状态被1/2玻片5旋转了90度，造成它们的偏振态垂直。然后使用偏振棱镜6进行偏振合束提高输出功率。
47.所述第一组和第一组的激光光路发射端均包括m
×
n的快慢轴准直镜组合,其中，m表示行，n表示列，m的数值为8，n的数值为3。
48.在本实施例中，8
×
3是一种空间排布，是每一组输出的光斑分布，即8
×
3个子光束，既描述了光斑排布也突出了结构。业内现有的技术，并不能实现100微米光纤的耦合，本发明对相应的光束进行快轴准直和慢轴准直后，在空间上形成8*3的行列式排列后，能够耦合进100微米的光纤。解决了100微米光纤耦合的难题(业内目前最小是200微米)，而且兼顾了高功率输出(8*3的排列，比业内目前的功率输出更高)。100微米与200微米指的是传输光纤的纤芯直径，从光学专业的角度出发，激光器传输光纤的纤芯直径越小，代表激光输出的亮度更高，光学性能更好。
49.图1为光纤耦合条件的示意图，需要满足的条件和计算过程为：
50.(1)光斑的直径不大于光纤的芯径；
[0051][0052]
(2)光斑的发散角不大于光纤的最大接收角；
[0053][0054]
(3)快慢轴的光参数积要均小于光纤的光参数积。
[0055]
bpp
fast
bpp
slow
≤bpp
fiber
[0056]
[0057][0058]
利用以上的耦合条件来进行耦合聚焦镜的设计，聚焦镜的焦距需要满足的条件为：
[0059][0060][0061][0062][0063]
其中，字母含义：
[0064]dfast
：快轴方向的光斑直径；
[0065]dslow
：慢轴方向的光斑直径；
[0066]dfiber
：光纤的纤芯直径；
[0067]
θ
fast
：快轴方向的发散半角；
[0068]
θ
slow
：慢轴方向的发散半角；
[0069]
na：光纤的数值孔径；
[0070]
bpp
fast
：快轴方向的光参数积；
[0071]
bpp
slow
：慢轴方向的光参数积；
[0072]
bpp
fiber
：光纤的光参数积；
[0073]
f：耦合聚焦镜的焦距；
[0074]
蓝光半导体激光器合束装置可将48个to封装的单管半导体激光器1耦合进105um/0.2na的多模光纤中，得到高亮度的蓝光输出，并且耦合效率达93.78％，整体系统的光-光转换效率为86.13％。本发明与现有ld耦合模块的区别在于，快慢轴准直镜片采用大焦距的快轴准直镜2(f＝2mm)和消像差的双胶合慢轴柱面透镜(f＝20mm)，双胶合慢轴柱面透镜即慢轴准直镜3。进一步消除了准直后的残余发散角。
[0075]
这个有益效果是光学软件仿真结果。选定48个单管进行一百微米的光纤耦合对于本领域人员来说具有一定的技术难度，理由为：现阶段100微米光纤输出的半导体模块，无论是实验还是仿真(公开文献表明)结果，一般是1列多行的，2列多行的都只能耦合进200微米的光纤。而本结构是3列多行耦合进100微米光纤的，是与已知的现存结构有显著区别的。从这个意义上说，48个单管百微米输出的结果是出乎意料的。
[0076]
蓝光单管半导体激光器1发出的激光经快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直后成为一束平行光。
[0077]
在本实施例中，所述一束平行光由8
×
3个子光束构成。
[0078]
所述平行光经由反射镜4反射后成为一组排列紧密的光斑，再经过1/2玻片成为偏
振态不同的两组光束，由偏振棱镜合束后将亮度提高一倍，再由聚焦镜耦合进105um/0.2na的多模光纤中。耦合进入100微米的光纤，输出的光束质量更好，亮度更高，经过聚焦后的光斑比200微米的光纤输出光束聚焦后的直径小1倍，面积小4倍，功率密度就会增大4倍。
[0079]
一种高亮度蓝光输出方法，包括：
[0080]
步骤s1，蓝光单管半导体激光器1发射出初始蓝光；
[0081]
步骤s2，所述初始激光依次穿过快轴准直镜2和慢轴准直镜3，形成平行光；
[0082]
步骤s3，所述平行光经反射镜4反射后，形成光斑；
[0083]
步骤s4，所述光斑穿过1/2玻片5后，形成偏振态不同的两组初始光束；
[0084]
步骤s5，所述初始光束经过偏振棱镜6后，形成高亮度的目标光束；
[0085]
步骤s6，所述目标光束经耦合聚焦镜7后耦合进光纤8，所述目标光束从所述光纤8的输出端输出，得到目标蓝光。
[0086]
在本实施例中，1/2玻片5和偏振棱镜6的作用是进行偏振合束，偏振合束就是将两束功率相近、偏振态不同的光束合在一起，这样可以提高一倍的输出功率，同时输出光束的光斑大小保持不变，以达到高功率高亮度的目的。该合束结构中的两组光束在未经1/2玻片5前的偏振态是相同的，为了满足偏振棱镜6的使用条件，需经1/2玻片5来改变其中一组光束的偏振态。经由1/2玻片5后得到两组不同偏振态的光束，再通过偏振棱镜6进行偏振合束，提高输出功率，达到高亮度的目的。如果不使用1/2玻片5、偏振棱镜6，整体的输出功率会减半。
[0087]
所述步骤s2，所述初始激光依次穿过快轴准直镜2和慢轴准直镜3，形成平行光，具体包括：
[0088]
步骤s201，分别采集所述初始蓝光和光纤8的参数；
[0089]
步骤s202，基于所述参数计算快轴准直镜2和慢轴准直镜3的数量和排布方式。
[0090]
步骤s6，所述目标光束经耦合聚焦镜7后耦合进光纤8，所述目标光束从所述光纤8的输出端输出，得到目标蓝光，具体包括：
[0091]
步骤s7，判断所述目标光束经耦合聚焦镜7后是否可以耦合进100微米的光纤8中；
[0092]
步骤s8，若所述目标光束经耦合聚焦镜7后耦合进100微米的光纤8中，则得到目标蓝光；若否，则执行基于所述参数计算快轴准直镜2和慢轴准直镜3的数量和排布方式的步骤。
[0093]
在本实施例中，可以将目标光束经耦合聚焦镜7后耦合进100微米的光纤8中，增加了耦合效率，同时又可以输出高亮度的蓝光。
[0094]
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。