一种泵浦激光器论文和设计-李喜

全文摘要

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种泵浦激光器，其中所述泵浦激光器包括激光器芯片、热沉、光纤以及并行排列的至少一个Ω支架，所述激光器芯片固定在所述热沉表面，所述光纤的第一端与所述激光器芯片耦合；所述光纤穿过所述至少一个Ω支架的至少一个Ω槽，所述至少一个Ω支架固定在所述热沉表面，进而将所述光纤固定。本实用新型采用Ω支架焊接固定的方式固定光纤组件，效率高、成品率高，保证了激光器芯片与光纤耦合光路的稳定，有效地解决了器件在振动过程中光纤纤损、断裂的问题，光源稳定性和一致性更好，大大的提高了系统的稳定性。

主设计要求

1.一种泵浦激光器，其特征在于，包括激光器芯片(1)、热沉(2)、光纤(3)以及并行排列的至少一个Ω支架(4)，所述激光器芯片(1)固定在所述热沉(2)表面，所述光纤(3)的第一端与所述激光器芯片(1)耦合；所述光纤(3)穿过所述至少一个Ω支架(4)的至少一个Ω槽，所述至少一个Ω支架(4)固定在所述热沉(2)表面，进而将所述光纤(3)固定。

设计方案

1.一种泵浦激光器，其特征在于，包括激光器芯片(1)、热沉(2)、光纤(3)以及并行排列的至少一个Ω支架(4)，所述激光器芯片(1)固定在所述热沉(2)表面，所述光纤(3)的第一端与所述激光器芯片(1)耦合；所述光纤(3)穿过所述至少一个Ω支架(4)的至少一个Ω槽，所述至少一个Ω支架(4)固定在所述热沉(2)表面，进而将所述光纤(3)固定。

2.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，所述Ω支架(4)设置两个，并通过多光束激光焊接的方式固定在所述热沉(2)表面。

3.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，所述光纤(3)为透镜型光纤，第一端呈楔形，且楔形表面镀有增透膜。

4.根据权利要求3所述的泵浦激光器，其特征在于，所述增透膜采用TiO_{2<\/sub>和\/或SiO2<\/sub>材料制成，且所述增透膜的透过率大于95％。}

5.根据权利要求1所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括过渡热沉(5)和制冷器(6)，所述激光器芯片(1)焊接固定在所述过渡热沉(5)上，所述过渡热沉(5)焊接固定在所述热沉(2)上，所述热沉(2)通过回流焊固定在所述制冷器(6)上。

6.根据权利要求5所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括管壳(7)，所述管壳(7)为8针蝶形管壳，所述制冷器(6)位于所述管壳(7)内。

7.根据权利要求6所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括第一布拉格光栅(8)和第二布拉格光栅(9)，所述第一布拉格光栅(8)和第二布拉格光栅(9)位于所述管壳(7)外，且连接在所述光纤(3)的第二端。

8.根据权利要求6所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括尾管(10)，所述尾管(10)固定在所述管壳(7)一端，并使所述光纤(3)穿过，进而保护所述光纤(3)。

9.根据权利要求5所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括防静电芯片(11)，所述防静电芯片(11)固定在所述过渡热沉(5)表面，用于提高泵浦激光器的防静电能力。

10.根据权利要求5所述的泵浦激光器，其特征在于，还包括热敏电阻(12)，所述热敏电阻(12)固定在所述制冷器(6)表面，用于对泵浦激光器的工作进行温控。

设计说明书

【技术领域】

本实用新型涉及激光器技术领域，具体涉及一种泵浦激光器。

【背景技术】

随着光纤通信技术以及半导体工业的飞速发展，光纤陀螺仪凭借其结构简单、性能稳定、动态范围大、反应速度快及寿命长等优点，已经被广泛应用到现代的航空、航海、航天和国防工业领域中。其中，高精度光纤陀螺在国防、航天等高科技发展领域更是具有十分重要的战略意义。高精度光纤陀螺的光信号发射一般采用宽谱非相干光源，宽带ASE光源无疑是作为高精度陀螺最为理想的光源，而974nm半导体激光器是ASE光源的最为理想的种子源，具有小噪声、高转换效率的特点，和掺铒光纤抽运配合，可以激发获得1.55-1.66um波段范围的单色非相干激光；同时，974nm半导体激光器也是民用市场EDFA的理想泵浦源。因此974nm半导体激光器无论是在陀螺应用还是民用通讯里都具有非常重要的意义。

