光纤耦合半导体激光器和光纤耦合方法

摘要

本申请公开了一种光纤耦合半导体激光器和光纤耦合方法，包括：半导体激光二极管，用于发射激光；慢轴准直透镜，接受所述半导体激光二极管发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；半波片，所述半波片的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；双折射晶体，两表面相互平行，并位于所述半波片之后；且所述双折射晶体的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；s光和p光经过所述双折射晶体出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小。该激光器能够有效地将相互垂直的偏振方向的光重合，从而减少慢轴方向的光斑尺寸；并且该激光器结构简单、易于调节，成本较低。

说明书

技术领域

本申请涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种光纤耦合半导体激光器。此外，本申请还涉及一种应用光纤耦合半导体激光器的光纤耦合方法。

背景技术

光纤耦合半导体激光器具有电光转换效率高、结构紧凑和稳定性高等优点，广泛应用于激光测距、泵浦源激光器、生物医疗、荧光激发光源等领域。但由单芯片发射的大功率多模激光二极管其慢轴具有较大的发光截面，以及发散角度。这种大发射截面和发散角度(即光参数积大)的半导体激光器，使得简单的准直聚焦的光学耦合系统很难以高效率地把大发光截面的半导体芯片的光耦合进小芯径多模光纤。

请参考图3，图3为现有技术中一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图。如图3所示，该装置(专利申请号为201821088950.4)包括沿光路依序设置的半导体激光器101、快轴准直透镜(FAC)102、慢轴准直透镜(SAC)103、第一三棱镜104、第二三棱镜105、二分之一波片106、三角棱镜107A、菱形棱镜107B、耦合透镜108和光纤109。在该现有技术中，慢轴准直光用1/2波片将一半的准直光偏振方向旋转90°，然后偏振组合元件将两个相互垂直的偏振方向的光重合，即慢轴方向的光斑尺寸缩小一半后，经耦合透镜耦合进光纤。但该方案需要对偏振分光棱镜进行精密调节，使两个偏振方向的光指向一致才能实现高耦合效率。而且该偏振组合元件的镀膜面较多，加工工序较为复杂，成本较高。

发明内容

本申请要解决的技术问题为提供一种光纤耦合半导体激光器，该激光器能够有效地将相互垂直的偏振方向的光重合，从而减少慢轴方向的光斑尺寸；并且该激光器结构简单、易于调节，成本较低。此外，本申请另一个要解决的技术问题为提供一种应用光纤耦合半导体激光器的光纤耦合方法。

为解决上述第一个技术问题，本申请提供一种光纤耦合半导体激光器，包括：

半导体激光二极管，用于发射激光；

慢轴准直透镜，接受所述半导体激光二极管发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；

半波片，所述半波片的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；

双折射晶体，两表面相互平行，并位于所述半波片之后；且所述双折射晶体的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；

所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片，光的偏转方向旋转90°，形成p光；

所述s光和所述p光经过所述双折射晶体出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小。

在一种具体实施方式中，

所述双折射晶体的e光的横向走离量设为所述平行光斑的一半，以便出射后的准直光相对于入射时光宽减小一半。

在一种具体实施方式中，

所述光纤耦合半导体激光器包括：

快轴准直透镜，设于所述双折射晶体之后，并位于耦合透镜之前，经由所述双折射晶体聚焦出射后的光经由所述快轴准直透镜后射出；

耦合透镜，设于所述快轴准直透镜之后；经由所述快轴准直透镜后的光再经所述耦合透镜进行耦合后射出。

在一种具体实施方式中，

所述光纤耦合半导体激光器包括：

快轴准直透镜，设于所述慢轴准直透镜之后，所述双折射晶体之前；经由所述慢轴准直透镜出射后的平行光斑再经由所述快轴准直透镜后射出。

耦合透镜，设于双折射晶体之后；经由所述双折射晶体出射的光再经所述耦合透镜进行耦合后射出。

此外，为解决上述第二个技术问题，本申请还提供一种应用光纤耦合半导体激光器的光纤耦合方法，包括如下步骤：

用半导体激光二极管发射激光；

通过慢轴准直透镜接受所述半导体激光二极管发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；

设置半波片的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；

使得平表面相互平行的双折射晶体位于所述半波片之后；并使得所述双折射晶体的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；

