CN104134930A - 一种用于lda的外腔锁模波长合束装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于LDA(Laser Diode Array，半导体激光器列阵)的光束整形装置，该装置包括：一LDA，该LDA含有多个发光区，为外腔锁模提供有效的增益；一整形镜组，主要是对LDA的输出光束进行准直、聚焦等光束整形和光路变换；一衍射光栅，该光栅同时承担了锁模和波长合束的功能；一输出耦合镜，具有一定的反射率，将部分合束后的光束原路返回进行锁模。根据本发明的方案，可以将多个发光区的输出光束合为一束，使LDA的输出光束质量基本等于单个发光单元的光束质量，解决了LDA输出亮度低的问题，从而将其应用范围大幅度拓宽。

Description

一种用于LDA的外腔锁模波长合束装置和方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种用于LDA(LaserDiode Array，半导体激光器列阵)的外腔锁模波长合束装置和方法。

背景技术

半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高等优点，目前已经在许多领域取得广泛的应用。半导体激光器单管的输出功率难以做大，通常只能输出十来瓦，为了提高其输出功率通常将多个半导体激光器制作在一起，做成半导体激光器列阵(Laser Diode Array，LDA)。大功率LDA的输出功率可以达到百瓦量级，但LDA的输出光束质量差，在快轴和慢轴两个方向的输出光束质量极不对称，快轴方向(垂直于PN结方向)为近衍射极限光束，但发散角很大，约为60度；慢轴方向(平行于PN结方向)的输出光束质量很差，比半导体激光器单管降低了几十倍，输出亮度比单管还低，而单管本身慢轴方向的输出光束质量就比快轴方向差好多倍(通常为十几倍)。输出光束质量差、不对称、亮度低等缺点严重限制了LDA的应用范围。大功率的LDA通常需要复杂而昂贵的光束整形技术来改善其光能分布，直接应用比较困难，通常只能用来做固体激光器或光纤激光器的泵浦源。

波长合束可以在光束质量不变的情况下，使输出功率和亮度成比例的增加，但波长合束是以牺牲光谱亮度为代价的，常规的半导体激光器单管光谱比较宽(约为3nm)，且中心波长会随工作电流、工作温度等的变化而变化，所以只能将有限的几个不同输出波长单管进行合束，对输出功率和亮度的提升有限。外腔锁模技术可以将半导体激光器的输出波长锁定在很窄的范围内(通常小于1nm)，且输出波长稳定，实现外腔锁模主要有两种方法，一种是采用体布拉格光栅进行外腔锁模，体布拉格光栅体积小，价格昂贵，且每种光栅只能锁定一个波长；一种是采用衍射光栅进行外腔锁模，衍射光栅成本低，且其锁定波长由衍射光栅性能和入射角共同决定，同一种衍射光栅入射角不同锁定波长也不同。外腔锁模与波长合束相结合可以实现高功率高亮度的半导体激光输出。目前有报道采用体光栅外腔锁模，结合空间合束、波长合束，可以得到几百W的功率输出，但造价非常昂贵，应用困难。

所以结合LDA和衍射光栅的优点，研制大功率、高光束质量、低成本的半导体激光光源具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为了克服现有技术存在的缺陷，本发明提出了一种LDA的外腔锁模波长合束装置和方法，主要解决LDA慢轴方向输出光束质量差、亮度低的问题。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种利用衍射光栅选频特性和色散特性，对LDA的输出光束进行外腔锁模和波长合束的技术，使其输出光束质量基本等于单发光区的光束质量，但输出功率按发光区的个数成比例的增加。

(三)有益效果

本发明提供的这种本发明提供了一种LDA外腔锁模波长合束技术，该方案能够解决现有激光器尤其是半导体激光器列阵输出亮度低的问题，可以扩大激光器的应用范围，如将半导体激光器直接应用于激光加工、激光武器等领域，这不仅推动了激光领域的发展，同时也推进了相关行业的发展。

附图说明

图1是LD单管的输出光束示意图；

图2是LDA列阵的输出光束示意图；

图3是透射式衍射光栅示意图；

图4是反射式衍射光栅示意图；

图5是LDA外腔锁模整形技术的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提出的用于LDA的外腔锁模波长合束装置和方法，利用衍射光栅选频特性和色散特性，对LDA的输出光束进行外腔锁模和波长合束，使其输出光束质量基本等于单发光区的光束质量，但输出功率按发光区的个数成比例的增加。

