CN102868089B

CN102868089B - 利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法

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Publication number: CN102868089B
Application number: CN201210361979.6A
Authority: CN
Inventors: 王峙皓; 甘露; 张淑珍
Original assignee: CHANGCHUN DEXIN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: CHANGCHUN DEXIN PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-03-05
Anticipated expiration: 2032-09-26
Also published as: CN102868089A

Abstract

本发明有关利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法，属于半导体激光技术领域，半导体激光器模块与外腔反窥镜分别组成两个激光振荡腔，经由共同的光栅角色散作用和外腔反窥镜的反馈作用，从外腔反窥镜输出两束光束质量与单元光束相同、功率提高数倍的线偏振激光束，再经由偏振合束镜，实现高功率、高光束质量的单激光束输出。本发明可实现全半导体激光波段范围内的合束，合束波长间隔窄，具有输出激光功率高、光束质量好的优点，同时采用一个光栅实现多光束光谱合束，集成度高。

Description

利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法

技术领域

本发明属于半导体激光技术领域，尤其涉及一种采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器单元合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法。

背景技术

半导体激光器具有转换效率高、使用寿命长、体积小和重量轻等优点，作为直接光源，小功率器件早已在通信、印刷、条形码扫描和光存储等信息领域实现广泛应用，大功率器件受光束质量和亮度条件的限制，以及到达目标处的功率密度低，目前仅应用在一些低要求场合，如塑料焊接、激光钎焊等。对于如金属焊接、激光切割等要求较高的领域，半导体激光器的应用尚有一定难度，改善半导体激光器的光束质量，提高输出激光束的亮度，对大功率半导体激光器的发展和应用具有重要意义。

半导体激光器的光束质量采用光参量积（BPP）来评价，定义为光束束腰半径w₀与远场发散半角θ/2的乘积，光参量积越小，光束质量越好。

BPP= w_0*θ/2

由于半导体激光器的结构原因，平行于外延层方向的快轴方向光参量积（BPP_f）小，接近衍射极限，光束质量非常好，垂直于外延层方向的慢轴方向光参量积为快轴方向（BPP_s）的上千倍，光束质量差，不利于半导体激光器的实际应用。

半导体激光器的亮度（B）采用单位面积单位立体角内的输出功率进行评价：

B=P/(π²*BPP_f*BPP_s)

常规的几何光学方法，通过光束切割、重排的方式，将慢轴方向的BPP值减小，快轴方向的BPP值增加，实现两个方向BPP值相等，使对角线BPP值最小。但其两方向的BPP值乘积并没有减小，因此半导体激光器的亮度实质上并没有提高。

采用偏振合束和波长合束可以一定程度上提高半导体激光器输出激光亮度，但由于偏振合束只能提高2倍，而波长合束可耦合的波长数受到镀膜限制，合束数量一般不超过5个，因此可提高亮度的倍数不超过10倍。

通过外腔反馈实现光谱合束，可以有效提高半导体激光器的亮度，它在不增大快轴方向的BPP值条件下，降低慢轴方向BPP值，该方法在美国专利US7065107B2，US6192062B1，US6208679和公告号为CN102208753A、名称为“多波长联合外腔半导体激光器”的国内专利均有记载，但这些光谱合束方法均针对单个激光列阵或阵列，或者光栅与单个半导体激光器模块对应，造价昂贵的光栅利用率低，或者组成激光模块的半导体激光器均为同一种材料类型，可耦合的激光单元光束数量被限制，当在功率要求和光束质量要求高的场合，不能满足使用要求。另外，采用多个半导体激光器阵列光谱合束，对应需采用多个光栅，使得整个***的成本高，多个互不相干的光路也使得***集成度低。

