CN111326952A - 基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，包括半导体激光光源、变换透镜和第一光栅；半导体激光光源包括有片上调控的半导体激光阵列和准直透镜；半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜上，将阵列上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到光栅上发生衍射，实现共孔径合束输出；或使变换透镜和第一光栅替换为第二光栅和第三光栅，将激光束入射到第二光栅上发生衍射，衍射后的光束再射入第三光栅上发生衍射并实现共孔径合束输出。本发明可直接在片上发光单元所出射的激光的中心波长以一定的光谱间隔进行锁定，实现了光谱锁定调控部分与光谱合成光路的解耦合，缩减了***尺寸，增加了***的可靠性及工程可行性。

Description

基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置。
背景技术
在现有技术中，公知的技术是，半导体激光器具有波长覆盖范围广、电光转化效率高、体积小、成本低、寿命长等优点，在军事国防、工业加工、卫生医疗、科学研究等多个领域具有广泛的应用前景。但目前商用半导体激光器单元输出功率低、光束质量差等缺点限制了它的直接应用。基于外腔反馈的光谱合成技术在实现半导体激光输出功率放大的同时可保证高光束质量，理论上合成后的光束质量与参与合成的单个发光单元相当，名为《基于外腔反馈的宽带半导体激光光谱合成研究》(Spectral beam combining of a broad-stripediode laser array in an external cavity，Daneu V.，Sanchez A.，Fan T.Y.etal.Optics Letters，2000，25(6)，405-407.)的文章对其基本原理进行了详细说明，该技术近年来引起了国内外研究机构的广泛关注。
光谱合成技术直接利用半导体激光器组成高效率、紧凑的激光***而不通过中间泵浦的转换过程，可以使合成激光的光束质量与参与合成的子发光单元相当，弥补了半导体激光器光束质量较差的缺点，大大提高了半导体激光器的发光亮度。目前，现有的半导体激光光谱合成激光***通常采用外腔闭环合束方法，这种方法实现相对较为容易，但***所有元件间呈强耦合关系，可靠性较低，这是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于片上光谱调控半导体激光芯片的开环光谱合成装置。该方案采用具有片上光谱调控结构的半导体激光芯片作为光谱合成激光光源，无需任何外部光学结构即可实现各半导体激光光源的中心波长锁定与光谱宽度压窄，再使用光栅进行光谱合成，实现了各元件间的解耦合，利于合成通道路数的拓展，并可有效提升***的可靠性。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于片上光谱调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其包括半导体激光光源和合束机构，半导体激光光源包括具备片上光谱调控的半导体激光阵列和准直透镜，半导体激光阵列由若干阵列式排布的发光单元构成，片上调控为对不同发光单元的中心波长和光谱宽度上的片上调控；
上述发光单元(构成半导体激光阵列的单元)包括依次排布的电热可调谐光栅、种子源、模式控制区和放大区；种子源和模式控制区之间，设置有分布式布拉格反射镜；上述模式控制区通过宽度和长度的调整，实现对种子源激光的模式过滤，使进入放大区的激光的模式是一个单横模；
合束机构的结构为：
合束机构包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的变换透镜和第一光栅；半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜上，将阵列发光单元上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到第一光栅上发生衍射，实现共孔径合束输出；
或者，合束机构为双光栅结构：合束装置包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的第二光栅和第三光栅，半导体激光光源输出的激光束入射到第一光栅上发生衍射，衍射后的光束再射入第二光栅上发生衍射并实现共孔径合束输出。
本发明采用了具有片上结构的半导体激光阵列作为光谱合成激光光源，片上结构可直接将各合成光源的中心波长以一定的光谱间隔进行锁定，实现了光谱锁定调控部分与光谱合成光路的解耦合。
进一步的，第一光栅为透射式光栅或反射式光栅。
进一步的，变换透镜为透射式或反射式的柱面透镜。
进一步的，半导体激光光源和第一光栅分别设置于变换透镜的前、后焦面上；第一光栅的中心波长和光栅常数与半导体激光阵列的中心波长、发光单元间隔和变换透镜的焦距相匹配。
进一步的，第二光栅和第三光栅同为透射式平面光栅，或者同为反射式平面光栅。
进一步的，第二光栅和第三光栅相互平行；第二光栅和第三光栅在中心波长和光栅常数上完全相同；第二光栅和第三光栅的光栅间距和光栅参数与半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔相匹配设计。
进一步的，准直透镜包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜、非球面准直透镜中的一种或多种，可对半导体激光阵列输出的光束进行准直。
