用于通过纤维耦合优化的射束参数乘积产生二极管激光辐射的二极管激光器结构

摘要

本发明涉及一种二极管激光器结构(2)，具有多个彼此相邻地设置的带状发射器(3

说明书

技术领域

本发明涉及一种二极管激光器结构，具有多个彼此相邻地设置的带状发射器，这些带状发射器以其SA轴线在相同的方向上取向并且在该方向上彼此相对错位地设置，其中，这些带状发射器中的至少几个的分别涉及SA轴线的射束参数乘积不同。

背景技术

这种二极管激光器结构例如已由JP-A-06132610公知。

为了产生高效且高亮的二极管辐射，现在或者使用多个单发射器(宽度典型地为50至500μm的宽带状发射器)或者使用由多个相同宽度的单发射器/宽带状发射器构成的二极管条(由典型地10至100个相同宽度的宽带状发射器构成的、填充系数为10至95％的二极管条)。例如通常使用在1cm的条上由30至50个宽度为100μm的发射器构成的、填充系数为30至50％的二极管条。

二极管条的带状的单发射器分别发射一个激光射束，该激光射束在射束快速发散的所谓FA(Fast Axis)方向上例如以大约50°的辐射角度并且在射束相对缓慢发散的相对于该FA方向成直角的所谓SA(Slow Axis)方向上例如以大约10°的辐射角度传播。FA方向具有尽可能最高的(几乎衍射被限制的)射束质量，而SA方向具有相对差的射束质量。为了聚集这些单射束，这些单射束首先在FA方向上借助于微光学柱面透镜平行校准，接着借助于柱面透镜排(阵列)进行SA方向上的平行校准。然后，射束借助于另一个微光学装置转动90°并且彼此相邻地排列。这样成形的激光射束因此通过在光学上齐平地叠加由带状的单发射器所发射的激光射束带而构成。因为单发射器是同一的，所以这些单发射器所发射的激光射束分别具有涉及SA方向的相同的射束参数乘积(BPP_SA)和涉及FA方向的相同的射束参数乘积(BPP_FA)，其中，射束参数乘积BPP如下定义：

BPP_i＝θ_i*w_i(i＝SA，FA)

其中，θ：由发射器发射的激光射束在SA方向或FA方向上的发散度，w：在SA方向或FA方向上发射器的半个宽度。

以分别相同的BPP_SA和BPP_FA在光学上齐平地叠加激光射束带产生一个具有在BPP_SA-BPP_FA平面中为矩形或正方形的射束参数乘积并且因此只是带有辐射损失地或在不完全地利用纤维的情况下被输入耦合到具有在BPP_SA-BPP_FA平面中为圆形的射束参数乘积的圆形的纤维中的激光射束。

虽然由US 2007/0195850A1已经公知：发射器宽度在SA方向上不同的单发射器在FA方向上彼此叠置地设置并且由此每个发射器的涉及SA轴线的射束参数乘积与所属纤维区域的涉及SA轴线的射束参数乘积相匹配。但各个发射器的操作和定位非常麻烦，此外，这种布置需要相对大的结构空间。

发明内容

因此，本发明的任务在于，这样进一步构造开头所述类型的尤其是由具有单发射器的二极管条构成或由具有单发射器的呈二极管叠形式的叠堆的二极管条构成的二极管结构，使得所产生的激光二极管辐射的射束参数乘积以简单的方式和紧凑的尺寸与激光二极管辐射应输入耦合的纤维的圆形的射束参数乘积相匹配。

根据本发明，该任务这样来解决：带状发射器的分别涉及SA轴线的射束参数乘积从二极管激光器结构的中部起朝二极管激光器结构的两个边缘尤其是关于二极管激光器结构的中部镜像对称地减小。作为替换方案和/或补充，带状发射器可在其射束传播方向上彼此相对错位。

根据本发明，在SA方向上彼此相邻地设置的带状发射器中的至少几个具有涉及SA轴线的不同的射束参数乘积，所述射束参数乘积对于到圆形的纤维中的优化的输入耦合而言与所属纤维区域的涉及SA轴线的射束参数乘积相匹配。为此，带状发射器的涉及SA轴线的射束参数乘积优选这样选择，使得这些射束参数乘积可在光学上组成一个在BPP_SA-BPP_FA平面中近似圆形的射束参数乘积。换言之，带状发射器的输出辐射与纤维在SA方向上进行BPP匹配，由此，激光二极管辐射可高效地输入耦合到纤维中。因此，通过改变带状发射器的射束参数乘积，可提高输入功率和/或效率。这种处理方式也可转用于其它纤维横截面例如椭圆形纤维横截面。

优选带状发射器通过分别具有相同激光波长的单频发射器、尤其是多模发射器构成。在此，对于单频发射器、即具有一个波长的发射器在本申请的范围内应理解为在相同的带宽上进行发射的发射器。

带状发射器的射束参数乘积可通过其宽度以及通过所发射的激光射束的发散度来调节。在特别优选的实施形式中，带状发射器中的至少几个在其SA轴线的方向上宽度不同，而在另一些优选实施形式中，带状发射器中的至少几个具有涉及SA轴线的分别不同的发散度。