目前，单模光纤输出的974nm激光光源主要采用国际领先的14针蝶形半导体激光器，如图1所示，但是一方面，器件在耦合过程中，光纤组件03在热沉02表面的固定主要采用玻璃焊工艺，而玻璃焊料固定点单一、光纤悬臂太长，陀螺需要在高振动条件下使用，器件在振动环境中光纤容易出现纤损、断裂问题，大大影响了系统的稳定性，降低泵浦激光器组件的可靠性，进而直接影响到泵浦激光器芯片的性能能否充分发挥；另一方面，通过传统的14针蝶形封装使得光纤陀螺的体积较大，无法满足小型化的封装需求，且成本较高。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

本实用新型需要解决的技术问题是：

传统的14针蝶形封装泵浦激光器中，通过玻璃焊固定光纤组件，器件在振动环境中光纤容易出现纤损、断裂问题，系统稳定性较差；而且封装尺寸较大，无法满足光纤陀螺的小型化需求。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：

本实用新型提供了一种泵浦激光器，包括激光器芯片1、热沉2、光纤3以及并行排列的至少一个Ω支架4，所述激光器芯片1固定在所述热沉2表面，所述光纤3的第一端与所述激光器芯片1耦合；所述光纤3穿过所述至少一个Ω支架4的至少一个Ω槽，所述至少一个Ω支架4固定在所述热沉2表面，进而将所述光纤3固定。

优选的，所述Ω支架4设置两个，并通过多光束激光焊接的方式固定在所述热沉2表面。

优选的，所述光纤3为透镜型光纤，第一端呈楔形，且楔形表面镀有增透膜。

优选的，所述增透膜采用TiO_{2<\/sub>和\/或SiO2<\/sub>材料制成，且所述增透膜的透过率大于95％。}

优选的，还包括过渡热沉5和制冷器6，所述激光器芯片1焊接固定在所述过渡热沉5上，所述过渡热沉5焊接固定在所述热沉2上，所述热沉2通过回流焊固定在所述制冷器6上。

优选的，还包括管壳7，所述管壳7为8针蝶形管壳，所述激光器芯片1、热沉2、光纤3以及至少一个Ω支架4均位于所述管壳7内。

优选的，还包括第一布拉格光栅8和第二布拉格光栅9，所述第一布拉格光栅8和第二布拉格光栅9位于所述管壳7外，且连接在所述光纤3的第二端。

优选的，还包括尾管10，所述尾管10固定在所述管壳7一端，并使所述光纤3穿过，进而保护所述光纤3。

优选的，还包括防静电芯片11，所述防静电芯片11固定在所述过渡热沉5表面，用于提高泵浦激光器的防静电能力。

优选的，还包括热敏电阻12，所述热敏电阻12固定在所述制冷器6表面，用于对泵浦激光器的工作进行温控。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的泵浦激光器中，采用Ω支架焊接固定的方式固定光纤组件，效率高、成品率高，保证了激光器芯片与光纤耦合光路的稳定，有效地解决了器件在振动过程中光纤纤损、断裂的问题，光源稳定性和一致性更好，大大的提高了系统的稳定性；同时，采用8针蝶形封装，器件之间采用焊接工艺粘结，结构紧凑，减小了光纤陀螺的体积，满足了小型化、低成本的需求。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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为现有的一种14针蝶形封装的泵浦激光器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的一种泵浦激光器的平面示意图；

图3为本实用新型实施例提供的一种泵浦激光器的剖面示意图；

图4为本实用新型实施例提供的泵浦激光器中使用的Ω支架的结构示意图；

图5为本实用新型实施例提供的一种泵浦激光器的平面示意图(带双布拉格光栅)；

图6为本实用新型实施例提供的双布拉格光栅构成的FP腔示意图；

图7为本实用新型实施例提供的激光器芯片与柱状楔形透镜光纤的耦合示意图；

图8为本实用新型实施例提供的一种泵浦激光器的制作方法流程图；

图9为本实用新型实施例提供的经过回流焊后的泵浦激光器的结构示意图；

图10为本实用新型实施例提供的双Ω支架部分焊接示意图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型各实施例中，符号“\/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“A和\/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1：<\/u>

本实用新型实施例提供了一种泵浦激光器，如图2和图3所示，包括激光器芯片1、热沉2、光纤3以及并行排列的至少一个Ω支架4。其中，所述激光器芯片1固定在所述热沉2表面，所述光纤3的左端与所述激光器芯片1对准耦合，所述激光器芯片1用于实现电信号转换为光信号，所述光纤3用于将所述激光器芯片1发出的光传导出去；所述Ω支架4用于实现所述光纤3的固定，具体为：所述Ω支架4设有Ω槽401，如图4所示，则所述光纤3穿过所述至少一个Ω支架4的至少一个Ω槽401，通过将所述至少一个Ω支架4焊接固定在所述热沉2表面，进而将所述光纤3固定在所述热沉2表面。

