量子级联激光器的制作方法

本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种量子级联激光器。

背景技术：

量子级联激光器是根据量子力学能级理论(如双声子共振、束缚到连续等)设计的半导体激光器，电子是从子带到子带跃迁发光。与传统的半导体激光器不同，量子级联激光器的有源区是由一系列周期性变化的薄膜构成的阱垒对构成，这些周期性变化薄膜阱垒对的厚度决定量子级联激光器的激射波长，量子级联激光器的激射波长已经实现了从中红外(MIR)到太赫兹(THZ)波段的宽的波长覆盖。自1994年诞生以来，由于其高可靠性、小体积以及高转化效率，量子级联激光器在气体探测，自由空间光通信、军事制导和生命医疗等领域具有重要的应用意义。在红外对抗领域，目前所用的红外导引头探测的波长大多数3～5μm，量子级联激光器的波长可以完全覆盖红外导引头的探测器。定向红外干扰对红外引导头的干扰、致眩以及毁坏取决于照射到引导头上的激光功率。目前来说量子级联激光器的单管输出功率有限，为突破单管量子级联激光器的输出光功率极限，在实际应用中有必要采用光束合成技术提高输出功率。国际上已经有采用合束方法包括相干合束和非相干合束两种。相干合束的光束质量好，如迈克尔逊腔合束[Bloom，Guillaume，et al.Optics letters 35.11(2010)：1917-1919.]、达曼光栅合束[Bloom，Guillaume，et al.Optics letters 36.19(2011)：3810-3812.]，但是效率很低，不能提高光功率。非相干合束主要使用量子级联激光器Bar条的外腔光谱合束[Lee，Benjamin G.，et al.OpticsExpress 17.18(2009)：16216-16224.]，这种方法可以保证合束后的光束质量和单管器件相同，但是不能解决Bar条本身的热效应，毕竟量子及级联激光器不同于普通的半导体激光器，它的电光转化效率只有～10％，热效应非常显著。如果能借鉴普通半导体激光器中单管器件空间合束的方法，首先解决量子级联激光器的散热问题，然后在利用外腔光谱合束的形式保证光束质量，从而提供一种切实可行的高效量子级联激光器合束方法。利用空间合束结合光栅外腔合束的方法可以使量子级联激光器合束效率在70-80％之间，而且能保证输出的光是同轴的，这在红外对抗方面会有重要的应用价值。此种方法类似于单色仪分光的逆过程，多个量子级联激光器管芯空间合束后，以不同的入射角入射到衍射光栅上，经过输出镜的反馈以相同的衍射角输出，根据光路可逆原理光栅衍射的光会二次对激光芯片进行调制，形成具有一定波长间隔的、方向相同的复色红外光。此种方法的好处是能够保持单个管芯的光束质量，同时能够实现较高的功率输出。

技术实现要素：

为克服现有量子级联激光器的单管输出功率有限的问题，本发明提供了一种量子级联激光器。

本发明实施例量子级联激光器包括：阶梯热沉，其壁面上开有若干个阶梯平面；单管量子级联激光器，固定安装在所述阶梯热沉的阶梯平面上；非球面透镜，固定安装在所述阶梯热沉的阶梯平面上，位于单管量子级联激光器的前端；以及反射镜，其固定安装在所述阶梯热沉的阶梯平面上，位于非球面透镜的前端。

优选地，本发明实施例量子级联激光器还包括：外腔体，其与所述量子级联激光器机体上的腔体连接口相互固定安装；外腔镜，其安装在所述外腔体的内部，与所述外腔体内壁面的前端相互固定。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，外腔镜为具有反射率的平行平板；所述平行平板的反射率值在30％到50％之间。

优选地，本发明实施例量子级联激光器还包括：半波片，安装在外腔体的内部，与所述外腔体内壁面的后端相互固定；衍射光栅，安装在外腔体的内部，其与外腔体的内壁面相互固定，其位于所述半波片与外腔镜之间。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，所述衍射光栅为闪耀光栅。

优选地，本发明实施例量子级联激光器在工作过程中：

单管量子级联激光器发出的光束，经过非球面透镜的准直，入射到反射镜后从腔体连接口射出，反射镜射出的光束，形成平行等距的组合光束；

从腔体连接口射出的组合光束，入射到外腔体中的半波片，所述半波片使其偏振方向旋转90度后射出；波长相同的组合光束以相近的角度入射到衍射光栅，从衍射光栅射出的组合光束，入射到外腔镜，部分组合光束穿过外腔镜后射出，另一部分光束被外腔镜反馈；

