多模激光二極管與單模光纖耦合器制造技術

一種多模激光二極管與單模光纖耦合器，主要包括在激光二極管發光面前同光軸地置有由相互正交置放的前后兩非球面柱面透鏡集成一體構成的準直模塊，漸變折射率的自聚焦透鏡和光纖耦合輸入頭。激光二極管發射的快軸方向激光束經準直模塊中前非球面柱面透鏡準直消除象差，發射的慢軸方向的激光束經準直模塊中后非球面柱面透鏡成象準直，縮小其束散和源大小。由準直模塊輸出的激光束再經過自聚焦透鏡輸出近對稱聚焦其模場光斑大小和發散度均與單模光纖相匹配的激光束入射于光纖耦合輸入頭。本實用新型專利技術與在先技術相比，具有較高的耦合效率，總耦合效率高達７０％。耦合器結構緊湊合理，操作方便，易于產業化。（*該技術在2011年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本技術是一種多模激光二極管(LD)與單模光纖的耦合器，特別是涉及寬發光面(50～500μm)高功率(連續輸出1～8瓦)的多模激光二極管(LD)與單模光纖的耦合。
技術介紹
激光二極管(以下簡稱LD)的許多重要應用，例如切割、焊接、醫用(聚焦方式)；材料處理、激光投影、顯示、印刷、光刻(成象方式)都要求高功率高亮度以及近乎平行低束散、無象差、強度分布均勻、束形對稱的高質量光束，并且波長通常在λ≤980nm范圍。為開發這些應用，以單模光纖的輸出光束作為后光學系統的準直或成像、聚焦的光學輸入端是一種很好的解決途徑。由于商用近衍射極限的單模LD的光輸出功率過低，僅限于約200mw，而另一種寬發射面(50～500μm)的高功率LD的光輸出功率高達1-8瓦，特別適用于這種應用。比如，一根芯徑9μm，數字孔徑NA＝0.11的單模光纖與780nm波長的寬面發射LD的耦合輸出1瓦的光功率，就能實現平均光功率密度為13MW/cm2。其光功率密度就比一個典型的高功率摻釹釔鋁石榴石(NdYAG)激光器用φ芯＝600μm，NA＝0.2的光纖耦合輸出3KW的平均光功率密度1.1MW/cm2要高出10倍多。此外，人們還在企求用特殊光學系統對很多根單模光纖與寬面LD耦合的尾纖輸出束進行非相干或相干迭加來達到不降低功率密度情況下，大幅度提高輸出功率。因此，寬面高功率LD與單模光纖的高效耦合就成了極具應用的前景。通常多模LD與單模光纖的耦合，突出的技術問題是耦合效率低。這是因為(1)這種LD的激光束快軸(橫向)高度束散(近90°全角)，而慢軸(側向)束散僅約10°，其高度橢圓的模場與單模光纖的圓形對稱模場失配；(2)LD的側向發光面很寬(50-500μm)，其模徑與單模光纖的模徑小于φ10μm嚴重失配；(3)由于LD的高度橢圓的束斑，快軸束波面嚴重彎曲，而慢軸接近平面束波面，束波相面的不對稱彎曲與單模光纖的平面束波面失配；(4)LD快軸高束散與單模光纖的小數字孔徑(NA＝0.11)失配。在先技術(參見JOURNAL OFLIGHTWAVE TECHNOLOGY.Vol.8，No.9，September 1990.P1313～1318)采用楔形光纖端面，用做在單模光纖端面的適當半徑的微柱面透鏡，這種結構校正了相面失配，獲得了對980nm波長30μm寬發光面LD與單模光纖的耦合，耦合效率達到46％。在先技術(參見S.D.DeMars，etal，CLEO′97，CMA2.P1～2)，采用適當焦長數值孔徑為NA＝0.5的微棒柱面透鏡準直980nm波長，角度光柵300μm的寬面分布反饋激光器單模(LD其中軸近高斯單斑遠場，而慢軸是0.2°束散的近平行光束)的激光束再用0.23節長(prtch)的漸變折射率透鏡聚焦入射到單模光纖(φ芯＝7μm，NA＝0.11)，獲得尾纖光功率為375mW，它與NA＝0.5的微棒柱面透鏡準直后的激光束功率528mW光比為71‰，視微棒柱面透鏡的準直透過率為85％，則其總耦合效率η≤60％。
技術實現思路
本技術提供一種比在先技術更完備的耦合器用二塊正交非球面柱面透鏡組成的集成一體的準直模塊準直多模LD的激光束，準直模塊中前面的前非球面柱面透鏡準直LD快軸激光束，并校正彎曲相面變成近平面相面，消除準直束的象差。后面的后非球面柱面透鏡準直成象寬面發射LD的擴展源激光束，縮小束散和源尺寸。同時，前后兩柱面透鏡消除LD快軸和慢軸的象散，獲得已消除象差和象散的近平行近對稱的激光束，再用漸變折射率(GRIN)自聚焦透鏡聚焦入射到單模光纖，完成高效耦合，總耦合效率將高達η＝70％。本技術的多模的激光二極管(LD)與單模光纖耦合器具體的結構包括帶有管殼電極1的管座2，與管座2連接的有凸筒狀的耦合主撐件3。在耦合主撐件3內的管座2上置有半導體致冷器4。在半導體致冷器4上置有連成一體的散熱銅塊5和熱沉銅塊17。在散熱銅塊5上置有熱敏電阻16和光監控器6。