一种外腔半导体激光器系统

1.本发明属于横模控制技术领域，更具体地，涉及一种外腔半导体激光器系统。


背景技术：

2.半导体激光由于电光效率高，结构紧凑，生产成本低，使用寿命长等特点，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主要原因在于其光束质量较差。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。
3.高功率宽面半导体超宽面半导体激光芯片的亮度不足主要是由自身多横模振荡决定的，当宽面半导体超宽面半导体激光芯片的条宽增大时，高阶横模会增多，激光发散角也会变大，导致光束质量变差，亮度降低。通过各种办法尽可能的抑制侧向高阶模式的产生，降低慢轴方向发散角，提升光束质量，以提高半导体超宽面半导体激光芯片亮度，这些方法能够一定程度上缓解高功率和高光束质量之间的矛盾。高功率半导体超宽面半导体激光芯片中抑制侧向高阶模式，提升光束质量的方式主要有两类：腔内方法和腔外方法。腔内方法主要包括两种：(1)控制增益分布。通过控制激励电流分布，改变载流子浓度分布和增益分布，使得低阶模式增益提高，高阶模式损耗变大，从而减少高阶模式输出，增强光束质量；(2)控制波导结构。设计特定的波导结构增加高阶模式损耗，来减少高阶模式输出，改善光束质量。腔外方法也主要有两种：(1)外腔模式选择。在外腔选模结构加入模式选择元件，如空间滤波器和体布拉格光栅等，增加高阶模式损耗，抑制其振荡，以提高光束质量；(2)主振荡功率放大结构(mopa)。把低功率高光束质量的种子光进行放大，以获得高功率高光束质量的激光。
4.总结而言，从原理上讲这些方法都是通过增加高阶模式的损耗来抑制其振荡，使得基模和低阶模式成为谐振腔内振荡的主要模式，因而能够一定程度上改善半导体超宽面半导体激光芯片亮度，然而这些方法都很难突破现有高功率半导体超宽面半导体激光芯片的发展瓶颈，其根本原因在于基模的模体积比较小，这就意味它能够从谐振腔内汲取的增益始终是有限的，超宽面半导体激光芯片因此很难做到高光束质量的同时具有高功率，很难从根本上解决高功率与高光束质量间的矛盾。


技术实现要素：

5.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器系统，其目的在于促进高阶横模振荡，利用高阶横模的优点来解决高功率与高光束质量之间的矛盾，由此解决现有超宽面半导体激光芯片很难做到高光束质量的同时具有高功率的技术问题。
6.为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种外腔半导体激光器系统，包括：超宽面半导体激光芯片，条宽大于400μm，横模在侧向上阶数大于20，用于输出发
射光；外腔选模结构，通过在所述超宽面半导体激光芯片的外腔插入衍射光学元件实现，用于在所述发射光的近场进行相位调制，再通过傅里叶变换和滤波，从而输出损耗很小的特定高阶模式光，实现单一侧向高阶模式振荡；光束整形结构，设置在所述外腔选模结构的输出光路上，用于将所述特定高阶模式光整形成为高功率高光束质量的近高斯基模输出，从而使得所述外腔半导体激光器系统的输出光亮度成倍提升。
7.在其中一个实施例中，所述超宽面半导体激光芯片，前端面镀增透膜，后端面镀增反膜；所述外腔选模结构设置在所述发射光的出射光路上，包括依次设置扩束结构和模式辨别结构；所述扩束结构，包括依次设置的透镜l1和透镜l2；所述模式辨别结构包括依次设置的：所述衍射光学元件、透镜l3、光阑和输出镜。
