一种半导体光纤激光器
1.技术领域
2.本发明涉及半导体激光器领域，具体涉及一种半导体光纤激光器。
背景技术：3.本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
4.相对于固体激光器和气体激光器，半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、成本低等优点。随着生长技术的进步、封装能力的提升以及成本下降等，半导体激光器的应用领域不断扩大，如医美、工业焊接、切割、通信、军工以及文娱领域等。
5.目前，半导体光纤激光器主要分为高功率ld和低功率ld。而高效率、高功率的激光器则是行业内追求的目标。除去芯片固有功率水平的影响外，如何高效的将芯片光路耦合进光纤，降低光路损耗，提高耦合效率，提升转换效率是获得高功率输出的关键工艺。
6.现阶段半导体激光器与光纤耦合可以分为两大类：一种是分离透镜耦合，即在光源与光纤之间插入光学元件的方法，如插入透镜、棱镜、自聚焦透镜等。另一种是光纤直接耦合，而不经过任何系统。无论哪种方法，目的都是对激光器发出的光场进行整形，使入射光场与光纤本征光场达到最大可能的匹配。此两种方式的耦合，均依赖于高精度的调节，最终将ld光场、透镜、光纤调节至同轴，要实现上述目的，最终的调节精度需要保持在微米级，且对热沉、壳体等配件的加工精度要求极高。
技术实现要素：7.针对现有半导体激光器与光纤耦合存在调节难度大、成本高、效率低、电光转换效率低的问题，本发明提供了一种半导体光纤激光器。为实现上述目的，本发明公开如下所示的技术方案。
8.一种半导体光纤激光器，该激光器还包括设置在其光路上的棱锥台状透镜，所述棱锥台状透镜的底面面向光场或整形后光场，所述棱锥台状透镜的顶面面向光纤。当光场照射在棱锥台状透镜的底面上任何位置时，无需将光场调节至与该透镜完全同轴，而是利用该透镜的锥面的反射将光引导从其顶面输出，然后全部导入光纤，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度。
9.进一步地，所述棱锥台状透镜的顶面和底面之间的外表面具有反射膜；优选地，所述反射膜为全反射膜。
10.进一步地，所述反射膜的材质包括al膜、ag膜、au膜、b4c/mo/si膜、b4c/si膜、mo/si膜等中的任意一种。
11.进一步地，所述棱锥台状透镜至少为三棱棱锥台，即该棱锥台状透镜的顶面和底
面为三角形、四边形......等多边形中的任一种。
12.进一步地，所述激光器还具有激光光源、光场整形元件。所述激光光源、光场整形元件、所述棱锥台状透镜、光纤沿着光路依次分布。激光光源发出的激光经过球形透镜整形后进入棱锥台状透镜聚焦，再进入所述光纤中。
13.进一步地，所述激光光源、棱锥台状透镜、光场整形元件、光纤沿着光路依次分布。激光光源发出的激光经过棱锥台状透镜聚焦后进入光场整形元件整形，然后进入所述光纤中。
14.可选地，所述光场整形元件包括球形透镜、自聚焦透镜等中的任一种。
15.可选地，所述激光光源包括ld光源、led光源等中的任意一种。
16.进一步地，所述激光光源、自聚焦透镜、棱锥台状透镜、光纤沿着光路依次分布。激光光源发出的激光经过自聚焦透镜后进入棱锥台状透镜聚焦，再进入所述光纤中。
17.进一步地，所述激光光源、棱锥台状透镜、自聚焦透镜、光纤沿着光路依次分布。激光光源发出的激光经过棱锥台状透镜聚焦后进入自聚焦透镜，然后进入所述光纤中。
18.进一步地，对于和所述棱锥台状透镜的顶面相邻设置的部件，该部件与棱锥台状透镜的顶面连接在一起。
19.进一步地，对于和所述棱锥台状透镜的顶面连接的部件端面，所述棱锥台状透镜的顶面尺寸小于该部件端面的尺寸，以便于光线全部进入所述部件中。