根据本发明的用于LDA的外腔锁模波长合束装置主要包括LDA光源、整形镜组和衍射光栅三大部分。

LDA光源包含多个发光区，为激光器振荡提供足够的增益，保证大功率的激光输出。LDA光源的后腔面镀有高反膜，同时作为谐振腔的后腔面。图1为LD单管的输出光束示意图，垂直于PN结方向为快轴方向，平行于PN结方向为慢轴方向。快轴方向发散角大，但因为发光区很小(约为1微米)输出光束为近衍射极限光束。慢轴方向发光区大(通常为几十到几百微米)，输出光束质量差。

LDA是由多个LD单管在慢轴方向周期性排列组成的，其输出光束如图2所示，快轴方向的输出光束质量与LD单管相同，都是衍射极限输出光束，而慢轴方向虽然发散角与LD单管相同，但由于输出光斑尺寸比LD单管大很多倍，其输出光束质量也差很多倍(输出光束质量与光参数积成正比，光参数积是光斑半径和发散半角的乘积，所以在发散角相同的情况下，输出光斑尺寸越大，光束质量越差)。LDA慢轴方向输出光束质量差严重限制了其应用范围，所以对LDA的输出光束进行整形提高其慢轴方向光束质量具有重要意义。

整形镜组主要包括快轴准直透镜、慢轴准直透镜等，快轴准直透镜主要是对快轴方向的输出光束进行发散角的压缩，得到近平行光束，同时也保证经过慢轴准直透镜、衍射光栅和输出耦合镜等后原路返回的输出光束在快轴方向能高效的回到LDA内；慢轴方向准直透镜的主要功能是对慢轴方向的输出光束进行准直，同时将不同发光区的输出光束以不同的角度入射到衍射光栅，其焦距、直径等参数可以根据光源、衍射光栅和输出耦合器的特性进行设计。

衍射光栅也称为面光栅，是一种由密集、等间距平行刻线构成的光学器件，分为透射式和反射式两种，如图3和图4所示。无论是透射式还是反射式衍射光栅都能通过光栅上的周期结构将不同波长的光分开，不同波长的光对应的衍射角不同，反之，不同角度的入射光对应的衍射波长不同，不同衍射波长的输出光束同时入射到输出耦合镜。透镜焦距越大，LDA不同发光区的输出光束入射到衍射光栅的角度差越小，衍射光栅的周期越小，相邻发光区的锁定波长差越小，LDA的宽度越小，锁模合束后的输出光谱越窄，但透镜的焦距越大，系统的体积会越大，透镜的加工精度和装调精度都越大，衍射光栅的周期越小，制作难度越高、成本越高，且标准衍射光栅只有300线、600线、1200线和1800线等有限的几种(衍射光栅周期为线数分之一)，而LDA的宽度越小，输出功率越低，限制了其应用范围。相反透镜焦距越小、衍射光栅周期越大、LDA的宽度越大，锁模合束后的输出光谱越宽，而LDA的发射谱宽通常只有几十nm，所以透镜的设计需要综合考虑应用需求、成本等因素。

输出耦合器具有部分反射部分透射的性能，它将一部分入射进来的衍射光束反射，这部分衍射光沿入射方向原路返回LDA的发光区，从而与LDA的后腔面形成谐振腔。因为不同发光区入射到衍射光栅的角度不同，对应的衍射波长不同，对应谐振腔的锁定波长也就不同，反向运用衍射光栅的色散特性(当白光入射到衍射光栅上时，不同波长的光具有不同的衍射角)，以不同衍射角入射的不同波长的光束将合为一束，衍射光栅同时起选频和波长合束的作用，合束后的光束输出光束质量基本等于单个发光区的输出光束质量，但功率基本等于LDA的输出功率(如果不考虑损耗的话)。

下面以含有三个发光区的LDA光源和反射式衍射光栅为例(如图3所示)进行说明。

根据光栅方程：

dsinθ＝λ*k      (1)