8.在其中一个实施例中，所述透镜l1、所述透镜l2和所述透镜l3的焦距分别为f1，f2和f3；所述衍射光学元件与所述透镜l2的距离为f2，其在所述透镜l2的后焦面上，同时又在所述透镜l3的前焦面上；所述输出镜设置在所述透镜l3的后焦面上。
9.在其中一个实施例中，所述光束整形结构包括依次设置的：空间滤波器和两个透镜构成的准直器。
10.在其中一个实施例中，所述光束整形结构包括依次设置的：透镜l1、所述衍射光学元件、透镜l2和双缝光阑；所述双缝光阑上第一缝的输出光路上设有波片和反射镜，所述双缝光阑上第二缝的输出光路上设有偏振耦合器；所述偏振耦合器用于对所述第二缝的输出光和所述反射镜的反射光进行耦合，以输出高功率高光束质量的近高斯基模。
11.在其中一个实施例中，所述超宽面半导体激光芯片的前后端面均镀增透膜；且在其前端和后端均设有一个外腔选模结构；前端的外腔选模结构自所述超宽面半导体激光芯片起朝向输出镜一侧包括依次设置扩束结构和模式辨别结构；所述扩束结构，包括依次设置的透镜l1和透镜l2；其中的模式辨别结构包括依次设置的：所述衍射光学元件、透镜l3、光阑和输出镜；前端的外腔选模结构自所述超宽面半导体激光芯片起背向输出镜一侧包括依次设置扩束结构和模式辨别结构；所述扩束结构，包括依次设置的透镜l4和透镜l5；其中的模式辨别结构包括依次设置的：所述衍射光学元件、透镜l6、光阑和全反镜。
12.在其中一个实施例中，所述超宽面半导体激光芯片，前端面镀增透膜，后端面镀增反膜；所述外腔选模结构设置在所述发射光的出射光路上，包括依次设置扩束结构和模式辨别结构；所述扩束结构，包括依次设置的透镜l1和透镜l2；
所述模式辨别结构包括依次设置的：所述衍射光学元件、光栅、透镜l3、光阑和输出镜，所述光栅用于锁定工作波长。
13.在其中一个实施例中，所述衍射光学元件的调制方式为：高阶横模多峰近场分布中：一瓣对应0相位调制区域，其邻瓣对应π相位调制区域。
14.在其中一个实施例中，所述衍射光学元件的调制方式为：高阶横模多峰近场分布上任意两瓣相邻的区域对应0-π相位交错的棋盘格，其余区域对应0相位调制区域。
15.在其中一个实施例中，所述衍射光学元件的调制方式为：高阶横模多峰近场分布上任意两相邻瓣的调制方式定义为一个调制组，调制过程依次包括0相位调制区域、0-π相位交错的棋盘格和π相位调制区域。
16.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，能够取得下列有益效果：（1）本发明公开了一种利用外腔和光束整形来提高半导体激光器亮度的方法。半导体激光器芯片的宽度较宽，大于400微米，能够提供较大的增益体积。利用外腔选模结构，选择单一的高阶模式进行振荡，高阶模式天然具有较大的增益体积和模式竞争能力，能够有效的从半导体芯片增益中提取出较大的激光功率。外腔模式选择是通过在激光的近场进行相位调制，然后进行傅里叶变换和滤波，使得特定高阶模式的损耗很小，而其他阶模式的损耗很大来实现横模鉴别的。单一高功率的高阶横模从半导体激光外腔选模结构输出之后，通过光束整形的方法可以将高功率低光束质量的激光转换成为高功率高光束质量的激光输出，最终实现半导体激光亮度的提升。
17.（2）本发明提供的外腔半导体激光器系统有望突破半导体激光亮度瓶颈，实现高功率高光束质量半导体激光输出。为实现十瓦到百瓦级甚至更高功率的具有衍射极限光束质量的半导体激光器提供基础，对半导体激光器应用如高能激光武器、大型科研激光器、高性能泵浦源和高端工业材料处理有重要的推动作用。
附图说明
18.图1是本发明一实施例中根据盒式模型估计的各阶横模的近远场分布图。
19.图2是本发明一实施例中外腔半导体激光器系统的结构示意图。
20.图3是本发明一实施例中外腔半导体激光器系统内3个组成部分的作用及对光束特性的影响仿真图。
