CN103887707B - 一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器 - Google Patents

Abstract

一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器，其在半导体增益元件外部搭建外谐振腔，外谐振腔内依次设置准直光学元件、光谱色散元件和耦合输出镜。半导体增益元件包含数个呈直线平行排列的有源增益区，在每个有源增益区的一侧镀有对激光波长高反射率的膜层，另一侧镀有对激光波长高透过率的膜层。准直光学元件位于半导体增益元件镀有高透过率膜层一侧的后方，其中心光轴方向与所述半导体光学增益元件发射出光束的中心光轴重合。光谱色散元件以一定角度放置于准直光学元件的后方。耦合输出镜沿光束传播方向位于所述光谱色散元件的后方。本发明改善了激光震荡的模式，在不影响激光光束质量的前提下有效地提高了激光器的输出功率。

Description

一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器

技术领域

本发明涉及一种外腔半导体激光器功率扩展技术，更具体地说，涉及一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器。

背景技术

激光由于其亮度高、单色性好、准直和聚焦性能好，已在科学研究、军事国防、工业加工、天文观测和信息传播等领域得到了广泛的应用。激光的光束质量是描述激光传播过程中聚焦和准直能力的参数，高光束质量的激光在聚焦后会得到更小的光斑、在准直后会获得更小的远场发散角，因此在实际应用中，高光束质量的激光一直是人们追求的方向。但随着激光器输出功率的增加，诸如热效应等因素会逐渐被放大，从而影响激光的光束质量，因此激光器的光束质量与功率一直是相互对立的存在，在研制激光器时必须衡量实际应用的利弊，对这两个参数进行权衡。

半导体激光器与其他类型的激光器（如气体激光器、固体激光器）相比，具有电光效率更高（无光纤耦合损耗或二次泵浦损耗），成本低（无价格高昂的大功率传能光纤）等优点，但其光束质量随着激光输出功率的增加会严重恶化，如何在保持光束质量的前提下有效扩展半导体激光器的输出功率，一直是本领域研究的热点。

半导体激光阵列（巴条）技术是一种很方便的半导体激光器功率扩展技术，其原理就是将数个半导体发光单元平行排列在基底上，以使激光器的输出功率随发光单元数目线性增加，但由于用这种方法得到的激光光束近场波面被分割，因此其光束质量很差，无法有效的应用于光纤耦合以及焊接、切割等需要高光束质量激光的技术领域。因此，如何在扩展半导体激光器阵列的输出功率时，有效保障其光束质量是一个迫切需要解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种利用外腔半导体激光器功率扩展技术，获得具有大功率高光束质量激光的半导体激光器。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器，其在半导体增益元件外部搭建外谐振腔，所述外谐振腔内依次设置准直光学元件、光谱色散元件和耦合输出镜，所述半导体增益元件包含数个呈直线平行排列的有源增益区，在每个有源增益区的一侧镀有对激光波长高反射率的膜层，另一侧镀有对激光波长高透过率的膜层，所述准直光学元件位于所述半导体增益元件镀有高透过率膜层一侧的后方，其中心光轴方向与所述半导体光学增益元件发射出光束的中心光轴重合，所述光谱色散元件以一定角度放置于所述准直光学元件的后方，所述耦合输出镜沿光束传播方向位于所述光谱色散元件的后方。

所述准直光学元件是由选自柱透镜、微透镜阵列或球面透镜中至少两种组成的透镜组。

所述准直光学元件是由柱透镜和球面透镜组成的透镜组，将所述光学增益元件发射出的光束聚焦，使每个有源增益区所发出的聚焦后的传播方向都略有不同，但焦点位置相同。

所述准直光学元件是由柱透镜、微透镜阵列和球面透镜组成的透镜组，将所述光学增益元件发射出的光束准直为平行光，通过所述球面透镜使光束聚焦，并且使每个有源增益区所发出的光束准直后的传播方向都略有不同。

