CN102549858A - 具有角度选择性反馈的垂直腔表面发射激光器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光器件，其包括至少一个大面积VCSEL（101）以及至少一个光学反馈元件（201，301），所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈。对于以相对于激光器的光轴（601）的角度θ>0发射的激光辐射的至少一部分而言，与针对在所述光轴（601）上发射的激光辐射相比，所述角度选择性反馈更高。本发明也涉及一种将大面积VCSEL的激光发射稳定在希望的角度分布（501，502）下的方法。利用所提出的器件和方法，可以将大面积VCSEL的强度分布稳定在希望的形状，例如环形形状。

Description

具有角度选择性反馈的垂直腔表面发射激光器件
技术领域
本发明涉及一种激光器件，该激光器件包括至少一个大面积垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以及至少一个光学反馈元件，所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈。本发明还涉及一种通过角度选择性光学反馈稳定化大面积垂直腔表面发射激光器的激光发射的方法。
背景技术
高功率二极管激光器表现出越来越多地应用于像切割、熔接（weld）或焊接（solder）那样的材料处理中以及应用于医学中。此外，垂直腔表面反射激光器现在每器件达到更高的输出功率并且以2维阵列形式提供容易的可扩展性。
激光器的发射通常在高斯模式方面进行描述，并且大多数激光器被设计成具有基本的高斯强度分布。然而，对于许多激光应用而言，尤其是在材料处理或医疗应用中，在工作平面中需要不同的强度分布，例如顶帽圆形或矩形形状或者环形结构。可以应用包括一个或若干个透镜阵列以及至少一个傅立叶透镜的光束均化器以便将激光束定形为希望的强度分布，但是在光束中必须小心对准。此外，由于激光束的相干性的原因，可能出现不希望的伪像。此外，环形剖面（profile）只能由光束均化器以显著的功率损耗实现。特别地，这样的环形形状的强度剖面在材料处理和医疗应用中可能是有利的。例如，环形剖面可以用在塑料熔接中以便避免在圆形熔接缝上扫描激光束。另一个实例是具有高热导率的材料的加热。如果使用的激光束具有顶帽强度分布，那么由于边缘更佳的冷却的原因，工件表面上的温度分布的峰值在中间。利用匹配环形形状的激光束，可以避免中间的峰，从而均匀地加热圆形区域。
已知发射高斯模式的小面积VCSEL。更高的输出功率可以通过更大的有源区域实现，然而发射改变为由傅立叶模式最佳地描述的分布。利用这样的大面积VCSEL，激光辐射的发射角度依赖于腔谐振的去谐和光学增益峰，也依赖于若干标准具效应。大面积VCSEL倾向于主要在一个或多个截然不同的角度内发射，这些角度非常灵敏地依赖于温度、驱动电流和激光器的设计。然而，这种依赖性导致远场随着电流或温度的变化而移动，因为去谐会改变。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以容易地被设计成发射在远场中具有希望的和稳定化的强度分布的激光辐射的激光器件，以及一种用于将垂直腔表面发射激光器的激光发射稳定在希望的角度分布下的方法。
这个目的是利用依照权利要求1和14的激光器件和方法来实现的。激光器件和方法的有利实施例是从属权利要求的主题，或者在说明书的后续部分中加以描述。
所提出的激光器件包括至少一个具有光轴的大面积垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以及至少一个光学反馈元件，所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈。对于以相对于所述光轴的角度θ>0发射的激光辐射的至少一部分而言，与针对在所述光轴上发射的激光辐射相比，反馈元件提供的角度选择性反馈更高。
