一種用于lda的外腔鎖模波長合束裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種用于LDA(Laser?Diode?Array，半導體激光器列陣)的光束整形裝置，該裝置包括：一LDA，該LDA含有多個發光區，為外腔鎖模提供有效的增益；一整形鏡組，主要是對LDA的輸出光束進行準直、聚焦等光束整形和光路變換；一衍射光柵，該光柵同時承擔了鎖模和波長合束的功能；一輸出耦合鏡，具有一定的反射率，將部分合束后的光束原路返回進行鎖模。根據本發明的方案，可以將多個發光區的輸出光束合為一束，使LDA的輸出光束質量基本等于單個發光單元的光束質量，解決了LDA輸出亮度低的問題，從而將其應用范圍大幅度拓寬。
【專利說明】一種用于LDA的外腔鎖模波長合束裝置和方法

【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體激光器【技術領域】,尤其涉及一種用于LDA(Laser D1de Array,半導體激光器列陣)的外腔鎖模波長合束裝置和方法。

【背景技術】
[0002]半導體激光器具有體積小、重量輕、電光轉換效率高等優點，目前已經在許多領域取得廣泛的應用。半導體激光器單管的輸出功率難以做大，通常只能輸出十來瓦，為了提高其輸出功率通常將多個半導體激光器制作在一起，做成半導體激光器列陣(Laser D1deArray, LDA)。大功率LDA的輸出功率可以達到百瓦量級，但LDA的輸出光束質量差，在快軸和慢軸兩個方向的輸出光束質量極不對稱，快軸方向(垂直于PN結方向)為近衍射極限光束，但發散角很大，約為60度；慢軸方向(平行于PN結方向)的輸出光束質量很差，比半導體激光器單管降低了幾十倍，輸出亮度比單管還低，而單管本身慢軸方向的輸出光束質量就比快軸方向差好多倍(通常為十幾倍)。輸出光束質量差、不對稱、亮度低等缺點嚴重限制了 LDA的應用范圍。大功率的LDA通常需要復雜而昂貴的光束整形技術來改善其光能分布，直接應用比較困難，通常只能用來做固體激光器或光纖激光器的泵浦源。
[0003]波長合束可以在光束質量不變的情況下，使輸出功率和亮度成比例的增加，但波長合束是以犧牲光譜亮度為代價的，常規的半導體激光器單管光譜比較寬(約為3nm)，且中心波長會隨工作電流、工作溫度等的變化而變化，所以只能將有限的幾個不同輸出波長單管進行合束，對輸出功率和亮度的提升有限。外腔鎖模技術可以將半導體激光器的輸出波長鎖定在很窄的范圍內(通常小于Inm)，且輸出波長穩定，實現外腔鎖模主要有兩種方法，一種是采用體布拉格光柵進行外腔鎖模，體布拉格光柵體積小，價格昂貴，且每種光柵只能鎖定一個波長；一種是采用衍射光柵進行外腔鎖模，衍射光柵成本低，且其鎖定波長由衍射光柵性能和入射角共同決定，同一種衍射光柵入射角不同鎖定波長也不同。外腔鎖模與波長合束相結合可以實現高功率高亮度的半導體激光輸出。目前有報道采用體光柵外腔鎖模，結合空間合束、波長合束，可以得到幾百W的功率輸出，但造價非常昂貴，應用困難。
[0004]所以結合LDA和衍射光柵的優點，研制大功率、高光束質量、低成本的半導體激光光源具有重要的意義。


【發明內容】

[0005](一 )要解決的技術問題
[0006]為了克服現有技術存在的缺陷，本發明提出了一種LDA的外腔鎖模波長合束裝置和方法，主要解決LDA慢軸方向輸出光束質量差、亮度低的問題。
[0007]( 二 )技術方案
[0008]為達到上述目的，本發明提供了一種利用衍射光柵選頻特性和色散特性，對LDA的輸出光束進行外腔鎖模和波長合束的技術，使其輸出光束質量基本等于單發光區的光束質量，但輸出功率按發光區的個數成比例的增加。
[0009](三)有益效果
[0010]本發明提供的這種本發明提供了一種LDA外腔鎖模波長合束技術，該方案能夠解決現有激光器尤其是半導體激光器列陣輸出亮度低的問題，可以擴大激光器的應用范圍，如將半導體激光器直接應用于激光加工、激光武器等領域，這不僅推動了激光領域的發展，同時也推進了相關行業的發展。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是LD單管的輸出光束示意圖；
[0012]圖2是LDA列陣的輸出光束示意圖；
[0013]圖3是透射式衍射光柵示意圖；
[0014]圖4是反射式衍射光柵示意圖；
[0015]圖5是LDA外腔鎖模整形技術的示意圖。

