光纤耦合二极管激光模块及其组装方法
阅读说明：本技术 光纤耦合二极管激光模块及其组装方法 (Fiber-coupled diode laser module and assembling method thereof ) 是由 瓦迪姆·丘亚诺夫 德米特里·米弗塔库提诺夫 于 2020-03-26 设计创作，主要内容包括：尾纤型二极管激光器模块被配置为具有容纳多个多模芯片的壳体,该多模芯片被布置成至少一行并且在一个方向上输出各自的光束。每个输出光束在上游快轴准直器和下游慢轴准直器中准直,这些准直器在一个方向上彼此间隔开。准直的输出光束入射在各自的反射镜上,该反射镜使入射的输出光束在横向于所述一个方向的另一方向上重新定向。通过进一步迭代传播,输出光束构成在慢轴上发散的合成光束,同时向至少一个透镜传播,该透镜将合成光束沿慢轴聚焦在其焦平面中。输出光纤安装到壳体上,使得其芯端与聚焦合成光束的最小横截面共面,该最小横截面距焦平面下游间隔开预定距离。(The pigtailed diode laser module is configured to have a housing accommodating a plurality of multimode chips arranged in at least one row and outputting respective light beams in one direction. Each output beam is collimated in an upstream fast axis collimator and a downstream slow axis collimator, which are spaced apart from each other in one direction. The collimated output beams are incident on respective mirrors which redirect the incident output beams in another direction transverse to the one direction. By further iterative propagation, the output beam constitutes a composite beam diverging in the slow axis, while propagating towards at least one lens which focuses the composite beam in its focal plane along the slow axis. The output fiber is mounted to the housing such that its core end is coplanar with a minimum cross-section of the focused composite beam that is spaced downstream from the focal plane by a predetermined distance.)
技术领域
本公开涉及光纤耦合(尾纤)的多发射器多模(MEMM)二极管激光器模块。具体地，公开了一种改进的包括尾纤型MEMM二极管激光器模块的光耦合装置，该尾纤型MEMM二极管激光器模块被配置为具有至少一个透镜，该透镜与光纤纤芯间隔开超过透镜焦距的距离。本公开进一步涉及一种组装所公开模块的方法。
背景技术
高效率、大功率水平以及高光谱定向亮度是在许多领域(例如，材料加工、胶印、医疗、固态激光器泵浦)中使用的尾纤型二极管激光器模块的具有吸引力的特性。改善所有这些特性实际上对于所有应用都很重要。这对于激光二极管泵浦光纤激光器尤其重要。尽管光纤激光器功率不断增加，但是至少部分地由于泵浦光的耦合损耗，大功率光纤激光器的性能仍然表现不佳。所公开的耦合装置将损耗降低到约2％至3％。考虑到即使损耗减少百分之一也被认为是重大成功，这样的减少是显著的。
图1和图2中示出了典型的现有技术大功率多发射器多模光纤耦合的二极管激光器模块10，并在例如Ovtchinnikov等人的美国专利No.7,764,723(“'723专利”)中公开，该专利通过引用将被全部并入本文。在最基本的层面上，二极管激光发射器或芯片12由各自的底座33支撑并沿光路输出散光光束14。在图1中，阵列中的每个单独的芯片12彼此堆叠。各种光学器件16、18、20和22对每个发射器的光束14进行准直和整形，使得所有光束14组合成单个散光合成光束24。合成光束24被导向光纤30并聚焦在该光纤30的接收芯端，该光纤30的接收芯端位于物镜22的焦平面F-F内。