20.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：目前，现有技术中通用的版奥体激光器耦合方式都需要要将ld、光学原件、光纤通过高精度调节至同轴，该精度要达到微米级，这种调节精度耦合难度高、效率低、一旦同轴度调节不到位，其电光转换效率将会显著变低，无法保证最大功率输出。本发明利用棱锥台状透镜只需将光场射在其底面面积范围内即可，无需调节至高精度同轴，而是利用透镜内部多次反射，将光从顶部导出，直接进入光纤，实现非同轴耦合情况下即可高功率输出的效果，本发明的激光器耦合方式在实现毫米级调节的情况下即可满足耦合需求，从而显著降低了调节难度。
21.（2）本发明采用棱锥台状透镜进行耦合的方式中，由于棱锥台状透镜的底面尺寸大于顶面尺寸，再加上可以很容易得将所述顶面尺寸加工得小于光纤直径，从而可以更加容易得保证将光场最大限度地耦合进光纤，降低了光场进入光纤包层的几率，显著提高了耦合效率。
22.（3）本发明采用棱锥台状透镜进行耦合的方式操作方便，显著降低了半导体光纤激光器的生产成本，提高了生产效率，经过试验，所述生产效率是传统方法的两倍以上。
23.（4）本发明采用棱锥台状透镜进行耦合的方式中，由于所述棱锥台状透镜的顶面与光纤连接在一起，只需清洁棱锥台状透镜的底面保证其清洁即可，简单方便地克服了光纤端面不易清洁，易污染烧毁的问题。
附图说明
24.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
25.图1为下列实施例中半导体光纤激光器的结构示意图。
26.图2为实施例1中半导体光纤激光器的结构示意图。
27.图3为实施例2中半导体光纤激光器的结构示意图。
28.图4为实施例3中半导体光纤激光器的结构示意图。
29.图5为实施例4中半导体光纤激光器的结构示意图。
30.图6为实施例5中半导体光纤激光器的结构示意图。
31.图中数字标记分别代表如下部件：1-ld光源、2-球形透镜、3-棱锥台状透镜、4-光纤、5-自聚焦透镜。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式。此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
34.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用，仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件需要具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。现结合说明书附图和具体实施例对所述半导体激光器进行详细说明。
35.实施例1参考图1，示例一种半导体光纤激光器，该激光器包括：ld光源1、球形透镜2、棱锥台状透镜3、光纤4。其中，所述棱锥台状透镜3为六棱锥台，即该棱锥台状透镜3的顶面和底面均为六边形（参考图2）。所述ld光源1、球形透镜2、棱锥台状透镜3、光纤4沿着ld光源1发出的光场的光路依次分布，且所述棱锥台状透镜3的顶面与光纤4的左端面熔接在一起。由于所述棱锥台状透镜3的顶面与光纤4连接在一起，只需清洁棱锥台状透镜3底面保证其清洁即可，简单方便地克服了光纤端面不易清洁，易污染烧毁的问题。
36.所述ld光源1发出的激光经过球形透镜2整形后，打在棱锥台状透镜3的底面上，激光进入棱锥台状透镜3后利用其锥面的反射将光引导从其顶面输出，然后全部导入光纤2。本实施例的激光器的特点是：当光场照射在棱锥台状透镜3的底面上任何位置时，无需将光场调节至与该棱锥台状透镜3完全同轴，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度，实现激光的最大功率输出。
37.实施例2参考图3和图2，示例另一种半导体光纤激光器，该激光器包括：ld光源1、球形透镜2、棱锥台状透镜3、光纤4。同样地，所述棱锥台状透镜3为六棱锥台。其中，所述ld光源1、棱锥台状透镜3、球形透镜2、光纤4沿着ld光源1发出的光场的光路依次分布，且所述球形透镜2与棱锥台状透镜3的顶面不熔接。
