專利名稱：利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種采用單個光柵，通過外腔反饋，實現(xiàn)多個半導(dǎo)體激光器單元合束成兩束光，再結(jié)合偏振合束實現(xiàn)超高亮度、高功率單激光束輸出的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置及方法。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體激光器具有轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長、體積小和重量輕等優(yōu)點(diǎn)，作為直接光源，小功率器件早已在通信、印刷、條形碼掃描和光存儲等信息領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)廣泛應(yīng)用，大功率器件受光束質(zhì)量和亮度條件的限制，以及到達(dá)目標(biāo)處的功率密度低，目前僅應(yīng)用在一些低要求場合，如塑料焊接、激光釬焊等。對于如金屬焊接、激光切割等要求較高的領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用尚有一定難度，改善半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，提高輸出激光束的亮度，對大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展和應(yīng)用具有重要意義。半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量采用光參量積(BPP)來評價，定義為光束束腰半徑W。與遠(yuǎn)場發(fā)散半角Θ/2的乘積，光參量積越小，光束質(zhì)量越好。BPP= W0* Θ /2
由于半導(dǎo)體激光器的結(jié)構(gòu)原因，平行于外延層方向的快軸方向光參量積(BPPf)小，接近衍射極限，光束質(zhì)量非常好，垂直于外延層方向的慢軸方向光參量積為快軸方向(BPPs)的上千倍，光束質(zhì)量差，不利于半導(dǎo)體激光器的實際應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器的亮度(B)采用單位面積單位立體角內(nèi)的輸出功率進(jìn)行評價
B=P/ ( π 2祁PPf^BPPs)
常規(guī)的幾何光學(xué)方法，通過光束切割、重排的方式，將慢軸方向的BPP值減小，快軸方向的BPP值增加，實現(xiàn)兩個方向BPP值相等，使對角線BPP值最小。但其兩方向的BPP值乘積并沒有減小，因此半導(dǎo)體激光器的亮度實質(zhì)上并沒有提高。采用偏振合束和波長合束可以一定程度上提高半導(dǎo)體激光器輸出激光亮度，但由于偏振合束只能提高2倍，而波長合束可耦合的波長數(shù)受到鍍膜限制，合束數(shù)量一般不超過5個，因此可提高亮度的倍數(shù)不超過10倍。通過外腔反饋實現(xiàn)光譜合束，可以有效提高半導(dǎo)體激光器的亮度，它在不增大快軸方向的BPP值條件下，降低慢軸方向BPP值，該方法在美國專利US7065107B2，US6192062B1, US6208679和公告號為CN102208753A、名稱為“多波長聯(lián)合外腔半導(dǎo)體激光器”的國內(nèi)專利均有記載，但這些光譜合束方法均針對單個激光列陣或陣列，或者光柵與單個半導(dǎo)體激光器模塊對應(yīng)，造價昂貴的光柵利用率低，或者組成激光模塊的半導(dǎo)體激光器均為同一種材料類型，可耦合的激光單元光束數(shù)量被限制，當(dāng)在功率要求和光束質(zhì)量要求高的場合，不能滿足使用要求。另外，采用多個半導(dǎo)體激光器陣列光譜合束，對應(yīng)需采用多個光柵，使得整個系統(tǒng)的成本高，多個互不相干的光路也使得系統(tǒng)集成度低。