一种半导体激光泵浦匀化耦合装置制造方法

专利名称:一种半导体激光泵浦匀化耦合装置制造方法
【专利摘要】本实用新型提供了一种半导体激光泵浦匀化耦合装置的技术方案，该方案可以将多个半导体激光器垂直叠阵组成的二维半导体激光器叠阵输出光束均匀的会聚在固体激光增益介质表面上，介质表面上的泵浦光斑尺寸为几毫米至几十毫米量级。该方案可耦合注入泵浦功率高，并且结构简单，耦合效率高、成本低、调试方便。
【专利说明】-种半导体激光累浦匀化輔合装置

【技术领域】
[0001] 本实用新型设及的是一种激光器，尤其是一种半导体激光累浦匀化禪合装置。

【背景技术】
[0002] 激光技术自上世纪六十年代至今高速发展，同时又与其他高新技术相互渗透，在 材料加工、医疗、军事、测量及科学实验研究等众多领域有着越来越广泛的应用。固体激光 器是当前最重要的激光光源类型之一，尤其是随着半导体激光器技术的发展，半导体累浦 的固体激光器值PL)具有体积小、效率高、光束质量好等诸多优势。
[0003] 半导体激光需要W特定的方向及强度空间分布实现对固体激光增益介质实现累 浦，最常见的累浦方式为半导体累浦光束从侧面累浦椿状激光增益介质。但随着对激光输 出功率、激光光束质量要求的提高，板条状、薄片状等其他几何形状的激光增益介质运用于 固体激光器。该些固体激光增益介质可W采用大面累浦的方式获得较大的累浦光束吸收面 积和较均匀的累浦吸收空间分布。
[0004] 半导体激光器又称激光二极管，是W-定的半导体材料作为工作物质而产生受激 发射作用的器件。在半导体激光器件中，性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注入 式GaAs二极管激光器。其工作原理是通过正向偏压注入电流进行激励，在半导体物质的 能带（导带与价带），或者半导体物质的能带与杂质（受主或施主）能级之间，实现非平衡 载流子的粒子数反转，当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，产生受激发射作 用，并用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜组成谐振腔，使光振荡、反 馈，产生光的福射放大，输出激光。半导体激光器的效率很高，其电-光转换效率可W超过 50%，但是单个激光二极管连续输出功率只有1W左右，无法满足高功率累浦固体激光增益 介质的需求，因此需要将多个激光二极管单管堆叠起来，构成半导体激光器叠阵，该样的半 导体激光器叠阵一般由2?60个垂直（沿激光二极管快轴方向）排布的半导体激光器BAR 条构成，而每个半导体BAR条上通常排布有10?50个激光二极管单管。为了获得更高的 累浦功率，还可W将多个上述垂直叠阵沿慢轴水平排布构成二维半导体激光器叠阵。该样 的半导体激光器叠阵具有几十瓦到几百千瓦的连续或准连续输出功率。半导体激光器由于 其特别的发光机理，其输出光束光束质量（光束束腰尺寸与远场发散角的乘积）在平行和 垂直于PN结的两个方向（即快轴方向、慢轴方向）上有显著差别。激光二极管单管在快轴 方向光束质量很好，可W接近衍射极限，但在慢轴方向为多模输出，光束质量较差。半导体 激光器叠阵往往在每个BAR条上安装快轴准直微透镜，对光束快轴方向准直，输出光束发 散半角只有1?5mrad，而慢轴方向发散半角约为5度。
[0005] 对板条状、薄片状固体增益介质实现大面累浦，需要将半导体激光器叠阵输出光 束均匀的会聚于增益介质表面上，该一会聚光斑的尺寸为几毫米到几十毫米量级。
[0006] 目前实现高功率半导体激光累浦禪合的方式的典型方案如下：
