大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法与流程

本发明属于半导体激光领域，尤其涉及一种利用两块平行放置的反射式相位板消除大功率半导体堆栈笑脸效应及利用面光栅进行线宽压窄的装置及方法。

背景技术：

近年来，半导体泵浦碱金属蒸气激光器在高能激光领域获得快速发展。它实现的关键点之一是泵浦谱宽与原子吸收谱宽的匹配。但碱金属原子常温下多普勒线宽极窄(约1pm)，即使充入0.1MPa的缓冲气体(如氦气或乙烷)，吸收谱宽也只有20pm-40pm，而市售半导体激光器输出谱宽为2-4nm，难以实现有效的泵浦。为此，业界采用外腔法压窄泵浦源输出谱宽，以满足泵浦的需要。

线阵或堆栈等形式大功率半导体激光器由很多发光元组成，热沉材料的选择和封装工艺等因素导致各发光元排列不成理想直线(简称笑脸效应)，大大增加了外腔压窄难度。笑脸的大小一般用发光元沿快轴方向的最大相互偏离距离表示；一般线阵半导体激光器(LDA)的笑脸大小在1-10um量级。在基于面光栅的线宽压窄装置中，笑脸效应会导致不同发光元经光学系统后以不同的角度入射至光栅，从而使不同发光元在外腔结构中具有不同的谐振波长；其结果是虽然每个发光元的光谱被压窄，但由于不同发光元中心波长存在偏差，总体输出光谱被展宽。

为此，人们采取各种方案以减小笑脸效应的影响。常用方法有：采用长焦快轴准直微透镜，采用高放大倍率的望远镜系统，以及倾斜柱面镜等。这些方法虽然结构简单，但是由于半导体光束发散角较大，需要将元件设计得较宽，方可覆盖整个光束。正因为元件占用空间较大，使得这些方法不适用于大功率半导体堆栈光源。近年来，又发展了复合外腔方法，利用一定反射系数的反射镜，将各发光元的光束相互耦合，使得各发光源中心波长相等。但是由于该方法安装调试复杂，集成度不高，很难应用在大功率激光线宽压窄系统中。

值得一提的是，美国Hersman团队采用透射式相位板消除笑脸的影响，已经成功应用在3KW的半导体堆栈线宽压窄系统中，得到了较好的结果。但是这种透射式结构存在较大隐患：只能在四周冷却，冷却效果较差；只能采用玻璃材料，容易损伤和破裂，且加工难度大；对增透膜要求较高，镀膜难度大。这些问题，在大功率激光系统中表现得尤为突出。

由上可见，现有的长焦快轴准直微透镜等方法占用空间大，不适用于大功率半导体堆栈光源；复合外腔方法结构复杂，集成度不高装配难度大；透射式相位板散热困难，容易损坏，加工难度大。

技术实现要素：

为了解决大功率半导体堆栈笑脸效应对线宽压窄的影响问题，本发明提出了一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法，对传统基于长焦快轴准直微透镜、复合外腔、透射式相位板等的笑脸校正方法进行了改进，降低了元件加工难度，提高了大功率半导体堆栈线宽压窄方法的功率扩展性。

本发明的原理在于：①半导体堆栈笑脸校正：先拍摄出半导体堆栈的笑脸图样，然后根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，再根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面，最后设计整块笑脸校正反射式相位板。由于其在光路中斜向放置，改变了光束方向，导致各巴条光束光程不等；并且会引入像散、慧差等轴外像差，需要附加一块反射式相位板来消除像差。两块相位板平行放置，与入射光束成135度角：第一块相位板用来消除半导体堆栈的笑脸像差，第二块相位板用来消除像散、慧差等轴外像差。②线宽压窄：利用望远放大系统将半导体光束在空间上放大，以提高系统的光谱分辨率；利用面光栅的波长选择性实现光束反馈和输出，反馈光束用于锁定所需波长，输出光束的线宽得到压窄。

本发明采用的技术方案是：

一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，包括由大功率半导体堆栈组成的激光源、快轴准直装置、笑脸校正反射式相位板、像差补偿反射式相位板、凹透镜、凸透镜、面光栅；所述激光源发射含有笑脸效应的单一波长的光束，经由所述快轴准直装置准直后，使其平行向前传播；所述笑脸校正反射式相位板的反射面以与所述快轴准直装置发射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于消除笑脸效应，使光束变平整；所述像差补偿反射式相位板的反射面以与从笑脸校正反射式相位板反射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于补偿由笑脸校正反射式相位板引入的像散、慧差等轴外像差；所述凹透镜和凸透镜均垂直放置在平行光束的光路中，凹透镜置于靠近所述像差补偿反射式相位板的一侧，凸透镜置于远离所述像差补偿反射式相位板的一侧，共同构成光束望远放大系统，用于在空间上放大半导体光束，以提高系统的光谱分辨率；所述面光栅以其法线与从所述光束望远放大系统出射的平行光束成闪耀角的方式放置在平行光束的光路上，用于锁定需要的波长，压窄半导体光束的线宽。