21.图4是本发明一实施例中外腔半导体激光器系统利用外腔实现高阶模式振荡的第一种方案的结构示意图。
22.图5是图4提供的外腔半导体激光器系统中衍射光学元件对应的第一种剂方式的示意图。
23.图6是图4提供的外腔半导体激光器系统中衍射光学元件对应的第二种调剂方式的示意图。
24.图7是图4提供的外腔半导体激光器系统中衍射光学元件对应的第三种剂方式的示意图。
25.图8是图4提供的外腔半导体激光器系统中第一种光束整形结构的示意图。
26.图9是图4提供的外腔半导体激光器系统中第二种光束整形结构的示意图。
27.图10是本发明一实施例中外腔半导体激光器系统利用外腔实现高阶模式振荡的第二种方案的结构示意图。
28.图11是本发明一实施例中外腔半导体激光器系统利用外腔实现高阶模式振荡的第三种方案的结构示意图。
具体实施方式
29.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。
30.激光器谐振腔中的高阶模式由于其较大的发散角被认为是对激光器输出亮度有负面影响，需要想办法进行抑制。但是实际上高阶模式除了这一缺点以外，其具有很多突出优点，比如其天然就有大的模体积，能够更加有效的从增益中提取功率，这也赋予它更高的模式竞争能力。另外高阶模式具有基模及低阶模式无法比拟的高的抗失调和扰动的能力。这些特性让高阶模式能够在模式竞争中胜出成为输出主模，获得高功率输出。
31.关于高阶模式的低光束质量问题，也能够通过光束整形的方法来解决。如图1所示根据盒式模型估计的各阶横模的近远场分布，图中可以看到高阶模式的远场显现为双峰结构（这也是高功率宽面半导体激光器的远场通常显现为双峰结构的主要原因）。如果单独看一个高阶模式远场分布的一个主峰的话，这些峰都是接近高斯基模的，具有近衍射极限的光束质量。如果能够滤除高阶模式远场的旁瓣，把两个主峰合在一起就可以得到一个近高斯基模的输出。因此将低光束质量的高阶模式转化成高光束质量的激光输出也是有可能实现的。
32.本发明提出的外腔半导体激光器系统主要包括三个部分内容，如图2所示。各个部分光束质量变化概括如图3所示。它们在外腔半导体激光器系统的详细作用分别如下：（1）超宽面半导体激光芯片。为了得到较高功率输出，需要将宽面半导体激光芯片的条宽增加数倍。(从100μm左右提升近一个数量级到500-1000μm，甚至更大，这里称之为超宽面半导体激光芯片)，因为半导体激光芯片的输出功率近似正比于发光面的宽度，所以半导体激光芯片的输出功率能够得到成倍提升。
33.（2）外腔选模结构。在超宽面半导体激光芯片腔面上镀增透膜和外腔横模选择结构，外腔选模结构的作用是进行模式鉴别，外腔选模结构能够选择出高阶模式，能够实现单一高阶侧向模式输出，该侧向高阶模式能够从超宽面半导体激光芯片的增益中提取出高的激光功率。第二步利用外腔选模结构来帮助特定高阶横模振荡，压制其他阶模式，利用高阶横模具有大模体积，强模式竞争能力的特点从大的增益体积中提取出高的激光功率，实现大功率单一高阶横模输出的目的。
34.（3）光束整形结构。外腔选模结构输出激光为单一高阶模式，但是高阶模式的发散角一般比较大。光束整形结构的作用在于能够将发散角比较大的高阶模式转换成近衍射极限的准高斯光束输出，有望突破半导体超宽面半导体激光芯片的亮度瓶颈。
35.本发明提出的是一种新型的外腔半导体激光器系统，特点在于输出的是单一的高阶侧模，该高阶侧模能够从芯片中提取出高的功率。整个系统包括三个结构部分，超宽面半