进一步的，半导体激光阵列为宽发射面半导体激光器、窄脊型半导体激光器、锥形半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器中的一种。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明中采用了具有片上结构的半导体激光芯片作为光谱合成激光光源，片上结构可直接将各合成光源发光单元所出射的激光的中心波长以一定的光谱间隔进行锁定。与传统的外腔结构相比，实现了光谱锁定调控部分与光谱合成光路的解耦合，缩减了***尺寸，增加了***的可靠性及工程可行性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1、2分别是一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置结构的两个实施例。
图3是发光单元的结构图。
图4是由若干放光单元构成的半导体激光阵列的结构图。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例一
参见附图1、2，本实施例公开了一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其包括半导体激光光源和合束机构，半导体激光光源包括具备片上调控的半导体激光阵列1和准直透镜2，半导体激光阵列1由若干阵列式排布的发光单元构成，片上调控为对不同发光单元的中心波长和光谱宽度上的片上调控。
上述发光单元包括依次排布的电热可调谐光栅、种子源、模式控制区和放大区；种子源和模式控制区之间，设置有分布式布拉格反射镜；模式控制区通过宽度和长度的调整，实现对种子源激光的模式过滤，使进入放大区的激光的模式是一个单横模。
合束机构的结构为：
合束机构包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的变换透镜3和第一光栅4。第一光栅4的中心波长和光栅常数与半导体激光阵列1的中心波长、发光单元间隔和变换透镜3的焦距相匹配。半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜3上，将阵列发光单元上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到第一光栅4上发生衍射，实现共孔径合束输出；
或者，合束机构为双光栅结构：合束装置包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的第二光栅5和第三光栅6。第二光栅5和第三光栅6的位置关系、光栅间距、中心波长和光栅常数等参数与半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔等参数相匹配设计。半导体激光光源输出的激光束入射到第一光栅5上发生衍射，衍射后的光束再射入第二光栅6上发生衍射并实现共孔径合束输出。
实施例二
本实施例公开了一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其包括具备片上结构的半导体激光阵列1、准直透镜2和合束机构，半导体激光阵列由若干发光单元阵列式排布而成，片上结构所实现的片上调控为对不同发光单元的中心波长和光谱宽度上的片上调控。半导体激光阵列1和准直透镜2共同构成半导体激光光源。半导体激光光源出射的激光经合束机构进行合束。
在一个实施例中，参见附图1，合束机构包括变换透镜3和第一光栅4，变换透镜3为透视式柱面透镜或反射式柱面透镜，第一光栅4为透射式平面光栅或反射式平面光栅，第一光栅4的中心波长和光栅常数等光栅参数与半导体激光阵列1的中心波长、发光单元间隔和变换透镜3的焦距等参数相匹配设计。半导体激光光源的出光面与第一光栅4分别设置于变换透镜3的前、后焦平面上。半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜3上，将阵列上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到第一光栅4上发生衍射，实现共孔径合束输出。片上结构将各半导体发光单元出射激光束的中心波长以一定的光谱间隔进行锁定，通过变换透镜3将半导体激光阵列1上不同发光单元输出的激光束按照特定角度入射到第一光栅4上发生衍射，使每个发光单元发出的光束在远场和近场同时重合。
在另一实施例中，参见附图2，合束机构采用双光栅结构，其包括相互平行的第二光栅5和第三光栅6，第二光栅5和第三光栅6在中心波长和光栅常数等参数上完全相同，第二光栅5和第三光栅6的光栅间距、中心波长、光栅常数等参数与半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔等参数相匹配设计。第二光栅5和第三光栅6同为反射式平面光栅或同为透射式平面光栅。第二光栅5设置于半导体激光光源输出光路上，第三光栅6设置于第二光栅5的衍射光路上。半导体激光光源出射的激光束入射到第二光栅5上发生衍射，衍射后的光束再射入第三光栅6上发生衍射并实现共孔径合束输出。半导体激光光源与第一光栅5的距离无严格要求。半导体激光阵列1的片上结构实现不同激光束的中心波长锁定与偏移，偏移量与变换透镜3的焦距、第一光栅4的刻线与入射角；或者与第二光栅5与第三光栅6的间距为互相对应关系。
在一个实施例中，准直透镜2包含但不限于快轴准直透镜、慢轴准直透镜、非球面准直透镜等，可对半导体激光阵列输出的光束进行准直。半导体激光阵列1包含但不限于宽发射面半导体激光器、窄脊型半导体激光器、锥形半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器等。
实施例三
本实施例公开了一种双光栅解耦股的合束机构，其对由若干阵列式排布的发光单元组成的半导体激光光源所输出的激光进行合束。如图2所示，合束机构包括第二光栅5和第三光栅6。第二光栅5和第三光栅6均为反射式平面光栅。第二光栅5和第三光栅6平行放置。第二光栅5和第三光栅6在中心波长和光栅常数等参数上完全相同，第二光栅5和第三光栅6的光栅间距、中心波长、光栅常数等参数与半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔等参数相匹配设计。