优选带状发射器中的一个或多个分别通过唯一一个单发射器构成，由此，根据本发明的二极管激光器结构具有不同宽度的单发射器，这些单发射器具有涉及SA轴线的相同的或不同的发散度。

也可优选带状发射器中的一个或多个分别通过多个不同宽度或相同宽度的单发射器构成，这些单发射器可具有涉及SA轴线的相同或不同的发散度。特别优选不同宽度的带状发射器分别通过不同数量的同一的单发射器构成，其中，在此情况下，这样构成的带状发射器具有涉及SA轴线的相同的发散度。

对于激光二极管辐射输入耦合到纤维中的情况，在带状发射器后面设置有光学装置，该光学装置使来自带状发射器的激光射束作为在其FA轴线的方向上在光学上彼此相邻地设置的平行的激光射束带投影到圆形的纤维上，其中，每个激光射束带的涉及SA轴线的射束参数乘积与所属纤维区域的涉及SA轴线的射束参数乘积相匹配，这就是说，激光射束带与其所属纤维区域在SA方向上进行BPP匹配。

附图说明

从权利要求书、说明书和附图中得到本发明的其它优点。前面所述的以及还要进一步描述的特征也可分别本身或多个任意组合地来应用。所示和所述的实施形式不应视为最终列举，而是对于本发明的描述具有示例性特点。附图表示：

图1一个二极管激光器条，该二极管激光器条具有根据本发明的第一二极管激光器结构，该二极管激光器结构具有多个彼此相邻地设置的不同宽度的带状发射器；

图2a至图2c与图1中的细节II相应的两个不同宽度的带状发射器的不同实施例；

图3一个二极管激光器条，该二极管激光器条具有根据本发明的第二二极管激光器结构，该二极管激光器结构具有多个彼此相邻地设置的不同发散度的带状发射器；

图4由根据本发明的二极管激光器结构发射并且借助于光学装置输入耦合到纤维中的激光射束的光路；

图5在BPP_SA-BPP_FA平面中来自带状发射器并且彼此叠置的激光射束带的射束参数乘积，所述激光射束带的涉及SA轴线的射束参数乘积与所属纤维区域的射束参数乘积相匹配；

图6a至图6e根据本发明的二极管激光器结构的另外的条结构；以及

图7由分别具有图1中所示根据本发明的第一二极管激光器结构的二极管激光器条构成的二极管叠堆(“二极管叠”)。

具体实施方式

图1中所示二极管激光器条1具有二极管激光器结构2，该二极管激光器结构具有八个平行地彼此相邻地设置的带状发射器3₁至3₈，这些带状发射器以其SA轴线在相同的、在图1中为水平的方向上取向并且分别在该水平的方向上彼此相对错位地设置。带状发射器3₁至3₈中的几个在SA方向上具有不同的宽度w₁至w₈，其中，带状发射器3₁至3₈的宽度从二极管激光器结构2的中部起朝二极管激光器结构2的两个边缘尤其是镜像对称地减小。适用：w₄＝w₅＞w₃＝w₆＞w₂＝w₇＞w₁＝w₈。例如中央的发射器3₄、3₅的宽度取值为50至500μm、尤其是100至200μm。发射器宽度朝边缘从一个发射器到另一个发射器分别减小至多50％、尤其是至多30％。发射器宽度从一个发射器到另一个发射器的减小量不仅可相对地而且可绝对地相同或不同。由带状发射器3₁至3₈发射的激光射束4₁至4₈在SA方向上具有相同的发散度θ_SA。相应地，涉及SA方向的射束参数乘积BPP_SA(i)＝w_SA(i)*θ_SA(i)＝w_SA(i)*θ_SA(i＝1，...，8)在二极管激光器结构2的中部最大并且朝二极管激光器结构2的两个边缘减小，这就是说，适用：BPP_SA(4)＝BPP_SA(5)＞BPP_SA(3)＝BPP_SA(6)＞BPP_SA(2)＝BPP_SA(7)＞BPP_SA(1)＝BPP_SA(8)。而带状发射器3₁至3₈在FA方向上具有相同的高度并且这些带状发射器所发射的激光射束4₁至4₈在FA方向上具有相同的发散度。如下面参照图5还要详细描述的那样，带状发射器3₁至3₈的涉及SA轴线的射束参数乘积BPP_SA(1)至BPP_SA(8)这样选择，使得这些射束参数乘积可在光学上组成一个在BPP_SA-BPP_FA平面中近似圆形的射束参数乘积。

优选带状发射器3₁至3₈通过分别具有相同激光波长的单频发射器、尤其是多模发射器构成，其中，对于单频发射器、即具有一个波长的发射器在本申请的范围内应理解为在相同的带宽上进行发射的发射器。

