一种外腔半导体激光阵列相干合束方法和装置与流程

本发明属于半导体激光阵列相干合束技术领域，更具体地，涉及一种外腔半导体激光阵列相干合束方法和装置。

背景技术：

半导体激光由于电光效率高，结构紧凑，生产成本低，使用寿命长的特点，其从诞生之日起一直是激光研究的前沿热点。目前限制高功率半导体激光广泛应用的最大问题在于，高功率半导体激光的光束质量较差。由于光束质量的限制，高功率半导体激光很少能够应用到如激光打孔、焊接、切割等对光束质量要求较高的场合。

目前使用的提高高功率半导体激光亮度的最主要方法是光谱合束技术。近年来光谱合束技术在半导体激光束合束中得到了极大的发展，该方法的使得半导体激光阵列的亮度提高已经有了很大的提高，然而，半导体激光再向更高功率推进过程中，受到半导体增益带宽的限制，使得人们不能实现更大量的半导体激光合束。例如，目前广泛应用的布拉格体光栅控制的单个半导体激光线宽约为数百pm，半导体激光的增益约为几十nm，所有，能够实现合束的半导体激光的数目不超过100个，而且，每个发光单元的工作波长都需要严格稳定，由于半导体增益带宽有限和频率稳定性要求的限制，使得基于单bar半导体激光的光谱合束技术目前发展相对缓慢。另外，光谱合束技术通常需要较为复杂的镀膜技术为基础，实现难度也较大。尽管早在2012年美国teradiode公司报道了基于波谱合束技术的高亮度2000w直接半导体激光。然而，截止目前千瓦级的高光束质量半导体激光发展仍然不成熟，市场上没有得到广泛应用。关于解决有限增益带宽问题的方法也未见报道。

除了波谱合束技术以外，半导体激光相干合束技术也具有较大的提高半导体激光阵列整体亮度的能力和空间。被动相干合束主要是通过构建talbot外腔结构，使得在在腔内能够构建一个周期结构的场分布，每个周期单独工作在一个放光单元周期内，而整体上又是一个具有确定相位关系的相干场分布。该项技术对于半导体激光功率和亮度而言最为严重限制在于:①talbot场的相位锁定能力有限，当工作电流较高的时候，增益较大，单个发光单元内部存在自发辐射放大作用，自发辐射放大进而会导致发光单元内部的寄生振荡的产生，非相干的寄生振荡会抑制相干振荡，从而使合束效率下降；②半导体激光的随机相位及强度波动会导致稳定自再现的talbot像恶化。利用talbot像来实现相干合束就需要精确控制激光器阵列中每个发光单元的相位波动幅度，精度要求较高，实现难度较大。长期以来问题①和②都不能得到有效的解决。如图1(a)所示是基于talbot腔的半导体相干合束的基本原理示意图，图1(b)、图1(c)和图1(d)所示国内外主要研究单位关于相干合束技术的报道结果。从中可以看到当半导体工作电流较大的时候，相干光束远场的峰都是建立在一个不相干的光场的基础上的。这些不相干的光场来源于放光单元内部的寄生振荡，这些寄生振荡会导致输出激光的相干性下降。一直以来该问题都是影响半导体相干合束技术发展的最大限制。图1(b)、图1(c)和图1(d)中产生寄生振荡的部分原因是在于它们所依赖的talbot成像原理不再成立(talbot外腔需要依赖无穷周期展宽的结构，但是，在半导体激光器bar条中，该条件不在成立)，该型外腔能够提供的单元间的耦合有限，而且，随激光功率相位波动，耦合作用会明显减弱，所以，图1(b)、图1(c)和图1(d)中所示的输出光束质量在工作电流提升的时候会严重恶化。截止目前能够彻底解决寄生振荡问题的方法依旧没有找到。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种外腔半导体激光阵列相干合束方法和装置，其目的在于利用衍射光学元件等控制半导体外腔内的自再现模式为厄米高斯模式，实现半导体外腔内相位锁定，从而实现高功率条件下相位锁定相干模式输出。

为实现上述目的，本发明提供了一种外腔半导体激光阵列相干合束方法，所述方法具体为：在半导体外腔内产生一个高阶的厄米高斯模式，所述高阶厄米高斯模式被用于相干合束。

进一步地，若半导体bar条的发光单元数目为n，则产生的高阶厄米高斯光束的阶数为n-1，一个所述厄米高斯模式的瓣工作于半导体bar条上的一个发光单元内部。

进一步地，所述半导体外腔为环形腔结构，利用环形腔结构使高阶的厄米高斯模式在半导体外腔内单向传输。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种外腔半导体激光阵列相干合束装置，所述装置包括半导体bar条、第一透射型衍射光学元件和输出镜；