进一步地，所述由大功率半导体堆栈组成的激光源由P根巴条组成，P≥2，各巴条间距相等，约为400um；每根巴条由Q个发光元一维线性排列组成，Q≥10，各发光元间距相等，约为140um。

进一步地，所述快轴准直装置由T个微柱状透镜一维线性排列组成快轴准直微透镜阵列，T＝P，每个微柱状透镜均对应激光源的一根巴条，且两者中心对齐，因此各微柱状透镜间距和各巴条间距相等。所述单个微柱状透镜长度与所述巴条长度相当，宽度约为200um，厚度为1mm。所述快轴准直微透镜阵列紧紧粘贴在半导体堆栈的发光面上，用于在快轴方向准直所述半导体堆栈发出的光束。

进一步地，所述笑脸校正反射式相位板的设计方法包括如下步骤：

S1拍摄出由大功率半导体堆栈组成的激光源的笑脸图样：在激光源全功率运行情况下，依次拍摄每根巴条的光束偏差图像，具体操作流程请参考英国赫瑞瓦特大学物理科学与工程学院的J.F.Monjardin等人所做的工作：Correction of beam errors in high power laser diode bars and stacks，OPTICS EXPRESS，2006。

S2根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，具体步骤如下：

S2.1在电脑上将单根巴条的光束偏差图像转换成一系列数据点，这些点由平面二维坐标和光强组合而成，坐标原点为图像左下方的初始点。

S2.2检索光强值，得到光强最大值I_max，然后以0.5I_max为阈值确定发光元的Q个分布区域，选取这Q个分布区域的中心点作为数据拟合点，坐标分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)、…、(X_Q,Y_Q)。

S2.3计算各拟合点相对图像中心纵坐标的偏差值ΔY₁、ΔY₂、ΔY₃、…、ΔY_Q，这些偏差值可以分解为常函数Y＝1、正弦函数和余弦函数三种基本像差。所述正弦函数和余弦函数的频率均为m，需根据实际情况调整。所述正弦函数和余弦函数的初始相位为

S2.4首个拟合偏差值的对应点为所述三种基本像差中首个数值点，后面的Q-1个拟合偏差值依次对应相应横坐标处三种基本像差中的Q-1个数值点，拟合得到所述三种基本像差的权重因子，依次为a₁、a₂、a₃，满足以下两个条件：①a₁+a₂+a₃＝1；②各点的拟合偏差和最小。

S2.5根据拟合得到的所述三种基本像差的权重因子，得到笑脸像差表达式为：

S3根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面：所述三种基本像差可以通过三种对应基本面型来校正。根据笑脸像差表达式，可以确定三种基本面型所占的比重，将其叠加即可得到单根巴条的校正面。

S4设计整块笑脸校正反射式相位板：重复S2和S3，设计出P根巴条光束的校正面。将设计出的P根巴条光束的校正反射面等间距地依次排列起来，此间距与各巴条间距相同，固定在同一块基底上，最终得到一块完整的笑脸校正反射式相位板。

进一步地，所述像差补偿反射式相位板，用于补偿所述笑脸校正反射式相位板引入的像散、慧差等轴外像差。在设计反射面型时，采用几何光学消像差方法，利用非球面来补偿所述像散、慧差等轴外像差。

进一步地，所述凹透镜和凸透镜共同组成光束望远放大系统。凹透镜焦距为f₁，置于靠近所述像差补偿反射式相位板的一侧；凸透镜焦距为f₂，置于远离所述像差补偿反射式相位板的一侧。所述望远放大系统的放大倍率为：Γ＝-f₂/f₁，用于在空间上放大半导体光束，以提高系统的光谱分辨率。

进一步地，所述面光栅将入射光束分成两个部分，一部分光束被反射，用于锁定需要的波长；另一部分光束作为窄线宽激光输出。

本发明还提供了一种采用上述装置进行笑脸校正及线宽压窄的方法，该方法包括以下步骤：

S1产生大功率半导体堆栈光束并进行快轴准直：由大功率半导体堆栈组成的激光源出射激光到快轴准直装置，被所述快轴准直装置准直。所述由大功率半导体堆栈组成的激光源由多个发光元构成，热沉材料的选择和封装工艺等因素导致各发光元不成理想直线，使得出射激光的横截面出现起伏，不是理想的平整面，称为笑脸效应。在基于面光栅的线宽压窄装置中，笑脸会导致不同发光元经光学系统后以不同的角度入射至光栅，从而使不同发光元在外腔结构中具有不同的谐振波长；其结果是虽然每个发光元的光谱被压窄，但由于不同发光元中心波长存在偏差，总体输出光谱被展宽。由于工艺水平有限，所述快轴准直微透镜阵列存在定位误差，使得出射光束附加上像差。