因此，本发明建议使用一个或若干个大面积VCSEL并且通过应用角度选择性反馈将这些VCSEL的发射稳定在希望的角度分布下。大面积VCSEL是其中激光发射由傅立叶模式主导的VCSEL。这样的大面积VCSEL典型地具有≥80μm2、优选地≥300μm2的发射面积。尽管对于光轴上发射的激光辐射稳定化小面积VCSEL的单一基模是已知的，本发明的发明人惊奇地发现，对于大范围的驱动电流和温度，发射角度>0处的角度选择性反馈为大面积VCSEL产生稳定的发射型式。利用该角度选择性反馈，激光器的远场中的角度强度分布可以容易地适于相应的应用。因此，有可能设计这样的激光器件以便例如发射具有在若干应用中优选的环形形状的强度分布或强度剖面的激光束。这样的激光器件的远场对于整个范围的驱动电流和不同温度表现出出色的稳定性。
所述光学反馈元件可以由元件的组合（例如透镜和镜的组合）形成，其中镜必须对于发射的激光辐射部分地透明。反馈元件也可以由一个单一元件组成，该单一元件对于激光辐射提供角度选择性光学反馈。该角度选择性光学反馈可以通过具有空间调制反射率的反射表面或者通过其他效应，尤其是针对不同角度的激光发射的不同成像条件来实现。这样的不同成像条件可以例如使用具有至少一个自由形状表面的光学元件实现，该表面被定形为仅仅将部分激光辐射向后反射到内激光腔中，对于该内激光腔而言，反馈是所希望的。
在一个优选的实施例中，角度选择性光学反馈被设计成使得环形形状的强度分布在激光器件的远场中是稳定化的。这需要这样的反馈元件，该反馈元件被设计成：对于发射的激光辐射的环形形状的角度分布而言，与针对其余部分相比，提供更高的反馈。
反馈元件以及VCSEL的外耦合镜优选地被设计成使得外耦合镜以及反馈元件的提供更高反馈的表面部分的反射率的乘积大于98%，优选地大于99%，更优选地大于99.5%。
反馈可以被选择成对于位于较小的角度θ1与较大的角度θ2之间的角度θ范围（所有这些角度>0）是更高的。反馈也可以仅仅对于以这样的角度θ发射的激光辐射的部分是更高的，即不对于光轴周围的整个环形形状是更高的，例如仅仅对于一个或若干个斑点状区域是更高的。更高光学反馈的区域的分布依赖于远场中的希望的强度分布。
反馈元件的优选的实例是具有空间结构化或调制反射率的曲面镜，具有空间结构化或调制反射率的平面镜和透镜的组合，平面镜和具有球面像差的一个透镜的组合，光栅或者棱镜。反馈元件或者反馈元件的部件可以在单独的像玻璃或塑料那样的光学材料上提供，即通过外部元件提供，或者可以在接合到激光器衬底的像玻璃或塑料那样的光学材料上实现。反馈元件或者其部件也可以在直接接合到激光器结构或者可以集成到激光器衬底中的像玻璃或塑料那样的光学材料上实现。反馈元件或者其部件也可以在激光器的外延层上实现。
利用所提出的方法，对于以相对于光轴的角度>0发射的激光辐射而言，与针对光轴上发射的激光辐射的基模相比，在这样的轴上模式通过相应光学反馈稳定化的情况下有可能实现更高的稳定化。轴上发射可以通过成丝作用（filamentation）更容易地影响，而大角度相对于增益介质或者内腔的小的不均匀性更加鲁棒。特别地，更高的稳定化意味着激光器在驱动电流和温度方面的更大的操作范围。
在一个有利的实施例中，利用另外的光学器件将这样稳定化的强度分布转换成高斯状分布以便在远场中实现这样的具有高稳定性的强度分布。为此目的，需要具有至少两个自由形状表面的光学器件以便例如将环形形状的稳定化光学强度分布转换成高斯状强度分布。利用这样的措施，可以对于大面积VCSEL实现非常高稳定性的高斯状强度分布，这在试图通过光学反馈稳定化轴上辐射时是不可能的。
附图说明
在下文中，通过实例的方式结合附图描述所提出的激光器件和相应的方法，附图没有限制如权利要求书所限定的保护范围。附图示出
图1 依照本发明的激光器件的第一实例；
图2 依照本发明的激光器件的第二实例；
图3 依照本发明的激光器件的第三实例；
图4 依照本发明的激光器件的第四实例；
图5 依照本发明的激光器件的第五实例；
图6 依照本发明的激光器件的第六实例；