38.在本实施例中，所述棱锥台状透镜3的底面直接面向所述ld光源1发出光场，所述
ld光源1发出的激光直接进入棱锥台状透镜3中进行聚焦，然后由球形透镜2整形后全部导入光纤4中。同样地，本实施例的激光器也无需将光场调节至与所述棱锥台状透镜3完全同轴，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度，实现激光的最大功率输出。
39.实施例3参考图4和图2，示例另一种半导体光纤激光器，该激光器仅包括：ld光源1、棱锥台状透镜3、光纤4。述棱锥台状透镜3为六棱锥台。其中，所述ld光源1、棱锥台状透镜3、光纤4沿着ld光源1发出的光场的光路依次分布，所述棱锥台状透镜3的顶面与光纤4的左端面熔接在一起。即在本实施例中，所述ld光源1发出的激光进入棱锥台状透镜3中进行聚焦后直接导入光纤4中，不需经过球形透镜2进行整形。同样地，本实施例的激光器也无需将光场调节至与所述棱锥台状透镜3完全同轴，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度，实现激光的最大功率输出。
40.实施例4参考图5和图2，示例另一种半导体光纤激光器，其和上述实施例2示例的半导体光纤激光器的区别在于：采用自聚焦透镜5代替所述球形透镜2，且所述自聚焦透镜5的左端面与棱锥台状透镜3的顶面熔接在一起。自聚焦透镜5能够使沿轴向传输的光产生折射，并使折射率的分布沿径向逐渐减小，从而实现出射光线被平滑且连续的汇聚到一点。
41.在本实施例中，所述棱锥台状透镜3的底面直接面向所述ld光源1发出光场，所述ld光源1发出的激光直接进入棱锥台状透镜3中进行聚焦，然后由自聚焦透镜5整形后全部导入光纤4中。同样地，本实施例的激光器也无需将光场调节至与所述棱锥台状透镜3完全同轴，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度，实现激光的最大功率输出。
42.实施例5参考图6和图2，示例另一种半导体光纤激光器，其和上述实施例1示例的半导体光纤激光器的区别在于：采用自聚焦透镜5代替所述球形透镜2。所述ld光源1发出的激光先进入自聚焦透镜5整形后，再进入棱锥台状透镜3中进行聚焦并被全部导入光纤4中。同样地，本实施例的激光器也无需将光场调节至与所述棱锥台状透镜3完全同轴，从而显著降低了半导体激光器与光纤耦合的调节难度，实现激光的最大功率输出。
43.在另外一些更佳的实施例中，对于和所述棱锥台状透镜3的顶面连接的部件端面，所述棱锥台状透镜3的顶面的尺寸小于该部件端面的尺寸，以便于光线全部进入所述部件中。
44.例如，上述实施例1、实施例3、实施例5中，所述棱锥台状透镜3的顶面的宽度小于光纤4的直径，如棱锥台状透镜3的顶面的宽度比光纤4的直径小0.01mm，以便于经过所述棱锥台状透镜3聚焦后的激光全部被导入光纤4中，降低激光器的功率损耗。
45.例如，上述实施例2中，所述棱锥台状透镜3的顶面的尺寸小于球形透镜2的直径，以便于经过所述棱锥台状透镜3聚焦后的激光全部被导入球形透镜2中，降低激光器的功率损耗。
46.例如，上述实施例4中，所述棱锥台状透镜3的顶面的尺寸小于自聚焦透镜5的左端面尺寸，以便于经过所述棱锥台状透镜3聚焦后的激光全部被导入自聚焦透镜5中，降低激光器的功率损耗。
47.另外，应当理解的是，所述棱锥台状透镜3还可以为其他棱边数的结构，例如，该棱
锥台状透镜3的顶面和底面为三角形、四边形、五边形、六边形、七边形、八边形......十二边形等多边形。所述ld光源1发出的激光进入这类棱锥台状透镜3中后，同样能够在该透镜的锥面的反射作用下将光引导从其顶面输出，然后全部导入光纤4，显著降低半导体激光器与光纤耦合的调节难度。