上述存在的問題需要加以進(jìn)一步改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)超高亮度、高功率半導(dǎo)體激光輸出，本發(fā)明提供一種利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置及方法，解決現(xiàn)有光譜合束方法均針對單個激光列陣或陣列，或者光柵與單個半導(dǎo)體激光器模塊對應(yīng)，造價昂貴的光柵利用率低；或者組成激光模塊的半導(dǎo)體激光器均為同一種材料類型，可耦合的激光單元光束數(shù)量被限制，不能滿足使用要求；以及采用多個半導(dǎo)體激光器陣列光譜合束，對應(yīng)需采用多個光柵，使得整個系統(tǒng)的成本高，多個互不相干的光路也使得系統(tǒng)集成度低的問題。本發(fā)明具體提出了一種采用單個光柵，通過外腔反饋，實現(xiàn)多個半導(dǎo)體激光器合束成兩束光，再結(jié)合偏振合束實現(xiàn)超高亮度、高功率單激光束輸出的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置及方法，該方法所涉及的裝置包括半導(dǎo)體激光器模塊，場鏡，光柵，外腔反窺鏡，半波片，反射鏡組，偏振分光棱鏡，其半導(dǎo)體激光器模塊與外腔反窺鏡分別組成兩個激光振蕩腔，其中
半導(dǎo)體激光器模塊由半導(dǎo)體激光器、快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡組成； 單兀光束入射到光柵的振動方向與光柵要求的偏振方向相匹配；
半導(dǎo)體激光器模塊、場鏡和光柵的位置關(guān)系滿足半導(dǎo)體激光器模塊和光柵分別位于場鏡的前后焦平面處；
組成半導(dǎo)體激光器模塊其中的半導(dǎo)體激光器為多個激光單管(emitter)組合，或為激光列陣(bar)，或由激光列陣組成的激光線陣或迭陣，或者是多個激光線陣或迭陣的組合；組成半導(dǎo)體激光器模塊，其中的半導(dǎo)體激光器輸出激光一端的腔面膜反射率〈O. 5%，另一端的腔面膜反射率>95%，該半導(dǎo)體激光器輸出激光束的偏振度>95% ；
半導(dǎo)體激光器的材料增益波長覆蓋半導(dǎo)體激光器所有能激射波長，包括從紫外到紅夕卜，其排列方式沿著光譜合束方向單調(diào)變化；半導(dǎo)體激光器為多個激光單元組合時，激光單元材料相互之間相同或不同。 光柵為透射或反射式，只存在I級衍射或只存在-I級衍射，衍射效率>90%，并具有高損傷閾值，達(dá)到lOKW/cm2量級；
外腔反窺鏡為部分反射鏡，反射率為5%-15%，并與光柵產(chǎn)生的衍射光的傳輸方向垂
直；
半波片和偏振分光棱鏡為寬波帶元件，其使用光譜范圍大于外腔反饋鏡輸出激光束的光譜寬度，并具有高損傷閾值，要求激光連續(xù)工作模式下，大于lOKW/cm2。一種利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的方法采用單個光柵，通過外腔反饋，實現(xiàn)多個半導(dǎo)體激光器合束成兩束光，再結(jié)合偏振合束實現(xiàn)超高亮度、高功率單激光束輸出的半導(dǎo)體激光合束，具體為
a、兩個完全相同半導(dǎo)體激光器模塊對稱放置在光柵法線OP兩側(cè)，設(shè)每個激光器模塊分別輸出3束線偏振單元光束，經(jīng)過場鏡作用后，單元光束以單調(diào)變化的角度入射到光柵上，并在光柵重合；