所述半导体bar条的一个端面镀增反膜，用于提供激光反馈；另一个端面镀增透膜，用于限制半导体bar条两个端面间的激光振荡；

所述透射型衍射光学元件，用于控制外腔内模式，使得与半导体bar条结构相匹配的高阶厄米高斯光束成为输出激光的主模，从而实现相干合束；

所述输出镜用于提供激光耦合输出。

进一步地，所述装置还包括一个第二透射型衍射光学元件和一个全反镜；

所述第二透射型衍射光学元件和半导体bar条的另一端面之间构成激光谐振腔，全反镜位于第二透射型衍射光学元件的外端；

所述半导体bar条的两个端面均镀有增透膜，用于降低bar条两个端面间的寄生振荡；

所述全反镜用于提供激光反馈。

进一步地，所述装置还包括反射型衍射光学元件；

所述反射型衍射光学元件和半导体bar条的另一端面之间构成激光谐振腔；

所述半导体bar条的两个端面均镀有增透膜，用于降低bar条两个端面间的寄生振荡；

所述反射型衍射光学元件，用于控制外腔内模式，使得与半导体bar条结构相匹配的高阶厄米高斯光束成为输出激光的主模，从而实现相干合束；同时提供激光反馈。

进一步地，所述装置还包括多个反射镜和一个光隔离器；

所述半导体bar条的两个端面均镀有增透膜，用于降低bar条两个端面间的寄生振荡；

所述多个反射镜用于构成环形激光谐振腔；

所述光隔离器用于使得激光谐振腔内部只有单向传输的行波。

进一步地，所述装置还包括一个光栅；

所述多个反射镜和一个光栅用于构成环形激光谐振腔；

所述光栅用于选择特定的激光波长作为谐振腔内的谐振波长。

进一步地，所述半导体bar条的端面方向与外腔的光轴方向之间的夹角为布鲁斯特角。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：

(1)本发明是产生一种腔内可以自再现的模式，该模式是腔内的本征模式；相较于talbot腔，talbot像的建立需要严格周期的空间上无限展宽的结构，首先，半导体bar条的长度不可能空间无限展宽，所有，talbot像只是半导体外腔中只能够近似成立；其次，如果，发光单元出现较强的随机相位波动的时候，发光单元可能会失去talbot像所成立的周期性，导致发光单元间的光束耦合会极大减弱，进而失去相干合束的能力；而厄米高斯模式是球面镜谐振腔的本征解，在特定外腔结构衍射光学元件等限定下，厄米高斯模式能够成为谐振腔内的主模，即使发光单元出现随机相位与强度波动，激光光束在外腔内来回谐振以后会收敛于厄米高斯模式；这就意味着基于厄米高斯光束的相干合束方法能够提供较好噪声抑制能力；

(2)本发明基于高阶厄米高斯模式来合束，模式的峰与峰之间的均匀性要高于talbot腔；talbot腔的模式的靠近bar条边缘的峰会非常的弱，这样会影响输出光束的功率，也会损伤模式的抗噪声的能力；本发明利用外腔元件控制腔内超模为近厄米高斯模式，所带来的模式均匀性要高于talbot腔，因此，可以提升相干激光输出功率；

(3)本发明不会产生额外的谐振腔内的损耗，因为每个厄米高斯光束的峰会直接耦合到单个发光单元中去；

(4)在腔内控制产生厄米高斯光束的方法有多种，多采用衍射光学元件，加工方便，制造成本低。

附图说明

图1(a)是基于talbot腔的半导体相干合束的基本原理示意图；

图1(b)是德国夫琅禾费研究所早期报道结果中的半导体外腔内发光单元内的自激振荡图；

图1(c)是美国橡树岭国家实验室基于talbot腔相干合束中的半导体发光单元内的自激振荡图；

图1(d)是法国国家科学院基于talbot腔相干合束中的半导体发光单元内的自激振荡图；

图2是归一化tem09厄米高斯模式示意图；

图3是一种简单的透过型衍射光学元件设计示意图；

图4是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第一种实施方案；

图5是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第二种实施方案；

图6是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第三种实施方案；

图7是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第四种实施方案；

图8是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第五种实施方案；

图9是为本发明在半导体外腔内部产生高阶厄米高斯模式实现相干合束的第六种实施方案。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明采用的技术方案是：利用衍射光学元件等控制半导体外腔内的自再现模式为厄米高斯模式(hermitegaussianmode)；例如，如图2所示为tem09厄米高斯模式归一化强度分布，其含有10个峰，每个峰可以看做准高斯空间分布的。通过设计特定衍射光学元件等作为半导体激光外腔的腔镜来控制半导体外腔内部来产生一个高阶的厄米高斯模式振荡，并使得每个厄米高斯光束上的每一个准高斯的峰耦合到半导体bar条上的一个发光单元上，在半导体发光单元内放大，而整体上每个准高斯的峰都属于一个有确定相位关系的高阶厄米高斯激光模式。经过这种特定模式控制方法就实现了每个发光单元能够相干合束。