图7 依照本发明的激光器件的第七实例；
图8 依照本发明的激光器件的第八实例；
图9 依照本发明的激光器件的第九实例；
图10 依照本发明的激光器件的第十实例；
图11 依照本发明的激光器件的第十一实例；
图12 依照本发明的激光器件的第十二实例；以及
图13 激光器件的不同光束剖面的实例。
具体实施方式
图1示出了所提出的激光器件的第一实例。该激光器件包括在光学透明衬底102上的大面积VCSEL 101。反馈元件由双凸球面透镜201和对于激光辐射部分地透明的平面镜301的组合形成。在该实例中，双凸透镜具有焦距f=25mm和直径22.4mm。平面镜301具有反射率R=50%。透镜201和平面镜301被设置，形成近乎镜像的自成像配置中的外腔，即激光器的有源层与透镜之间的光学距离401以及透镜与镜之间的光学距离402近似等于透镜焦距f。
由于透镜201的球面像差的原因，只有在相对于光轴601的合适角度下发射的光被理想地准直。在从外部镜310反射之后，光被反馈至激光器的有源区中，从而降低激光阈值。因此，VCSEL开始在优选地由外部谐振器控制且在所有操作电流和大的温度范围上稳定的环形模式下产生激光。这如图1中所绘出的在远场中导致环形形状的强度分布501（环形形状的光束剖面）。通过改变VCSEL 101与透镜201之间的距离401，可以改变环的尺寸或半径，其仅镜或者透镜的孔径限制。由于大面积VCSEL腔的大的菲涅耳数的原因，几何光学足以描述该谐振器。因此，光线追迹程序可以用来容易地设计外部反馈以便在远场中实现希望的强度分布。
为了实现最佳的光束稳定化和最高的输出功率，应当选择VCSEL外耦合镜与外部镜（在当前实例中即镜301）之间的合适的反射率比值。外耦合镜的反射率可以介于0.1%与99.95%之间，优选地介于10%与99.5%之间，更优选地介于70%与95%之间。反馈镜的反射率应当介于5%与99.5%之间，优选地介于10%与95%之间，更优选地介于30%与90%之间，使得这两个反射率的乘积大于98%，优选地大于99%，更优选地大于99.5%。在最简单的情况下，外耦合镜的反射率被选择成使得器件在没有外部反馈的情况下根本不产生激光，并且使用转移矩阵方法通过考虑VCSEL镜和衬底中的吸收来匹配外部镜的反射率以便最大化输出功率。
图2示出了所提出的激光器件的另一实例。在该实例中，代替平面镜301的是，将球面镜302设置在球面透镜201之后的距离403处。同样在该实例中，外部自成像腔由球面透镜201和球面镜302形成。对于多个器件而言，自成像允许实现单个外腔。模式可以通过球面镜302的反射率的空间调制进行控制，即通过反射涂层303和/或通过不用于反馈的其余区域中的防反射涂层进行控制。透镜201与外部镜302之间的距离403优选地等于透镜201的焦距f与镜的曲率半径之和。
图3示出了依照本发明的激光器件的另一实例。外部镜成像腔由非球面透镜202和具有空间结构化反射率的平面镜301形成。由于非球面透镜202的原因，所述腔支持所有发射角度，并且激光模式可以通过平面镜反射率的空间调制进行控制，即通过适当的反射涂层303和/或通过不用于反馈的其余区域中的防反射涂层进行控制。
在以上和以下实例中，所绘出的远场中的环形形状的强度分布501、502由于用于该环形形状的激光模式的反馈与其他激光模式相比更高的原因而被产生。
图4示出了所提出的具有接合到衬底102上的透镜203的混合集成的激光器件的实例。反馈元件由该集成的透镜203和外部镜301形成。像图1的布置那样工作的该布置仍然允许通过改变透镜203与外部镜301之间的距离402而调整发射或光束剖面。
图5示出了所提出的激光器件的另一实例。在该实例中，将在其表面上具有由反射涂层303实现的结构化反射率的球面镜203接合到激光器件的衬底102。镜曲率与VCSEL 101的有源层和该外部镜203的镜表面之间的距离401匹配。反射涂层303的形状和位置限定发散光束的发射角度以及因而光束剖面502。器件的该构造也可以应用到在远场中具有光束组合的VCSEL阵列上，例如如图10中所示。