所述光谱色散元件，以一定角度放置于聚焦光学元件的后方焦平面处，将所有沿不同传播方向的光束耦合为一束沿光轴方向传播的光束。所述光谱色散元件优选闪耀光栅。

所述耦合输出镜选用平面镜或凹面镜，镜面镀有约为80%透过率的膜层。

所述半导体增益元件材料为(InGa)(AsP)/InP，其有源增益区的形状为锥筒形。

与现有技术相比，本发明通过在半导体增益元件外部搭建外谐振腔，以改善激光震荡的模式，并通过在外谐振腔内插入光谱色散元件，在不影响激光光束质量的前提下有效地提高了激光器的输出功率。致使高光束质量的激光在聚焦后能够得到更小的光斑、在准直后将获得更小的远场发散角，从而可有效的应用于光纤耦合以及焊接、切割等需要高光束质量激光的技术领域，扩大了半导体激光器的应用范围。

附图说明

图1是本发明的一个实施例，具有大功率高光束质量激光的半导体激光器结构及光路示意图，图中半导体增益元件1的有源增益区仅示例性的画了5个（未全画出），意在示出其排列和形状；

图2是本发明的另一个实施例，具有大功率高光束质量激光的半导体激光器结构及光路示意图，图中半导体增益元件1的有源增益区仅示例性的画了5个（未全画出），意在示出其排列和形状。

图中的附图标记：

1、1'-半导体增益元件；2、5-准直光学元件；2a-柱透镜；

2b、5b-球面透镜；3、3'-闪耀光栅；4、4'-耦合输出镜；

5a-微透镜。

具体实施方式

本发明具有大功率高光束质量激光的半导体激光器，采用在实现光束整形的同时，将半导体激光器阵列各发光单元的光耦合为一束激光输出的方法，极大地改善了激光器的光束质量，解决了现有光束整形技术不能改变半导体激光器阵列光束空间被割裂的特性。

本发明半导体激光器包括半导体增益元件、准直光学元件、光谱色散元件和耦合输出镜。根据本发明实施例，其中所述半导体增益元件1、1'包含数个有源增益区，所述数个有源增益区呈直线平行排列，在外加电流的激励下，每个有源增益区都会产生一定线宽的激光增益。所述有源增益区的一侧镀有对激光波长高反射率（反射率T>90%）的膜层，另一侧镀有对激光波长高透过率（反射率T<10%）的膜层。所述准直光学元件2、5位于所述半导体光学增益元件镀有高透过率膜层一侧的后方，其中心光轴方向与所述报道提光学增益元件发射出光束的中心光轴重合，其作用是可将所述光学增益元件发射出的光束聚焦，使每个有源增益区所发出的聚焦后的传播方向都略有不同，但焦点位置相同，或者可将光学增益元件发射出的光束准直为平行光，通过球面透镜使光束聚焦，并且使每个有源增益区所发出的光束准直后的传播方向都略有不同。所述光谱色散元件，特别是闪耀光栅3、3'，以一定角度放置于准直光学元件的后方，其作用是将所有沿不同传播方向的光束耦合为一束沿光轴方向传播的光束。所述耦合输出镜4、4'沿光束传播方向位于所述光谱色散元件的后方，其作用是将光束的部分能量投射输出，部分能量反射回整个激光系统，从而在所述半导体增益元件1、1'的增益光谱范围内，形成多个波长激光震荡。

实施例一：

图1示出本发明实施例一具有大功率高光束质量激光的半导体激光器结构及光路。在本实施例中，半导体增益介质为(InGa)(AsP)/InP，其半导体增益元件1中包含19个有源增益区，每个有源增益区的形状均为锥筒形，以减少其输出激光的横模，从而获得更好的光束质量。其后表面镀有对940nm±5nm的高反射率膜，其前表面镀有对940nm±5nm的高透过率膜。耦合输出镜4'为镀有80%透过率膜层的凹面镜，有源增益区发出的光束经过柱透镜2a和球面透镜2b分别对快轴与慢轴进行准直后，被球面透镜2b聚焦到闪耀光栅3上，被反射后，光束被耦合输出镜4部分透射输出，部分反馈震荡。如果利用闪耀光栅3的1级衍射，其闪耀角θs由下式确定：