[0007] 1、德国Trumpf公司的Trudisc Laser系统采用石英匀化椿方案实现对薄片晶体 的累浦禪合，即先使用分立的柱面透镜分布对半导体激光器聚焦，聚焦光斑位于八边形石 英匀化椿独有增透膜的端面，累浦光束进入匀化椿后，在其八个侧面产生多次内全反射，不 同传输方向和入射位置的光线在匀化椿内多次旋转位移，在匀化椿出口位置可W在八边形 轮廓范围内实现光强空间均匀分布。再由球面透镜和抛物面反射镜构成关于匀化椿出口端 面与薄片晶体的转像光学系统，W特定放大率将匀化椿出口端面光斑转像至薄片上，W实 现均匀累浦。该一方法存在的问题是，为了满足全反射条件，若要将更高功率的累浦光束注 入匀化椿，必须增大匀化椿径向尺寸，而匀化椿径向尺寸增大后若要保证匀化效果，其长度 也必须进一步增大。因此该种匀化方式不适合用于更高功率级别的累浦禪合匀化；此外，因 为匀化椿内累浦光束具有极高的功率密度，因材料吸收和表面散射引起的生热，匀化椿工 作过程中温度很高，对冷却、装夹提出较高要求。
[000引2、华中科技大学提出一种基于柱面镜和抛物面反射镜的累浦禪合匀化方法，其采 用分离的柱面透镜组在慢轴方向构成离焦准直机构，在快轴方向构成失调的伽利略望远镜 系统，获得快慢轴空间角谱分布均匀且相近的准直光束，该一准直光束再由抛物面反射镜 反射聚焦于位于抛物面角度处的薄片上。该种累浦禪合方法获得的准直光束截面为长条 形，长宽尺寸比与半导体激光器叠阵快慢轴方向上的光束传输参数BPP之比接近，即准直 光束慢轴方向截面尺寸远大于快轴方向。因此必须使用焦距、口径较大的抛物面反射镜完 成聚焦W避免显著的曽差对累浦均匀性的劣化。该一累浦结构在慢轴方向是将半导体激 光器发光面直接利用透镜与抛物面反射镜构成的转像光学系统转像于薄片上。因此，如果 采用多组半导体激光器垂直叠阵延慢轴堆叠的二维半导体激光器叠阵作为累浦光源，因为 光源发光面上，各组垂直叠阵直接具有间隙，上述累浦系统获得的累浦光斑上也会有明显 的暗带，累浦均匀性将大幅劣化，此外，因为二维叠阵慢轴方向光束传输参数BPP进一步增 大，准直光束慢轴方向尺寸也将进一步增大，将对之后聚焦系统提出更高要求，累浦系统的 体积将非常庞大。
[0009] 除此之外，还可W将半导体激光器输出光束禪合进入光纤或光纤束内，将光纤出 口端面光斑成像与固体增益介质表面获得均匀累浦光斑。但是该一方式目前受半导体激光 器光束质量限制，很难使用简单的光学元件将千瓦级W上的单色累浦光束高效禪合，同时 还需要采用半导体激光器慢轴准直、光束空间搬移等手段，系统复杂，成本高昂。使用微透 镜阵列等新型光学元件也能实现对半导体激光器输出光束的匀化和准直，再将准直光束聚 焦可W实现均匀累浦，但受微透镜阵列生产工艺限制，可W用于高功率累浦禪合的大尺寸 微透镜阵列增量及其阵列组目前无法加工。 实用新型内容
[0010] 本实用新型的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光累 浦匀化禪合装置的技术方案，该方案可W将多个半导体激光器垂直叠阵组成的二维半导体 激光器叠阵输出光束均匀的会聚在固体激光增益介质表面上，介质表面上的累浦光斑尺寸 为几毫米至几十毫米量级。该方案可禪合注入累浦功率高，并且结构简单，禪合效率高、成 本低、调试方便。
[0011] 本方案是通过如下技术措施来实现的；一种半导体激光累浦匀化禪合装置，包括 有累浦源、快轴柱面镜、慢轴柱面镜组、激光增益介质；累浦源包括有多个沿慢轴方向排列 的BAR条组成的多个垂直叠阵；BAR条的宽度为a ;每个垂直叠阵的中线为Li、L2、…… Lw，Li到L w的距离为b，3a > b > a ;快轴柱面镜设置在累浦源快轴方向上的发光路径上； 快轴柱面镜在快轴方向上具有屈光度；慢轴柱面镜组设置在累浦源慢轴方向上的发光路径 上；慢轴柱面镜组在慢轴方向上具有屈光度；激光增益介质分别设置在累浦源发出的激光 在快轴方向上或慢轴方向上均匀性最佳的界面上。
