CN102938534A - 一种半导体激光器及其产生高质量和高稳定光束的方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭示了一种半导体激光器及其产生高质量和高稳定光束的方法，包括一激光二极管，所述激光二极管的输出光路上依次设置有一准直透镜，一偏振片，一分光片和一可调小孔光栏，所述分光片的反射光路上设有一光电二极管，所述光电二极管与一信号处理系统信号连接，所述信号处理系统与所述激光二极管信号连接。本发明的半导体激光器能产生高质量和高稳定的光束输出，结构简单，使用便利，降低了半导体激光器的尺寸，扩大了半导体激光器的应用范围。

Description

一种半导体激光器及其产生高质量和高稳定光束的方法

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器及其产生高质量和高稳定光束的方法。

背景技术

激光二极管的诞生使得激光器模组的尺寸发生了巨大的变化，因此激光二极管能够被广泛应用于各个领域。例如生物医疗领域、芯片检测领域中，这些领域都要求激光器输出高稳定性，高质量的光束，对于半导体激光器输出光束的性能提出了较高的要求。美国发明专利“Optically pumped semiconductor laser pumped optical parametric oscillator”（US 7447245）中描述了利用激光二极管泵浦半导体芯片来激发受激辐射，这种结构的激光模组可以输出达到衍射极限的光束质量，但是这种结构的激光模组尺寸上没有优势，而且成本比较高。美国发明专利“Flow cytometer” （US 6713019）中描述了利用激光二极管慢轴光斑来得到比较好的光束质量，利用慢轴的光斑来覆盖细胞，而快轴的光瓣就不会和细胞接触从而避免产生错误信号，但是这种方式没有利用激光二极管本身的优势，即利用激光二极管快慢轴发散角的差别直接产生适用于流失细胞仪的光斑，而且这种光路结构产生的光斑对系统的稳定性比较灵敏，因为这种结构的光路产生的不是准直光束，因此光路中透镜位置的稳定性会对最终光斑大小造成很大影响。

发明内容

鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种半导体激光器及其产生高质量和高稳定光束的方法。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种半导体激光器，包括一激光二极管，所述激光二极管的输出光路上依次设置有一准直透镜，一偏振片，一分光片和一可调小孔光栏，所述分光片的反射光路上设有一光电二极管，所述光电二极管与一信号处理系统信号连接，所述信号处理系统与所述激光二极管信号连接。

优选地，上述的一种半导体激光器，其中：所述准直透镜和所述偏振片之间的输出光路上设有一光束整形器。

优选地，上述的一种半导体激光器，其中：所述光束整形器为棱镜或者柱面镜。

优选地，上述的一种半导体激光器，其中：所述准直透镜为非球面准直透镜。

一种半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，包括以下步骤：

步骤一：所述激光二极管输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过所述准直透镜准直；

步骤二：所述慢轴光束和准直后的快轴光束入射所述偏振片得到高偏振比光束；

步骤三：上述高偏振比光束通过所述分光片一部分入射所述可调小孔光栏中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入所述光电二极管；

步骤四：所述光电二极管将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统，信号处理系统将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

此外，另一种半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，包括以下步骤：

步骤一：所述激光二极管输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过所述准直透镜准直，慢轴光束通过所述光束整形器整形；

步骤二：准直后的快轴光束和整形后的慢轴光束入射所述偏振片得到高偏振比光束；

步骤三：上述高偏振比光束通过所述分光片一部分入射所述可调小孔光栏中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入所述光电二极管；

步骤四：所述光电二极管将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统，信号处理系统将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

本发明的半导体激光器能产生高质量和高稳定的光束输出，结构简单，使用便利，降低了半导体激光器的尺寸，扩大了半导体激光器的应用范围。其突出效果包括：

1）利用激光二极管快慢轴发散角的差别，根据对光斑大小的要求选择合适焦距的准直透镜准直激光二极管的快轴光束，得到一定比例的准直的椭圆光斑，由于激光二极管结构原因，其快轴光束质量不是很好的高斯形状，而且快轴方向的发散角比较大，会产生衍射现象，导致半导体激光器输出光束质量比较差，因此采用可调小孔光栏对快轴光斑进行不对称切趾，消除和补偿激光二极管快轴光束的像差和衍射现象，从而产生高质量的光束；