在本实用新型实施例提供的上述泵浦激光器中，通过采用Ω支架焊接固定的方式固定光纤，效率高、成品率高，既保证了激光器芯片与光纤耦合光路的稳定，又有效地解决了器件在振动过程中光纤容易出现纤损、断裂的问题，使得光源稳定性和一致性更好，与传统的玻璃焊工艺相比，系统的稳定性大大提高。

其中，所述Ω支架4为金属支架，并优选采用镍材料。考虑到如果仅设置一个Ω支架4来固定所述光纤3，固定效果无法达到最优，所述光纤3仍存在晃动的可能性；而设置数量过多的Ω支架4来固定所述光纤3，虽然固定效果大大提高，但会带来封装尺寸的增大。基于综合考虑以及试验研究，本实用新型实施例中优选地设置两个Ω支架4，并通过多光束激光焊接的方式固定在所述热沉2表面。这是由于采用单光束激光焊接的焊接过程中残余应力比较大，而通过多光束激光焊接可同时焊接Ω支架4的多个点，可以有效减小焊接后位移，残余应力减小，进一步确保所述光纤3和所述激光器芯片1的耦合位置不出现偏移，光源稳定性有效提高。

结合图2和图3，在一个完整的泵浦激光器中，通常还包括过渡热沉5、制冷器6和管壳7；其中，所述激光器芯片1、所述过渡热沉5与所述热沉2构成芯片组件，所述过渡热沉5作为所述激光器芯片1的载体，所述热沉2作为所述过渡热沉5的载体，所述制冷器6用于对所述激光器芯片1进行温控，所述管壳7用于实现气密性封装；不同于传统的14针蝶形管壳，此处的所述管壳7为8针蝶形管壳。在本实用新型实施例中，所述芯片组件以及所述制冷器6均采用全金属化无胶组装，组件的组装面之间全部采用焊接技术，具体为：所述激光器芯片1焊接固定在所述过渡热沉5上，所述过渡热沉5焊接固定在所述热沉2上，所述热沉2通过回流焊固定在所述制冷器6上，得到的焊接组装好的组件固定于所述管壳7内。

通过上述焊接工艺粘结得到的泵浦激光器，结构紧凑，器件体积可以由目前的长宽高30mm×15.2mm×8.15mm减小到22mm×12.6mm×7.45mm，管壳由原来的14针蝶形管壳优化为8针蝶形管壳，大大减小了光纤陀螺的体积，满足了小型化、低成本的需求。另一方面，基于现有理论可知，泵浦激光器芯片产生的总热量增加速度比其光输出功率增加的速度要快很多，目前的泵浦激光器芯片主要采用易碎、热导率稍差的砷化镓材料，因此激光器芯片的散热效果非常重要，对封装工艺和技术要求很高，不仅要将热量从有源区有效地传递到热沉上，还必须避免对芯片产生应力。通过采用全金属化无胶组装以及焊接技术，在一定程度上也有效增强了芯片的散热效果，提高了光源出光功率的稳定性。

结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，参考图5，所述泵浦激光器还包括第一布拉格光栅8和第二布拉格光栅9，所述第一布拉格光栅8和第二布拉格光栅9位于所述管壳7外，且连接在所述光纤3的右端。泵浦激光器芯片是一个多纵模振荡的FP激光器，存在多个纵模并且带宽较宽，材料波长随环境温度变化较大，并不适合直接用来对光纤进行泵浦，因此需要采用光反馈技术进行锁模。光栅根据折射率调制周期是否均匀可以分为周期性光纤光栅和非周期性光纤光栅，根据光栅的数量不同又可以分为单光栅和双光栅，本实用新型采用短周期的布拉格周期性光栅，能够将主要传导模衍射到反向传输模上，反射主要发生在布拉格波长附近，具有窄反射带宽、高反射率的特点。另外，与单布拉格光栅相比，双布拉格光栅构成了一个光纤光栅FP腔，只在中心耦合波长附近的窄带宽内对光有比较强的耦合反射作用，而在反射带宽外则没有谐振峰出现，具有非常好的锁模特性，能得到更高的高边模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio，简写为SMSR)。因此，本实用新型优选采用双布拉格光栅。