被外腔镜反馈的部分反馈光束，经过衍射光栅、半波片、反射镜与非球面透镜，原路返回到各自的单管量子级联激光器的腔体内；

单管量子级联激光器发出具有与注入反馈相同波长的光束；光束经过非球面透镜、反射镜、半波片与衍射光栅后入射外腔镜，部分光束被反馈，从原路返回，另一部分穿过外腔镜后射出。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，所述单管量子级联激光器的管芯烧结在次级热沉上；该次级热沉焊接在热沉座上，该热沉座固定在阶梯热沉上。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，所述单管量子级联激光器的波长为3.8～12μm。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，所述单管量子级联激光器的前腔面上，安装有反射率低于10％的减反膜，所述单管量子级联激光器的横模为基模。

优选地，本发明实施例量子级联激光器中，所述反射镜为镀了金的增反膜，所述增反膜的反射率大于95％，所述非球面透镜的数值孔径NA＞0.5。

从上述技术方案可以看出，本发明量子级联激光器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)解决了量子级联激光器散热问题，并且利用外腔光谱合束的形式保证光束质量，从而提供了切实可行的高效量子级联激光器合束方法；

(2)利用空间合束结合光栅外腔合束的方法，使量子级联激光器合束效率在70-80％之间，而且能保证输出的光是同轴的，这在红外对抗方面会有重要的应用价值；

(3)多个量子级联激光器管芯空间合束后，以不同的入射角入射到衍射光栅上，经过输出镜的反馈以相同的衍射角输出，根据光路可逆原理光栅衍射的光会二次对激光芯片进行调制，形成具有一定波长间隔的、方向相同的复色红外光。此种方法的好处是能够保持单个管芯的光束质量，同时能够实现较高的功率输出。

附图说明

图1为本发明第一实施例量子级联激光器机体的内部结构示意图。

图2为本发明图1所示量子级联激光器外腔合束工作示意图。

图3为本发明第二实施例量子级联激光器进行空间合束与外腔合束工作的示意图。

图4为本发明第二实施例量子级联激光器中光束外腔耦合前后的光斑相对位置随CCD距离的变化情况图。其中，a图是光束经过空间合束，而没有安装外腔镜和闪耀光栅时，CCD在距离量子级联激光器0，100，200，300，400，500mm的位置测到的光斑相对情况。b图是光束经过闪耀光栅和外腔镜时，CCD在距离量子级联激光器0，100，200，300，400，500mm的位置测到的光斑情况。

【本发明主要元件符号说明】

1-量子级联激光器； 2-阶梯热沉； 3-单管量子级联激光器；

4-非球面透镜； 5-反射镜； 6-阶梯平面；

7-闪耀光栅； 8-热沉座； 9-半波片；

10-外腔体； 11-腔体连接口； 12-衍射光栅；

13-外腔镜； 14-平行平板； 15-前腔面；

16-减反膜； 17-管芯； 18-次级热沉；

19-增反膜。

具体实施方式

本发明致力于解决单管量子级联激光器的功率有限的问题，通过空间合束和外腔合束的方法提高量子级联激光器功率。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

一.第一实施例

在本发明量子级联激光器及其合束方法的第一个示例性实施例中，提供了一种量子级联激光器1。图1为本发明第一实施例量子级联激光器机体的内部结构示意图。如图1所示，本实施例量子级联激光器1包括：若干个单管量子级联激光器3、阶梯热沉2、非球面透镜4与反射镜5。

以下分别对本实施例量子级联激光器1的各个组成部分进行详细描述。

如图1所示，阶梯热沉2的壁面上开有两个阶梯平面6。单管量子级联激光器2的热沉座8固定在阶梯热沉2的阶梯平面6上，如图2所示，单管量子级联激光器3的前腔面15上，安装有反射率低于10％的减反膜16，用来提高反射率；单管量子级联激光器3的波长为3.8～12μm，。两个单管量子级联激光器3安装在阶梯热沉2高度相同的阶梯平面6上。如图2所示，两个单管量子级联激光器3分别安装在两个高度不同的阶梯平面6上。阶梯热沉2，解决了量子级联激光器散热问题。

如图1所示，单管量子级联激光器3通过螺栓固定在阶梯热沉2的阶梯平面6上，单管量子级联激光器3的横模必须为基模。如图2所示，单管量子级联激光器3的管芯17烧结在次级热沉18上，次级热沉18焊接在热沉座8上，热沉座8与阶梯热沉2之间通过螺栓固定安装。次级热沉18的材质为SiC、AlN、或金刚石，热沉座8的材质为铜或铝。当然，根据实际需要，本发明还包含其他的结构，由于同本发明的创新之处无关，此处不再赘述。