b、由光柵的角色散和外腔反窺鏡的反饋?zhàn)饔?，使得起振的單元激光束的波長λi，λ2，λ 3各不相同，且沿光譜合束方向單調(diào)變化，于是從外腔反窺鏡輸出兩束光束質(zhì)量和單元光束相同、光譜一致、功率提高3倍的線偏振激光束，其中一束光經(jīng)過半波片作用后振動方向翻轉(zhuǎn)90°，與經(jīng)過反射鏡組作用的光束通過偏振分光棱鏡實現(xiàn)偏振合束；C、該方法可擴(kuò)展為在光譜合束方向采用更多半導(dǎo)體激光器模塊，這些半導(dǎo)體激光器模塊在光譜合束方向上以材料增益波長單調(diào)變化的方式排列，通過合束更多的單元光束，實現(xiàn)更高亮度的激光輸出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于本發(fā)明易于實現(xiàn)超高亮度、高功率激光輸出，所使用的激光單元只要能夠激射不同的波長，理論上均可以在該腔體中實現(xiàn)合束；本發(fā)明輸出激光束的光束質(zhì)量與單元激光束保持一致，而功率為單元激光束的總和，因此其亮度可以實現(xiàn)大大地提高；本發(fā)明集成化程度高，由于所有光路均通過單個光柵合束成兩束光，單元光路之間有效疊加，在單元光路不變條件下，可減小整個器件尺寸；本發(fā)明使用的光柵數(shù)量少。


圖I為本發(fā)明利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的示意圖。圖2為本發(fā)明的擴(kuò)展示意圖。圖3為本發(fā)明半導(dǎo)體激光器模塊結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明合束過程可擴(kuò)展為多個半導(dǎo)體激光器模塊進(jìn)行合束示意圖。附圖序號含義1、1’、NI，NN,NI’，NN’ .半導(dǎo)體激光器模塊；11、12、13、11’、12’、13’.半導(dǎo)體激光器模塊輸出的單元光束；14.半導(dǎo)體激光器；15.快軸準(zhǔn)直鏡；16.慢軸準(zhǔn)直鏡；2，2，，21，2N，21，，2N，·場鏡；3.光柵;4、4，·外腔反窺鏡；5.半波片，61、62.反射鏡，
7.偏振分光棱鏡，8、8’、8Ν、8Ν’ .偏振激光束，9、9Ν.偏振合束輸出光束，圖中在半導(dǎo)體激光器模塊I、I’、NI，ΝΝ，NI’，ΝΝ’處的單箭頭表示光譜合束方向。
具體實施例方式如附圖I至附圖4所示，本發(fā)明利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，由半導(dǎo)體激光器模塊1，I’與外腔反窺鏡4，4’分別組成兩個激光振蕩腔，通過同一個衍射光柵3實現(xiàn)合束，獲得功率提高數(shù)倍、光束質(zhì)量與單元光束的光束質(zhì)量相等的兩束線偏振激光束8、8’輸出，然后通過偏振合束實現(xiàn)單光束輸出，最終實現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量偏振合束輸出光束9輸出。利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的過程以兩個半導(dǎo)體激光器模塊實現(xiàn)合束進(jìn)行說明兩個完全相同半導(dǎo)體激光器模塊1，I’對稱放置在光柵3法線OP兩側(cè)，設(shè)每個半導(dǎo)體激光器模塊I、I’分別輸出3束線偏振單元光束11，12，13和11’，12’，13’，經(jīng)過場鏡2,2，作用后，單元光束以單調(diào)變化的角度入射到光柵3上，并在光柵3重合，由光柵3的角色散和外腔反窺鏡4，4’的反饋?zhàn)饔?，使得起振的單元激光?1，12，13和11’，12’，13’的波長X1, λ2，λ 3各不相同，且沿光譜合束方向單調(diào)變化。于是從外腔反窺鏡4，4’輸出兩束光束質(zhì)量和單元光束相同、光譜一致、功率提高3倍的線偏振激光束8和8’，然后其中一束光束8經(jīng)過半波片5作用后振動方向翻轉(zhuǎn)90°，與經(jīng)過反射鏡組61，62作用的光束8’通過偏振分光棱鏡7實現(xiàn)偏振合束，最終輸出光束質(zhì)量和單元光束相同，功率提高6倍的偏振合束輸出光束9。設(shè)光柵周期為Λ，光柵衍射級次為I級，單元激光束11，12，13在光柵上的入射角分別為θ2，θ3 ( θ^θ'θ 3)，經(jīng)過光柵色散和外腔反窺鏡的反饋?zhàn)饔?，實現(xiàn)振蕩的激光束具有相同的衍射角為Θ，則單元光束的輸出波長波長分別為λ2，λ3滿足下列關(guān)系:
