一种外腔半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种外腔半导体激光器。


背景技术：

2.自半导体激光器问世以来，因其具有转换效率高、体积小、质量轻、可靠性高和能直接调制，以及与其他半导体器件集成的能力强等优点，已经越来越广泛地应用于精密测量与材料加工、通信等诸多领域。
3.提高半导体激光器所需的高功率和高亮度的一个解决方案是进行空间合束。参照图1，现有技术中，空间合束需要利用具有台阶结构的底板6，使多个激光器单管1输出的光束依序经过快轴准直透镜3和慢轴准直透镜4，再经全反射镜5转向。多个激光器单管在1空间上依次排列，拼成一个更大的光斑。
4.在实现本发明过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下问题：现有技术能够把多个激光器单管的光束并排排列到一块，虽然能够产生功率较大的光束，但排列后的总体光斑比单个激光器单管的光斑更大，光束参数积（腰斑大小和远场发散角的乘积）也会相应增大，由于亮度定义为单位面积的光源在单位时间内向着其法线方向上的光束参数积内辐射的能量，因此现有技术提高亮度的效果不佳，而且激光器的体积较大。


技术实现要素：

5.本发明旨至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
6.为此，本发明的目的在于提出一种提高亮度效果较好的外腔半导体激光器。
7.为达到上述目的，本发明提出一种外腔半导体激光器，包括外腔，所述外腔包括激光器单管、滤波片和外腔镜；所述激光器单管包括第一激光器单管和第二激光器单管，所述第一激光器单管用于以第一方向射出光束；所述第二激光器单管用于以第二方向射出光束；所述滤波片包括第一滤波片和第二滤波片，所述第二滤波片用于将所述第二激光器单管射出的光束滤出第二波段的光束；所述第一滤波片用于将所述第一激光器单管射出的光束滤出第一波段的光束，并将所述第二波段的光束反射后，以第一方向射向所述外腔镜，其中所述第一波段与所述第二波段相离；所述第一激光器单管和所述第二激光器单管射出的光束在所述外腔内往返振荡，进行波长合束，并透过所述外腔镜输出激光。
8.根据本发明实施例提供的外腔半导体激光器，利用第一、第二激光器单管、滤波片和外腔镜组成外腔，激光器单管使用半导体材料作为增益介质对光进行放大。本发明实施例利用两个激光器单管进行波长合束，获得高功率的激光光束，在整合两个激光器单管的功率的同时，使总体光束保持接近一个激光器单管的光束参数积，进而保持激光的光束质量并且提高激光光束的亮度。本发明实施例的激光器没有台阶结构的底板，能够减少激光器的体积。
9.根据本发明的一个实施例，所述滤波片为带通滤波片。
10.根据本发明的一个实施例，所述激光器单管为边发射激光器。
11.根据本发明的一个实施例，所述带通滤波片具有高折射率和低折射率镀膜相间的多层膜层，所述带通滤波片用于根据所述激光器单管的入射光束的不同入射角度，透过不同波段的光束。
12.根据本发明的一个实施例，所述激光器单管的第一端的前方配有准直透镜，所述激光器单管的第一端为透过部，所述激光器单管的第二端为反射部，所述激光器单管的第一端和第二端之间为结区；所述透过部用于使光束入射和出射；所述反射部用于反射光束，所述结区用于对光束进行振荡放大。
13.根据本发明的一个实施例，所述外腔镜为部分透过镜，所述部分透过镜用于将经过所述激光器单管射出的光束一部分反射，一部分透过输出激光。
14.根据本发明的一个实施例，所述准直透镜为快轴准直透镜。
15.根据本发明的一个实施例，所述透过部镀有增透膜，所述反射部镀有全反射膜。
16.根据本发明的一个实施例，所述激光器单管的数量为n个，所述带通滤波片的数量为n个，所述带通滤波片具有n个通带；第k个所述激光器单管用于以第k个方向射出光束；第k个所述激光器单管的第一端的前方设置第k个所述带通滤波片；第k个所述带通滤波片用于将所述第k个所述激光器单管射出的光束滤出第k个波段的光束，并将第k+1个至第n个波段的光束反射后，以第k个方向射向第k-1个所述带通滤波片或者当k=1时射向所述外腔镜，其中，n为大于2的正整数，k为小于等于n的正整数。
17.根据本发明的一个实施例，n个所述激光器单管的底部所在的平面共面。
18.本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
19.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中：图1是现有技术中具有空间合束的激光器的结构示意图。
20.图2是本发明一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。
21.图3是本发明一实施例的外腔半导体激光器的带通滤波片的膜层折射率分布图。