2）利用偏振片来提高半导体激光器的偏振比，降低了由于温度和激光二极管驱动电流等因素造成的激光输出的不稳定性；另一方面，高偏振比激光通过分光片反射进入光电二极管，光电二极管将光信号转为电信号输入信号处理系统，信号处理系统根据输入的电信号与系统设定值进行比较，控制激光二极管的输出功率来形成回路控制，提高激光输出的稳定性，从而产生高稳定的光束；

3）根据对慢轴光斑大小的要求可以选择相应的光束整形器对其进行整形，如棱镜或柱面镜等对慢轴光斑进行压缩或者扩束。

以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是本发明实施例2的结构示意图；

图3是现有技术中用平凸透镜聚焦的光谱图；

图4是现有技术中用平凸透镜聚焦的光束质量图； 

图5是本发明实施例2中用可调小孔光栏不对称切趾的光谱图；

图6是本发明实施例2中用可调小孔光栏不对称切趾的光束质量图。

具体实施方式

实施例1：

本实施例的一种半导体激光器，如图1所示，包括激光二极管1，激光二极管1的输出光路上依次设置有准直透镜2，偏振片4，分光片5和可调小孔光栏6，分光片5的反射光路上设有光电二极管7，光电二极管7与信号处理系统8信号连接，信号处理系统8与激光二极管1信号连接。可选的，准直透镜2为非球面准直透镜。

上述半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，包括以下步骤：

步骤一：激光二极管1输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过准直透镜2准直；

步骤二：慢轴光束和准直后的快轴光束入射偏振片4得到高偏振比光束；由于温度、电流等因素会造成激光输出偏振分量的变化，从而导致进入光电二极管7内部信号由于偏振分量的变化而发生变化，进而导致信号处理系统很难控制激光输出的稳定性；而加入偏振片4大幅度提高了某一方向的偏振分量，即加入偏振片4后某一偏振方向的激光占主导地位，其他偏振方向的激光可以忽略不计，从而降低了由于温度、电流等因素引起的激光偏振分量的不断变化而导致进入光电二极管7内部信号的不断变化，得到高偏振比光束，提高了激光器输出的稳定性；

步骤三：上述高偏振比光束通过分光片5一部分入射可调小孔光栏6中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入光电二极管7；

步骤四：光电二极管7将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统8，信号处理系统8将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管1的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

实施例2：

本实施例的一种半导体激光器，如图2所示，包括激光二极管1，激光二极管1的输出光路上依次设置有准直透镜2，光束整形器3，偏振片4，分光片5和可调小孔光栏6，分光片5的反射光路上设有光电二极管7，光电二极管7与信号处理系统8信号连接，信号处理系统8与激光二极管1信号连接。可选的，准直透镜2为非球面准直透镜，光束整形器3为棱镜或者柱面镜。

上述半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，包括以下步骤：

步骤一：激光二极管1输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过准直透镜2准直，慢轴光束通过光束整形器3整形；

步骤二：准直后的快轴光束和整形后的慢轴光束入射偏振片4得到高偏振比光束；由于温度、电流等因素会造成激光输出偏振分量的变化，从而导致进入光电二极管7内部信号由于偏振分量的变化而发生变化，进而导致信号处理系统很难控制激光输出的稳定性；而加入偏振片4大幅度提高了某一方向的偏振分量，即加入偏振片4后某一偏振方向的激光占主导地位，其他偏振方向的激光可以忽略不计，从而降低了由于温度、电流等因素引起的激光偏振分量的不断变化而导致进入光电二极管7内部信号的不断变化，得到高偏振比光束，提高了激光器输出的稳定性；