图6示出了所提出的激光器件的另一实例，其中球面透镜204和平面镜301混合地集成，尤其是接合到衬底102。平面镜301的反射率通过反射涂层303调制以便实现希望的反馈。该器件发射具有环形形状的光束剖面501的准直光束。可以利用改变VCSEL 101与透镜204之间的距离401的压电元件（图中未示出）使得该光束剖面501的尺寸是可调整的。
图7示出了依照本发明的激光器件的另一实例。在该实施例中，通过对激光器的衬底102定形而将球面镜304单片集成。球面镜304的反射表面的反射率通过反射涂层而进行空间调制。发射角度通过镜304的反射率的这种空间调制而被控制。
图8示出了所提出的激光器件的另一实例的截面图，该激光器件具有单片集成的反馈元件。在该实例中，激光器的衬底102被定形为光栅305。光栅周期确定用于反馈的接受角度，其在这种情况下导致环形形状的光束剖面502。光栅可以是1维的或者2维的光栅。
图9示出了所提出的激光器件的另一个实例的截面图。该实例通过适当地定形激光器的衬底102而基于微棱镜阵列306的单片集成。棱镜被设计成使得仅仅针对一个或若干个特定的希望的角度而实现用于反馈的反射。
对于技术人员显然的是，代替集成图8和图9的反馈元件305、306，也可以单独地设置这些反馈元件305、306。
图11和图12示出了所提出的激光器件的两个另外的实例。在这些实例中，反馈元件由具有适当设计的自由形状表面的光学元件307、308形成。自由形状表面被定形为使得只有在希望的角度下发射的激光辐射才向后反射到VCSEL 101的内激光腔中并且提供反馈。在不同角度下发射的激光辐射简单地反射到其他方向。
所提出的方法和激光器件可以容易地扩展到多个VCSEL。图10示出了这种扩展的一个实例。在该实例中，使用了公共衬底102上的VCSEL 101阵列。球面镜203阵列接合到衬底102，球面镜203通过适当的反射涂层303提供空间调制反射率。这些装置中的每一个发射的环形形状的强度分布由傅立叶透镜204非相干地组合成离傅立叶透镜204一定距离405处的焦平面内的单个环形形状的强度分布503。
尽管在所述附图和前面的描述中已经详细地图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述应当被认为是说明性或示例性的，而不是限制性的。本发明并不限于所公开的实施例。上面以及权利要求书中描述的不同实施例也可以加以组合。本领域技术人员在实施要求保护的本发明时，根据对于所述附图、本公开以及所附权利要求书的研究，应当能够理解并实施所公开实施例的其他变型。例如，利用大多数实施例，其他强度剖面也是可能的，即不同于环形形状的剖面的其他强度剖面，这依赖于相应镜的反射率的空间结构或调制。例如，可以设计一条或若干条线、若干斑点、正方形或环形顶帽分布。
图13示出了可以利用所提出的器件产生的工作平面内的不同强度分布或光束剖面的实例。在这些实例当中的一些实例中，反馈被选择为对于仅仅在围绕光轴601的单个角度Φ且在相同或不同角度θ下发射的激光辐射部分是更高的。所有这些强度分布都关于光轴601点对称。
在权利要求书中，措词“包括/包含”并没有排除其他的元件或步骤，并且不定冠词“一”并没有排除复数。在相互不同的从属权利要求中列出若干技术措施这一事实并不意味着这些技术措施的组合不可以加以利用。权利要求中的附图标记不应当被视为对这些权利要求的范围的限制。
附图标记列表
101  VCSEL
102  衬底
201  透镜
202  非球面透镜
203  球面镜
204  球面透镜
301  平面镜
302  球面镜
303  反射涂层
304  球面镜
305  光栅
306  微棱镜阵列
307-308  具有自由形状表面的光学元件
401-405  距离
501-503  环形形状的强度分布/光束剖面
504  强度分布/光束剖面
601  光轴

Claims (15)

1.一种激光器件，包括
- 至少一个大面积垂直腔表面发射激光器（101），所述激光器具有光轴（601），以及