上述存在的问题需要加以进一步改进。

发明内容

为了实现超高亮度、高功率半导体激光输出，本发明提供一种利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法，解决现有光谱合束方法均针对单个激光列阵或阵列，或者光栅与单个半导体激光器模块对应，造价昂贵的光栅利用率低；或者组成激光模块的半导体激光器均为同一种材料类型，可耦合的激光单元光束数量被限制，不能满足使用要求；以及采用多个半导体激光器阵列光谱合束，对应需采用多个光栅，使得整个***的成本高，多个互不相干的光路也使得***集成度低的问题。

本发明具体提出了一种采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法，该方法所涉及的装置包括：半导体激光器模块，场镜，光栅，外腔反窥镜，半波片，反射镜组，偏振分光棱镜，其半导体激光器模块与外腔反窥镜分别组成两个激光振荡腔，其中：

半导体激光器模块由半导体激光器、快轴准直镜和慢轴准直镜组成；

单元光束入射到光栅的振动方向与光栅要求的偏振方向相匹配；

半导体激光器模块、场镜和光栅的位置关系满足：半导体激光器模块和光栅分别位于场镜的前后焦平面处；

组成半导体激光器模块其中的半导体激光器为多个激光单管（emitter）组合，或为激光列阵（bar），或由激光列阵组成的激光线阵或迭阵，或者是多个激光线阵或迭阵的组合；

组成半导体激光器模块，其中的半导体激光器输出激光一端的腔面膜反射率<0.5%，另一端的腔面膜反射率>95%，该半导体激光器输出激光束的偏振度>95%；

半导体激光器的材料增益波长覆盖半导体激光器所有能激射波长，包括从紫外到红外，其排列方式沿着光谱合束方向单调变化；半导体激光器为多个激光单元组合时，激光单元材料相互之间相同或不同。

光栅为透射或反射式，只存在1级衍射或只存在-1级衍射，衍射效率>90%，并具有高损伤阈值，达到10KW/cm²量级；

外腔反窥镜为部分反射镜，反射率为5%-15%，并与光栅产生的衍射光的传输方向垂直；

半波片和偏振分光棱镜为宽波带元件，其使用光谱范围大于外腔反馈镜输出激光束的光谱宽度，并具有高损伤阈值，要求激光连续工作模式下，大于10KW/cm²。

一种利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的方法：采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的半导体激光合束，具体为：

a、两个完全相同半导体激光器模块对称放置在光栅法线OP两侧，设每个激光器模块分别输出3束线偏振单元光束，经过场镜作用后，单元光束以单调变化的角度入射到光栅上，并在光栅重合；

b、由光栅的角色散和外腔反窥镜的反馈作用，使得起振的单元激光束的波长λ₁，λ₂，λ₃各不相同，且沿光谱合束方向单调变化，于是从外腔反窥镜输出两束光束质量和单元光束相同、光谱一致、功率提高3倍的线偏振激光束，其中一束光经过半波片作用后振动方向翻转90°，与经过反射镜组作用的光束通过偏振分光棱镜实现偏振合束；

c、该方法可扩展为在光谱合束方向采用更多半导体激光器模块，这些半导体激光器模块在光谱合束方向上以材料增益波长单调变化的方式排列，通过合束更多的单元光束，实现更高亮度的激光输出。

本发明的优点在于：本发明易于实现超高亮度、高功率激光输出，所使用的激光单元只要能够激射不同的波长，理论上均可以在该腔体中实现合束；本发明输出激光束的光束质量与单元激光束保持一致，而功率为单元激光束的总和，因此其亮度可以实现大大地提高；本发明集成化程度高，由于所有光路均通过单个光栅合束成两束光，单元光路之间有效叠加，在单元光路不变条件下，可减小整个器件尺寸；本发明使用的光栅数量少。