所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片，光的偏转方向旋转90°，形成p光；

所述s光和所述p光经过所述双折射晶体出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小。

在一种具体实施方式中，

所述双折射晶体的e光的横向走离量设为所述平行光斑的一半，以使得出射后的准直光相对于入射时光宽减小一半。

在一种具体实施方式中，

使得快轴准直透镜设于所述双折射晶体之后，并位于耦合透镜之前，经由所述双折射晶体聚焦出射后的光经由所述快轴准直透镜后射出；

使得耦合透镜设于所述快轴准直透镜之后；经由所述快轴准直透镜后的光再经所述耦合透镜进行耦合后射出。

在一种具体实施方式中，

使得快轴准直透镜设于所述慢轴准直透镜之后，所述双折射晶体之前；经由所述慢轴准直透镜出射后的平行光斑再经由所述快轴准直透镜后射出。

使得耦合透镜设于双折射晶体之后；经由所述双折射晶体出射的光再经所述耦合透镜进行耦合后射出。

在一种具体实施方式中，

使得所述双折射晶体厚度不变，通过在-90°到+90°之间改变光轴和所述双折射晶体表面法线的夹角，从而增大或减小e光和o光之间的相对分开角度，进而改变在e光出射时的横向走离量。

在一种具体实施方式中，

使得所述双折射晶体的光轴方向不变，通过改变晶体厚度而改变e光出射时的横向走离量。

以下介绍本申请实施例的技术效果：

在一种实施例中，本申请提供的一种光纤耦合半导体激光器，包括：

半导体激光二极管，用于发射激光；慢轴准直透镜，接受所述半导体激光二极管发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；

需要说明的是，该慢轴准直透镜为一种非球面透镜，半导体激光二极管发射的激光经过该非球面透镜准直后，进行半波片和双折射晶体。

半波片，所述半波片的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；需要说明的是，半波片的光轴与慢轴偏振方向(s光)的夹角为45度。经过半波片的准直光其偏振方向旋转90度，变为p光。

此外，由于半波片的上边缘位于慢轴方向光斑的中心位置，所以其下半部分的光的偏振方向被旋转了90度，变成了p光，上半部分的光的偏振方向保持不变，仍为s光。

双折射晶体，两表面相互平行，并位于所述半波片之后；且所述双折射晶体的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；需要说明的是，偏振方向相互垂直的上下两部分准直光经过双折射晶体，出现非寻常光(e光)相对于寻常光(o光)的横向走离现象。

如上文介绍，在该技术方案中所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片，光的偏转方向旋转90°，形成p光；所述s光和所述p光经过所述双折射晶体出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小，从而实现了准直光的压缩。

综上所述，在本申请中，利用双折射晶体对慢轴上下两部分偏振方向相互垂直的准直分量完成偏振合束，减小了激光二极管慢轴光参量积，实现了高效率光纤耦合。并且，双折射晶体的调节难度低，成本低，结构紧凑，易做成小型化产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请一种示例型实施例示出的一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图；

图2为本申请另一种示例型实施例示出的一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图；

图3为现有技术中一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图。

其中，图1和图2中部件名称与附图标记之间的对应关系为：

半导体激光二极管11；

慢轴准直透镜12；

半波片13；

双折射晶体14、光轴141；

快轴准直透镜15；

耦合透镜16；

多模光纤17；

其中，图3中部件名称与附图标记之间的对应关系为：

半导体激光器101；

快轴准直透镜(FAC)102；

慢轴准直透镜(SAC)103；

第一三棱镜104；

第二三棱镜105；

二分之一波片106；

三角棱镜107A；

菱形棱镜107B；

耦合透镜108；

光纤109。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1和图2，图1为本申请一种示例型实施例示出的一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图；图2为本申请另一种示例型实施例示出的一种光纤耦合半导体激光器的结构示意图。

在一种实施例中，本申请提供的一种光纤耦合半导体激光器，如图1和图2所示，包括：

半导体激光二极管11，用于发射激光；

慢轴准直透镜12，接受所述半导体激光二极管11发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；

需要说明的是，该慢轴准直透镜12为一种非球面透镜，半导体激光二极管11发射的激光经过该非球面透镜准直后，进行半波片13和双折射晶体14。

半波片13，所述半波片13的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；需要说明的是，半波片13的光轴与慢轴偏振方向(图中s光)的夹角为45度。经过半波片13的准直光其偏振方向旋转90度，变为图1和图2中的p光。

此外，如图1和图2所示，由于半波片13的上边缘位于慢轴方向光斑的中心位置，所以其下半部分的光的偏振方向被旋转了90度，变成了p光，上半部分的光的偏振方向保持不变，仍为s光。

双折射晶体14，两表面相互平行，并位于所述半波片13之后；且所述双折射晶体14的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；需要说明的是，偏振方向相互垂直的上下两部分准直光经过双折射晶体14，出现非寻常光(e光)相对于寻常光(o光)的横向走离现象。

如上文介绍，在该技术方案中，如图1和图2所示，所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体14后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片13，光的偏转方向旋转90°，形成p光；

所述s光和所述p光经过所述双折射晶体14出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小，从而实现了准直光的压缩。