48.在另一更佳的实施例中，所述棱锥台状透镜3的顶面和底面之间的外表面镀有一层全反射膜，以更好地对进入棱锥台状透镜3中的激光进行全反射，使激光全部进入光纤2中，降低激光器的功率损耗。为此，所述反射膜的材质包括al膜、ag膜、au膜、b4c/mo/si膜、b4c/si膜、mo/si膜等中的任意一种。这类材质的反射膜对光源波段吸收率极低，有利于实现棱锥台状透镜3对光的全反射。
49.上述实施例采用棱锥台状透镜3进行耦合的方式只需将ld光源1发出的光场或经过整形后的光场调节至棱锥台状透镜3的底面面积范围内，即可实现将光场全部收进光纤2，而无需像传统半导体激光器一样需将透镜和光纤精确调节至同轴，只需在实现毫米级调节的情况下即可满足耦合需求，从而显著降低了调节难度。同时，这种采用棱锥台状透镜3进行耦合的方式操作方便，显著降低了半导体光纤激光器的生产成本，提高了生产效率，经过试验，所述生产效率是传统方法的两倍以上。
50.最后，需要说明的是，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
技术特征：1.一种半导体光纤激光器，其中，该激光器还包括设置在其光路上的棱锥台状透镜，所述棱锥台状透镜的底面面向光场或整形后光场，所述棱锥台状透镜的顶面面向光纤。2.根据权利要求1所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述棱锥台状透镜的顶面和底面之间的外表面具有反射膜；优选地，所述反射膜为全反射膜。3.根据权利要求2所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述反射膜的材质包括al膜、ag膜、au膜、b4c/mo/si膜、b4c/si膜、mo/si膜中的任意一种。4.根据权利要求1所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述棱锥台状透镜至少为三棱棱锥台。5.根据权利要求1所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述激光器还具有激光光源、光场整形元件；所述激光光源、光场整形元件、棱锥台状透镜、光纤沿着光路依次分布。6.根据权利要求1所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述激光器还具有激光光源、光场整形元件；所述激光光源、棱锥台状透镜、光场整形元件、光纤沿着光路依次分布。7.根据权利要求5或6所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述光场整形元件包括球形透镜、自聚焦透镜中的任意一种。8.根据权利要求5或6所述的半导体光纤激光器，其特征在于，所述激光光源包括ld光源、led光源中的任意一种。9.根据权利要求1-6任一项所述的半导体光纤激光器，其特征在于，对于和所述棱锥台状透镜的顶面相邻设置的部件，该部件与棱锥台状透镜的顶面连接在一起。10.根据权利要求1-6任一项所述的半导体光纤激光器，其特征在于，对于和所述棱锥台状透镜的顶面连接的部件端面，所述棱锥台状透镜的顶面尺寸小于该部件端面的尺寸。
技术总结本发明涉及半导体激光器领域，具体公开一种半导体光纤激光器。该激光器还包括设置在其光路上的棱锥台状透镜，所述棱锥台状透镜的底面面向光场或整形后光场，所述棱锥台状透镜的顶面面向光纤。当光场照射在棱锥台状透镜的底面上任何位置时，无需将光场调节至与该透镜完全同轴，而是利用该透镜的锥面的反射将光引导从其顶面输出，然后全部导入光纤。本发明采用棱锥台状透镜进行耦合的方式只需将激光光源发出的光场或经过整形后的光场调节至棱锥台状透镜的底面面积范围内，即可实现将光场全部收进光纤，而无需像传统半导体激光器一样需将透镜和光纤精确调节至同轴，本发明的方式在实现毫米级调节的情况下即可满足耦合需求，从而显著降低了调节难度。显著降低了调节难度。显著降低了调节难度。
技术研发人员：王栋 马凯胜 秦华兵 王友志
受保护的技术使用者：潍坊华光光电子有限公司
技术研发日：2022.03.16
技术公布日：2022/7/5