22.图4是本发明一实施例的外腔半导体激光器的带通滤波片对不同波长的透过率随入射角度的变化图。
23.图5是本发明另一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。
24.图6是本发明另一实施例提出的外腔半导体激光器的带通滤波片的摆放角度示意图。
25.图7是本发明另一实施例提出的外腔半导体激光器的光路走向图。
26.图8是本发明又一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。
27.图9是本发明又一实施例提出的外腔半导体激光器的带通滤波片的摆放角度示意图。
28.图10是本发明又一实施例提出的外腔半导体激光器的光路走向图。
29.附图标记说明：1为激光器单管，2为光束，3为快轴准直透镜，4为慢轴准直透镜，5为全反射镜，6为具有台阶结构的底板，1.1-1.6分别为第一至第六激光器单管，2.1-2.6分别为第一至第六光束，3.1-3.6分别为第一至第六快轴准直透镜，7.1-7.6分别为第一至第六滤波片，8为外腔镜。
具体实施方式
30.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。
31.图2是本发明一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。
32.参见图2，本发明第一实施例提出一种外腔半导体激光器，包括外腔，外腔包括激光器单管、滤波片和外腔镜8。
33.激光器单管包括第一激光器单管1.1和第二激光器单管1.2，第一激光器单管1.1用于以第一方向射出光束，第二激光器单管1.2用于以第二方向射出光束。滤波片包括第一滤波片7.1和第二滤波片7.2，第二滤波片7.2用于将第二激光器单管1.2射出的光束滤出第二波段的光束；第一滤波片7.1用于将第一激光器单管1.1射出的光束滤出第一波段的光束，并将第二波段的光束反射后，以第一方向射向外腔镜8，其中第一波段与第二波段相离。第一激光器单管1.1和第二激光器单管1.2射出的光束在外腔内往返振荡，进行波长合束，并透过外腔镜8输出激光。
34.波长合束（也称为光谱合束或简单的称为波长合成）是通过光束合成实现功率缩放领域中的一种技术。目的是将第一波段的光束和第二波段的光束合成在一起得到一个光束，这个光束具有非常高的功率并且尽量保持光束质量，因此激光的亮度得以提高。
35.可以理解的是，每个激光器单管射出的光束具有一定范围的波长，滤波片所能透过的光谱范围是可以根据需求选定的。第一激光器单管1.1射出的第一光束2.1被第一滤波片7.1滤出第一波段的第一光束2.1，沿第一方向前进，到达外腔镜8再按原路折返回到第一激光器单管1.1。第二激光器单管1.2被第二滤波片7.2滤出第二波段的第二光束2.2，沿第二方向前进，到达第一滤波片7.1后，被第一滤波片7.1反射，反射后的第二光束2.2沿第一方向传输，到达外腔镜8再按原路折返回到第二激光器单管1.2。两个滤波片允许透过的波段是不一致的，第二波段的第二光束2.2不能穿过第一滤波片7.1，只能被第一滤波片7.1反射。由于第一滤波片7.1还起到反射第二波段的第二光束2.2的作用，第一、第二波段就不能重叠或一致。如果第一、第二波段重叠或一致会使第二光束2.2部分或者全部透过第一滤波片7.1，导致第一滤波片7.1起不到全部反射第二光束2.2的作用，最终将不能波长合束或者波长合束效果不佳。
36.本实施例中，第一激光器单管1.1和第二激光器单管1.2都为半导体激光器。半导体激光器使用半导体材料作为增益介质。在增益介质的两端放置由外腔镜构成的谐振腔。外腔是指谐振腔为全外腔式结构，即第一激光器单管1.1、第二激光器单管1.2、滤波片和外腔镜8从空间上完全分开。光束在腔内增益介质中往返传播，每经过一次得到一次放大。在一个实施方式中，激光器单管为边发射激光器。
37.根据本发明实施例提供的外腔半导体激光器，利用第一、第二激光器单管、滤波片和外腔镜组成外腔，激光器单管使用半导体材料作为增益介质对光进行放大。本发明实施例利用两个激光器单管进行波长合束，获得高功率的激光光束，在整合两个激光器单管的功率的同时，使总体光束保持接近一个激光器单管的光束参数积，进而保持激光的光束质量并且提高激光光束的亮度。本发明实施例的激光器没有台阶结构的底板，能够减少激光器的体积。
38.在一个实施方式中，滤波片为带通滤波片。带通滤波片具有高折射率和低折射率镀膜相间的多层膜层，带通滤波片用于根据激光器单管的入射光束的不同入射角度，透过不同波段的光束。当滤波片为带通滤波片时，发明人发现波长合束的效果较好。