综上所述，在本申请中，利用双折射晶体14对慢轴上下两部分偏振方向相互垂直的准直分量完成偏振合束，减小了激光二极管慢轴光参量积，实现了高效率光纤耦合。并且，双折射晶体14的调节难度低，成本低，结构紧凑，易做成小型化产品。

在上述技术方案中，可以做出进一步改进。比如，所述双折射晶体14的e光的横向走离量设为所述平行光斑的一半，以便出射后的准直光相对于入射时光宽减小一半。

在该技术方案中，偏振方向相互垂直的上下两部分准直光经过双折射晶体14，出现非寻常光(e光)相对于寻常光(o光)的横向走离现象，将双折射晶体14e光的横向走离量d设计为准直光宽的一半，即上下两部分准直光经过两表面相互平行的双折射晶体14后出射光宽为入射时的一半，实现了对慢轴准直光的压缩。

需要说明的是：

慢轴方向平行于纸面，用

快轴方向垂直于纸面，用●代表；

光轴141的方向平行于纸面，且与晶体表面法线夹角θ，晶体法线方向垂直于晶体通光表面

s光与o光偏振方向垂直于纸面；

p光与e光偏振方向平行于纸面；

s光经过半波片13后偏振方向由垂直于纸面变为平行于纸面，即变为p光；

其中，s光相对于双折射晶体14也称o光，p光相对于晶体也称为e光。

如图1所示，在上述实施例中，还可以做出进一步设计。比如，所述光纤耦合半导体激光器包括：

快轴准直透镜15，设于所述双折射晶体14之后，并位于耦合透镜16之前，经由所述双折射晶体14聚焦出射后的光经由所述快轴准直透镜15后射出；

耦合透镜16，设于所述快轴准直透镜15之后；经由所述快轴准直透镜15后的光再经所述耦合透镜16进行耦合后射出。

在该种实施例中，如图1所示，快轴方向准直光斑尺寸保持不变，慢轴方向的准直光经过1/2波片及双折射晶体14偏振合束后，慢轴光参数积减小，最后经快慢轴的聚焦柱面透镜以高效率耦合进入多模光纤17。为减少激光在光学元件的表面反射损耗，所有光学元件的通光表面都可以镀有对应激光二极管发射光的增透膜。

此外，如图2所示，在本申请另一种实施例中，所述光纤耦合半导体激光器包括：

快轴准直透镜15，设于所述慢轴准直透镜12之后，所述双折射晶体14之前；经由所述慢轴准直透镜12出射后的平行光斑再经由所述快轴准直透镜15后射出。

耦合透镜16，设于双折射晶体14之后；经由所述双折射晶体14出射的光再经所述耦合透镜16进行耦合后射出。

如图2所示，在该种实施例中，半导体激光二极管11发射的激光依次经过慢轴准直透镜12、快轴准直透镜15准直后入射到半波片13及双折射晶体14。慢轴准直光完成偏振合束后，经过耦合镜将准直光耦合进光纤。

以下，结合上述所有的实施例，对本申请做出整体介绍如下：

半导体激光二极管11发射的激光经过非球面透镜准直后，准直光入射到半波片13和双折射晶体14，半波片13以准直光束中间为分界线覆盖一半的慢轴准直光。半波片13的光轴与慢轴偏振方向(图1中s光)的夹角为45度。经过半波片13的准直光其偏振方向旋转90度，变为图1中的p光。由于半波片13的上边缘位于慢轴方向光斑的中心位置，所以其下半部分的光的偏振方向被旋转了90度，变成了p光，上半部分的光的偏振方向保持不变，仍为s光。偏振方向相互垂直的上下两部分准直光经过双折射晶体14，出现非寻常光(e光)相对于寻常光(o光)的横向走离现象，将双折射晶体14e光的横向走离量d设计为准直光宽的一半，即上下两部分准直光经过两表面相互平行的双折射晶体14后出射光宽为入射时的一半，实现了对慢轴准直光的压缩。双折射晶体14材料可以为YVO4、冰洲石、a-BBO等。

此外，对双折射晶体14的横向走离量相关光学设计(入射方向固定为垂直于晶体表面)包括双折射晶体14光轴方向，双折射晶体14厚度。例如，双折射晶体14厚度不变，通过在-90°到+90°之间改变光轴和晶体表面法线的夹角θ，能够增大或减小e光和o光之间的相对分开角度α，进而改变在e光出射时的横向走离量；双折射晶体14光轴方向不变，通过改变晶体厚度也可以改变e光出射时的横向走离量。快轴方向准直光斑尺寸保持不变，慢轴方向的准直光经过半波片13及双折射晶体14偏振合束后，慢轴光参数积减小，最后经快慢轴的聚焦柱面透镜以高效率耦合进入多模光纤17。为减少激光在光学元件的表面反射损耗，所有光学元件的通光表面都可以镀有对应激光二极管发射光的增透膜。

