一种可见光单模光纤输出激光器的制作方法

1.本发明涉及一种激光器，尤其是一种可见光单模光纤输出激光器。


背景技术：

2.可见光单模光纤输出激光器具有极高的光束质量，应用在共聚焦显微镜、dha测序仪、流式细胞仪，以及其他对光束质量要求高的行业。一般是将可见光波长的半导体激光器通过透镜耦合到单模光纤中，半导体激光器输出光为单横模，发光点在1um，发散角为30-40
°
。单模光纤的数值孔径角为6
°
，可见光波长的模场直径为3.5-5.5um。一般采用非球透镜压缩半导体激光器发散角将光高效耦合进入单模光纤。根据物理光学理论，压缩发散角的同时光斑会相应的变大。匹配光纤的发散角和模场直径可以得到最佳耦合效率，理论上使用单透镜耦合可以得到较高的耦合效率。使用的单透镜物像垂轴放大率因为发散角变换关系在4-6倍，当透镜在垂轴方向移动1um，聚焦光斑在垂轴方向移动4-6um，已经完全超出光纤收光范围。要保证主光束在光纤芯径范围内，透镜垂轴移动需保证在0.2um之内。
3.受技术限制可见光单模芯片出光功率都普遍较低，而产品应用要求功率越大越好，所以在制作过程中应尽可能减少功率损失。但单透镜耦合存在容差极小的问题，波长越短模场直径越小，相应的透镜容差越小。这为产品实际制作带来极大的困难和挑战，在调节好功率之后，固定透镜的过程中经常出现功率大幅下降的问题，无法制作。进入光纤的光束偏离光纤中心进入包层，易出现功率不稳定现象。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供一种容差大、耦合效率高、功率稳定的一种可见光单模光纤输出激光器，具体技术方案为：
5.一种可见光单模光纤输出激光器，包括半导体芯片和单模光纤，还包括：基板，所述半导体芯片固定在所述基板上；底座，所述单模光纤和所述基板均固定在所述底座上；第一透镜，所述第一透镜安装在所述底座上，且位于所述半导体芯片的一侧，用于压缩半导体芯片发射光束的发散角，形成聚焦光斑；第二透镜，所述第二透镜固定在底座上，且位于所述第一透镜的聚集光斑上，用于限制光束发散角；及第三透镜，所述第三透镜与所述第二透镜相对设置，且固定在所述底座上，所述单模光纤位于所述第三透镜的焦点上，第三透镜用于将光束聚焦进单模光纤。
6.优选的，所述单模光纤的轴线与所述第三透镜轴线的夹角为8
°
。
7.优选的，所述第一透镜、第二透镜和第三透镜的通光面上均设有增透膜，所述增透膜的通过率大于99％。
8.优选的，所述第一透镜和所述第三透镜为非球面透镜，所述第二透镜为球面透镜。
9.优选的，第二透镜的焦距是第一透镜的5倍以上，所述第二透镜焦点上的垂轴放大率大于5，准直后的光束为所述第一透镜上光束直径5倍以上。
10.优选的，所述第一透镜的垂轴放大率大于1。
11.进一步的，所述半导体芯片通过高导热焊料固定在所述基板上。
12.其中，所述基板的导热系数大于80w/mk，所述基板为陶瓷板。
13.优选的，所述基板通过导热环氧树脂与底座连接，且所述导热环氧树脂的的导热系数大于2w/mk。
14.优选的，所述底座的导热系数大于80w/mk，所述底座为陶瓷座或金属座。
15.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：
16.本发明提供的一种可见光单模光纤输出激光器将半导体芯片粘贴在基板上，基板安装在底座上，三者之间均设置有散热材料，解决芯片工作时的散热问题，保证激光器的使用寿命。第一透镜通过无源对准安装，压缩芯片发散角，放大第一透镜后的聚焦光斑束腰尺寸，且聚焦光斑位于第二透镜的焦距上，第二透镜实现了把放大后的束腰尺寸转变成大光斑后准直传输。第三透镜把光束聚焦后导入单模光纤，匹配单模光纤的模场直径和数值孔径，单模光纤位于第三透镜的焦点上。根据物像关系，本发明的光路设计从原理上减小了第二个透镜移动对光路的影响，第二个透镜在垂轴方向上移动容差可由0.2um增大到1um以上，解决了小容差难题，实现了高耦合效率，高稳定性特点。
