高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法与流程

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种新型的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法。

背景技术：

半导体激光器以其高电光转换效率(通常≥60％)、轻质紧凑的体积结构、宽的波段覆盖范围(0.6-2um)和可拓展的高功率输出能力(kw～100kw)，在工业、国防、科研和医疗等领域具有重要应用。

常规的半导体激光器出射激光的波长与标称具有一定的偏差(±3nm)，且中心波长会随驱动电流和温度的变化产生漂移，通常在0.2～0.3nm/a(nm/k)的范围，其典型的发射光谱线宽在3-5nm(fwhm)，上述指标一般可以满足绝大多数领域的应用需求。与此同时，诸多新兴和前沿领域的发展对半导体激光的光谱特性提出了更为苛刻的要求。在针对单发光源的毫瓦至瓦量级低功率半导体激光方面，人们已经掌握了相对较为成熟的波长锁定和线宽压缩技术，并成功应用于量子光学、激光光谱学等诸多领域。

相比之下，面向千瓦级及千瓦级以上的高功率半导体叠阵(stack)的波长锁定和线宽压缩需求则是近年内逐步兴起，相关技术也远非成熟。如以碱金属激光为代表的高能半导体泵浦原子气体激光要求千瓦级半导体泵浦激光的发射波长精确对准原子吸收谱线(波长允许偏差±0.05nm)且具有极窄的光谱线宽(<0.1nm,fwhm)。在超极化气体肺部磁共振成像中对高功率半导体激光也提出类似的苛刻要求以实现高效的自旋极化光泵浦。即使在传统的固体和光纤激光泵浦领域，人们也希望高功率半导体激光具有尽可能小的电流和温度波长漂移系数，以确保整体激光系统具有稳定高效的运转性能。

鉴于以上需求，人们相继提出了不同的针对高功率半导体叠阵的波长锁定和线宽压缩方法，其基本原理均是利用色散光学元件与半导体增益介质形成外腔实现对光谱的有效调控。根据所采用的色散光学元件的不同，可以分为基于面光栅或者基于体光栅两类外腔结构。

对于面光栅外腔法，早期人们直接将典型的littrow外腔结构应用于半导体阵列，虽然达到了部分预期效果，但功率损失比例过大，且仅可应用于于十至百瓦级。基于此，美国xemed公司提出具有高外腔效率和面向高功率应用的技术方案，并计划近期实现3kw的窄线宽(<0.1nm)半导体激光应用于碱金属原子的高效泵浦，该方案虽然具有值得期待的巧妙合理的结构，但体系复杂、过于精密，且体积庞大，功率拓展性尚不明确。

对于体光栅(volumebragggrating,vbg)外腔法，由于其兼具高外腔效率、结构简单紧凑以及窄的光谱(<0.1nm)输出特性而成为目前的主流方案，德国dilas公司利用该方案在15个巴条的半导体叠阵上实现了功率1kw线宽0.08nm(fwhm)的780.2nm激光输出。然而，虽然该方案实现了良好的光谱特性，但其缺陷也是显著的：一是需要对半导体叠阵上的每一个巴条都装配一个体光栅，成本十分高昂。二是需要对每一个体光栅都进行独立的精确温控，使其具有一致的衍射波长，从而确保各个巴条以相同的中心波长发射激光。这样的结构极大的增加了体系复杂性，且严重制约了其功率拓展能力。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法。该发明通过合理的光学系统设计、利用一块体光栅可以实现对具有多巴条的高功率半导体叠阵的波长锁定和线宽压缩，相比于现有方案能够进一步提升光谱调控品质、有效节约成本、并且显著提升高功率拓展能力。

为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：

一种高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件。

半导体激光阵列包括呈一维阵列分布的n根巴条，依次分别为第1巴条、第2巴条…第n巴条，n≥2；各巴条发射出的激光分别依次输入对应的光束整形系统和部分反射镜，与第1巴条、第2巴条…第n巴条对应的部分反射镜分别为第1部分反射镜、第2部分发射镜……第n部分发射镜，n个部分反射镜呈一维阵列分布，n个部分反射镜的发射光路在同一直线上；色散光学元件设置在第n部分反射镜的反射光路上。

n束激光分别经对应的光束整形系统进行准直，实现激光束的平行输出。从各光束整形系统输出的平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经反射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，各激光束中的另一部分光经部分反射镜透射出去，透射光则为半导体的最终输出激光。色散光学元件的衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。

进一步地，所述色散光学元件需要进行温控以精确锁定半导体激光阵列输出的整体光谱的中心波长，温控方式可以为加热或者制冷，温控元件可以为电阻或者tec等。通过设计各部分反射镜的反射率ri，能够实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。