其中λ为输出激光的中心波长，d为光栅的空间周期，θ₀为激光的入射角度，sin与arcsin分别为正弦与反正弦运算符号。

由于闪耀光栅对不同波长的激光反射率略有不同，因此每个有源增益区对应的激光震荡波长也随每个有源增益区的空间位置存在线性的差异，因此最终的激光输出将形成梳状的光谱分布。整个系统相当于19个子激光系统的空间叠加，从而可以有效的扩展激光的输出功率，而不会恶化其光束质量。

实施例二：

图2示出本发明实施例二具有大功率高光束质量激光的半导体激光器结构及光路。在本实施例中，半导体增益介质为(InGa)(AsP)/InP，其半导体增益元件1'中包含19个有源增益区，每个有源增益区的形状均为锥筒形，以减少其输出激光的横模，从而获得更好的光束质量。其后表面镀有对940nm±5nm的高反射率膜，其前表面镀有对940nm±5nm的高透过率膜。耦合输出镜4为镀有80%透过率膜层的平面镜，有源增益区发出的光束经过微透镜5a准直后，被球面透镜5b聚焦照射到闪耀光栅3'上，被反射后被耦合输出镜4'部分透射输出、部分反馈震荡。如果利用闪耀光栅3'的1级衍射，其闪耀角θs由下式确定：

其中λ为输出激光的中心波长，d为光栅的空间周期，θ0为激光的入射角度，sin与arcsin分别为正弦与反正弦运算符号。

由于闪耀光栅对不同波长的激光反射率略有不同，因此每个增益区对应的激光震荡波长也随每个增益区的空间位置存在线性的差异，因此最终的激光输出将形成梳状的光谱分布。整个系统相当于19个子激光系统的空间叠加，因此可以有效的扩展激光的输出功率，而不会恶化其光束质量。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种具有大功率高光束质量激光的半导体激光器，其特征在于，在半导体增益元件外部搭建外谐振腔，所述外谐振腔内依次设置准直光学元件、光谱色散元件和耦合输出镜，所述半导体增益元件包含数个呈直线平行排列的有源增益区，在每个有源增益区的一侧镀有对激光波长高反射率的膜层，另一侧镀有对激光波长高透过率的膜层，有源增益区的形状为锥筒形；所述准直光学元件位于所述半导体增益元件镀有高透过率膜层一侧的后方，其中心光轴方向与所述半导体光学增益元件发射出光束的中心光轴重合，所述准直光学元件是由柱透镜和球面透镜组成的透镜组或微透镜和球面透镜组成的透镜组；所述光谱色散元件以一定角度放置于所述准直光学元件的后方，所述耦合输出镜沿光束传播方向位于所述光谱色散元件的后方。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述准直光学元件是由柱透镜和球面透镜组成的透镜组，将所述光学增益元件发射出的光束聚焦，使每个有源增益区所发出的聚焦后的传播方向都略有不同，但焦点位置相同。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述准直光学元件是由微透镜和球面透镜组成的透镜组，将所述光学增益元件发射出的光束准直为平行光，通过所述球面透镜使光束聚焦，并且使每个有源增益区所发出的光束准直后的传播方向都略有不同。

4.根据权利要求2或3所述的半导体激光器，其特征在于，所述光谱色散元件以一定角度放置于聚焦光学元件的后方焦平面处，将所有沿不同传播方向的光束耦合为一束沿光轴方向传播的光束。

5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述光谱色散元件为闪耀光栅。

6.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述耦合输出镜为平面镜，镜面镀有约为80％透过率的膜层。

7.根据权利要求5所述的半导体激光器，其特征在于，所述耦合输出镜为凹面镜，镜面镀有约为80％透过率的膜层。

8.根据权利要求7所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体增益元件材料为(InGa)(AsP)/InP。