图3为一种简单的透过型衍射光学元件设计。棋盘格区域的两个相邻的小格子的相位调制相差π/2，在其上的衍射的光束将会远离光轴，因此，该区域对激光而言可以认为是不透光的。其他区域的相位调制是一样的。因此，该不透光的区域可以增强部分模式的损耗，而如果棋盘格区域正好和高阶厄米模式的节线位置一致的时候，该衍射光学元件就不会对该模式引入额外损耗，因此，可以诱导高阶厄米模式成为外腔内振荡的主模。

图4为本方面的第一种实施方案，该方案为最简单的方案。半导体bar条的一个端面镀镀增反膜，提供激光反馈。另一个端面镀增透膜来限制半导体bar条两个端面间的激光振荡。bar条外部的输出镜提供激光耦合输出，也将部分激光反馈回腔内再次放大。外腔衍射光学元件提供足够的模式鉴别能力，使得腔内的其他模式的损耗很高，或者是模体积很小，而只有一种与半导体bar条结构相匹配的厄米高斯模式能够在腔内存在(半导体bar条上有n个发光单元，那么，n-1阶的厄米模式为匹配模式)。而其他模式会因为模式竞争而逐渐减弱，或者因为损耗太高而不会形成振荡。与半导体bar条结构相匹配的高阶厄米高斯光束成为输出激光的主模，从而实现相干合束。

图5为本方面的第二种实施方案，相比于第一种实施方案，该方案的不同在于半导体bar条的两个端面均镀有增透膜。增透膜的透过率越高越好，以减少bar条两个端面间的寄生振荡。外腔的全反镜提供激光反馈，输出镜提供激光耦合输出。外腔内的衍射光学元件的功能与第一种方案是一样的，实现高阶厄米模式振荡，达到相干合束目的。只是同时使用两个衍射光学元件有利于提高目标厄米高斯模式的模式竞争能力，得到纯度更高的单模合束激光输出。

图6为本专利的第三种实施方案。该方案与第二种方案的基本思路是相同的，只是使用一个反射型衍射光学元件来替代其中一个透射型衍射光学元件。其功能与透射型衍射光学元件是一样的。主要的优点是其可以承受较高功率，利于冷却。该器件也可使用金属镜或者介质镜来替代。

图7为本专利的第四种实施方案。该方案的特点在于半导体激光激光发光单元的端面的法线方向与外腔的光轴方向不一致。半导体激光发光单元的端面有一定的倾角。因为半导体激光发光单元的两个端面与光轴不垂直，所以，在半导体发光单元内部不能形成有效的振荡，这样可以抑制寄生振荡的发生，提高合束的效率。当半导体激光的两个端面的法线方向与光轴的夹角为布鲁斯特角时p光在半导体激光发光单元的端面的反射率为0，有利于提高激光器工作的效率，也能够使得p光优先振荡，产生线偏振光输出，同时也有效的抑制了半导体发光单元内部的寄生振荡，对提高相干合束的效率是极为有利的。

图8为本专利的第五种实施方案。该方案相比与第四种方案特点在于该方案中使用了光隔离器。光隔离器的作用在于能够使得激光谐振腔内部只有一个方向传输的行波，而不是像前面一到四方案中的来回振荡所形成的驻波。单个方向传输的行波的好处在于行波可以避免半导体激光发光单元内部形成的空间烧孔效应，进而避免由空间烧孔效应引起的一系列问题，比如放光单元内的温度梯度，载流子浓度不均等问题。因此，环形腔对消除半导体激光输出不稳，减少纵模数量，增强半导体外腔相干合束效率是非常有利的。

图9为本专利的第六种实施方案。该方案与第五中实施方案相比，优点在于使用了光栅反射镜代替了其中一个反射镜。光栅是色散元件，其作用在于可以选择特定的激光波长作为谐振腔内的谐振波长，可以压缩半导体激光的线宽，同时，可以稳定工作激光的波长，也能够选择固定的纵模。需要半导体合束外腔工作在单纵模条件时，采用该方案是可行。缺点在于其结构稍微复杂，成本比第四方案高。对于，实施方案一到四，也可采用透射型或者反射光栅来压缩合束激光线宽。

上述各实例中，半导体激光外腔内的振荡模式都是都为高阶厄米高斯模式。该模式的各个瓣(各个峰)之间构成确定的相位关系，因此，实现了相干合束。

以上内容本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。