优选地，本发明所述半导体激光阵列中的n根巴条采用垂直堆叠或者水平堆叠的方式排列，各巴条之间的间距相等。如n根巴条采用垂直堆叠，那么从上到下，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从上至下依次排列成一维阵列。如n根巴条采用水平堆叠，那么从左到右，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从左到右依次排列成一维阵列。进一步地，本发明部分反射镜其反射率根据对应的巴条不同而不同。通过合理设置各部分反射镜的反射率ri，可以实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。如各部分反射镜的反射率ri可以按照ri＝1/i,i＝1,2...n进行分配，即第1部分反射镜的反射率r1为100％，第2部分反射镜的反射率为50％，第3部分反射镜的反射率为33％，……，第n部分反射镜的反射率为1/n。设各巴条自由运转输出功率为p(通常在～100w量级)。由于第1部分反射镜的反射率r1为100％，第1巴条没有对应的出射激光。除第1巴条位置处无出射激光以外，对于第2巴条，第3巴条……第n巴条各自对应位置处的出射激光功率pi，有在反射率ri＝1/i的情况下通过计算可以得到：pi＝p，i＝2,3,...,n，即除第1巴条位置处无出射激光以外，其余各个巴条对应位置处的出射激光功率均为p。入射至色散光学元件的激光总功率pin，其表达式为在反射率ri＝1/i的情况下得到：pin＝p。由于色散光学元件的衍射效率rdiffractive～100％，色散光学元件其衍射功率pdiffractive＝pin＝p，此时色散光学元件的反馈回光pdiffractive被各部分反射镜ri分别反馈回各自对应的巴条内，对应于各个巴条的衍射回光功率分别为带入各个巴条对应的各部分反射镜的反射率ri得到各个巴条的衍射回光功率：pri＝p×10％，i＝1,2,...,n，即各个巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构，其外腔反馈能量比例为各单个巴条自由运转时输出功率的10％。该反馈比例对于构建有效的半导体外腔激光是合理和常见的，此时外腔内谐振激光的光谱性质(中心波长、光谱线宽等)主要由色散光学元件的衍射中心波长和带宽所决定，而第2巴条，第3巴条……第n巴条各自对应位置处的出射激光功率pi的光谱性质完全由外腔谐振激光所决定。

优选地，本发明所述半导体激光阵列为连续或者准连续工作模式。

优选地，本发明所述半导体激光阵列发射波长为0.4-2.3um范围内。

优选地，本发明半导体激光器发光源输出面(即每个巴条的发光源输出面)可以为常规反射率(r～5％)。或者，半导体激光器发光源输出面(即每个巴条的发光源输出面)镀增透膜(r<1％)。

优选地，本发明所述光束整形系统为快轴准直透镜(fac,fastaxiscollimator)和慢轴准直透镜(sac,slowaxiscollimator)的组合，各巴条发射出的激光分别经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜进行光束整形后实现准直输出。或者，本发明所述光束整形系统为光束扭转系统(bts,beamtransformationsystem)和柱透镜的组合，各巴条发射出的激光分别经过光束扭转系统和柱透镜进行光束整形后实现准直输出。或者，本发明所述光束整形系统为为其他可实现光束整形后准直输出的透镜组合。

优选地，在所述光束整形系统中还包括用于校正“笑脸效应(smileeffect)”的相位矫正光学元件。高功率半导体激光阵列包括多个巴条，巴条封装时因工艺等各种因素导致排列不成理想直线，而引入的“笑脸效应(smileeffect)”。

优选地，所述色散光学元件可以为体光栅、面光栅或者其他同时具有高衍射效率和窄带光谱衍射能力的光学元件。进一步地，所述体光栅的衍射中心波长与半导体自由运转波长偏差在±5nm以内，体光栅的衍射效率在5～99.9％范围内尽可能高，体光栅的衍射光谱带宽在0.03～1nm(fwhm)范围内根据需求选取，体光栅的光栅厚度在0.3～30mm范围内。进一步地，所述体光栅需要进行温控以精确锁定半导体激光阵列输出的整体光谱的中心波长，温控方式可以为加热或者制冷，温控元件可以为电阻或者tec等。

基于上述高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，实现高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩的方法，半导体激光阵列中n根巴条输出的n束激光分别经对应的光束整形系统进行准直，实现激光束的平行输出。从各光束整形系统输出的平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经发射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，各激光束中的另一部分光经部分反射镜透射出去，透射光则为半导体的最终输出激光。色散光学元件的衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。通过设计各部分反射镜的反射率ri，能够实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。通过对所述色散光学元件进行温控即可精确调节并锁定半导体激光阵列的输出中心波长。

本发明色散光学元件通常为体光栅，体光栅具有接近100％的衍射效率，根据实际应用需求选择衍射中心波长和光谱宽度。所有巴条出射激光经部分反射镜反射后空间重叠，以相同的入射角入射至体光栅，其衍射光沿原路返回，并经由部分反射镜的反射再次入射至每根巴条；此时，每根巴条均同体光栅组成外腔结构，该外腔内谐振激光的中心波长和光谱宽度主要由该体光栅的特性所决定，因此能够确保不同巴条的输出激光具有精确一致的中心波长和预期的光谱宽度。体光栅具有窄带光谱反馈特性，因此外腔输出光谱的线宽得到了压缩。该方案结构简单，成本低廉，能够确保不同发光源出射波长的严格一致，易于实现精确波长锁定和超窄线宽光谱输出，并且具有良好的功率拓展能力，为窄线宽高功率半导体激光的实现和应用提供新的有效途径。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明基于单独的一块体光栅调控半导体阵列内不同巴条的光谱特性，从原理层面决定了不同巴条将以一致的中心波长和光谱线宽发射激光，其波长调谐通过一块体光栅进行温控即可，避免了每个巴条分别配置一块体光栅的常规方案所难以避免的巴条间中心波长偏差和需要对每个体光栅进行复杂温控的问题，确保了半导体阵列具有高品质的整体光谱输出特性。