附图说明

图1 为本发明利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的示意图。

图2 为本发明的扩展示意图。

图3 为本发明半导体激光器模块结构示意图。

图4为本发明合束过程可扩展为多个半导体激光器模块进行合束示意图。

附图序号含义：1、1’、N1，NN，N1’，NN’.半导体激光器模块；11、12、13、11’、12’、13’.半导体激光器模块输出的单元光束；14.半导体激光器；15.快轴准直镜；16.慢轴准直镜；2，2’，21，2N，21’，2N’.场镜；3.光栅；4、4’.外腔反窥镜；5.半波片，61、62.反射镜，7.偏振分光棱镜，8、8’、8N、8N’. 偏振激光束，9、9N.偏振合束输出光束，图中在半导体激光器模块1、1’、N1，NN，N1’，NN’处的单箭头表示光谱合束方向。

具体实施方式

如附图1至附图4所示，本发明利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，由半导体激光器模块1，1’与外腔反窥镜4，4’分别组成两个激光振荡腔，通过同一个衍射光栅3实现合束，获得功率提高数倍、光束质量与单元光束的光束质量相等的两束线偏振激光束8、8’输出，然后通过偏振合束实现单光束输出，最终实现高功率高光束质量偏振合束输出光束9输出。

利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的过程以两个半导体激光器模块实现合束进行说明：两个完全相同半导体激光器模块1，1’对称放置在光栅3法线OP两侧，设每个半导体激光器模块1、1’分别输出3束线偏振单元光束11，12，13和11’，12’，13’，经过场镜2，2’作用后，单元光束以单调变化的角度入射到光栅3上，并在光栅3重合，由光栅3的角色散和外腔反窥镜4，4’的反馈作用，使得起振的单元激光束11，12，13和11’，12’，13’的波长λ₁，λ₂，λ₃各不相同，且沿光谱合束方向单调变化。于是从外腔反窥镜4，4’输出两束光束质量和单元光束相同、光谱一致、功率提高3倍的线偏振激光束8和8’，然后其中一束光束8经过半波片5作用后振动方向翻转90°，与经过反射镜组61，62作用的光束8’通过偏振分光棱镜7实现偏振合束，最终输出光束质量和单元光束相同，功率提高6倍的偏振合束输出光束9。

设光栅周期为Λ，光栅衍射级次为1级，单元激光束11,12,13在光栅上的入射角分别为θ₁，θ₂，θ₃（θ₁<θ₂<θ₃），经过光栅色散和外腔反窥镜的反馈作用，实现振荡的激光束具有相同的衍射角为θ，则单元光束的输出波长波长分别为λ₁，λ₂，λ₃满足下列关系：

Λ*（sinθ₁+sinθ）=λ₁；

Λ*（sinθ₂+sinθ）=λ₂；

Λ*（sinθ₃+sinθ）=λ₃；

则激光单元的激射波长λ₁，λ₂，λ₃也单调变化：λ₁<λ₂<λ₃。

以中心波长为980nm、包含19个发光点的半导体激光列阵为例，光谱合束方向为激光列阵的慢轴方向，经过外腔反馈镜输出光束的光谱分布如图2所示，沿激光列阵慢轴方向单元激射波长单调递增。采用2个相同的激光列阵经过上述合束，输出功率可提高近38倍，而光束质量仅为单个发光点的光束质量，则其亮度也提高近38倍。

半导体激光器模块1由半导体激光器14、快轴准直镜15和慢轴准直镜16组成，如附图3所示，其中半导体激光器的14的增益波长包括从紫外到红外所有能激射波长，激光输出方向的腔面镀增透膜，其反射率<0.5%，另一个腔面镀高反膜，其反射率>95%。