半导体激光光源上不同发光单元输出的激光束波长不同，按照特定角度入射到第二光栅5上发生衍射，不同发光单元发出的光束在第三光栅6上完全重合，之后沿相同方向出射。最终使每个发光单元发出的光束在远场和近场同时重合，实现输出功率叠加的同时保证高的光束质量，理论上合成后的光束质量与单个发光单元相当。
第二光栅5和第三光栅6的基底材料均为熔石英，衍射效率大于95％。第二光栅5与半导体激光光源间的间距无严格要求。
实施例四
如图1所示，本实施例公开了一种由变换透镜3和第一光栅4组成的合束机构。第一光栅4位于变换透镜3的后焦面上。其对由若干阵列式排布的发光单元组成的半导体激光光源所输出的激光进行合束。变换透镜3位柱面透射式透镜，材料为熔石英，镀耐强光减反膜，剩余反射率小于0.5％。第一光栅4为透射式平面光栅，基底材料为熔石英，中心波长和光栅常数等参数与半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔、变换透镜3焦距等参数相匹配设计。该合束装置在使用时，需要将半导体激光光源设置于变换透镜3的前焦面上。
实施例五
如图3所示，本实施例公开了构成半导体激光阵列的发光单元101的结构。发光单元101阵列式排布构成半导体激光阵列，如图4所示。发光单元101包括依次排布的电热可调谐光栅101a、种子源101b、模式控制区101d和放大区101e。种子源101b和模式控制区101d之间，设置有分布式布拉格反射镜101c。模式控制区101d通过宽度和长度的调整，实现对种子源激光的模式过滤，使进入放大区101e的激光的模式是一个单横模。
在一个实施例中，种子源101b、分布式布拉格反射镜101c和模式控制区101d均为脊形结构，放大区101e为锥形结构，如图3所示。电热可调谐光栅101a由电致加热器101a-1和第二分布式布拉格反射镜101a-2构成。模式控制区101d通过优化脊形的宽度和长度，对激光的模式进行过滤。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光光源和合束机构，所述半导体激光光源包括具备片上调控的半导体激光阵列(1)和准直透镜(2)，所述半导体激光阵列(1)由若干阵列式排布的发光单元(101)构成，所述片上调控为对不同发光单元(101)的中心波长和光谱宽度上的片上调控；
所述发光单元(101)包括依次排布的电热可调谐光栅(101a)、种子源(101b)、模式控制区(101d)和放大区(101d)；所述种子源(101b)和模式控制区(101d)之间，设置有分布式布拉格反射镜(101c)；所述模式控制区(101d)通过宽度和长度的调整，实现对种子源激光的模式过滤，使进入放大区(101e)的激光的模式是一个单横模；
所述合束机构的结构为：
所述合束机构包括沿所述半导体激光光源光路方向依次设置的变换透镜(3)和第一光栅(4)所述半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜(3)上，将阵列发光单元上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到第一光栅(4)上发生衍射，实现共孔径合束输出；
或者，所述合束机构为双光栅结构：所述合束装置包括沿所述半导体激光光源光路方向依次设置的第二光栅(5)和第三光栅(6)，所述半导体激光光源输出的激光束入射到第一光栅(5)上发生衍射，衍射后的光束再射入第二光栅(6)上发生衍射并实现共孔径合束输出。
2.如权利要求1所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述第一光栅(4)为透射式光栅或反射式光栅。
3.如权利要求1所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述变换透镜(3)为透射式或反射式的柱面透镜。
4.如权利要求1～3任一所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光光源和所述第一光栅(4)分别设置于所述变换透镜(3)的前、后焦面上；所述第一光栅(4)的光栅参数与所述半导体激光阵列(1)的中心波长、发光单元间隔和所述变换透镜(3)的焦距相匹配。
5.如权利要求1所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述第二光栅(5)和第三光栅(6)同为透射式平面光栅，或者同为反射式平面光栅。
6.如权利要求5所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述第二光栅(5)和第三光栅(6)相互平行；所述第二光栅(5)和第三光栅(6)在中心波长和光栅常数上完全相同；第二光栅(5)和第三光栅(6)的光栅间距和光栅参数与所述半导体激光光源的中心波长、发光单元间隔相匹配设计。
7.如权利要求1所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述准直透镜(2)包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜、非球面准直透镜中的一种或多种，可对半导体激光阵列(1)输出的光束进行准直。
8.如权利要求1所述的基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光阵列(1)为宽发射面半导体激光器、窄脊型半导体激光器、锥形半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器中的一种。
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