[0012] 作为本方案的优选；慢轴柱面镜组由多个柱面镜组成，并且每个柱面镜对应一个 垂直叠阵；柱面镜的数量与累浦源在慢轴方向上发光的垂直叠阵的数量相同；每个慢轴柱 面镜的快轴方向尺寸大于累浦源的发光区快轴方向尺寸；每个慢轴柱面镜的慢轴方向尺寸 等于或小于b。
[0013] 作为本方案的优选；累浦源发出激光均通过同一块快轴柱面镜；快轴柱面镜的光 轴垂直于累浦源的发光面，快轴柱面镜的光轴与发光区的中线相交。
[0014] 作为本方案的优选；快轴柱面镜在快轴焦平面前后特定位置S P具有快轴方向均 匀性最佳平面；慢轴柱面镜组在慢轴方向增益介质多透镜成像像面前后特定位置SS具有 慢轴方向均匀性最佳平面；调节快轴柱面镜和慢轴柱面镜组之间的间距，能使快轴方向均 匀性最佳平面和慢轴方向均匀性最佳平面重合，并将激光增益介质放置在该一平面上。
[0015] 其中二维半导体激光器叠阵（累浦源）包括沿慢轴方向排布的若干组半导体激光 器垂直叠阵，相邻的两组半导体激光器垂直叠阵中屯、线间距为b，该些垂直叠阵由若干个半 导体激光器BAR条沿快轴方向堆叠而成，相邻BAR条快轴方向间距为h，每个半导体激光器 BAR条均按照快轴方向的微柱面透镜准直使其输出光束快轴发散角《很小，并具有较高的 指向准确性，经过微透镜准直后，各BAR条输出光束快轴方向尺寸为A P。该些BAR条的宽 度为a。在每个激光器BAR条上，沿慢轴方向均匀间隔分布着k个发光区，该些发光区在BAR 条慢轴方向上具有10%-50%的占空比n。该一二维半导体激光器叠阵在适当的电流驱 动和冷却条件下即可W输出累浦激光光束，该一光束的特征是，光束在发光面上的快慢轴 方向尺寸分别为nh和（m-1) b+a，该里n为每个半导体激光器垂直叠阵具有的BAR条数目， m为二维半导体激光器叠阵具有的半导体激光器垂直叠阵数目，一般的n为5-60, m〉2 ;该 一输出光束在快慢轴方向具有不同的发散角，其发散角分别为a和0，一般的a巧皿ad， 0 >5° (FWHM)。此外，在发光面上，光束截面光强分布是不均匀和间隔的，沿着慢轴方向， k个由发光区和非发光区构成的基本单元交替出现，并构成为一组，每个发光区慢轴方向尺 寸为na/k，而每组之间另具有宽度为b-a的非发光区；沿着快轴方向，每组发光区间隔为 BAR条件间隔h。
[0016] 由此可W看出，由二维半导体激光器叠阵的输出光束不能直接用于固体激光增益 介质累浦，必须通过特定的匀化禪合装置对其进行光学变换才能获得满足要求的累浦光 斑。在距二维半导体激光器叠阵一定距离放置在快轴方向具有屈光度的柱面透镜，即快轴 柱面镜，其焦距为fP，其与二维半导体激光器叠阵的距离为/f，在快轴柱面镜的像方焦面上 可W获得二维半导体激光器叠阵输出光束的远场分布，该一远场分布往往是非均匀的，无 法实现均匀累浦，但是在具有不同离焦量S P的截面上具有不同光束截面强度分布，并在 特定截面上获得快轴方向较均匀的光斑分布，被累浦光照射的增益介质应放置于该一截面 上。
