用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于半导体激光技术领域，尤其涉及一种用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置。
【背景技术】
[0002]碱金属蒸汽激光器(DPAL)是以碱金属原子饱和蒸汽作为增益介质，利用其外层价电子能级跃迀实现激光作用的典型的三能级气体激光器，具有量子效率高、气体介质可循环流动散热、近红外原子谱线大气透过性好、全电操作、结构紧凑等特点，可克服大功率气体激光器体积重量庞大、固体激光器热效应严重、半导体激光器光束质量较差等问题，近年来，DPAL受到越来越多的关注和研究，有望发展成为新一代高能激光光源。
[0003]碱金属原子吸收波长和高功率半导体激光器发射波长之间的关系如图1所示，Na、K、Rb、Cs 分别对应 589.3nm、671.0nm^766.3nm、780.0nm 和 852.2nm，目前高功率半导体激光器覆盖的波长范围为750nm?llOOnm，可以满足K、Rb和Cs原子的栗浦要求，因此现阶段主要针对钾、铷和铯蒸汽激光器展开研究。
[0004]为了获得好的栗浦效果，栗浦光源的光谱与碱金属蒸汽的吸收光谱严格匹配。而根据碱金属蒸汽激光器能带跃迀原理，它的吸收谱宽非常窄(碱金属原子的多普勒线宽只有0.0Olnm)，即使在充入高压缓冲气体后，吸收谱宽也仅为数十GHz (0.05nm量级)，如图2所示，模拟分析不同压力下，碱金属Cs蒸汽输出功率与栗浦源线宽的关系:随着线宽的增加，输出激光功率急剧下降。因此要求栗浦光源:激光功率高、光谱线宽窄、激光波长与吸收波长匹配。而自由运转的半导体激光器线宽通常在2-4nm。因此为了将半导体栗浦源的发射谱与碱金属原子的吸收谱相匹配，必须压窄半导体激光栗浦源输出线宽，并使其中心波长稳定。
[0005]目前市场上的高功率、窄线宽半导体激光源主要采用反射式体布拉格光栅(VBG)外腔反馈实现，VBG是一种通过激光全息技术，在光热敏折变玻璃上的一个特定方向上实现折射率周期性调制的光栅，它对特定波长、特定角度入射的光束具有选择衍射作用。如反射式的VBG，当光束沿着特定方向传播并满足布拉格条件时，VBG会选择特定波长范围的光束反射，利用该种方式，将该VBG置于准直后的半导体激光芯片前方，与激光芯片构成谐振腔，在VBG选择性反馈作用下，激光器的波长就被稳定在特定波长处。
[0006]为了使各个半导体激光单元输出激光中心波长完全一致，考虑到VBG本身的差另lj，VBG结构对每一个VBG配备独立温控，以此调节VBG的衍射波长，从而控制每个激光器的谐振波长，达到输出波长一致的目的。但是我们也不难发现该结构中每个半导体激光器前端都需配备独立的VBG，这使得光源的成本非常高。
【发明内容】
[0007]为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，该装置利用窄带滤光片的光谱选择特性和光谱-角度调谐特性，通过外腔反馈筛选振荡激光模式，获得中心波长可调谐和光谱线宽窄的激光输出。
[0008]本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
[0009]用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，该装置包括:半导体激光器、准直组件、窄带滤光片和外腔镜；半导体激光器输出光束经过准直组件准直，然后以一定角度Θ入射到窄带滤光片，经过窄带滤光片后，再入射到外腔镜，一部分光束经过外腔镜前表面反射，沿原路返回，依次经过窄带滤光片和准直组件，返回到半导体激光器内，通过半导体激光器后腔面反射，再次经过准直组件、窄带滤光片和外腔镜；另一部分光束经过外腔镜直接输出。
[0010]本发明的有益效果是:1)结构简单，本发明采用单片窄带滤光片实现多个激光单元的光谱调节和窄化，无需独立温控，无论从装调还是系统控制方面都具有明显优势；2)制造成本低，相对于需要做特殊结构的VBG，窄带滤光片直接在平面玻璃基底上镀多层介质膜即可实现，生产工艺相对简单易行；3)元件激光损伤阈值更高，相对于光栅需要进行刻蚀存在缺陷，容易被高能激光打坏，窄带滤光片的表面光洁度高，可满足高功率激光的功率应用；4)光谱调谐方便，直接旋转窄带滤光片的入射角度即可，无需另外的加热控制。基于上述优势，本专利发明技术对于高性能的碱金属蒸汽激光器的发展具有重要推动作用。
【附图说明】
[0011]图1碱金属原子栗浦波长和半导体激光器波长覆盖范围关系。
[0012]图2不同压力下，碱金属Cs蒸汽输出功率与栗浦源线宽的关系。
[0013]图3本发明用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置结构示意图。
[0014]图4本发明窄带滤光片在入射角时的光谱曲线。
[0015]图5本发明窄带滤光片中心波长随角度变化曲线。
[0016]图6本发明一维功率扩展示意图。
[0017]图7本发明二维功率扩展示意图。
[0018]图中:1、半导体激光器，11、激光器后腔面，12、激光器前腔面，2、准直组件，22、快轴准直镜，23、慢轴准直镜，24、扩束组件，3、窄带滤光片，4、外腔镜，41、外腔镜前表面，42、外腔镜后表面，5、一维堆叠激光阵列，6、二维堆叠激光阵列，71、光束一，72、光束二，73、光束三，74、光束四，75、光束五和76、光束六。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