此外，与上述装置实施例相对应，本申请还提供一种方法实施例。具体的，在本申请中，一种应用光纤耦合半导体激光器的光纤耦合方法，包括如下步骤：

用半导体激光二极管11发射激光；

通过慢轴准直透镜12接受所述半导体激光二极管11发射的激光并对其进行准直处理，形成平行光斑；

设置半波片13的上边缘与所述平行光斑的中心位置对齐；

使得平表面相互平行的双折射晶体14位于所述半波片13之后；并使得所述双折射晶体14的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；

所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体14后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片13，光的偏转方向旋转90°，形成p光；

所述s光和所述p光经过所述双折射晶体14出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小。

如图1和图2所示，由于半波片13的上边缘位于慢轴方向光斑的中心位置，所以其下半部分的光的偏振方向被旋转了90度，变成了p光，上半部分的光的偏振方向保持不变，仍为s光。

双折射晶体14，两表面相互平行，并位于所述半波片13之后；且所述双折射晶体14的中心轴线与所述平行光斑的中心位置对齐；需要说明的是，偏振方向相互垂直的上下两部分准直光经过双折射晶体14，出现非寻常光(e光)相对于寻常光(o光)的横向走离现象。

如上文介绍，在该技术方案中，如图1和图2所示，所述平行光斑由其中心位置分为上半部分慢轴准直光和下半部分慢轴准直光，所述上半部分慢轴准直光经由所述双折射晶体14后，光的偏转方向保持不变，仍为s光；所述下半部分慢轴准直光经由所述半波片13，光的偏转方向旋转90°，形成p光；

所述s光和所述p光经过所述双折射晶体14出现e光相对于o光的横向走离，出射后的准直光相对于入射时光宽减小，从而实现了准直光的压缩。

综上所述，在本申请中，利用双折射晶体14对慢轴上下两部分偏振方向相互垂直的准直分量完成偏振合束，减小了激光二极管慢轴光参量积，实现了高效率光纤耦合。并且，双折射晶体14的调节难度低，成本低，结构紧凑，易做成小型化产品。

在一种实施例中，

所述双折射晶体14的e光的横向走离量设为所述平行光斑的一半，以使得出射后的准直光相对于入射时光宽减小一半。

在一种实施例中，

使得快轴准直透镜15设于所述双折射晶体14之后，并位于耦合透镜16之前，经由所述双折射晶体14聚焦出射后的光经由所述快轴准直透镜15后射出；

使得耦合透镜16设于所述快轴准直透镜15之后；经由所述快轴准直透镜15后的光再经所述耦合透镜16进行耦合后射出。

在一种实施例中，

使得快轴准直透镜15设于所述慢轴准直透镜12之后，所述双折射晶体14之前；经由所述慢轴准直透镜12出射后的平行光斑再经由所述快轴准直透镜15后射出。

使得耦合透镜16设于双折射晶体14之后；经由所述双折射晶体14出射的光再经所述耦合透镜16进行耦合后射出。

在一种实施例中，

使得所述双折射晶体14厚度不变，通过在-90°到+90°之间改变光轴和所述双折射晶体14表面法线的夹角，从而增大或减小e光和o光之间的相对分开角度，进而改变在e光出射时的横向走离量。

在一种实施例中，

使得所述双折射晶体14的光轴141的方向不变，通过改变晶体厚度而改变e光出射时的横向走离量。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

本说明书通篇提及的“多个实施例”、“一些实施例”、“一个实施例”或“实施例”等，意味着结合该实施例描述的具体特征、部件或特性包括在至少一个实施例中。因此，本说明书通篇出现的短语“在多个实施例中”、“在一些实施例中”、“在至少另一个实施例中”或“在实施例中”等并不一定都指相同的实施例。此外，在一个或多个实施例中，具体特征、部件或特性可以任何合适的方式进行组合。因此，在无限制的情形下，结合一个实施例示出或描述的具体特征、部件或特性可全部或部分地与一个或多个其他实施例的特征、部件或特性进行组合。这种修改和变型旨在包括在本申请的范围之内。

此外，本领域技术人员可以理解，本申请的各方面可以通过若干具有可专利性的种类或情况进行说明和描述，包括任何新的和有用的工序、机器、产品或物质的组合，或对他们的任何新的和有用的改进。相应地，本申请的各个方面可以完全由硬件执行、可以完全由软件(包括固件、常驻软件、微码等)执行、也可以由硬件和软件组合执行。以上硬件或软件均可被称为“数据块”、“模块”、“引擎”、“终端”、“组件”或“系统”。此外，本申请的各方面可能表现为位于一个或多个计算机可读介质中的计算机产品，该产品包括计算机可读程序编码。

需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。