Λ * (sin Θ j+sin θ ) = λ i ;
Λ * (sin θ 2+sin θ ) = λ 2 ;
Λ * (sin θ 3+sin θ ) = λ 3 ;
則激光單元的激射波長A1, λ 2，λ 3也單調(diào)變化λ Z λ 2〈 λ 3。以中心波長為980nm、包含19個發(fā)光點(diǎn)的半導(dǎo)體激光列陣為例，光譜合束方向為激光列陣的慢軸方向，經(jīng)過外腔反饋鏡輸出光束的光譜分布如圖2所示，沿激光列陣慢軸方向單元激射波長單調(diào)遞增。采用2個相同的激光列陣經(jīng)過上述合束，輸出功率可提高近38倍，而光束質(zhì)量僅為單個發(fā)光點(diǎn)的光束質(zhì)量，則其亮度也提高近38倍。半導(dǎo)體激光器模塊I由半導(dǎo)體激光器14、快軸準(zhǔn)直鏡15和慢軸準(zhǔn)直鏡16組成，如附圖3所示，其中半導(dǎo) 體激光器的14的增益波長包括從紫外到紅外所有能激射波長，激光輸出方向的腔面鍍增透膜，其反射率〈O. 5%，另一個腔面鍍高反膜，其反射率>95%。半導(dǎo)體激光器模塊1，I’、場鏡2,2，和光柵3的位置關(guān)系滿足半導(dǎo)體激光器模塊1，1’和光柵3分別位于場鏡2，2’的前后焦平面處。上述合束過程可擴(kuò)展為多個半導(dǎo)體激光器模塊進(jìn)行合束，如附圖4所示，在光柵法線兩側(cè)對稱放置多個半導(dǎo)體激光器模塊NI、NN、NI’、NN’和與之對應(yīng)的場鏡21、2N、21’、2Ν’，其中半導(dǎo)體激光器模塊排列方式根據(jù)其材料增益波長沿光譜合束方向單調(diào)變化排列，半導(dǎo)體激光器模塊輸出的光束經(jīng)過場鏡作用后在光柵3上重合，再由外腔反窺鏡4、4’的反饋?zhàn)饔茫挥心軌蜓毓饴贩祷氐桨雽?dǎo)體激光器模塊的光束才能形成反饋，結(jié)合光柵的色散特性，則使得半導(dǎo)體激光器模塊輸出波長沿光譜合束方向單調(diào)變化。在外腔反窺鏡4、4’輸出的兩束偏振激光束8Ν、8Ν’經(jīng)過偏振合束后，形成單光束9Ν輸出，輸出光譜為單元激光束波長的疊加A1, λ 2……Am+ λΜ。若采用2組各5個半導(dǎo)體激光列陣，每個激光列陣由19個發(fā)光點(diǎn)組成，則輸出的亮度可提高近190倍。
權(quán)利要求
1.一種利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于包括半導(dǎo)體激光器模塊場鏡(2，2’)，光柵(3)，外腔反窺鏡(4，4’)，半波片(5)，反射鏡組(61，62),偏振分光棱鏡(7),其半導(dǎo)體激光器模塊(I, I’ )與外腔反窺鏡(4,4’ )分別組成兩個激光振蕩腔，其中 半導(dǎo)體激光器模塊(1，I’)由半導(dǎo)體激光器(14)、快軸準(zhǔn)直鏡(15)和慢軸準(zhǔn)直鏡(16)組成； 單元光束入射到光柵(3)的振動方向與光柵(3)要求的偏振方向相匹配； 半導(dǎo)體激光器模塊(1，1’)、場鏡(2，2’)和光柵(3)的位置關(guān)系滿足半導(dǎo)體激光器模塊(I，I’)和光柵(3)分別位于場鏡(2，2’)的前后焦平面處。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器(14)為多個激光單管組合，或為激光列陣，或由激光列陣組成的激光線陣或迭陣，或者是多個激光線陣或迭陣的組合。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器(14)輸出激光一端的腔面膜反射率〈O. 5%,另一端的腔面膜反射率>95% ;該半導(dǎo)體激光器(14)輸出激光束的偏振度>95%。