结合图6，本实用新型实施例中双布拉格光栅的腔长为6-10cm，反射率为3.5％，反射带宽0.6nm，所述激光器芯片1的前腔面(图中右端面，反射率r1)到所述第一布拉格光栅8的距离为1.4m，双布拉格光栅(反射率rg)与所述激光器芯片1的前腔面、后腔面(图中左端面，反射率r2)构成了一个FBG-FP外腔激光器。根据激光器和光纤的耦合模型可知，当进入双布拉格光栅的光反馈后，部分满足Bragg波长的光被反射回谐振腔，为避免反馈光和激光器腔内光场发生相干作用导致激光器工作不稳定，两个光栅应距离激光器1m以上，此时激光器将工作在相干失效状态。Bragg波长附近模式损耗最小，总是率先满足振荡条件，当增益谱在一定范围内变化时，Bragg波长附近模式的净增益能够始终保持最大。这种相干失效状态使得激光器相干长度大大降低，增强了受激辐射，抑制了自发辐射，各模式在光纤光栅的反射带宽内稳定运转，减小了因跳模引起的输出功率的线性抖动。激光器输出的峰值波长始终锁定在Bragg波长附近，由于Bragg波长随温度变化很小(约0.01nm\/℃)，因此激光器的波长稳定性得以大大提高。由此可知，通过引入双布拉格光栅，采用光反馈技术进行锁模，可实现光谱的稳定输出和高边模抑制比(Side-Mode Suppression Ratio，简写为SMSR)的获取。其中，双布拉格光栅的腔长、反射率、反射带宽以及激光器芯片的前腔面到第一布拉格光栅8的距离均可以根据实际需求进行设置，并不唯一限定。

继续参考图2和图3，所述泵浦激光器还包括尾管10，所述尾管10固定在所述管壳7的右端，所述光纤3穿过所述尾管10进入所述管壳7内，所述尾管10主要用于保护所述光纤3裸露在所述管壳7外的尾纤部分。为更好地实现保护作用，所述尾管10可采用弹性较好的软质材料，在本实用新型实施例中，所述尾管10选择采用橡胶材料，形状呈渐变圆柱形，长度9-15mm。当然，此处所述尾管10的材料、形状和长度并不用以限制本实用新型，材料还可以选择弹性较好的聚氨酯材料等，形状和长度也可根据实际需要进行不同的设置。

结合本实用新型实施例，还存在一种优选的实现方案，如图7所示，左图为所述激光器芯片1与所述光纤3耦合的正视图，右图为耦合的俯视图；所述光纤3为透镜型光纤，左端面呈楔形，且楔形表面镀有增透膜；所述增透膜采用TiO2和\/或SiO2材料制成，且所述增透膜的透过率大于95％。为了对所述激光器芯片1输出的光束进行准直，所述激光器芯片1与所述光纤3之间通常需要设置透镜，通过采用透镜型光纤则无需设置透镜。在本实用新型实施例中，所述激光器芯片1输出的是一个椭圆形的高斯光束，横向发散角8°-15°，纵向发散角30°-60°；为了提光源和光纤组件间的耦合效率，需要对激光器芯片的输出光束进行整形。而激光器芯片到单模光纤的耦合实质上是两者之间的模场的匹配，两者的模场越相似，光强分布越接近，则耦合效率越高；如果采用平端光纤直接与激光器芯片耦合，由于严重的相位和模场不匹配，耦合效率很低，仅10％左右。本实用新型通过耦合模型仿真和理论计算，采用楔形透镜光纤直接和激光器芯片耦合，耦合效率可高达60％以上。所述光纤3选用HI1060纤，透镜的曲率半径为5-6um，模场直径为6±1um，耦合容差为2-5um；同时，为了增加透射光，所述光纤3的楔面上还镀有增透膜。其中，所述光纤3的曲率半径以及增透膜的选择均可根据实际需求进行设置，并不用以限制本实用新型。

进一步结合图2，所述泵浦激光器还可包括防静电芯片11和热敏电阻12，所述防静电芯片11用于提高泵浦激光器的防静电能力，所述防静电芯片11固定在所述过渡热沉5上，进而固定在所述热沉2上；所述热敏电阻12用于对泵浦激光器的工作温度进行温控，所述热敏电阻12固定在所述制冷器6上。