半导体激光器模块1，1’、场镜2，2’和光栅3的位置关系满足：半导体激光器模块1，1’和光栅3分别位于场镜2，2’的前后焦平面处。

上述合束过程可扩展为多个半导体激光器模块进行合束，如附图4所示，在光栅法线两侧对称放置多个半导体激光器模块N1、NN、N1’、NN’和与之对应的场镜21、2N、21’、2N’，其中半导体激光器模块排列方式根据其材料增益波长沿光谱合束方向单调变化排列，半导体激光器模块输出的光束经过场镜作用后在光栅3上重合，再由外腔反窥镜4、4’的反馈作用，只有能够沿光路返回到半导体激光器模块的光束才能形成反馈，结合光栅的色散特性，则使得半导体激光器模块输出波长沿光谱合束方向单调变化。在外腔反窥镜4、4’输出的两束偏振激光束8N、8N’经过偏振合束后，形成单光束9N输出，输出光谱为单元激光束波长的叠加λ₁，λ₂……λ_M-1，λ_M。若采用2组各5个半导体激光列阵，每个激光列阵由19个发光点组成，则输出的亮度可提高近190倍。

Claims

1.一种利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于包括：半导体激光器模块（1，1’），场镜（2，2’），光栅（3），外腔反馈镜（4，4’），半波片（5），反射镜组（61，62），偏振分光棱镜（7），其半导体激光器模块（1，1’）与外腔反馈镜（4，4’）分别组成两个激光振荡腔，其中：

半导体激光器模块（1，1’）由半导体激光器（14）、快轴准直镜（15）和慢轴准直镜（16）组成；

单元光束入射到光栅（3）的振动方向与光栅（3）要求的偏振方向相匹配；

半导体激光器模块（1，1’）、场镜（2，2’）和光栅（3）的位置关系满足：半导体激光器模块（1，1’）和光栅（3）分别位于场镜（2，2’）的前后焦平面处。

2.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：半导体激光器（14）为多个激光单管组合，或为激光列阵，或由激光列阵组成的激光线阵或迭阵，或者是多个激光线阵或迭阵的组合。

3.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：半导体激光器（14）输出激光一端的腔面膜反射率<0.5%，另一端的腔面膜反射率>95%；该半导体激光器（14）输出激光束的偏振度>95%。

4.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：半导体激光器（14）的材料增益波长覆盖半导体激光器所有能激射波长，包括从紫外到红外，其排列方式沿着光谱合束方向单调变化；半导体激光器（14）为多个激光单元组合时，激光单元材料相互之间相同或不同。

5.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：光栅（3）为透射或反射式，只存在1级衍射或只存在-1级衍射，衍射效率>90%，并具有高损伤阈值，达到10KW/cm²量级。

6.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：外腔反馈镜（4，4’）为部分反射镜，反射率为5%~15%，并与光栅（3）产生的衍射光的传输方向垂直。

7.根据权利要求1所述的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置，其特征在于：半波片（5）和偏振分光棱镜（7）为宽波带元件，其使用光谱范围大于外腔反馈镜（4，4’）输出偏振激光束（8，8’）的光谱宽度，并具有高损伤阈值，要求激光连续工作模式下，大于10KW/cm²。

8.一种利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的方法，其特征在于：

采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的半导体激光合束，具体为：

a、两个完全相同半导体激光器模块（1，1’）对称放置在光栅（3）法线OP两侧，设每个激光器模块（1，1’）分别输出3束线偏振单元光束（11，12，13和11’，12’，13’），经过场镜（2，2’）作用后，单元光束以单调变化的角度入射到光栅（3）上，并在光栅（3）重合；

b、由光栅（3）的角色散和外腔反馈镜（4，4’）的反馈作用，使得起振的单元激光束（11，12，13和11’，12’，13’）的波长λ₁，λ₂，λ₃各不相同，且沿光谱合束方向单调变化，于是从外腔反馈镜（4，4’）输出两束光束质量和单元光束相同、光谱一致、功率提高3倍的线偏振激光束（8和8’），其中一束光（8）经过半波片（5）作用后振动方向翻转90°，与经过反射镜组（61，62）作用的偏振合束输出光束（9’）通过偏振分光棱镜（7）实现偏振合束；

c、该方法扩展为在光谱合束方向采用更多半导体激光器模块，这些半导体激光器模块在光谱合束方向上以材料增益波长单调变化的方式排列，通过合束更多的单元光束，实现更高亮度的激光输出。