专利名称：增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置，属于半导体激光技术领域，特别涉及一种提高光束质量的增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置。
背景技术：
半导体激光器具有转换效率高、使用寿命长、易于调制、体积小和重量轻等优点，小功率器件早已广泛应用在光通信和光存储等信息领域。大功率器件受光束质量限制，在工业和国防等领域主要作为泵浦源使用，作为直接光源，仅能应用在对功率密度要求不高的场合。提高大功率半导体激光器的光束质量是近年来激光技术研究的方向之一。 大功率半导体激光器的光束质量主要受限于慢轴方向(平行于外延层方向称为慢轴，垂直于外延层方向称为快轴)，对于单个发光点该方向的光束质量是快轴方向的数十倍，对于标准的厘米条该方向的光束质量是快轴方向的上千倍，致使它在诸多方面的应用受到限制。同时单个半导体激光发光单元的输出功率低，一般为几瓦至几十瓦，为了实现上千瓦功率输出，需要采用多个半导体激光单元进行合束。对于常规的激光合束方式，主要通过空间合束、偏振合束和波长合束实现。偏振合束和波长合束可以在提高输出功率的同时，不降低激光的光束质量，是实现高光束质量半导体激光输出的有效手段，但由于该合束方式受到激光本身性能和镀膜技术的限制，造成提高功率的倍数有限，一般不超过10倍，其输出功率不能满足要求。因此空间合束就成为了目前实现高功率半导体激光输出的主要方式，该方法实现原理简单，它采用多个半导体激光单元一维或二维空间叠加，直接或间接地使多个激光单元沿同一方向输出，并且要求各个单元光束尽可能地空间靠拢。空间合束的方法可以实现几千瓦甚至上万的功率输出，如德国Dilas公司采用2200个激光条组成的二维空间阵列可实现脉冲功率高达264KW的激光脉冲输出，但该方法在增加功率的同时，光斑尺寸也在不断增加，造成激光光束质量降低，不能实现高功率高光束质量的激光束输出。光谱合束技术是实现高功率高光束质量半导体激光输出的有效方法。它利用半导体激光材料的增益谱宽大的特点，通过光栅和外腔反馈的控制，使同一个芯片上的半导体激光单元可以输出不同波长的激光，然后通过光栅的色散作用，可以将这些波长的激光束空间重叠成一束光输出，输出光束的光束质量与单个激光束的光束质量相等，于是在实现高功率输出的条件下实现高光束质量激光输出。采用该方法，美国Teradiode公司已实现输出功率高达450W，光束质量仅为6mm. mrad、芯径lOOum/NAO. 12光纤输出的半导体激光产品O在光谱合束中，为了实现有效反馈，半导体激光单元的位置要求非常严格，如对于激光列阵的“smile”应低于快轴方向发光区宽度的1/2，否则不能形成有效反馈，激光单元将不能形成激射，这就对半导体激光器的封装提出了新的要求。目前商用半导体激光器单元的封装一般采用软焊料如In将激光芯片直接焊在高热导率的无氧铜热沉上，或者采用采用硬焊料如AuSn先将芯片焊在热膨胀系数与芯片相当的子模块上，然后再将子模块焊在无氧铜热沉上，无论哪一种方式，封装后的激光芯片均存在应力，造成芯片弯曲，形成所谓的smile效应。商用的半导体激光器的smile效应一般不低于lum，因此造成目前商用的半导体激光器不能适用于光谱合束中。
发明内容
为了降低激光单元位错对外腔反馈光谱合束半导体激光器的影响，本发明提出了一种在非光谱合束方向增加成像镜的方法，降低半导体激光单元的位置要求，有效提高激光腔内的反馈。—种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法，其实现原理在于，在外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向，半导体激光器输出的激光束，经过焦距为的准直镜一准直后，再通过焦距为f2的成像镜作用，直接将半导体激光器上的发光点成像到外腔反馈镜上，其入射方向正好与外腔反馈镜垂直，经过外腔反馈镜部分反射后，反射光可沿光路返回到原发光点，形成有效谐振，部分透射输出形成激光输出。