每个大面积MM芯片12在第一方向上发射非圆形光束14。由于二极管激光器的薄板几何形状，它们的辐射沿Z轴传播，并具有高度不对称横向分布的光功率密度并且沿X轴和Y轴发散。每个光束14在其慢轴上较宽而在其快轴上较窄。因此，所示示意图通常具有快轴准直器(FAC)16和慢轴准直器(SAC)18，使光束14在快轴和慢轴两者上平行。多个光束14进一步由一组反射镜20组合成合成光束24，其中多个光束14在竖直平面中沿彼此平行的第二方向传播。
因此，在两个轴上准直的合成光束24入射并填充物镜22的区域，使得束斑36耦合到光纤30的芯端31，该芯端31位于物镜(OL)22的焦平面F-F中。'723专利教导使用尽可能大的束斑36。因此，光束在近场中的发散是最小可能的，并且照射输出光纤30的光束的亮度相对较好。
然而，以上仅适用于点状光源。芯片12具有多个发射各自光线的点。因此，与点状光源相比，芯片相当细长并且进一步被称为延伸光源或芯片。来自延伸光源的光束24至少在慢轴上没有被理想地准直。因此，当这种非平行光束被物镜22沿慢轴聚焦在焦平面F-F上时，其束斑可能过大而无法无损耦合或接近无损地耦合到光纤的芯端，如下所述。
图3示出了单个延伸光源12的光线图。芯片12位于SAC 18的焦平面FP18中，SAC 18的焦距相对较短，例如，小于6mm。如果光从点光源发射，它会在慢轴(SA)中由SAC 18准直，并作为理想的平行光束14传播一段距离到达OL 22，如虚线所示。因此，点光源将在OL 22的焦平面F-F中具有清晰的图像，并具有形成在焦平面F-F中的最小束斑或束腰25。焦平面被确定为其中f2和f1分别是透镜22和透镜18的焦距，并且△是延伸光源的尺寸。然而，二极管激光器12具有多个发光点的阵列，从而导致单个光束14以角度 发散，其中ΘΔ/2 1，大致从OL 22的后焦点开始。随着透镜18和透镜22之间的距离增加，光束在慢轴上逐渐扩展并最终撞击到物镜22上，如实线所示。因此，光束在焦平面FP 22中的束腰25'远大于理想准直光束的最小束斑25。相同的逻辑应该应用于合成光束24，其包括在慢轴上发散并由图1和图2的模块10的各芯片12发射的多个光束14。当然，为了使光束24明显发散，SAC 18和OL 22之间的距离应该是显著的。
结合图3讨论的图4和图5示出了慢轴(SA)OL 22偏离SAC 18相应的第一距离和第二距离，第一距离(图4)短于第二距离(图5)。在图4中，与图3类似，由于SAOL 22和SAC之间的距离较小，来自延伸二极管激光器12的各自三个发光点的光线R1-R3(或空间模式)在撞击到SAOL 22上时基本上彼此平行。OL 22将入射光束聚焦在其焦平面F-F中，在该焦平面F-F中各自的腰部(横截面)最小。因此，合成聚焦光束的束腰使得聚焦光束被耦合到芯端而没有显著损耗(如果有的话)。因此，延伸光源的图像在焦平面F-F中最清晰，其中合成光束的束腰在所述平面内最小。
相比之下，图5示出了一种配置，其中SAC和SAOL 22之间的距离对于使所述三种光线(红光、蓝光和绿光)或空间模式显著发散并撞击SAOL 22的较大区域而言是足够长的。虽然延伸源的图像在焦平面F-F中仍然是最清晰的，但是空间模式继续会聚到焦平面F-F之外。因此，合成光束的最小横截面形成在超出焦平面F–F的距离D处。由于纤芯直径小于图5的聚焦光束在焦平面中的横截面，安装芯端位于焦平面F-F内的输出光纤会导致光损耗。光功率损耗会导致吞吐量较差、模块组件过热和输出光纤损坏。
因此，需要一种改进配置的尾纤型MEMM二极管激光器模块。
还需要一种制造所公开的MEMM二极管激光器模块的方法。
发明内容
所公开的MEMM尾纤型二极管激光器模块及其制造方法与已知的现有技术的不同之处在于：安装慢轴物镜(SAOL)，使得输出光纤的接收端与透镜间隔超过SAOL的焦距的距离，即，超出透镜的焦平面。考虑到本公开不涉及图像质量(图像质量在焦平面中最高)，而是涉及光的收集(即，亮度)，这种看似违反直觉的配置将是完全合乎逻辑的。在所公开的配置中，诸如二极管激光器的多个延伸光源位于各自SAC的焦平面中，该SAC与SAOL间隔足以使合成光束显著发散的距离。为了防止聚焦光束被光纤纤芯(纤芯小于聚焦光束在SAOL的焦平面中的横截面)截断，光纤位于焦平面之外。SAOL和光纤纤芯之间的距离增加，使得聚焦光束的横截面足够小，以提供到纤芯的基本上无损的光耦合。