S2准直后光束笑脸像差的校正：准直后的光束横截面图样为波浪形状，以45度角入射到所述笑脸校正反射式相位板，从笑脸校正反射式相位板反射光束消除了笑脸效应的影响。

S3消除大功率半导体堆栈光束残余的轴外像差：经过所述笑脸校正反射式相位板反射的光束带有像散、慧差等轴外像差，以45度角入射到所述像差补偿反射式相位板上。由所述笑脸校正反射式相位板引入的像散、慧差等轴外像差被所述像差补偿反射式相位板补偿，最后出射的光束既消除了笑脸效应，又补偿了像散、慧差等轴外像差。

S4像差补偿后大功率半导体堆栈光束的放大：像差补偿后的光束依次射入由凹透镜和凸透镜组成的望远放大系统(光束平行射入，并平行射出)，出射光束在空间上被放大。所述凹透镜焦距为f₁，置于靠近所述像差补偿反射式相位板的一侧；所述凸透镜焦距为f₂，置于远离所述像差补偿反射式相位板的一侧。所述望远放大系统的放大倍率为：Γ＝-f₂/f₁，放大倍率需满足两方面要求：一是保证光束功率密度处于较高水平；二是达到系统高光谱分辨率对空间上的要求。在一定程度上，光束空间尺寸越大，系统的光谱分辨率越高。

S5大功率半导体堆栈光束的波长锁定和窄线宽输出：放大后的光束以闪耀角入射到面光栅上，被分成两部分：一部分光束反射回系统中，用于锁定需要的波长，抑制其它波长的光束；另一部分光束则以闪耀角射出。面光栅有极好的波长选择性，由此使得出射的半导体光束的线宽得到压窄。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中两块相位板平行放置，结构简单，装调容易，实现了光程相等的目的。反射式相位板背面可安装水冷装置，对于大功率激光源冷却效果好，弥补了透射式相位板冷却效果差的缺陷。同时反射式结构的镜面材料可选择种类较多，如铜、金等金属材料，也可采用微通道结构，相比透射式结构的玻璃材料而言，加工难度大大降低，而且不易损坏和破裂。由于透射式相位板表面需要加镀增透膜，对于大功率激光源而言，存在较大隐患，而反射式相位板表面的镀膜要求低，加工容易，成本较低。

附图说明

图1为本发明所述大功率半导体堆栈笑脸校正反射式相位板设计方法中，笑脸像差拟合点和三种基本像差示意图：(a)Q个拟合点；(b)三种基本像差(实点：像差，虚点：标准值)；

图2为本发明所述大功率半导体堆栈笑脸校正反射式相位板设计方法中，用于校正所述三种基本像差的对应面型和根据权重因子设计出的单根巴条光束笑脸校正面示意图；

图3为本发明所述大功率半导体堆栈笑脸校正反射式相位板结构示意图；

图4为本发明所述大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置的结构组成图：

图例说明：

11.大功率半导体堆栈组成的激光源；21.由微柱状透镜阵列组成的快轴准直装置；31.笑脸校正反射式相位板；41.像差补偿反射式相位板；51.望远放大系统第一块透镜：凹透镜；52.望远放大系统第二块透镜：凸透镜；61.面光栅；A.带有笑脸像差的激光束横截面图；B.激光束带有的轴外像差图；C.像差补偿后的激光束横截面图；D.反馈光束；E.窄线宽出射光束。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图4为本发明所述大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置的结构组成图。

本实施例中大功率半导体堆栈笑脸校正及外腔线宽压窄系统包含以下部分：由大功率半导体堆栈组成的激光源11；由微柱状透镜阵列组成的快轴准直装置21；由笑脸校正反射式相位板31组成的笑脸校正装置；由像差补偿反射式相位板41组成的像差补偿装置；由凹透镜51和凸透镜52组成的望远放大系统；由面光栅61组成的波长选择装置。

本实施例的具体工作过程如下：

首先是产生大功率半导体堆栈光束并进行快轴准直：大功率半导体堆栈组成的激光源11出射激光到由微柱状透镜阵列组成的快轴准直装置21，被所述快轴准直装置21准直。所述大功率半导体堆栈组成的激光源11由多个发光元构成，热沉材料的选择和封装工艺等因素导致各发光元不成理想直线，使得出射激光的横截面出现起伏，不是理想的平整面，称为笑脸效应。在基于面光栅的线宽压窄装置中，笑脸会导致不同发光元经光学系统后以不同的角度入射至光栅，从而使不同发光元在外腔结构中具有不同的谐振波长；其结果是虽然每个发光元的光谱被压窄，但由于不同发光元中心波长存在偏差，总体输出光谱被展宽。由于工艺水平有限，所述快轴准直装置存在定位误差，使得出射光束附加上像差。