[0017] 在在慢轴方向上，二维半导体激光器叠阵包括沿若干组半导体激光器垂直叠阵， 且该方向上每组垂直叠阵发光区之间具有一定宽度的非发光区。如果采用成像方式将发光 面成像于增益介质上，发光区和非发光区会在增益介质形成显著的强度非均匀分布，不能 实现均匀累浦；而采用透镜聚焦方式，而将增益介质放置于光束远场焦面上，因为累浦源慢 轴方向角谱呈超高斯分布，也不易获得均匀性较高的累浦光斑。在本实用新型中，采用慢轴 柱面透镜组的方式实现慢轴方向的光束整形。即在累浦源发光面放置一组至发光面距离相 等的在慢轴方向具有相同屈光度的柱面镜，相邻的柱面镜间距为b。该些柱面镜的个数与累 浦源1上半导体激光器垂直叠阵的组数相同。该些柱面镜的光轴分别与半导体激光器各垂 直叠阵的中线重合。该些焦距为fS的柱面镜构成慢轴柱面镜组。当其距累浦源发光面的 距离为在慢轴柱面镜组像方距其处可W获得发光面的像面累浦源的每个垂直叠阵利 用其自身对应的慢轴柱面镜实现成像，具体的_l//f) D通过合理确定fS和f 控制像的尺寸，在像面或像面附近的离焦面上像相互拼接。将被累浦光照射的增益介质放 置于拼接像慢轴方向均匀性最高的截面上。并可W通过调节/f，使增益介质上同时实现快 轴方向和慢轴方向高均匀性累浦。
[0018] 具体而言，本实用新型具有W下优点：
[0019] 1、可W将包含多组垂直叠阵的累浦源匀化禪合到被累浦的增益介质表面，可W实 现高功率累浦禪合，并同时实现较高的累浦均匀性。
[0020] 2、不需要使用成本高昂的光纤禪合输出二极管激光器作为累浦源。使用直接输出 二极管激光器阵列便能实现高效的累浦禪合。
[0021] 3、不需要使用微透镜阵列、衍射光学元件、光束空间搬移组件等难于设计、加工的 精密光学元件，也没有使用波导、匀化椿等影响传输效率的匀化装置。仅需要使用便于设 计、制备的柱面透镜。
[002引 4、传输效率高、体积小、结构简单，成本低，便于调试、维护。
[0023] 5、本实用新型使用元件均为商用元件和便于定制加工的元件，具有很强的可实施 性。
[0024] 由此可见，本实用新型与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其 实施的有益效果也是显而易见的。

【附图说明】

[0025] 图1为本实用新型快轴方向上的结构示意图。
[0026] 图2为本实用新型慢轴方向上的结构示意图。
[0027] 图3为累浦源发光面的结构示意图。
[002引图4为不同离焦量下快轴方向光斑均匀性变化的示意图。
[0029] 图5为不同离焦量下慢轴方向光斑均匀性变化的示意图。
[0030] 图6为匀化后累浦光斑的光强分布示意图。
[0031] 图中，1为累浦源，2为快轴柱面镜，3为慢轴柱面镜，4为激光增益介质，5为累浦激 光，6为快轴柱面镜焦平面，7为快轴方向上均匀性最佳截面，8为慢轴方向成像像面，9为慢 轴方向上均匀性最佳截面。

【具体实施方式】
[0032] 为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过一个【具体实施方式】，并结合其附图，对 本方案进行阐述。
[0033] 通过附图可W看出，本方案包括有累浦源、快轴柱面镜、慢轴柱面镜组、激光增益 介质；累浦源包括有多个沿快轴方向排列的BAR条组成的多个垂直叠阵；BAR条的宽度为 a ;所述每个垂直叠阵的中线为Li、L2、......Li、Lw，L剧L W的距离为b，3a > b > a ;快轴柱 面镜设置在累浦源快轴方向上的发光路径上；快轴柱面镜仅在快轴方向上具有屈光度；慢 轴柱面镜组设置在累浦源慢轴方向上的发光路径上；慢轴柱面镜组仅在慢轴方向上具有屈 光度；激光增益介质分别设置在累浦源发出的激光在快轴方向上和慢轴方向上均匀性最佳 的界面上。慢轴柱面镜组由多个柱面镜组成；所述柱面镜的数量与累浦源在慢轴方向上发 光的垂直叠阵的数量相同。快轴柱面镜的屈光面尺寸大于累浦源快轴方向发光区的尺寸； 快轴柱面镜的光轴垂直于累浦源的发光面，快轴柱面镜的光轴与发光区的中线相交；快轴 柱面镜的慢轴方向上的尺寸大于发光区的慢轴方向的尺寸。快轴柱面镜的通光孔形状为矩 形。慢轴柱面镜组的快轴方向尺寸大于累浦源的发光区快轴方向尺寸；慢轴柱面镜组的快 轴方向尺寸等于或小于b。慢轴柱面镜组的每个柱面镜的通光孔形状为矩形。