实施例2：<\/u>

在上述实施例1的基础上，本实用新型实施例还提供了一种泵浦激光器的制作方法，用于实施例1所述的泵浦激光器，参考图8，包括以下步骤：

步骤201，完成所述激光器芯片1、所述过渡热沉5、所述热沉2、所述制冷器6与所述管壳7之间的焊接固定。

具体为，先将所述过渡热沉5置于所述热沉2上，将所述激光器芯片1置于所述过渡热沉5上，接着加热使所述激光器芯片1与所述过渡热沉5背面的焊料融化，完成芯片组件的焊接固定；其中，此处可使用金锡焊料，且所述激光器芯片1、所述过渡热沉5与所述热沉2之间的焊接顺序可以互换，并不用以现在本实用新型；

然后将所述制冷器6置于所述管壳7内，将上述焊接好的芯片组件置于所述制冷器6上，然后将组装好的组件放入回流箱中进行回流焊，经过回流焊之后得到的结构如图9所示。其中，回流焊的焊料为焊锡膏，整个组装过程采用了二种不同熔点的焊料进行组装，保证了结构的稳定性，同时保证了多次焊接之间不会互相影响。最后将所述尾管10固定在所述管壳7的右端。

步骤202，将所述光纤3置于所述热沉2表面，并使所述光纤3的第一端与所述激光器芯片1对准耦合。

将所述光纤3穿过所述尾管10进入所述管壳7内，置于所述热沉2表面，本实用新型中采用镀膜的柱状楔形透镜光纤对所述激光器芯片1输出的光束进行准直和整形，通过调整所述光纤3的左端楔形端面与所述激光器芯片的相对位置，实现对准耦合。

步骤203，利用所述Ω支架4和激光焊接技术，将所述光纤3固定在所述热沉2表面。

本实用新型采用所述Ω支架4和四光束激光平行焊接技术对所述光纤3进行固定，确保所述光纤3和所述激光器芯片1的耦合位置不出现偏移。目前的商用激光焊接机大多数是单光束激光焊接，焊接过程中残余应力比较大，本实用新型通过四光束激光焊接台，相比单光束激光焊接而言，四光束激光焊接同时焊接所述Ω支架4的四个对称点，可以有效减小焊接后位移，残余应力减小，达到了同时焊接四点的平衡焊接目的。其中，光束的数量还可根据实际需求进行灵活调整，比如还可以是三光束激光焊接、两光束激光焊接，并不用以限制本实用新型。

参考图10，以使用两个Ω支架4(又称为双Ω支架)为例，其中右图为双Ω支架与所述热沉2的焊接放大图，所述双Ω支架与所述热沉2之间的焊接是由10个大焊点13固定的，所述大焊点13是通过单光束激光焊接的，可先用小能量的激光定标，然后再用大能量的激光进行打点固定；所述光纤3与所述双Ω支架的焊接则是通过8个小焊点14固定的，每个Ω支架4上4个小焊点14，可先用四光束激光同时打点固定其中一个Ω支架4，然后再固定另一个Ω支架4。采用这种焊接方式焊接的效率高、成品率高，而且焊接后的光源稳定性和一致性更好。其中，所述大焊点13与所述小焊点14的数量可根据需求灵活选择，并不唯一限定。

步骤204，将所述第一布拉格光栅8和第二布拉格光栅9连接在所述光纤3的第二端。在本实用新型实施例中，所述第一布拉格光栅8与所述第二布拉格光栅9之间的间距为6-10cm，所述激光器芯片1的前腔面到所述第一布拉格光栅8的距离为1.4m，但并不唯一限定。通过双布拉格光栅锁模技术，可实现光谱的稳定输出和高SMSR的获取。

通过上述步骤201-步骤204，最终可得到如图2、图3和图4所示的泵浦激光器，本实用新型实施例通过采用Ω支架焊接固定的方式固定光纤，效率高、成品率高，既保证了激光器芯片与光纤耦合光路的稳定，又有效地解决了器件在振动过程中光纤容易出现纤损、断裂的问题，使得光源稳定性和一致性更好，与传统的玻璃焊工艺相比，系统的稳定性大大提高；通过焊接工艺粘结，结构紧凑，器件体积可以由目前的长宽高30mm×15.2mm×8.15mm减小到22mm×12.6mm×7.45mm，管壳由原来的14针蝶形管壳优化为8针蝶形管壳，大大减小了光纤陀螺的体积，满足了小型化、低成本的需求；同时，采用镀膜的楔形透镜光纤直接和激光器芯片耦合，耦合效率可高达60％以上；通过引入双布拉格光栅，采用光反馈技术进行锁模，可实现光谱的稳定输出和高边模抑制比的获取。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

设计图