2、本发明结构紧凑，易于实现，具有模块化特点，可以通过对每个窄线宽半导体阵列进行上下或者左右的空间堆叠实现简洁有效的功率拓展。

3、本发明相比于常规方案成量级的降低了对体光栅这一昂贵光学元件的数量需求，成本低廉，经济可靠，便于工业化推广和大规模应用。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中：

1、半导体激光阵列的封装和热沉部分；2、巴条；3、快轴准直透镜；4、慢轴准直透镜；5、部分反射镜；6、出射激光；7、体光栅。

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。

参照图1，本实施例中以包含10根巴条的垂直堆叠半导体激光阵列为例进行说明，图中1为半导体激光阵列的封装和热沉部分，2为巴条即激光发射区域。半导体激光阵列包括呈一维阵列分布的n根巴条，n＝10，在图1中分别以bar1、bar2…bar10从上到下进行标识，并记单根巴条自由运转输出功率为p(通常在～100w量级)。

每根巴条直接发射出的激光具有较大的发散角，沿快轴(fastaxis)方向约为60°，沿慢轴(slowaxis)方向约为10°。每根巴条直接发射出的激光经过快轴准直透镜3和慢轴准直透镜4进行光束整形后，快、慢轴发散角分别被压缩至8mrad和65mrad以下，光束以近准直状态传输。

5为部分反射镜，每根巴条均对应一个部分反射镜，如图1所示，在10个部分反射镜，各部分反射镜其反射率根据对应的巴条不同而不同。各部分反射镜的反射率以ri(i＝1,2...10)进行标识，其中r1即与bar1对应的部分反射镜的反射率，r2即与bar2对应的部分反射镜的反射率，……，r10即与bar10对应的部分反射镜的反射率。在本实施例中，按照ri＝1/i(i＝1,2...10)进行分配，即r1＝100％(1/1)、r2＝50％(1/2)、r3＝33％(1/3)、……、r10＝10％(1/10)，具体数值在图1中给出。此时光束传输情况以bar2为例说明，其余巴条情况类似：与bar2对应的部分反射镜右侧的出射激光6的功率由两部分组成，分别是由bar2出射激光经过与bar2对应的部分反射镜后透射出来的部分激光的功率p·(1-r2)以及来自bar1被r2反射的部分激光的p·r2，其总和为p2＝p。

由于第1部分反射镜的反射率r1为100％，第1巴条没有对应的出射激光。除第1巴条位置处无出射激光以外，对于第2巴条，第3巴条……第n巴条各自对应位置处的出射激光功率pi，有在各部分反射镜的反射率ri＝1/i的情况下，通过计算可以得到：pi＝p(i＝2,3,...10)，即除bar1无出射激光以外，其余各个巴条对应位置处的出射激光功率均为p。同时，各个巴条出射激光首先经过各自对应的部分反射镜反射，然后依次经过反射光路上后续其他部分反射镜的透射，最终以总功率pin入射至体光栅7，总功率pin其表达式为在反射率ri＝1/i的情况下得到：pin＝p。由于体光栅衍射效率rdiffractive～100％，其衍射功率pdiffractive＝pin＝p，此时反馈回光pdiffractive被部分反射镜ri分别反馈回其相应的巴条bari(i＝2,3,...,10)内，对应于各个巴条bari的衍射回光功率分别为带入ri得到：pri＝p×10％(i＝1,2,...,10)，即各个巴条2均与快轴准直透镜3、慢轴准直透镜4、部分反射镜5(ri)以及体光栅7形成了外腔结构，其外腔反馈能量比例为单巴条自由运转时功率的10％，该反馈比例对于构建有效的半导体外腔激光是合理和常见的，此时外腔内谐振激光的光谱性质(中心波长、光谱线宽等)主要由体光栅7的衍射中心波长和带宽所决定，而输出激光pi(i＝2,3,....10)的光谱性质完全由外腔谐振激光所决定。

通过上述说明可见，通过合理设置部分反射镜5的反射率ri，可以满足各个巴条对应位置以相同的功率p出射，考虑到bar1没有出射激光，相比于自由运转情况该系统的总能量利用效率约为90％；每个巴条所对应外腔的光谱性质均决定于唯一的体光栅，且各个外腔均具有相同且合理的能量反馈比例(～10％，改值可通过调整ri的分配进行改变)，确保了外腔在谐振功率和光谱性质方面的一致性，通过对体布拉格光栅进行温控(波长温度漂移系数通常为0.01nm/℃)即可精确调节并锁定整体半导体阵列的输出中心波长。

以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。