[0020]如图3所示，激光器后腔面11和外腔镜前表面41构成激光谐振腔的前后腔面，半导体激光器I输出光束一 71经过准直组件2准直后，输出准直光束二 72以一定角度θ
射到窄带滤光片3上，经过窄带滤光片3的选模作用，只有满足光谱条件的光能够透过形成光束三73，光束三73入射到外腔镜前表面41，只有垂直于外腔镜前表面41的光能够被反射回到半导体激光器1，其他角度的光被过滤，有效返回的光束四74再次经过窄带滤光片3选模作用，形成光束六76，其光谱被进一步窄化，并经过准直组件2返回到半导体激光器I)形成有效振荡，外腔镜4经过外腔镜后表面42输出的光束五75形成激光输出。在一个谐振循环周期中，需经过三次选模作用，分别为光束三73、光束四74和光束六76，其中光束三73和光束六76均由窄带滤光片3作用，同时进行波长和角度的双重筛选，光束四74为角度筛选，只有垂直入射到外腔镜4或入射角度非常小的光才能形成有效反馈，经过三次选模作用，从而保证光束五75的窄线宽。其中，半导体激光器前腔面12镀光谱增益范围内反射率小于0.5%的高增透膜；半导体激光器后腔面11镀光谱增益范围内反射率大于95%的高反膜。窄带滤光片3为透射式的衍射光栅或为镀多层介质膜的滤光片。外腔镜前表面41镀反射率为3%?10%的部分反射膜，后表面42镀高増透膜，在半导体激光芯片光谱增益范围内反射率小于0.1%。
[0021]图4为窄带滤光片在入射角Θi对应的透射光谱，其光谱宽度是决定整个输出激光谱谱宽的重要参数，为了实现窄光谱输出，其谱宽A λ (半高全宽)一般小于0.lnm，中心波长的透过率大于99%。
[0022]图5为窄带滤光片透射光谱的中心波长随入射角度的变化关系，两者近似呈线性关系，通过旋转角度Θ i，调节透射光谱的中心波长，达到调谐激光光谱的目的。
[0023]图6将半导体激光器I进行一维激光合束，一维堆叠激光阵列5通过准直组件2后，由共同的窄带滤光片3及外腔镜4可实现整体的激光窄化，无需对每个激光单元光谱进行单独控制。其中准直组件2可能包括快轴准直镜22、慢轴准直镜23及扩束组件24。
[0024]图7将半导体激光器I进行二维激光合束，二维堆叠激光阵列6通过准直组件2后，由共同的窄带滤光片3及外腔镜4可实现整体的激光窄化，无需对每个激光单元光谱进行单独控制。
【主权项】
1.用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，该装置包括:半导体激光器、准直组件、窄带滤光片和外腔镜；半导体激光器输出光束经过准直组件准直，然后以一定角度Θ入射到窄带滤光片，经过窄带滤光片后，再入射到外腔镜，一部分光束经过外腔镜前表面反射，沿原路返回，依次经过窄带滤光片和准直组件，返回到半导体激光器内，通过半导体激光器后腔面反射，再次经过准直组件、窄带滤光片和外腔镜；另一部分光束经过外腔镜直接输出。2.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述半导体激光器的后腔面与外腔镜的前表面构成谐振腔。3.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述半导体激光器前腔面镀光谱增益范围内反射率小于0.5%的高增透膜；半导体激光器后腔面镀光谱增益范围内反射率大于95%的高反膜。4.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述窄带滤光片为透射式的衍射光栅或为镀多层介质膜的滤光片，有效透射光谱带宽小于0.lnm，透过中心波长随入射角Θ呈近似线性变化，中心波长的透过率大于99%。5.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述外腔镜前表面镀反射率为3%?10%的部分反射膜，后表面镀高増透膜，在半导体激光芯片光谱增益范围内反射率小于0.1%。6.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述半导体激光器为一维堆叠激光阵列或二维堆叠激光阵列。7.根据权利要求1所述的用于碱金属蒸汽激光器栗浦的半导体激光光源输出装置，其特征在于，所述准直组件为快轴准直镜、慢轴准直镜及扩束组件。
【专利摘要】用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置属于半导体激光技术领域，该装置包括：半导体激光器、准直组件、窄带滤光片和外腔镜；半导体激光器输出光束经过准直组件准直，然后以一定角度θ入射到窄带滤光片，经过窄带滤光片后，再入射到外腔镜，一部分光束经过外腔镜前表面反射，沿原路返回，依次经过窄带滤光片和准直组件，返回到半导体激光器内，通过半导体激光器后腔面反射，再次经过准直组件、窄带滤光片和外腔镜；另一部分光束经过外腔镜直接输出。本发明无需独立温控，结构简单，光谱调节方便，对于高性能的碱金属蒸汽激光器的发展具有重要推动作用。
【IPC分类】H01S3/23, H01S3/0941, H01S3/227, H01S3/08
【公开号】CN105048279
【申请号】CN201510457853
【发明人】张俊, 彭航宇, 宁永强, 王立军
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2015年7月30日