在非光谱合束方向，所述的半导体激光器位于准直镜一左侧处，成像镜位于准直镜右侧f\+f2处，反馈镜位于成像镜右侧f2处。外腔反馈半导体激光的光谱合束方向，半导体激光器上的多个发光单元输出的多束光，经过焦距为f3的准直镜二准直后，在焦距f4场镜的作用下，以不同角度入射到光栅上，并在光栅处发生空间重叠，然后由外腔反馈镜的反馈作用和光栅的色散作用，使得激光束在光谱合束方向波长单调变化，并由外腔反馈镜输出发散角和光斑尺寸与半导体激光器上单个发光单元相同的激光；所述的半导体激光器位于准直镜二左侧f3处，场镜位于准直镜二右侧&+&处，光栅位于场镜右侧&处，外腔反馈镜位于光栅的利特罗角方向，并于该方面的衍射光垂直。一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的装置，包括有半导体激光器、准直镜一、成像镜、外腔反馈镜、准直镜二、场镜、光栅，其半导体激光器的后腔面与外腔反馈镜组成谐振腔；所述的半导体激光器位于准直镜一左侧处，成像镜位于准直镜一右侧fi+f2处，外腔反馈镜位于成像镜右侧f2处；该半导体激光器由多个发光点组成，其前腔面镀反射率〈O. 5%的增透膜，其增透膜透过率>99% ;半导体激光器为同一材料制备，也可为不同材料制备；
该半导体激光器为多个发光单元(emitter)空间排列，或为激光列阵(bar)，或为多个激光列阵空间排列而成的线阵或迭阵；
其外腔反馈镜的反射率为5%-15% ；
光栅为反射或透射光栅，只存在I级或-I级衍射，其衍射效率大于90%，且具有高损伤阈值 10KW/cm2量级。本发明具有如下优点通过在非光谱合束方向引入成像镜，有效降低外腔反馈半导体激光器对半导体激光器单元的位置精度要求，可以直接引入现有成熟的封装方式对激光器进行封装，从而简化外腔反馈半导体激光器的制备工艺和装调工艺，提高外腔反馈光谱合束半导体激光器的可靠性和输出功率。
图I为本发明外腔反馈半导体激光器的光谱合束方向结构示意图。图2为本发明常规外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向结构示意图。图3为本发明产生位错的外腔反馈半导体激光器非光谱合束方向的结构示意图。图4为本发明非光谱合束方向发生位错的激光单元形成振荡的光路简图。图5为本发明外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向产生位错时形成的有效反馈示意图。附图序号含义说明1.半导体激光器、11 .轴上光束、12.位错光束、121.位错光束的上边缘光线、122.位错光束的轴上光线、123.位错光束的下边缘光线、121’.位错光束上边缘光线的反射光线，122’.位错光束轴上光线的反射光线、123’.位错光束下边缘光线的反射光线、2.准直镜一、3.成像镜、4.外腔反馈镜、5.准直镜二、6.场镜、7.光栅；其中单箭头表不光谱合成方向。
具体实施例方式外腔反馈半导体激光器的光谱合束过程如附图I所示，半导体激光器I的后腔面与外腔反馈镜4组成谐振腔，半导体激光器I由多个发光点组成，其前腔面镀增透膜，透过率>99%，输出的多个单元光束经过准直镜二 5准直后，在场镜6作用下，以不同角度入射到光栅7上，并在光栅处发生空间重叠，然后由光栅7的色散作用和外腔反馈镜4的反馈作用，使得半导体激光器I上发光单元在光谱合束方向波长呈单调变化(λ P λ2……λΝ)，并在外腔反馈镜4输出光斑尺寸和发散角均与单个发光点相同的激光，其中外腔反馈镜4的反射率为5%-15%。如附图2所示，对于常规外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向，半导体激光器I输出光束经过准直镜一 2准直后，垂直入射到外腔反馈镜4上，经过部分反射形成反馈光，部分透射形成激光输出。但是当在非光谱合束方向，半导体激光器I单元发生位错时，该激光单元12便不能形成有效反馈。如附图3所示，其中单元光束11为无位错，可以形成有效振荡；单元光束12发生位错，经过准直镜二 5准直后，偏离光轴传输，斜入射到外腔反馈镜4上，其反射光不能返回到激光单元中，不能形成振荡，造成激光功率损失。附图4为本发明非光谱合束方向发生位错的激光单元形成振荡的光路简图，如图所示，发生位错的激光单元12经过准直镜一 2后，偏离光轴传输，然后在成像镜3作用下，垂直入射到外腔反馈镜4上，激光单元12的上边缘光线经过外腔反馈镜4反射后沿下边缘反射回来形成光线121’，激光单元12的轴上光线经过外腔反馈镜4反射后沿轴向反射回来形成光线122’，激光单元12的下边缘光线经过外腔反馈镜4反射后沿上边缘反射回来形成光线123’，由于反射光束如入射光束完全重合，因此可以返回到原激光发光点12处，形成有效反馈。于是本发明可以对轴向或者发生错位的激光单元均可实现有效反馈，如附图5所示。