39.在一个实施方式中，激光器单管的第一端的前方配有准直透镜，激光器单管的第一端为透过部，激光器单管的第二端为反射部，激光器单管的第一端和第二端之间为结区；透过部用于使光束入射和出射；反射部用于反射光束，结区用于对光束进行振荡放大。激光器单管自身相当于一个矩形介质波导腔。结区由半导体材料制成，可以使用的半导体材料有很多种，可以根据实际的需要来设计，在此不做具体限定。结区的两个端面是晶体的天然解理面，该两表面极为光滑，可以直接用作平行反射镜面构成光学谐振腔。可选地，准直透镜为快轴准直透镜。透过部镀有增透膜，增透膜可以增加光的透过率。反射部镀有全反射膜。全反射膜可以使反射部有足够的反射率。
40.在一个实施方式中，外腔镜8为部分透过镜，部分透过镜用于将经过激光器单管射出的光束一部分反射，一部分透过输出激光。外腔镜8的位置可以调整，以保持外腔半导体激光器长期稳定输出激光。
41.在一个实施方式中，激光器单管的数量为n个，带通滤波片的数量为n个，带通滤波片具有n个通带；第k个激光器单管用于以第k个方向射出光束；第k个激光器单管的第一端的前方设置第k个带通滤波片；第k个带通滤波片用于将第k个激光器单管射出的光束滤出第k个波段的光束，并将第k+1个至第n个波段的光束反射后，以第k个方向射向第k-1个带通滤波片或者当k=1时射向外腔镜8，其中，n为大于2的正整数，k为小于等于n的正整数。n个激光器单管的底部所在的平面共面。
42.图5是本发明另一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。图2、图5所示的两个实施例的差别在于激光器单管和滤波片的数量不同。图5所示实施例中，激光器单管的数量为6个，滤波片的数量为6个。结合图3、图4所示，图5所示实施例中，滤波片为带通滤波片，可选地，这六个带通滤波片（7.1-7.6）具有相同的镀膜结构，该镀膜结构包括高折射率(nl=3)和低折射率(nh=1.7)相间的多层膜层。表1是一种带通滤波片的膜层结构。其中膜层序号为1的膜层挨着带通滤波片的基底，膜层序号为109的膜层挨着空气，dl为152.5nm，dh为86.4167nm，其中dl和dh表示低折射率层和高折射率层的厚度。
膜层序号厚度折射率膜层序号厚度折射率膜层序号厚度折射率膜层序号厚度折射率膜层序号厚度折射率1dhnh23dhnh45dhnh67dhnh89dhnh
2dlnl24dlnl46dlnl68dlnl90dlnl3dhnh25dhnh47dhnh69dhnh91dhnh4dlnl26dlnl48dlnl70dlnl92dlnl5dhnh27dhnh49dhnh71dhnh93dhnh6dlnl28dlnl50dlnl72dlnl94dlnl7dhnh29dhnh51dhnh73dhnh95dhnh8dlnl30dlnl52dlnl74dlnl96dlnl9dhnh31dhnh53dhnh75dhnh97dhnh10dlnl32dlnl54dlnl76dlnl98dlnl112*dhnh332*dhnh552*dhnh772*dhnh992*dhnh12dlnl34dlnl56dlnl78dlnl100dlnl13dhnh35dhnh57dhnh79dhnh101dhnh14dlnl36dlnl58dlnl80dlnl102dlnl15dhnh37dhnh59dhnh81dhnh103dhnh16dlnl38dlnl60dlnl82dlnl104dlnl17dhnh39dhnh61dhnh83dhnh105dhnh18dlnl40dlnl62dlnl84dlnl106dlnl19dhnh41dhnh63dhnh85dhnh107dhnh20dlnl42dlnl64dlnl86dlnl108dlnl21dhnh43dhnh65dhnh87dhnh109dhnh22dlnl44dlnl66dlnl88dlnl
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43.表1波长990nm980nm970nm960nm950nm940nm最大透过率入射角度41.6
°
46.7
°
51.7
°
56.8
°
62.3
°
68.3
°
表2表2示出了6个波长对应的带通滤波片具有最大透过率的入射角度。入射角度是激光器单管的光束入射的方向与滤波片法线之间的角度。图4示出了带通滤波片对不同波长的透过率随入射角度的变化。每一个波长位于一个波段内。每个波段是相离的。结合图5-图7所示，通过第一至第六激光器单管单管(1.1-1.6)摆放的位置和第一至第六滤波片 (7.1-7.6)摆放的角度使得，第k个滤波片使第k个激光器单管射出的光束透过的同时，反射由第k+1个至第6个的6-k个激光器单管的光束。而第k个激光器单管的光束在对应的第k个滤波片处透射，再由第1个至第k-1个共k-1个滤波片处反射。反射是在镀膜结构的表面上反射的。当第k个滤波片使第k个激光器单管射出的光束透过时，第k个激光器单管射出的光束可以先穿过第k个滤波片具有镀膜结构的一面，也可以先穿过第k个滤波片没有镀膜结构的一面，滤波片的摆放没有限定。