- 至少一个光学反馈元件（201，301-308），所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈，
- 对于以相对于所述光轴（601）的角度θ>0发射的激光辐射的至少一部分而言，与针对在所述光轴上发射的激光辐射相比，所述角度选择性反馈更高。
2.依照权利要求1的激光器件，
其中对于关于所述光轴（601）点对称的激光辐射部分而言，与针对在所述光轴（601）上发射的激光辐射相比，所述角度选择性反馈更高。
3.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）包括具有空间调制反射率的曲面镜（302）。
4.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）包括平面镜（301）和至少一个透镜（201）的组合。
5.依照权利要求4的激光器件，
其中其中所述平面镜（301）具有空间调制反射率。
6.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）包括光栅（305）。
7.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）包括棱镜阵列（306）。
8.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）包括具有至少一个自由形状表面的光学元件（307，308），所述自由形状表面被定形为提供所述角度选择性反馈。
9.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）或者所述反馈元件（201，301-308）的部件接合到所述激光器（101）上或者单片集成到所述激光器（101）的衬底（102）中。
10.依照权利要求1的激光器件，
其中所述反馈元件（201，301-308）与所述激光器（101）分开地设置。
11.依照权利要求1的激光器件，
其中反馈元件（201，301-308）被设计成使得激光器（101）的外耦合镜以及反馈元件（201，301-308）的提供更高反馈的表面部分的反射率的乘积大于98%。
12.依照权利要求1的激光器件，
其中若干具有相同反馈元件（201，301-308）的所述激光器（101）设置成阵列的形式，并且其中所述激光器（101）的激光辐射在穿过所述反馈元件（201，301-308）之后由公共透镜（204）收集以便叠加到工作平面中。
13.依照权利要求1的激光器件，
其中在所述反馈元件（201，301-308）之后将附加的光学器件设置在光束方向上，所述附加的光学器件被设计成将穿过反馈元件（201，301-308）之后的激光辐射的强度分布转换成不同的几何形状，尤其是高斯状形状。
14.一种将大面积垂直腔表面发射激光器（101）的激光发射稳定在希望的角度分布下的方法，
其中针对从所述激光器（101）发射的激光辐射通过角度选择性光学反馈执行所述稳定化，
对于以相对于所述激光器（101）的光轴（601）的角度θ>0发射的激光辐射的至少一部分而言，与针对在所述光轴（601）上发射的激光辐射相比，所述角度选择性反馈更高。
15.依照权利要求14的方法，
其中对于激光辐射的至少一个环形形状的部分而言，与针对在所述光轴（601）上发射的激光辐射相比，所述角度选择性反馈被选择为更高，从而在远场中导致环形形状的强度分布（501，502）。
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Patentee after: Tongkuai optoelectronic device Co.,Ltd.

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Patentee before: KONINKLIJKE PHILIPS N.V.