根据本公开的一个方面，二极管激光器模块被配置为具有壳体，该壳体容纳至少一行MM二极管激光器，其在第一方向上发射各自的平行光束。每个光束通过一对相应的FAC和SAC在快轴和慢轴上准直，其中SAC在第一方向上与相应的FAC在下游间隔开。所公开的模块进一步包括多个光束反射器或反射镜，其在第二方向上引导构成合成光束的各个准直光束，其中第一方向和第二方向彼此横向。至少一个SAOL位于最后的下游反射器的下游，并操作用于将合成光束至少沿慢轴聚焦在其焦平面上。该模块进一步具有光纤，光纤的上游端在第二方向上与SAOL对准。光纤的上游端安装在合成光束具有最小横截面的平面中。该平面位于焦平面之外。
由于各个光源与SAOL的距离不同，合成光束中各光束分量的最小横截面位于焦平面之外的不同距离处。最靠近SAOL的二极管激光器在超出焦平面的最短距离处输出具有最小横截面的光束分量。相比于在上游方向上距SAOL最近的二极管激光器，距SAOL最远的二极管激光器发射的光束分量的最小横截面与焦平面在下游间隔更大的距离。
因此，所公开的方法进一步包括如下步骤：确定距SAOL在下游最近的二极管激光器和最远的二极管激光器的相应光束的最小横截面，然后确定它们之间的距离。最后，所公开的方法包括如下步骤：使SAOL从其原始位置向上游移位所确定的距离，以提供合成光束到芯端的基本无损耦合。
附图说明
根据以下附图，将更清楚上述和其他方面、特征，附图中：
图1和图2示出了已知现有技术的尾纤型MEMM二极管激光器模块。
图3是与单个延伸光源相关联的光线图；
图4和图5是示出了单个延伸二极管激光器在SAC和SAOL之间的第一距离和第二距离处的操作的相应光线图，其中第二距离大于第一距离；
图6和图7分别示出了所公开的尾纤型MEMM二极管激光器模块的光学示意图；以及
图8示出了图6和图7中的相应光束的最小横截面的期望位置，最小横截面的期望位置取决于芯片与SAOL间隔的距离。
图9和图10分别示出了图6和图7的光学示意图的相应透视图。
具体实施方式
在附图中，各个图中所示的每个相同或几乎相同的部件由相同的数字示出。为清楚起见，并非每个组件都可以在每个图中标出。
参照图6和图7，激光模块50包括多个间隔开的二极管激光器或芯片12(121…12n)，从而在第一个方向上输出相应的平行光束14。每个芯片12与包括FAC 16、SAK 18和反射镜20的光束整形光学器件相关联。每个芯片12在第一方向上与指定的FAC 16、SAC 18和反射镜20对准，并且这些组件一起构成组32(图7)。每个光束14首先由FAC 16在快轴上准直，然后由SAC 18在慢轴上准直。在快轴上，光束14是SM，而在慢轴上，该光束包括多个空间模式(MM)。
光束14还在与第一方向横向的第二方向上由相应的反射镜20重新定向，并形成合成光束24。组32被封闭在具有由散热材料制成的底部15的壳体34中，并且具有相应的芯片12，每个芯片被耦接到同样由散热材料制成的安装件33。组32(图7)可以安装在共同的安装件33上或安装在用底部15接触的各个单独安装件33(图2)上。分别在图6和图7中示出的模块50的架构根据美国专利7,764,723和8,711,894是众所周知的，其全部内容通过引用并入本文。
具体地，图6示出了安装成行的芯片121至12n。通常，模块50被配置为图7的两行芯片12，它们安装在合成光束24的相应相对侧上，使得一行的组32在第一方向上不与另一行的相应组32对准。输出光纤30安装在插芯(未示出)中并且在第二方向上与快轴物镜26(FAOL)和SAOL 22对齐。
应当注意的是，合成光束24是散光的，其中在相应的慢轴和快轴上的最小横截面或束腰彼此间隔开。如图6所示，可以通过在SAOL22上游安装FAOL 26来校正散光，使得这些透镜的相应焦平面位于同一平面中。备选地，如图7所示，其中，可以使用单个的球面、非球面、柱面透镜36。图6和图7的示意图中的每一个都可以被配置为具有多个物镜或单个物镜，如下文更详细地解释。然而，由于沿快轴的束腰非常深(瑞利参数为约1毫米)，光束24可以保持散光。因此，只要反射镜20将合成光束24聚焦在光纤纤芯上，散光可能就不关键。
图6和图7两者中的SAC 18和SAOL 22中的任一个之间的距离随着满足更高输出功率需求的芯片数量的增加而增加。实验表明，通常当SAC 18被配置为具有超过例如约6mm的焦距时，光束可能在慢轴上显著发散。
根据本公开的方面之一，SAOL 22从其原始位置(其中SAOL、焦距f2和原始焦平面Fo-Fo均以虚线示出)的上游移动到其新的优选位置(其中SAOL 22以及焦距f2和新的焦平面Fn-Fn以实线显示)。原始位置和优选位置之间的距离D在约50和500μm之间的范围内，并且可以根据下面参照图8讨论的公开方法来确定。输出光纤30保持完整，其接收端位于原始焦平面Fo-Fo内。在SAOL 22向上游移位之前，FAOL26的焦平面与SAOL 22的原始焦平面Fo-Fo重合。确定将SAOL 22从其原始位置向上游移动的期望距离，使得合成光束在慢轴上的最小横截面也位于原始焦平面Fo-Fo内。换言之，SAOL 22和接收芯端间隔开等于SAOL的焦距和新确定的距离D，如下文所述。图6的示意图也可以在图9中看到。