导体激光芯片提供增益，外腔选模结构（外腔选模结构选择高阶模式）实现单一侧向高阶模式振荡，光束整形结构将高功率的高阶模式整形成为高功率高光束质量的近高斯基模输出，最终实现半导体超宽面半导体激光芯片亮度的成倍提升。具体实施方式可以有多种，下面举例予以具体说明。
36.图4为本发明的第一种实施方案，超宽面半导体激光芯片（半导体单管）提供增益，前端面镀增透膜，后端面镀增反膜，提供激光反馈。外腔选模结构中输出镜为部分反射镜，把部分光耦合输出，部分激光反馈回超宽面半导体激光芯片内部再进行放大。外腔选模结构中的透镜l1，l2，l3的焦距分别为f1，f2和f3。透镜l1和透镜l2组成一个扩束结构，l1到超宽面半导体激光芯片的距离为f1，透镜l1和透镜l2的距离为f1+f2。衍射光学元件的作用是模式选择，具体设计方法见图5，图6和图7。衍射光学元件与透镜的距离为f2，在透镜l2的后焦面上，同时其又在透镜l3的前焦面上，透镜l3的焦距为f3。输出镜在透镜l3的后焦面上，紧靠输出镜的是光阑。衍射光学元件、透镜l3、光阑和输出镜一起组成模式鉴别结构，高阶模式经过外腔选模结构之后损耗很小，而其他阶侧向模式的损耗很高，由此外腔起到了模式鉴别作用，从而实现了单一横模工作。从输出镜输出的光束为单一侧向高阶横模，该高阶横模在经过光束整形之后能够得到近衍射极限的光束输出。
37.其中，透镜l1和透镜l2组成的扩束结构是将半导体激光芯片前端面输出的光束扩大数倍之后以较小的发散角投影到衍射光学元件上进行调制。透镜l1的焦距通常较小，同时起到快轴准直作用，防止光束从半导体芯片出射以后在快轴方向上发散太快。
38.图5为图4所示第一种设计方案中衍射光学元件设计（doe）的第一种方法。通过扩束之后的激光光束透过衍射光学元件。因为衍射光学元件在图4透镜l2的后焦面上，所以认为该处是激光光场的近场，激光的近场分布如图5显示为多瓣结构。衍射光学元件的设计也如图5所示，这里以一个6阶的高阶模式为例。一个瓣的区域为0相位调制区，而与其相邻的瓣的区域则为π相位调制区，总体上构成0-π相位相交的结构，而每个0相位区和π相位区的大小则由高阶模式的一个瓣的大小来确定。采用该方案的原因是具有此多瓣结构的光场其相位分布一般是0-π相位分布，经过衍射光学元件调制之后，被特定选择的横模光场可以看作是近似等相位的，而其他阶模式的相位分布则不是等相位的。经过透镜l3进行傅里叶变换之后，等相位分布的模式光场尺寸最小，所以经过光阑之后损耗最小，而其他模式的损耗较大。经过光阑之后的光场被紧靠其之后的输出镜反射后，再经过透镜l3进行傅里叶变换，特定模式又变换成等相位的输入时结构，经过衍射光学元件的0-π相位调制后，就变成与入射到衍射光学元件上的场一致，实现了自再现，且光束的损耗很小，而其他阶模式经过这个过程的损耗比较大，因此该系统能够进行模式鉴别，帮助外腔实现单一高阶横模工作。这种实现方式对于现有的doe加工技术是非常易于实现的，加工成本也非常的低，精度完全可以保证。
39.图6为图4第一种设计方案中衍射光学元件设计的第二种方法。第二种衍射元件设计方法与第一种衍射元件设计方法原理上有些不一样，设计也不一样。衍射光学元件整体上是0相位调制的，但是在两个瓣相邻的区域是由0-π相位交错的棋盘格组成的。因为0-π相位棋盘格对入射到其上面场进行散射，这些光经过透镜以后会被输出镜前的光阑挡掉。特定高阶模式强度最低的地方与这些棋盘格是重叠的，所以这个特定高阶模式的损耗比较小，而其他阶模式不是强度最低的地方与这些棋盘格区域重叠，这样它们的损耗就比较大。
因此，衍射光学元件、透镜l3、光阑和输出镜一起组成了模式辨别结构，能够对特定高阶模式进行选取，从而实现单一高阶模式振荡。该类型的doe元件的加工精度要求不高，而且只有两种相位，成本较低。