在熱沉銅塊17上置有中心位于管座2和耦合主撐件3中心軸線上的激光二極管7。在耦合主撐件3的凸端處有法蘭盤19與單模光纖的輸入連接頭13銜接。單模光纖輸入連接頭13伸出的陶瓷芯12插入法蘭盤19的內襯準直芯套11內。陶瓷芯12與耦合主撐件3同中心軸線。在耦合主撐件3凸端處的內孔內，對著激光二極管7的發光面，置有中心點在耦合主撐件3中心軸線上的準直模塊8。在準直模塊8與陶瓷芯12端面的光纖耦合輸入頭10之間置有自聚焦透鏡9。在準直模塊8輸入端面與激光二極管7發光面之間置有耦合距離控制件18。上述的激光二極管7、準直模塊8、自聚焦透鏡9以及光纖耦合輸入頭10的光軸均為同一光軸。如圖1所示。所說的準直模塊8是由相互正交置放的前非球面柱面透鏡801和后非球面柱面透鏡802集成一體構成。準直模塊8的輸入端面和輸出端面均鍍有對激光二極管7發射光波長的增透膜。如圖2所示。準直模塊8中對著激光二極管7發光面的一端，即是準直模塊8的輸入端為非球面柱面透鏡801，準直模塊8輸出端為后非球面柱面透鏡802。前非球面柱面透鏡801的曲率半徑r為0.04mm≤r≤0.1mm。后非球面柱面透鏡802的曲率半徑R為0.5mm≤R≤1.5mm。也就是說R＞r。所說的自聚焦透鏡9的折射率是漸變的。它的節長Pt為0.23＜Pt≤0.25。當自聚焦透鏡9的節長Pt＞0.25時，耦合效率降低。當節長Pt＜0.23時，光束的焦斑大于φ10μm。自聚焦透鏡9的輸出端面即為單模光纖的輸入端面。而且自聚焦透鏡9輸入端面和輸出端面均鍍有對激光二極管工作波長的增透膜。所說的激光二極管7的發光面至準直模塊8輸入端面之間的耦合距離d控制在70μm≤d≤90μm。此耦合距離d由置于激光二極管7發光面與準直模塊8輸入端面之間的耦合距離控制件18來控制。所說的光纖耦合輸入頭10的光纖輸入端面的傾斜角α為6°＜α≤8°。如上所述，本技術的多模LD與單模光纖耦合器，如圖1所示結構。在管殼電極1的管座2上面置有的半導體致冷器4，在半導體致冷器4的上面有兩者成一體的散熱銅塊5和LD7的熱沉銅塊17。在散熱銅塊5上置有溫度傳感元件的熱敏電阻16和漏光方式獲取光電流的光監控器(PIN)6。在與管座2由螺絲15固定連接的耦合主撐件3對著LD7的發光面位置與LD7同光軸地置有一個由二塊相互正交的非球面柱面透鏡集成一體的準直模塊8，在準直模塊8與LD7發光面之間置有耦合距離控制件18。耦合主撐件3與標準單模光纖的輸入連接頭13及其標準連接法蘭盤19的內襯準直芯套11內，與LD7及準直模塊8同光軸地置有(GRIN)自聚焦透鏡9、有標準的輸入連接頭的高精度陶瓷芯12，在陶瓷芯12內與自聚焦透鏡9同光軸地置有單模光纖耦合輸入頭10，其后連接成纜單模光纖傳輸線14，傳輸線14的尾纖又為標準的輸出連接頭22伸出光纖輸出端面21。上面所說的管殼電極1的管座2，可以是標準TO-3型管殼座，也可以是具有更高散熱容量的類同結構的其它管殼座，具體情況視高功率LD穩定可靠工作所需的散熱功率的致冷器大小而定。關于管座2、半導體致冷器4、散熱銅塊5和熱沉銅塊17的安裝可以是集成一體的。半導體致冷器4用鉛錫焊料平焊于管座2的上表面的中心位置，再把散熱銅塊5用鉛錫焊料平本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種多模激光二極管與單模光纖耦合器，包括帶有管殼電極（１）的管座２，與管座（２）連接有凸筒狀的耦合主撐件（３），在耦合主撐件（３）內的管座（２）上置有半導體致冷器（４），在半導體致冷器（４）上置有連成一體的散熱銅塊（５）和熱沉銅塊（１７），在散熱銅塊（５）上置有熱敏電阻（１６）和光監控器（６），在熱沉銅塊（１７）上置有中心位于管座（２）和耦合主撐件（３）中心軸線上的激光二極管（７），在耦合主撐件（３）的凸端處有法蘭盤（１９）與單模光纖的輸入連接頭（１３）銜接，輸入連接頭（１３）伸出的陶瓷芯（１２）插入法蘭盤（１９）的內襯準直芯套（１１）內，陶瓷芯（１２）與耦合主撐件（３）同中心軸線，其特征在于對著激光二極管（７）的發光面，在耦合主撐件（３）凸端處的內孔內，中心點在耦合主撐件（３）的中心軸線上置有準直模塊（８），在準直模塊（８）與陶瓷芯（１２）端面的光纖耦合輸入頭（１０）之間置有自聚焦透鏡（９），在準直模塊（８）與激光二極管（７）之間置有耦合距離控制件（１８），上述的激光二極管（７）、準直模塊（８）、自聚焦透鏡（９）以及光纖耦合輸入頭（１０）的光軸均為同一光軸。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡衍芝，
申請(專利權)人：中國科學院上海光學精密機械研究所，
類型：實用新型
國別省市：31[中國|上海]