CN102637998A - 半导体激光器堆栈结构及具有其的半导体激光器系统 - Google Patents

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巩马理
柳强
刘建辉
闫平
黄磊
张海涛
刘欢
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Abstract

本发明提出一种半导体激光器堆栈结构及具有其的半导体激光器系统，其中，该半导体激光器堆栈结构包括：多个半导体激光器，其中，每个半导体激光器具有不同的工作温度，且每个半导体激光器输出的激光波长相同；温度传感器，用于检测当前环境温度；以及控制器，用于根据当前环境温度选择相应工作温度的半导体激光器。本发明的半导体激光器堆栈结构用多个不同工作温度下输出相同波长的半导体激光器组成堆栈，通过温度传感器选择合适的半导体激光器发光，在不需要恒温的条件下也可以输出恒定谱线的激光，具有结构简单、可靠性较高的优点。

Description

半导体激光器堆栈结构及具有其的半导体激光器系统
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器堆栈结构及具有其的半导体激光器系统。
背景技术
近年来半导体激光器泵浦的全固态激光器成为激光技术领域的研究热点。一套完整的固态激光系统中，通常包括激光谐振腔系统、泵浦系统、冷却系统、电源和控制系统。半导体泵浦的固体激光器，激光谐振腔中使用的增益介质是固体，泵浦源采用半导体激光器输出的激光。固体激光增益介质吸收泵浦光的光子，产生电子跃迁，其吸收光谱往往比较窄。使用气体放电、闪光灯等泵浦方式产生的光谱线很宽，造成能量被大量浪费。半导体激光器谱线较窄，正好处在固体激光增益介质吸收带宽内，因此泵浦光吸收效率更高，激光器发热更小、电光效率更高。半导体激光器利用半导体技术，将电能转化成激光输出，输出的激光波长跟半导体激光器的设计参数有关，也受到环境温度影响。假设某种半导体激光器在室内温度恒为T0时输出激光波长为λ0，在其他条件不变的情况下，在某一温度T时，输出波长变为λ＝λ0+Λ(T-T0)。Λ为与温度相关的系数，在温度变化很小的范围内与可认为Λ值保持不变，λ与T呈线性关系。在半导体激光器泵浦固体激光增益介质的时候，半导体激光器由于电能损耗会发热，温度会升高，由于激光介质的吸收谱线不变，这时候需要对半导体激光器外面加入温度控制装置和冷却装置。温度控制装置用于控温以使半导体激光器的输出谱线与固体激光介质的吸收谱线匹配，冷却装置用于带走半导体激光器散发的热量。实验表明，在保证最高的吸收效率的情况下，通常需要将半导体激光器的温度波动范围控制在1℃以内。用外置恒温的方法需要设计专用的温度传感系统、降温和升温系统、冷却系统以及相应的电力系统，该方法直接增加了激光器系统的复杂性，也不利于系统的集成化。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一。
为此，本发明的目的在于提出一种半导体激光器堆栈结构，其具有结构简单，生产成本较低和可靠性较高的优点。
根据本发明的半导体激光器堆栈结构，包括：多个半导体激光器，其中，每个半导体激光器具有不同的工作温度，且每个半导体激光器输出的激光波长相同；温度传感器，用于检测当前环境温度；以及控制器，用于根据当前环境温度选择相应工作温度的半导体激光器。
本发明针对半导体激光器需要恒温系统的问题，提出了一种半导体激光器堆栈结构，用多个工作温度不同但输出波长相同的半导体激光器组成堆栈，通过温度传感器选择合适的半导体激光器发光，在不需要恒温的条件下也可以输出恒定谱线的激光。由于不需要外置恒温系统以及相应的电力系统，整个半导体模块变得简单，冷却装置和温度传感器可以直接设计在半导体激光器堆栈上，更容易实现集成化设计。
在本发明的半导体激光器堆栈结构的一个实施例中，还包括：散热组件，用于对半导体激光器堆栈结构进行散热。
在本发明的半导体激光器堆栈结构的一个实施例中，散热组件为风冷散热组件或水冷散热组件。
本发明的另一目的在于提出一种半导体激光器系统，包括上文叙述的半导体激光器堆栈结构；导光元件，该导光元件用于将多个半导体激光器输出的激光耦合到一起；以及出光元件，所述出光元件与所述导光类元件相连，用于发射激光，包括棱镜类元件、透镜类元件或光纤类元件中的一种及其组合。。
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
本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1为根据本发明实施例的半导体激光器堆栈结构的示意图；和
图2为根据本发明实施例的半导体激光器系统的示意图。