如图1所示，非球面透镜4固定安装在阶梯热沉2的阶梯平面6上，位于单管量子级联激光器3的前端；非球面透镜4通过紫外固化胶水或者机械结构固定在阶梯热沉2上。

如图1所示，反射镜5固定安装在阶梯热沉2的阶梯平面6上，位于非球面透镜4的前端，反射镜5为镀了金的增反膜19，该增反膜19的反射率95％以上，增加了合束效率；反射镜5通过紫外固化胶水或者机械结构固定在阶梯热沉2上。

图2为本发明图1所示量子级联激光器外腔合束工作示意图。如图2所示，单管量子级联激光器3发出的光束，经过非球面透镜4的准直，入射到反射镜5后通过腔体连接口11射出。四面反射镜5射出的光束，在快轴和慢轴形成平行等距的组合光束，实现空间合束。

至此，本发明第一实施例量子级联激光器，介绍完毕。

二.第二实施例

在本发明第二示例性实施例中，提供了对第一实施例量子级联激光器，采用空间合束加外腔合束的合束方法的技术改进措施例。

图3为本实施例量子级联激光器进行空间合束与外腔合束工作的示意图。如图3所示，外腔体10与量子级联激光器1机体上的腔体连接口11固定安装。外腔镜13安装在外腔体10的内部，其与外腔体10内壁面的前端相互固定，外腔镜13为具有反射率的平行平板14，该平行平板14反射率值在30％到50％之间。半波片9安装在外腔体10的内部，其与外腔体10内壁面的后端相互固定。衍射光栅12安装在外腔体10的内部，其与外腔体10的内壁面相互固定，其位于半波片9与外腔镜13之间；衍射光栅12为闪耀光栅7，闪耀光栅7实现了单缝衍射中央最大值的位置，从没有色散的零级光谱转移到其他有色散的光谱级上。

量子级联激光器空间合束结合外腔合束的工作过程如下：

首先，如图3所示，单管量子级联激光器3发出的光束，经过非球面透镜4的准直，入射到反射镜5后通过腔体连接口11射出，四面反射镜5射出的光束，在快轴和慢轴形成平行等距的组合光束，实现空间合束。

而后，请参照图2与图3所示，从腔体连接口11射出的组合光束，入射到外腔体10中的半波片9，半波片9使其偏振方向旋转90度后射出；波长相同的组合光束以相近的角度入射到衍射光栅12，根据光路可逆原理，光栅衍射12的光会二次对激光芯片进行调制，形成具有一定波长间隔的、方向相同的复色红外光。此种方法的好处是能够保持单管量子级联激光器3的光束质量，同时能够实现较高的功率输出。从衍射光栅12射出的组合光束，入射到外腔镜13，部分组合光束穿过外腔镜13后射出，另一部分光束被外腔镜13反馈。

再后，请参照图2与图3所示，组合光束的部分反馈光束被外腔镜13反馈后，经过衍射光栅12、半波片9、反射镜5与非球面透镜4，原路返回到各自的量子级联激光器3的腔体内，形成一个新的外部谐振腔；单管量子级联激光器3，发出具有与注入反馈相同波长的光束。

最后，请参照图2与图3所示，单管量子级联激光器3发出具有与注入反馈相同波长的光束，光束经过非球面透镜4、反射镜5、半波片与衍射光栅12后入射外腔镜13，部分光束被反馈，从原路返回，另一部分穿过外腔镜13后射出。第一步骤实现空间合束后的组合光束，经过上述第二、第三与第四步骤后实现外腔合束。

图4为本实施例光束外腔耦合前后的光斑相对位置随CCD距离的变化情况图。图4a是光束经过空间合束，而没有安装外腔镜13和闪耀光栅20时，CCD在距离量子级联激光器0，100，200，300，400，500mm的位置测到的光斑相对情况。图4b是光束经过闪耀光栅20和外腔镜13实现外腔耦合后，CCD在距离激光器0，100，200，300，400，500mm的位置测到光斑的情况。可以看出图4a中两个光斑的相对位置发生明显变化，而图4b中光斑的相对位置基本保持不变。

空间合束结合外腔合束的方法，使量子级联激光器合束效率在70-80％之间，而且能保证输出的光是同轴的，保证了光束的质量。

至此，本发明第二实施例量子级联激光器空间合束与外腔合束的合束方法，介绍完毕。

还需要说明的是，本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本发明的保护范围。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。