权利要求
1.一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法，其特征在于 a、在外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向，半导体激光器(I)输出的激光束，经过焦距为的准直镜一(2)准直后，再通过焦距为f2的成像镜(3)作用，直接将半导体激光器上的发光点成像到外腔反馈镜(4)上，其入射方向正好与外腔反馈镜(4)垂直，经过外腔反馈镜(4)部分反射后，反射光沿光路返回到原发光点，形成有效谐振，部分透射形成激光输出； 在非光谱合束方向，所述的半导体激光器(I)位于准直镜一(2)左侧A处,成像镜(3)位于准直镜(2)右侧f\+f2处，反馈镜(4)位于成像镜(3)右侧f2处； b、外腔反馈半导体激光的光谱合束方向，半导体激光器(I)上的多个发光单元输出的多束光，经过焦距为f3的准直镜二(5)准直后，在焦距&场镜(6)的作用下，以不同角度入射到光栅(7)上，并在光栅(7)处发生空间重叠，然后由光栅的色散作用和外腔反馈镜(4)的反馈作用，使得激光束在光谱合束方向波长单调变化，并由外腔反馈镜(4)输出发散角和光斑尺寸与半导体激光器(I)上单个发光单元相同的激光，将半导体激光单元输出光束的波长沿光谱合束方向呈单调变化关系，并在外腔反馈镜(4)输出光斑和发散角均与单元光束相同的激光；所述的半导体激光器(I)位于准直镜二(5)左侧&处，场镜(6)位于准直镜二(5)右侧&+&处，光栅(7)位于场镜(6)右侧&处，外腔反馈镜(4)位于光栅(7)的利特罗角方向，并于该方面的衍射光垂直。
2.一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的装置，其特征在于包括半导体激光器(I)、准直镜一(2)、成像镜(3)、外腔反馈镜(4)、准直镜二(5)、场镜(6)、光栅(7)，其半导体激光器(I)的后腔面与外腔反馈镜(4)组成谐振腔；所述的半导体激光器(I)位于准直镜一(2)左侧处，成像镜(3)位于准直镜一(2)右侧f\+f2处，反馈镜(4)位于成像镜(3)右侧f2处；该半导体激光器(I)由多个发光点组成，其前腔面镀反射率〈O. 5%的增透膜，其增透膜透过率>99% ;半导体激光器(I)为同一材料制备，也可为不同材料制备。
3.依据权利要求2所述的增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的装置，其特征在于该半导体激光器(I)为多个发光单元空间排列，或为激光列阵，或为多个激光列阵空间排列而成的线阵或迭阵。
4.依据权利要求2所述的增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的装置，其特征在于其外腔反馈镜(4)的反射率为5%-15%。
5.依据权利要求2所述的增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的装置，其特征在于光栅(7)为反射或透射光栅，只存在I级或-I级衍射，其衍射效率大于90%，且具有高损伤阈值 10KW/cm2量级。
全文摘要
本发明涉及一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置，属于半导体激光技术领域。该方法在外腔反馈光谱合束半导体激光器的非光谱合束方向，采用准直镜一和成像镜与半导体激光器和外腔反馈镜组成4f系统，将半导体激光器上的发光点直接成像并垂直入射到外腔反馈镜上，形成有效反馈。该方法降低外腔反馈光谱合束半导体激光器对半导体激光器位置精度的要求，简化其制备工艺和装调工艺，提高外腔反馈光谱合束半导体激光器的输出功率和可靠性。
文档编号H01S5/40GK102868088SQ201210361978
公开日2013年1月9日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者王峙皓, 甘露, 张淑珍 申请人:长春德信光电技术有限公司