【具體實施方式】
[0016]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0017]本發明提出的用于LDA的外腔鎖模波長合束裝置和方法，利用衍射光柵選頻特性和色散特性，對LDA的輸出光束進行外腔鎖模和波長合束，使其輸出光束質量基本等于單發光區的光束質量，但輸出功率按發光區的個數成比例的增加。
[0018]根據本發明的用于LDA的外腔鎖模波長合束裝置主要包括LDA光源、整形鏡組和衍射光柵三大部分。
[0019]LDA光源包含多個發光區，為激光器振蕩提供足夠的增益，保證大功率的激光輸出。LDA光源的后腔面鍍有高反膜，同時作為諧振腔的后腔面。圖1為LD單管的輸出光束示意圖，垂直于PN結方向為快軸方向，平行于PN結方向為慢軸方向。快軸方向發散角大，但因為發光區很小(約為I微米)輸出光束為近衍射極限光束。慢軸方向發光區大(通常為幾十到幾百微米)，輸出光束質量差。
[0020]LDA是由多個LD單管在慢軸方向周期性排列組成的，其輸出光束如圖2所示，快軸方向的輸出光束質量與LD單管相同,都是衍射極限輸出光束,而慢軸方向雖然發散角與LD單管相同，但由于輸出光斑尺寸比LD單管大很多倍,其輸出光束質量也差很多倍(輸出光束質量與光參數積成正比，光參數積是光斑半徑和發散半角的乘積，所以在發散角相同的情況下，輸出光斑尺寸越大，光束質量越差)。LDA慢軸方向輸出光束質量差嚴重限制了其應用范圍，所以對LDA的輸出光束進行整形提高其慢軸方向光束質量具有重要意義。
[0021]整形鏡組主要包括快軸準直透鏡、慢軸準直透鏡等，快軸準直透鏡主要是對快軸方向的輸出光束進行發散角的壓縮，得到近平行光束，同時也保證經過慢軸準直透鏡、衍射光柵和輸出耦合鏡等后原路返回的輸出光束在快軸方向能高效的回到LDA內；慢軸方向準直透鏡的主要功能是對慢軸方向的輸出光束進行準直，同時將不同發光區的輸出光束以不同的角度入射到衍射光柵，其焦距、直徑等參數可以根據光源、衍射光柵和輸出耦合器的特性進行設計。
[0022]衍射光柵也稱為面光柵，是一種由密集、等間距平行刻線構成的光學器件，分為透射式和反射式兩種，如圖3和圖4所示。無論是透射式還是反射式衍射光柵都能通過光柵上的周期結構將不同波長的光分開，不同波長的光對應的衍射角不同，反之，不同角度的入射光對應的衍射波長不同，不同衍射波長的輸出光束同時入射到輸出耦合鏡。透鏡焦距越大，LDA不同發光區的輸出光束入射到衍射光柵的角度差越小，衍射光柵的周期越小，相鄰發光區的鎖定波長差越小，LDA的寬度越小，鎖模合束后的輸出光譜越窄，但透鏡的焦距越大，系統的體積會越大，透鏡的加工精度和裝調精度都越大，衍射光柵的周期越小，制作難度越高、成本越高，且標準衍射光柵只有300線、600線、1200線和1800線等有限的幾種(衍射光柵周期為線數分之一)，而LDA的寬度越小，輸出功率越低，限制了其應用范圍。相反透鏡焦距越小、衍射光柵周期越大、LDA的寬度越大,鎖模合束后的輸出光譜越寬,而LDA的發射譜寬通常只有幾十nm，所以透鏡的設計需要綜合考慮應用需求、成本等因素。
[0023]輸出耦合器具有部分反射部分透射的性能，它將一部分入射進來的衍射光束反射，這部分衍射光沿入射方向原路返回LDA的發光區，從而與LDA的后腔面形成諧振腔。因為不同發光區入射到衍射光柵的角度不同，對應的衍射波長不同，對應諧振腔的鎖定波長也就不同，反向運用衍射光柵的色散特性(當白光入射到衍射光柵上時，不同波長的光具有不同的衍射角)，以不同衍射角入射的不同波長的光束將合為一束，衍射光柵同時起選頻和波長合束的作用，合束后的光束輸出光束質量基本等于單個發光區的輸出光束質量，但功率基本等于LDA的輸出功率(如果不考慮損耗的話)。
[0024]下面以含有三個發光區的LDA光源和反射式衍射光柵為例(如圖3所示)進行說明。
[0025]根據光柵方程:
[0026]dsin Θ = λ *k(I)
[0027]其中，d是光柵常數，Θ是衍射角，λ是光波波長，k是光譜級數。
[0028]當光柵常數d和入射角一定時，除光譜級數是零級外，在確定的光譜級中，波長越長的光柵衍射角越大，這樣不同波長的同一級主最大，從零級開始向左右兩側，按波長次序由短波長向長波長散開。而由于總的刻線數目很大，所以主最大對應的角度很小，在光柵后面的透鏡焦平面上就形成了明銳的細線一譜線。