具体实施方式
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，而不能解释为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”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。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，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的具体含义。
下面参考图1和图2描述根据本发明实施例的半导体激光器堆栈结构和半导体激光器系统。
图1为本发明提出的半导体激光器堆栈结构的示意图。图1中，多个半导体激光器1组成堆栈结构，多个半导体激光器1输出激光波长相同，但每个半导体激光器1的工作温度不同。假设需要输出的目标光谱为λ目标，不同的半导体激光器1在不同的温度都能输出光谱λ目标。设计并选择若干半导体激光器1，使得在温度区间T1到T2范围内的任意温度下，都能在半导体激光器堆栈结构中找到某一半导体激光器1输出光谱λ目标。半导体激光器堆栈结构还包括温度传感器2和控制器3。温度传感器2负责探测环境温度，并将环境温度信息传给控制器3。控制器3选择适合该环境温度的半导体激光器1输出激光。每个半导体激光器1独立工作，并保证整个半导体激光器堆栈结构的输出光谱都是λ目标。
在本发明的一个实施例中，整个半导体激光器堆栈结构在工作的时候会由于电能损耗产生热量，因此需要增设散热组件4(图1中未示出)对半导体激光器堆栈结构散热。散热组件4可以使用简单的风冷散热组件或水冷散热组件。在散热组件4的辅助下，该半导体激光器堆栈结构可以适应更宽的温度环境，有利于提高激光器输出激光的稳定性、降低激光器系统的复杂性。
需要注意的是，半导体激光器堆栈结构可以由单独的半导体激光器元件组成，也可以将堆栈结构设计在一个半导体激光器上，并把控制器和堆栈集成到一个半导体激光器上封装在一起应用，这样就实现了半导体激光器堆栈结构的集成化，集成后的半导体激光器可以在温度差较大的环境下实现稳定的输出而且不需要恒温环境。
综上，本发明针对半导体激光器需要恒温系统的问题，提出了一种半导体激光器堆栈结构，用多个工作温度不同但输出波长相同的半导体激光器组成堆栈，通过温度传感器选择合适的半导体激光器发光，在不需要恒温的条件下也可以输出恒定谱线的激光。由于不需要外置恒温系统以及相应的电力系统，整个半导体模块变得简单，冷却装置和温度传感器可以直接设计在半导体激光器堆栈上，更容易实现集成化设计。
图2为本发明提出的半导体激光器堆栈结构的示意图。图2中，该半导体激光器系统包括上文叙述的半导体激光器堆栈结构、导光元件5以及出光元件6。其中，导光元件5的导光面与多个半导体激光器1相对应，用于将多个半导体激光器1输出的激光耦合到一起。出光元件6与导光元件5相连，用于发射激光，包括棱镜类元件、透镜类元件或光纤类元件中的一种及其组合。在本发明的一个优选实施例中，导光元件5为导光锥，出光元件6为光纤。该实施例的半导体激光器系统适用于如下情况：半导体激光器堆栈结构中的多个半导体激光器输出的激光光路和方向可能略有差异，这时候可以使用光纤耦合技术将堆栈发出的激光通过导光锥耦合到同一光纤中，这样从光纤末端输出的激光具有相同传播参数，便于对输出激光的应用。
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。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims (4)

1.一种半导体激光器堆栈结构，其特征在于，包括：
多个半导体激光器，其中，每个所述半导体激光器具有不同的工作温度，且每个所述半导体激光器输出的激光波长相同；
温度传感器，用于检测当前环境温度；以及
控制器，用于根据当前环境温度选择相应工作温度的半导体激光器。
2.如权利要求1所述的半导体激光器堆栈结构，其特征在于，还包括：
散热组件，用于对所述半导体激光器堆栈结构进行散热。
3.如权利要求2所述的半导体激光器堆栈结构，其特征在于，所述散热组件为风冷散热组件或水冷散热组件。
4.一种半导体激光器系统，其特征在于，包括：
如权利要求1-3任一项所述的半导体激光器堆栈结构；
导光元件，所述导光类元件用于将多个半导体激光器输出的激光耦合到一起；以及
出光元件，所述出光元件与所述导光元件相连，用于发射激光，包括棱镜类元件、透镜类元件或光纤类元件中的一种及其组合。
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