[0034] 如图1和图2所示，累浦源1发光面有若列垂直叠阵1-1、1-2、……组成，垂直叠 阵的数目m不小于2,每个垂直叠阵有其中线Li、L2、……。每个垂直叠阵1-j由若干根BAR 条……堆叠而成，其数目n大于5且小于60。每根BAR条的宽度a-般为 10mm但不局限于10mm山到L W的距离b满足3a > b > a。每根BAR条输出激光经过微透 镜准直后的快轴方向尺寸AP在10 ym至1000 ym之间，相邻BAR条快轴方向的间距h在 1mm至3mm之间。每根BAR条1-j-p上，周期性间隔分布着发光区和非发光区，其发光区个 数k的个数没有特别要求，即每个发光区1-j-p-i的慢轴方向尺寸为a/k n。
[0035] 在图1中，快轴柱面镜2在且仅在快轴方向具有屈光度，其通光孔径可为但不仅限 为矩形，若为矩形，其快轴方向的镜面尺寸大于发光区快轴方向的发光尺寸nh，且其光轴与 垂直于发光面且与发光区快轴方向中线相交。其慢轴方向尺寸应大于发光区慢轴方向尺寸 (m-l)b+a并使累浦源1输出光束5在传输一段距离后其沿慢轴方向发散致尺寸增大后仍不 超出镜面有效孔径尺寸。快轴柱面镜2为正透镜，若目标需获得的累浦光斑快轴方向尺寸 为Y，其焦距户不大于）V2^/^D从累浦源1的发光面1-a射出的累浦光束5经过快轴柱 面镜2后会聚传输，并可在距快轴柱面镜2后户处的焦面6获得强度分布不均匀的远场焦 斑。而在焦面6前后离焦量为SP的截面上，可获得快轴方向较均匀的光束截面光强分布， 最佳离焦量SP的具体数值可W计算获得，若累浦源快轴方向角向近似高斯分布，不同离焦 截面上不同
[0036] 位置的光强沿快轴方向分布服从：
[0037]

【权利要求】
1. 一种半导体激光累浦匀化禪合装置，其特征是；包括有累浦源、快轴柱面镜、慢轴柱 面镜组、激光增益介质；所述累浦源包括有多个沿慢轴方向排列的BAR条组成的多个垂直 叠阵；所述BAR条的宽度为a ;所述每个垂直叠阵的中线为Li、L2、……Li、Lw，L剧L W的 距离为b，3a > b > a ;所述快轴柱面镜设置在累浦源快轴方向上的发光路径上；所述快轴 柱面镜在快轴方向上具有屈光度；所述慢轴柱面镜组设置在累浦源慢轴方向上的发光路径 上；所述慢轴柱面镜组在慢轴方向上具有屈光度；所述激光增益介质分别设置在累浦源发 出的激光在快轴方向上或慢轴方向上均匀性最佳的界面上。2. 根据权利要求1所述的一种半导体激光累浦匀化禪合装置，其特征是；所述慢轴柱 面镜组由多个柱面镜组成，并且每个柱面镜对应一个垂直叠阵；所述柱面镜的数量与累浦 源在慢轴方向上发光的垂直叠阵的数量相同；每个慢轴柱面镜的快轴方向尺寸大于累浦源 的发光区快轴方向尺寸；每个慢轴柱面镜的慢轴方向尺寸等于或小于b。3. 根据权利要求1所述的一种半导体激光累浦匀化禪合装置，其特征是；所述累浦源 发出激光均通过同一块快轴柱面镜；所述快轴柱面镜的光轴垂直于累浦源的发光面，快轴 柱面镜的光轴与发光区的中线相交。4. 根据权利要求1所述的一种半导体激光累浦匀化禪合装置，其特征是；所述快轴柱 面镜在快轴焦平面前后特定位置S P具有快轴方向均匀性最佳平面；所述慢轴柱面镜组在 慢轴方向增益介质多透镜成像像面前后特定位置SS具有慢轴方向均匀性最佳平面；调节 快轴柱面镜和慢轴柱面镜组之间的间距，能使快轴方向均匀性最佳平面和慢轴方向均匀性 最佳平面重合，并将激光增益介质放置在该一平面上。
【文档编号】H01S3-02GK204290027SQ201420783662
【发明者】张卫, 唐淳, 尚建力, 于益, 安向超, 万敏, 高清松 [申请人]中国工程物理研究院应用电子学研究所