[0029]在本發明所舉的例子中，LDA所包含的3個發光區在慢軸方向以一定的間隔周期排列，其輸出光束經整形鏡組后以一定的角度差(通常為mrad量級)入射到衍射光柵，并通過衍射光柵進行選模。
[0030]每個發光區鎖定光譜的寬度和相鄰兩個發光區之間的光譜差由發光區的條寬、發光區的周期和整形鏡組慢軸方向的焦距決定。透鏡焦距越長，發光區條寬越窄，對應的鎖定光譜越窄。通常發光區的周期L比發光區的條寬I要大的多，不同發光區之間對應的中心波長差通常比單個發光區的光譜寬度大，所以LDA的輸出光束經光柵鎖模后，會形成一系列的窄光譜。
[0031]以輸出波長808nm的100W LDA為例，其發光區條寬為200微米，周期為400微米，設衍射光柵為1200線(周期d = 1/1200)，慢軸方向透鏡焦距為200mm，利用衍射光柵的一級衍射光進行鎖模，根據公式(I)得到每個發光區對應的光譜Λ λ = 0.2nm，光譜間隔為
0.4nm。
[0032]反向運用衍射光柵的色散特性(一束白光入射到衍射光柵，出射光束按波長進行色散，即不同波長的光對應的出射角度不同)，不同方向不同波長的鎖定光束，經衍射光柵后合為一束進行輸出。因為每個發光區之間是通過波長不同進行合束的，LDA的輸出光束質量和單發光區相同，在輸出功率基本保持不變的情況下，其亮度提高了幾十倍甚至上百倍。這樣的激光器不僅可以提高泵浦效率，更可以直接應用于工業加工等領域，結合半導體激光器體積小、重量輕、電光轉換效率高等優點，有望取代或部分取代固體激光器或光纖激光器。
[0033]該方案也可以應用于其它類型的激光器，如min1-bar，T_bar等，都可以在原有輸出功率變化不大的基礎上將其亮度大幅度提高。
【權利要求】
1.一種LDA光束整形裝置，包括: 一含有多個發光區的LDA光源，其作用是為激光振蕩提供多個增益區以實現大功率輸出； 一整形鏡組，其作用是使不同發光區的輸出光束以不同的角度入射到衍射光柵上；一衍射光柵，其作用是一方面利用其衍射特性進行選模，不同發光區的輸出光束入射角不同，鎖定波長也不同，另一方面利用其色散特性將所有的鎖模光束合為一束輸出；一輸出耦合鏡，將部分合束后的光束原路返回進行鎖模。
2.根據權利要求1所述的LDA光束整形裝置，其特征在于，所述含有多個發光區的LDA光源，可以是連續半導體激光光源或準連續半導體激光光源。
3.根據權利要求1所述的LDA光束整形裝置，其特征在于，所述整形鏡組包含準直透鏡、聚焦透鏡。
4.根據權利要求1所述的LDA光束整形裝置，其特征在于，所述衍射光柵同時具有選頻和波長合束的作用。
5.根據權利要求1所述的LDA光束整形裝置，其特征在于，所述衍射光柵是反射式衍射光柵。
6.一種LDA光束整形方法，包括: 利用含有多個發光區的LDA光源，為激光振蕩提供多個增益區以實現大功率輸出； 不同發光區的輸出光束通過整形鏡組，以不同的角度入射到衍射光柵上； 利用衍射光柵的衍射特性進行選模，不同發光區的輸出光束入射角不同，鎖定波長也不同，同時衍射光柵的的色散特性將所有的鎖模光束合為一束輸出； 利用輸出耦合鏡將部分合束后的光束原路返回進行鎖模。
7.根據權利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述含有多個發光區的LDA光源，可以是連續半導體激光光源或準連續半導體激光光源。
8.根據權利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述整形鏡組包含準直透鏡、聚焦透鏡。
9.根據權利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述衍射光柵同時具有選頻和波長合束的作用。
10.根據權利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述衍射光柵是反射式衍射光柵。
【文檔編號】H01S5/065GK104134930SQ201410363990
【公開日】2014年11月5日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】趙懿昊, 王翠鸞, 劉素平, 馬驍宇 申請人:中國科學院半導體研究所