其次是准直后光束笑脸像差的校正：经过所述快轴准直装置21准直后的光束，该光束的横截面图样为波浪形状(如附图4中A所示)，以45度角入射到所述笑脸校正反射式相位板31，从笑脸校正反射式相位板31反射的光束消除了笑脸效应的影响。所述笑脸校正反射式相位板31的设计方法包括如下步骤：

S1拍摄出由大功率半导体堆栈组成的激光源11的笑脸图样：在激光源11全功率运行情况下，依次拍摄每根巴条的光束偏差图像，具体操作流程请参考英国赫瑞瓦特大学物理科学和工程学院的J.F.Monjardin等人所做的工作：Correction of beam errors in high power laser diode bars and stacks，OPTICS EXPRESS，2006。

S2根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，具体步骤如下：

S2.1在电脑上将单根巴条的光束偏差图像转换成一系列数据点，这些点由平面二维坐标和光强组合而成，坐标原点为图像左下方的初始点。

S2.2检索光强值，得到光强最大值I_max，然后以0.5I_max为阈值确定发光元的Q个分布区域，选取这Q个分布区域的中心点作为数据拟合点，坐标分别为(X₁,Y₁)、(X₂,Y₂)、(X₃,Y₃)、…、(X_Q,Y_Q)，如图1(a)所示。

S2.3计算各拟合点相对图像中心纵坐标的偏差值ΔY₁、ΔY₂、ΔY₃、…、ΔY_Q，这些偏差值可以分解为常函数Y＝1、正弦函数和余弦函数三种基本像差。所述正弦函数和余弦函数的频率均为m，需根据实际情况调整。所述正弦函数和余弦函数的初始相位为

S2.4如图1(b)所示，首个拟合偏差值的对应点为所述三种基本像差中首个数值点，后面的Q-1个拟合偏差值依次对应相应横坐标处三种基本像差中的Q-1个数值点，拟合得到所述三种基本像差的权重因子，依次为a₁、a₂、a₃，满足以下两个条件：①a₁+a₂+a₃＝1；②各点的拟合偏差和最小。

S2.5根据拟合得到的所述三种基本像差的权重因子，得到笑脸像差表达式为：

S3根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面：如图2所示，所述三种基本像差可以通过三种对应基本面型来校正。根据笑脸像差表达式，可以确定三种基本面型所占的比重，将其叠加即可得到单根巴条的校正面。

S4设计整块笑脸校正反射式相位板：重复S2和S3，设计出P根巴条光束的校正面。如图3所示，将设计出的P根巴条光束的校正反射面等间距地依次排列起来，此间距与各巴条间距相同，固定在同一块基底上，最终得到一块完整的笑脸校正反射式相位板。

再次是消除大功率半导体堆栈光束残余的轴外像差：经过所述笑脸校正反射式相位板31反射的光束带有像散、慧差等轴外像差(如附图4中B所示)，以45度角入射到所述像差补偿反射式相位板41上。由所述笑脸校正反射式相位板31引入的像散、慧差等轴外像差被所述像差补偿反射式相位板41补偿，最后出射的光束(如附图4中C所示)既消除了笑脸效应，又补偿了像散、慧差等轴外像差。在设计所述像差补偿反射式相位板面型时，采用几何光学消像差方法，利用非球面来补偿所述像散、慧差等轴外像差。

接着是像差补偿后大功率半导体堆栈光束的放大：像差补偿后的光束依次射入由凹透镜51和凸透镜52组成的望远放大系统(光束平行射入，并平行射出)，出射光束在空间上被放大。所述凹透镜51焦距为f₁，置于靠近所述像差补偿反射式相位板41的一侧；所述凸透镜52焦距为f₂，置于远离所述像差补偿反射式相位板41的一侧。所述望远放大系统的放大倍率为：Γ＝-f₂/f₁，放大倍率需满足两方面要求：一是保证光束功率密度处于较高水平；二是达到系统高光谱分辨率对空间上的要求。在一定程度上，光束空间尺寸越大，系统的光谱分辨率越高。

最后大功率半导体堆栈光束的波长锁定和窄线宽输出：放大后的光束以闪耀角入射到面光栅61，被分成两部分：一部分光束(如附图4中D所示)反射回系统中，用于锁定需要的波长，抑制其它波长的光束；另一部分光束(如附图4中E所示)则作为窄线宽激光以闪耀角出射。面光栅61有极好的波长选择性，由此使得出射的半导体光束的线宽得到压窄。