44.例如，结合图5-图7所示，第一滤波片7.1与第一激光器单管1.1成68
°
的入射角度，使得940nm波长的第一光束2.1能够从第一激光器单管1.1发出后透射，到达外腔镜8后被反射返回第一激光器单管 1.1，从而将第一激光器单管1.1锁定在940nm波长上。而后5个激光器单管即第二至第六激光器单管(1.2-1.6)的第二至第六光束(2.2-2.6)会被第一滤波片7.1反射并到达外腔镜8。
45.第六滤波片7.6与第六激光器单管1.6成42
°
的入射角度，使得990nm波长的第六光束2.6能够从第六激光器单管1.6发出后透射。而第六光束2.6在透过第六滤波片7.6后，被前5个滤波片即第一至第五滤波片（7.1-7.5）反射，到达外腔镜8再被前5个滤波片即第一至第五滤波片（7.1-7.5）反射，透过第六滤波片7.6并返回第六激光器单管1.6，从而使第六激光器单管1.6锁定在990nm波长上。
46.其他滤波片和激光器单管的光路走向的原理同上，此处不再赘述。
47.从图6可以看出，第k个激光器单管射入第k个滤波片的光束，当k不同时，入射角度也不同。
48.根据图5所示实施例提供的外腔半导体激光器，利用第一至第六激光器单管、滤波片和外腔镜组成外腔，激光器单管使用半导体材料作为增益介质对光进行放大。本发明实施例利用六个激光器单管进行波长（940nm，950nm，960nm，970nm，980nm，990nm）合束，获得更高功率的激光光束，在整合六个激光器单管的功率的同时，使总体光束保持接近一个激光器单管的光束参数积，进而保持激光的光束质量并且提高激光光束的亮度。
49.图8是本发明又一实施例提出的外腔半导体激光器的结构示意图。图8所示实施例与图5所示实施例的区别在于第二至第六滤波片（7.2-7.6）的摆放角度不同。换言之，以激光器单管的底部所在平面作为参考，两个实施例中，第二至第六滤波片（7.2-7.6）滤波片的偏航角不一致。由此，第二至第六激光器单管（1.2-1.6）的位置也不一样，可以根据实际需要来设定。
50.结合图8-图10所示，第一至第六激光器单管单管(1.1-1.6)摆放的位置和第一至第六滤波片 (7.1-7.6)摆放的角度使得，第k个滤波片使第k个激光器单管射出的光束透过的同时，反射由第k+1个至第6个的6-k个激光器单管的光束。而第k个激光器单管的光束在对应的第k个滤波片处透射，再由第1个至第k-1个共k-1个滤波片处反射。
51.例如：第一滤波片7.1与第一单管1.1成68
°
的入射角度，使得940nm波长的第一光束2.1能够从第一激光器单管1.1发出后透射，到达外腔镜8后被反射返回第一激光器单管1.1，从而将第一激光器单管1.1锁定在940nm波长上。而后5个激光器单管即第二至第六激光器单管(1.2-1.6)的第二至第六光束(2.2-2.6)会被滤波片7.1反射并到达外腔镜8。
52.第六滤波片7.6与第六激光器单管1.6成42
°
的入射角度，使得990nm波长的第六光束2.6能够从第六激光器单管1.6发出后透射。而第六光束2.6在透过第六滤波片7.6后，被前5个滤波片即第一至第五滤波片(7.1-7.5)反射，到达外腔镜8再被前5个滤波片即第一至第五滤波片(7.1-7.5)反射，透过第六滤波片7.6并返回第六激光器单管1.6，从而使第六激光器单管1.6锁定在990nm波长上。
53.根据图8所示实施例提供的外腔半导体激光器，利用第一至第六激光器单管、滤波片和外腔镜组成外腔，激光器单管使用半导体材料作为增益介质对光进行放大。本发明实施例利用六个激光器单管进行波长（940nm，950nm，960nm，970nm，980nm，990nm）合束，获得更高功率的激光光束，在整合六个激光器单管的功率的同时，使总体光束保持接近一个激光器单管的光束参数积，进而保持激光的光束质量并且提高激光光束的亮度。
54.需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
55.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
57.在本发明的描述中，术语“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
58.流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。
59.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
60.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。