附图说明
17.图1是一种可见光单模光纤输出激光器的结构示意图。
具体实施方式
18.现结合附图对本发明作进一步说明。
19.本实施例采用双透镜扩束进行准直，将光束放大后准直后通过透镜聚集进入光纤，由光纤输出光束，其中第一透镜4和第三透镜6预先无源对准固定，第二透镜5调节固定，通过降低中间透镜位置移动对光路的影响。
20.如图1所示，一种可见光单模光纤输出激光器，包括半导体芯片1、单模光纤7、基板2、底座3、第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6。其中半导体芯片1为可见光波长半导体芯片1，用于发生光束。底座3为陶瓷座或金属座，底座3的导热系数大于80w/mk。基板2为陶瓷板，基板2的导热系数大于80w/mk。半导体芯片1通过高导热焊料固定在基板2上。半导体芯片1与基板2在厚度方向的偏差小于10um。基板2通过导热环氧树脂与底座3连接，且导热环氧树脂的的导热系数大于2w/mk。基板2和单模光纤7分别固定在底座3的两端，第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6依次固定在底座3上，且位于半导体芯片1与单模光纤7之间。其中，单模光纤7的轴线与第三透镜6轴线的夹角为8
°
，并且单模光纤7通过固定装置固定在底座3上。
21.第一透镜4用于压缩半导体芯片1发射光束的发散角，形成聚焦光斑，根据高斯光束发散角特性，光束发散角变小，则光束束腰变大：
[0022][0023][0024]
光束经过第一透镜4后垂直放大，垂轴放大率k大于1。
[0025][0026]
第一透镜4通过无源对准的方式安装在底座3上，其中，第一透镜4通过环氧树脂胶水固定在底座3上，并且与半导体芯片1之间的距离固定。聚焦光斑位于第二透镜5的焦距上，将通过第一透镜4后的光束进行准直，进一步控制光束发散角。
[0027][0028][0029]
第二透镜5的焦距是第一透镜4的5倍以上，并且第二透镜5焦点上的垂轴放大率大于5，第二透镜5准直后的光束为第一透镜4上光束直径5倍以上，准直后的光束进入第三透镜6，第三透镜6用于将光束进行聚焦，并进入单模光纤7，经过第三透镜6后光束汇聚，垂轴放大率远小于1。
[0030][0031]
当入射到第三透镜6上的光束出现位置变化时，聚焦光斑的位置变化被相应地缩小，降低了第二透镜5在x、y、z三个方向上移动对整体光路的影响。
[0032]
光束聚焦点的束腰与光纤的模场直径相等，经过第三透镜6后光束的汇聚角度不大于光纤的数值孔径na，聚焦光斑耦合进入单模光纤7。
[0033][0034]
耦合效率如下：
[0035][0036]
β＝πr，w0/(λf)
[0037]
第三透镜6根据与单模光纤7的设计距离采用无源对准的方式粘贴固定在底座3上，第三透镜6与底座3之间填充环氧树脂胶水。
[0038]
单模光纤7带有8
°
斜角，减少端面垂直入射形成的菲涅尔反射光影响芯片寿命。
[0039]
第一透镜4、第二透镜5和第三透镜6均在通光面上镀增透膜，镀膜透过率大于99％，提高系统光透过率。
[0040]
第一透镜4和第三透镜6均为非球面玻璃透镜，采用模压制作。第二透镜5为球面玻璃透镜。
[0041]
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明权利要求的保护范围之内。