其中，d是光栅常数，θ是衍射角，λ是光波波长，k是光谱级数。

当光栅常数d和入射角一定时，除光谱级数是零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光栅衍射角越大，这样不同波长的同一级主最大，从零级开始向左右两侧，按波长次序由短波长向长波长散开。而由于总的刻线数目很大，所以主最大对应的角度很小，在光栅后面的透镜焦平面上就形成了明锐的细线——谱线。

在本发明所举的例子中，LDA所包含的3个发光区在慢轴方向以一定的间隔周期排列，其输出光束经整形镜组后以一定的角度差(通常为mrad量级)入射到衍射光栅，并通过衍射光栅进行选模。

每个发光区锁定光谱的宽度和相邻两个发光区之间的光谱差由发光区的条宽、发光区的周期和整形镜组慢轴方向的焦距决定。透镜焦距越长，发光区条宽越窄，对应的锁定光谱越窄。通常发光区的周期L比发光区的条宽l要大的多，不同发光区之间对应的中心波长差通常比单个发光区的光谱宽度大，所以LDA的输出光束经光栅锁模后，会形成一系列的窄光谱。

以输出波长808nm的100W LDA为例，其发光区条宽为200微米，周期为400微米，设衍射光栅为1200线(周期d＝1/1200)，慢轴方向透镜焦距为200mm，利用衍射光栅的一级衍射光进行锁模，根据公式(1)得到每个发光区对应的光谱Δλ＝0.2nm，光谱间隔为0.4nm。

反向运用衍射光栅的色散特性(一束白光入射到衍射光栅，出射光束按波长进行色散，即不同波长的光对应的出射角度不同)，不同方向不同波长的锁定光束，经衍射光栅后合为一束进行输出。因为每个发光区之间是通过波长不同进行合束的，LDA的输出光束质量和单发光区相同，在输出功率基本保持不变的情况下，其亮度提高了几十倍甚至上百倍。这样的激光器不仅可以提高泵浦效率，更可以直接应用于工业加工等领域，结合半导体激光器体积小、重量轻、电光转换效率高等优点，有望取代或部分取代固体激光器或光纤激光器。

该方案也可以应用于其它类型的激光器，如mini-bar，T-bar等，都可以在原有输出功率变化不大的基础上将其亮度大幅度提高。

Claims (10)

1.一种LDA光束整形装置，包括：

一含有多个发光区的LDA光源，其作用是为激光振荡提供多个增益区以实现大功率输出；

一整形镜组，其作用是使不同发光区的输出光束以不同的角度入射到衍射光栅上；

一衍射光栅，其作用是一方面利用其衍射特性进行选模，不同发光区的输出光束入射角不同，锁定波长也不同，另一方面利用其色散特性将所有的锁模光束合为一束输出；

一输出耦合镜，将部分合束后的光束原路返回进行锁模。

2.根据权利要求1所述的LDA光束整形装置，其特征在于，所述含有多个发光区的LDA光源，可以是连续半导体激光光源或准连续半导体激光光源。

3.根据权利要求1所述的LDA光束整形装置，其特征在于，所述整形镜组包含准直透镜、聚焦透镜。

4.根据权利要求1所述的LDA光束整形装置，其特征在于，所述衍射光栅同时具有选频和波长合束的作用。

5.根据权利要求1所述的LDA光束整形装置，其特征在于，所述衍射光栅是反射式衍射光栅。

6.一种LDA光束整形方法，包括：

利用含有多个发光区的LDA光源，为激光振荡提供多个增益区以实现大功率输出；

不同发光区的输出光束通过整形镜组，以不同的角度入射到衍射光栅上；

利用衍射光栅的衍射特性进行选模，不同发光区的输出光束入射角不同，锁定波长也不同，同时衍射光栅的的色散特性将所有的锁模光束合为一束输出；

利用输出耦合镜将部分合束后的光束原路返回进行锁模。

7.根据权利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述含有多个发光区的LDA光源，可以是连续半导体激光光源或准连续半导体激光光源。

8.根据权利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述整形镜组包含准直透镜、聚焦透镜。

9.根据权利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述衍射光栅同时具有选频和波长合束的作用。

10.根据权利要求6所述的LDA光束整形方法，其特征在于，所述衍射光栅是反射式衍射光栅。