40.图7为图4第一种设计方案中衍射光学元件设计的第三种方法。第三种方法是将前面两种方法综合在一起。衍射光学元件整体上还是0-π相位相间，相间的区域由特定高阶模式的各个光学瓣的尺寸决定。而每个瓣相邻的区域再由0-π相位棋盘格组成，这种设计会提供更高的模式鉴别能力，但是有可能引起损耗增加。该类型的doe元件的加工精度要求不高，同样只有两种相位，成本较低。
41.图8为图4第一种设计方案中光束整形结构的第一种设计方法。这是一种相对简单的光束整形方法，激光光束在如图8的输出镜输出之后，经过一个空间滤波器，把光束中心的主峰滤出，然后经过两个透镜组成的扩束准直系统输出。当外腔选模结构中衍射光学元件的设计采用图5或图7所示的结构时，可采用这一光束整形方案，该方案的特点是实现起来比较简单，但是，缺点在于在紧贴输出镜处的空间滤波器会遮挡部分能量，导致激光功率下降。理论分析表明在图8中挑选的横模阶数越高，这种方案遮挡的能量越少，效率越高。如果横模的阶数超过20阶，可以使用这种方法。横模阶数比较低的时候，该方法效率比较低。
42.图9为图4第一种设计方案中光束整形结构的第二种设计方法。第二种设计方法相较于第一种方法结构复杂，但是效率会比第一种方法要高一些，而且对于模式阶数的敏感度低，不会随着挑选模式阶数的变化而发生工作效率的较大变化。该方法的总体结构与图4中外腔选模结构近似。透镜l1的焦距为f1，输出镜在透镜l1的前焦面上。衍射光学元件在透镜l1的后焦面上，输出光束在透镜l1的后焦面上呈现多峰分布。这里衍射光学元件的设计可采用图5-7所示的结构，使用时应与外腔选模结构doe元件的结构保持一致。衍射光学元件在透镜l2的前焦面上，经过衍射光学元件调制的光束，被透镜l2进行光学傅里叶变换之后，在透镜l2的后焦面上呈现出双峰分布，如图9所示。在透镜l2的后焦面上利用双缝光阑可以将这两个峰滤出。用四分之一波片把其中一个光束的偏振角度旋转90度之后，两束偏振角度为90度的线偏振光通过偏振合束器进行合束之后，输出为准基模的高斯光束。
43.图10为本发明的第二种实施方案，超宽面半导体激光芯片提供增益，前后端面均镀增透膜，前后端面各有一套如图4所示的模式辨别结构，两个系统的区别在于一个是全反镜提供反馈，一个是输出镜提供反馈。衍射光学元件的设计可以由图5，图6和图7所示的方法给出。相较于图4所示的实施方案，前后端面都有模式鉴别结构的好处在于能够提高整体的模式鉴别能力以及输出激光的模式纯度，能够在更大增益条件下实现高阶模式振荡。光束整形方法与第一种实施方案一致。
44.图11为本发明的第三种实施方案。该方案与第一种实施方案的不同之处在于，在透镜l3和衍射光学元件之间插入了光栅。光栅的作用在于可以帮助锁定超宽面半导体激光芯片的工作波长，因为很多时候衍射光学元件是波长敏感的，且超宽面半导体激光芯片内部纵模比较多，使用光栅可以锁定外腔内激光的光谱宽度，使得超宽面半导体激光芯片工作更加稳定，而且模式纯度更好。该光栅可以是透射光栅，也可以是其他类型的光栅，包括体布拉格光栅、反射型光栅等。光栅同样可以插入到透镜l2和衍射光学元件之间。需要说明的是，衍射光学元件到透镜l3的总光程要在插入光栅前后保持不变，这样可以使衍射光学元件依然处在透镜l3的前焦面上。针对本发明的第二种实施方案，同样可以插入光栅锁定
工作波长。该方案中的光束整形方法与第一种实施方案一致。
45.上述各实例中，利用外腔来实现高阶模式振荡，从超宽面半导体激光芯片中提取高的功率，然后利用光束整形方法将单一的高阶模式以较小的功率代价转换成为准基模的高斯光束输出。
46.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。