具体参照图7，二极管模块50具有额外的一行芯片12。如上所述，在所示配置中仅使用一个同时用作FAOL和SAOL的透镜36。根据本公开的以上讨论的显著特征，出于上述原因，透镜36从以虚线示出且包括光纤30的接收端的其原始位置向上游移动确定的距离D到最佳位置。图7的光学示意图也在图10中示出。
参照图5至图7，光束141…14n由相应的芯片121…12n输出并在撞击到SAOL 22之前通过不同的光路传播。由于不同的光路，SAOL 22的被多个光束14撞击到的区域不同。面积最小的区域是由光束141撞击的，由于芯片121离SAOL 22或36最近，光束141在最短的光路上传播；而最大的区域被从芯片12n发射的光束14n覆盖，芯片12n离SAOL 22最远。因此，光束141至14n被沿慢轴“聚焦”在离焦平面F-F下游的各个不同距离处，焦平面F-F与SAOL 22的原始位置对应并包括光纤30的接收端。由模块10的第一芯片和最后芯片发射的相应光束141和14n的小光束横截面之间的距离决定了SAOL 22从其原始位置向上游移动的距离D。或者，距离D可被确定为光束141…14n的相应最小横截面的所有距离的平均值。
图8结合考虑图5至图7有助于说明在本公开的上下文中SAOL的位置调整。正如半导体领域的普通技术人员容易理解的那样，在大规模生产中，一旦对诸如MEMM二极管激光器模块的样品进行了上调谐，随后的每个模块都可以根据在样品调谐期间获得的数据而容易地进行调整。因此，一旦确定了SAOL从其原始位置向上游移动确定的距离D，随后将在所有其他模块中使用该距离D。
因此，有选择地转动测试模块中的每个芯片12或仅两个芯片(最接近SAOL的芯片和最远离SAOL的芯片)，可以确定入射到光纤30的各个光束的最小横截面。从图8中可以看出，曲线1至曲线6对应于图5至图7的各个光束141…14n。每个光束的最小横截面对应于相关的曲线的底部区域。因此，对应于来自芯片121的光束141的曲线1在距焦平面F-F下游的最短的距离处具有最小横截面，其中芯片121位于离SAOL上游最短距离处。从远处芯片12n发射的光束14n对应于曲线6，并且其在第二距离处具有最小横截面，第二距离大于光束141的最小横截面所在的距离。相应光束141和14n的最小横截面相对于SAOL之间的距离D是所有后续可调谐模块的期望统一距离，SAOL从其原始位置的上游移动该距离。曲线7示出了在合成光束被聚焦在FAOL36中之后所有光束的行为。可以看出，SM光束141…14n在快轴上具有各自的束斑，其位于与输出光纤30的接收芯端相同的平面中。换言之，在将SAOL 22移动距离D到其优选位置之前，光束14中的每一个都在快轴上被聚焦在SAOL 22的焦平面F-F中。
参照图7的单个透镜36的结构，不仅要注意慢轴的透镜调整，还要注意快轴的透镜调整。透镜36在慢轴上从其原始位置移动距离D到优选位置的移位不利地影响合成光束在快轴上的束斑，因为当透镜36位于其原始位置时，快轴上最小的束斑位于原始焦平面F–F内。然而，反射镜20的角度调整可以有效地补偿透镜36的移动。反射镜20可以进行角度调整，使得入射到透镜36上的光束141…14n以更大的角度张开，并且当透镜36位于原始位置时可以聚焦在透镜36的焦平面F–F内。反射镜的角度位置(如距离D)可以用于在批量生产中调整后续二极管激光器模块。
由于本领域普通技术人员容易意识到本发明的模块和方法的以上和进一步公开的特征可以在任何可能的情况下并且全部一起使用。在不损害本发明的范围的情况下，激光领域的普通技术人员可以容易地推测所公开模块的某些明显修改。例如，所公开的芯片可以被安装成使得相应输出光束沿整个路径在相同方向传播，直到合成光束在慢轴上准直并耦合到光纤中为止。这可以通过普通技术人员显而易见的配置布置准直和光束引导光学器件来实现。本发明的模块可以在没有FACS的情况下工作。因此，尽管所示出和所公开的是被认为是最实用和优选的实施例，但很明显，对所公开的配置和方法的偏离将对本领域技术人员而言是显而易见的，并且可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下使用。
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