步骤三：上述高偏振比光束通过分光片5一部分入射可调小孔光栏6中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入光电二极管7；

步骤四：光电二极管7将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统8，信号处理系统8将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管1的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

为了对比本实施例与现有技术的光束质量，以488nm波长激光二极管为例，假设激光二极管电流设置在Iop。选用非球面准直镜来准直激光二极管的快轴光束，现有技术为在激光器模组外选用平凸透镜聚焦该光束，使其成像点在光束探测器上，如图3所示，光束两边有对称的光瓣，如图4所示，光束质量M2因子为1.261，说明该光瓣影响了光束质量；本实施例为在激光器模组内用可调小孔光栏不对称切趾快轴光斑，使其成像点在光束探测器上，如图5所示，光束比较光滑，光瓣已经被消除，如图6所示，光束质量因子M2为1.123，说明本实施例提高了光束质量。

本实施例的半导体激光器能产生高质量和高稳定的光束输出，结构简单，使用便利，降低了半导体激光器的尺寸，扩大了半导体激光器的应用范围。其突出效果包括：

1）利用激光二极管1快慢轴发散角的差别，根据对光斑大小的要求选择合适焦距的准直透镜2准直激光二极管1的快轴光束，得到一定比例的准直的椭圆光斑，由于激光二极管1结构原因，其快轴光束质量不是很好的高斯形状，而且快轴方向的发散角比较大，会产生衍射现象，导致半导体激光器输出光束质量比较差，因此采用可调小孔光栏6对快轴光斑进行不对称切趾，消除和补偿激光二极管1的快轴光束的像差和衍射现象，从而产生高质量的光束；

2）利用偏振片4来提高半导体激光器的偏振比，降低了由于温度和激光二极管驱动电流等因素造成的激光输出的不稳定性；另一方面，高偏振比激光通过分光片5反射进入光电二极管7，光电二极管7将光信号转为电信号输入信号处理系统8，信号处理系统8根据输入的电信号与系统设定值进行比较，控制激光二极管1的输出功率来形成回路控制，提高激光输出的稳定性，从而产生高稳定的光束；

3）根据对慢轴光斑大小的要求可以选择相应的光束整形器3对其进行整形，如棱镜或柱面镜等对慢轴光斑进行压缩或者扩束。

本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种半导体激光器，其特征在于：包括一激光二极管，所述激光二极管的输出光路上依次设置有一准直透镜，一偏振片，一分光片和一可调小孔光栏，所述分光片的反射光路上设有一光电二极管，所述光电二极管与一信号处理系统信号连接，所述信号处理系统与所述激光二极管信号连接。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述准直透镜和所述偏振片之间的输出光路上设有一光束整形器。

3.根据权利要求2所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述光束整形器为棱镜或者柱面镜。

4.根据权利要求1或2所述的任意一种半导体激光器，其特征在于：所述准直透镜为非球面准直透镜。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：所述激光二极管输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过所述准直透镜准直；

步骤二：所述慢轴光束和准直后的快轴光束入射所述偏振片得到高偏振比光束；

步骤三：上述高偏振比光束通过所述分光片一部分入射所述可调小孔光栏中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入所述光电二极管；

步骤四：所述光电二极管将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统，信号处理系统将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

6.根据权利要求2所述的一种半导体激光器产生高质量和高稳定光束的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：所述激光二极管输出包括快轴光束和慢轴光束的光束，其中快轴光束通过所述准直透镜准直，慢轴光束通过所述光束整形器整形；

步骤二：准直后的快轴光束和整形后的慢轴光束入射所述偏振片得到高偏振比光束；

步骤三：上述高偏振比光束通过所述分光片一部分入射所述可调小孔光栏中进行不对称切趾，得到高质量光束，另一部分反射入所述光电二极管；

步骤四：所述光电二极管将采集到的光信号转为电信号输入信号处理系统，信号处理系统将输入的电信号与系统设定值进行比较，分析后输出信号控制激光二极管的输出功率来形成回路控制，从而产生高稳定光束。

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