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于半導(dǎo)體激光器(14)的材料增益波長覆蓋半導(dǎo)體激光器所有能激射波長，包括從紫外到紅外，其排列方式沿著光譜合束方向單調(diào)變化；半導(dǎo)體激光器(14)為多個激光單元組合時，激光單元材料相互之間相同或不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于光柵(3)為透射或反射式，只存在I級衍射或只存在-I級衍射，衍射效率>90%，并具有高損傷閾值，達(dá)到10KW/cm2量級。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述帶動利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于外腔反窺鏡(4,4’)為部分反射鏡,反射率為5% 15%，并與光柵(3)產(chǎn)生的衍射光的傳輸方向垂直。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置，其特征在于半波片(5)和偏振分光棱鏡(7)為寬波帶元件，其使用光譜范圍大于外腔反饋鏡(4，.4’ )輸出偏振激光束(8，8 ’)的光譜寬度，并具有高損傷閾值，要求激光連續(xù)工作模式下，大于 10KW/cm2。一種利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的方法，其特征在于 采用單個光柵，通過外腔反饋，實現(xiàn)多個半導(dǎo)體激光器合束成兩束光，再結(jié)合偏振合束實現(xiàn)超高亮度、高功率單激光束輸出的半導(dǎo)體激光合束，具體為 a、兩個完全相同半導(dǎo)體激光器模塊(I，I’)對稱放置在光柵(3)法線OP兩側(cè)，設(shè)每個激光器模塊(I，I’)分別輸出3束線偏振單元光束(11，12，13和11’，12’，13’)，經(jīng)過場鏡(2，.2’)作用后，單元光束以單調(diào)變化的角度入射到光柵(3)上，并在光柵(3)重合； b、由光柵(3)的角色散和外腔反窺鏡(4，4’)的反饋?zhàn)饔?，使得起振的單元激光?11，.12，13和11’，12’，13’)的波長ApA2, λ 3各不相同，且沿光譜合束方向單調(diào)變化，于是從外腔反窺鏡(4，4’ )輸出兩束光束質(zhì)量和單元光束相同、光譜一致、功率提高3倍的線偏振激光束(8和8 ’)，其中一束光(8 )經(jīng)過半波片(5 )作用后振動方向翻轉(zhuǎn)90 °，與經(jīng)過反射鏡組(61,62)作用的偏振合束輸出光束(9’)通過偏振分光棱鏡(7)實現(xiàn)偏振合束； C、該方法可擴(kuò)展為在光譜合束方向采用更多半導(dǎo)體激光器模塊，這些半導(dǎo)體激光器模塊在光譜合束方向上以材料增益波長單調(diào)變化的方式排列，通過合束更多的單元光束，實現(xiàn)更高亮度的激光輸出。
全文摘要
本發(fā)明有關(guān)利用單光柵外腔反饋實現(xiàn)多半導(dǎo)體激光合束的裝置及方法，屬于半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器模塊與外腔反窺鏡分別組成兩個激光振蕩腔，經(jīng)由共同的光柵角色散作用和外腔反窺鏡的反饋?zhàn)饔?，從外腔反窺鏡輸出兩束光束質(zhì)量與單元光束相同、功率提高數(shù)倍的線偏振激光束，再經(jīng)由偏振合束鏡，實現(xiàn)高功率、高光束質(zhì)量的單激光束輸出。本發(fā)明可實現(xiàn)全半導(dǎo)體激光波段范圍內(nèi)的合束，合束波長間隔窄，具有輸出激光功率高、光束質(zhì)量好的優(yōu)點(diǎn)，同時采用一個光柵實現(xiàn)多光束光譜合束，集成度高。
文檔編號H01S5/40GK102868089SQ201210361979
公開日2013年1月9日 申請日期2012年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月26日
發(fā)明者王峙皓, 甘露, 張淑珍 申請人:長春德信光電技術(shù)有限公司