图2示出了用于图1中所示不同宽度的带状发射器3₃、3₄的不同实施例。在图2a中，不同宽度的带状发射器3₂、3₃分别通过唯一一个单发射器5₃、5₄构成。作为使用不同宽度的单发射器的替换方案，这些单发射器也可通过具有不同数量发射器的组再形成。在图2b中，不同宽度的带状发射器3₃、3₄分别通过不同数量的同一的并且由此相同宽度的单发射器6构成，由此，对于全部带状发射器保证相同的阈电流。在图2c中，较宽的带状发射器3₄通过两个不同宽度的单发射器7、8构成，这在待描述的具有大于200μm宽度的带状发射器中适宜。

图3中所示二极管激光器条1与图1的二极管激光器条的区别在于，在此，彼此相邻地设置的带状发射器3₁至3₈中的几个具有分别涉及SA轴线的不同的发散度θ_SA(1)至θ_SA(8)并且全部带状发射器3₁至3₈具有相同的宽度w。带状发射器3₁至3₈的发散度从二极管激光器结构2的中部起朝二极管激光器结构2的两个边缘尤其是镜像对称地减小。适用：θ_SA(4)＝θ_SA(5)＞θ_SA(3)＝θ_SA(6)＞θ_SA(2)＝θ_SA(7)＞θ_SA(1)＝θ_SA(8)。相应地，涉及SA方向的射束参数乘积BPP_SA(i)＝w(i)*θ_SA(i)＝w*θ_SA(i)(i＝1，...，8)在二极管激光器结构2的中部最大并且朝二极管激光器结构2的两个边缘尤其是镜像对称地减小，这就是说，适用：BPP_SA(4)＝BPP_SA(5)＞BPP_SA(3)＝BPP_SA(6)＞BPP_SA(2)＝BPP_SA(7)＞BPP_SA(1)＝BPP_SA(8)。如下面参照图5还要详细描述的那样，带状发射器3₁至3₈的涉及SA轴线的射束参数乘积BPP_SA(1)至BPP_SA(8)这样选择，使得这些射束参数乘积可在光学上组成一个在BPP_SA-BPP_FA平面中近似圆形的射束参数乘积。

图4示意性地示出了由根据本发明的二极管激光器结构2发射并且借助于光学装置10输入耦合到圆形的纤维11中的激光射束4₁至4₈的光路。光学装置10将各个激光射束4₁至4₈转换成一个公共的激光射束，其方式是来自带状发射器3₁至3₈的激光射束4₁至4₈作为在其FA轴线上彼此叠置的平行的激光射束带投影到圆形的纤维11上。

图5在BPP_SA-BPP_FA平面中示出了来自带状发射器3₁至3₈并且彼此叠置的激光射束带的射束参数乘积BPP(1)至BPP(8)，其中，射束参数乘积BPP(1)至BPP(8)与圆形的纤维11的圆形的射束参数乘积BPP(F)相匹配。为此，射束参数乘积BPP(1)至BPP(8)在SA轴线上与所属纤维区域的所属射束参数乘积相匹配。换言之，带状发射器3₁至3₈的涉及SA轴线的射束参数乘积BPP_SA(1)至BPP_SA(8)这样选择，使得这些射束参数乘积可在光学上组成纤维11的在BPP_SA-BPP_FA平面中圆形的射束参数乘积BPP(F)。

在图1和图3中所示的二极管激光器结构2中，带状发射器3₁至3₈的输出耦合面处于一个相对于来自带状发射器3₁至3₈的激光射束4₁至4₈的传播方向成直角的公共平面中。图6a至图6e示出了根据本发明的二极管激光器条1的另外的二极管激光器结构2，其中，带状发射器3₁至3₈的输出耦合面不是处于一个相对于来自带状发射器3₁至3₈的激光射束4₁至4₈的传播方向成直角的公共平面中。

在图6a和图6b中，带状发射器3₁至3₈的输出耦合面以其背离输出耦合面的端部设置在一个公共平面中，但在相对于其SA方向和FA方向成直角的方向上长度不同。带状发射器3₁至3₈的长度从二极管激光器结构2的中部起朝二极管激光器结构2的两个边缘增大(图6a)或减小(图6b)，由此，这些带状发射器3₁至3₈的输出耦合面从二极管激光器结构2的中部起在两侧在SA方向上呈阶梯状彼此相对错位。

在图6c和图6d中，带状发射器3₁至3₈在相对于其SA方向和FA方向成直角的方向上长度相同并且分别在两侧在SA方向上呈阶梯状彼此相对错位地设置，由此，这些带状发射器的输出耦合面从二极管激光器结构2的中部起在两侧在SA方向上呈阶梯状彼此相对错位。在图6c中，二极管激光器条1在背离带状发射器3₁至3₈的输出耦合面的侧与带状发射器3₁至3₈相应地也构造成阶梯状，而在图6d中，二极管激光器条1在背离带状发射器3₁至3₈的输出耦合面的侧不是构造成阶梯状。在图6e中，同一的带状发射器3₁至3₈分别在SA方向上呈阶梯状彼此相对错位地设置。

在图7中，多个具有图1中所示二极管结构2的二极管激光器条1组成一个二极管叠堆(“二极管叠”)20，其中，每个二极管激光器条1设置在两个热沉21之间。