CN105356215A - 一种半导体激光器直接倍频装置 - Google Patents

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阮旭
谭昊
杜维川
余俊宏
王昭
吴华玲
高松信
武德勇
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Abstract

本发明提供了一种半导体激光器直接倍频装置，该方案为半导体激光器发射出的激光束依次经过光谱合束及压窄机构、隔离器、耦合透镜、TEC温度控制模块、非线性倍频晶体和第二耦合输出镜后输出。该方案能够实现每个合束单元波长的锁定压窄和模式选择，同时将发光单元激光束空间近场和远场重叠成一束输出，极大的改善合束之后的光束质量，于是实现了高功率输出条件下实现高光束质量输出，对应的锁定光谱具有很高的谱亮度。

Description

一种半导体激光器直接倍频装置
技术领域
本发明涉及的是激光应用技术领域，尤其是一种半导体激光器直接倍频装置。
背景技术
随着激光技术的发展，激光器应用于很多领域，如生物医学、激光瞄准，激光通信等。比如蓝光激光系统可以和红光半导体激光器、内腔倍频的全固化绿激光器一起作为彩色显示的全固态标准三原色光源应用于激光显示；因为波长较短，经透镜聚焦后聚光点更小，在高密度光学存储中，利用紫色光进行光刻，同样大小的DVD光盘容量是普通CD盘的40倍以上，普通家用DVD盘的6-7倍。
目前较为常见的是把半导体激光器作为泵浦源，通过泵浦激光晶体，可以将光束质量差、光谱结构差的半导体激光转换为谱线窄、基横模的固体激光输出，并且谐振腔内高的往返激光通过非线性光学手段进行频率转换，实现了倍频激光输出。由于需要调整腔内形成光学谐振腔的光学元件要同时考虑激光介质和非线性晶体的影响，且这种结构稳定度受环境变化因素的影响较大。
通过二次谐波(SHG)可以将半导体激光器的输出光作为基频光直接倍频得到激光输出，但是要求半导体激光器不仅能够输出较高的激光功率，而且还必须实现单管、单频运转。高功率半导体激光器由于发光孔径为线状10mm×1um（常规CM-Bar）、发散角大、光束质量差等特点，获得其倍频光较困难。因此，采用光学反馈压缩等技术，通过外腔加强的办法，改善半导体激光器光束质量、压缩其发射线宽，并且将半导体激光器输出锁定在非线性晶体无源谐振腔的共振频率上就成为这项技术的关键问题。
半导体激光器光栅-外腔非相干光谱合束技术，是实现高亮度半导体激光输出的有效方法之一，先利用外腔与半导体激光器后腔面组成外腔半导体激光器，将不同的合束单元锁定在不同的波长，再利用光栅或其他色散元件的色散作用，将各个发光单元激光束空间重叠成一束输出，这样合束之后的光束质量得到了极大的改善，于是实现了高功率输出条件下实现高光束质量输出，极大地提高了半导体激光器输出亮度，能够实现高的基频光与倍频光的光－光转换效率，同时近两年随着非线性晶体生长技术的发展，晶体对于外腔直接倍频技术的发展带来了无限生机，使半导体激光器直接倍频技术成为当前最有潜力的一项技术之一。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种半导体激光器直接倍频装置的技术方案，该方案能够实现每个合束单元波长的锁定压窄和模式选择，同时将发光单元激光束空间近场和远场重叠成一束输出，极大的改善合束之后的光束质量，于是实现了高功率输出条件下实现高光束质量输出，对应的锁定光谱具有很高的谱亮度。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种半导体激光器直接倍频装置，半导体激光器发射出的激光束依次经过光谱合束及压窄机构、隔离器、耦合透镜、TEC温度控制模块、非线性倍频晶体和第二耦合输出镜后输出。
作为本方案的优选:光谱合束及压窄机构包括有第一准直镜、第二准直镜、空间变换透镜、光栅和第一耦合输出镜；由半导体激光器发出的激光束依次透射过第一准直镜、第二准直镜和空间变换透镜后射入光栅；光栅将入射的激光束反射至第一耦合输出镜输出至隔离器；半导体激光器和光栅分别位于空间变换透镜两侧的焦距处。
作为本方案的优选:隔离器包括反射镜和λ∕2波片；从光谱合束及压窄机构输出的激光束由反射镜反射到λ∕2波片；反射后的激光束透射过λ∕2波片后输出到耦合透镜。
作为本方案的优选:第一耦合输出镜针对P光或S光的透射率为5%-15%。
作为本方案的优选:半导体激光器的前腔反射率小于第一耦合输出镜。
作为本方案的优选:第二耦合输出镜上镀有针对基频光具有高反射率并且针对倍频光具有高透射率的膜。
作为本方案的优选:反射镜上镀有针对S偏振光或P偏振光具有高反射率的膜。
作为本方案的优选:非线性倍频晶体为BBO或LBO或KTP或PPKTP或KTA或KN。
作为本方案的优选:非线性倍频晶体的前后端面针对基频光和倍频光进行增透处理，对非线性倍频晶体其余表面针对倍频光进行增反处理后形成非线性倍频晶体波导层。
作为本方案的优选:TEC温度控制模块对非线性倍频晶体进行整体温控。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案采用半导体激光器非相干合束技术，改善输出光束的光束质量，提高输出光谱的亮度，作为高亮度基频光直接倍频实现激光输出，并在倍频晶体的表面进行镀膜或其他的方式来形成波导层，实现基频光的高效利用，获得较高的倍频效率。相比于常规的将半导体激光器作为泵浦源，通过泵浦固体激光器实现窄谱线、高光束质量的激光输出倍频装置而言，本发明不用考虑光学谐振腔的稳定性和光学器件表面平行度，具有易调节、散热性能好、内部机构简单、抗干扰因素强等优点。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的结构示意图。
图中，1为半导体激光器底座，2为半导体激光器，3为第一准直镜，4为第二准直镜，5为空间变换透镜，6为反射镜或光栅，7为第一耦合输出镜，8为光栅，9为λ∕2波片，10为耦合透镜，11为TEC温度控制模块，12为非线性倍频晶体，13为非线性倍频晶体波导层、14为第二耦合输出镜、15为倍频输出光束。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
如图1所示，半导体激光器输出的光束经过第一准直镜和第二准直镜准直后在空间变换透镜的作用下，将沿慢轴方向不同位置合束单元的子光束转化成不同倾角且收敛的子光束入射到光栅上，光栅的色散作用将不同波长、不同入射角的子光束以相同的出射角衍射，实现各个合束单元远场和近场的重合，再经由第一耦合输出镜将部分光束反馈至半导体激光器形成光谱锁定和各个合束单元的光谱压窄，使得输出基频光具有很高的谱亮度。
通过调节合束光栅的衍射角度可以使的基频光波长与倍频晶体的允许波长相匹配，实现较高的倍频效率。经过反射镜或者Littrow光栅与λ∕2波片组成的隔离器后，由耦合透镜将满足数值孔径的基频光耦合进入波导型非线性倍频晶体，并且调节来改变基频光的偏振方向来获得较大的倍频系数。
调节TEC温度控制模块，使得倍频晶体内基频光和倍频光满足相位匹配或获得最佳匹配角度条件，获得倍频激光输出。在倍频的过程中不可能实现基频光的完全转换，输出的倍频光中总是有基频光成份，通过对第二耦合输出镜镀膜处理使得倍频光透射，基频光反射。基频光在经过λ∕2波片时偏振方向发生变化，入射到反射镜或光栅，不会注入半导体激光器形成耦合腔影响光谱的锁定。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：半导体激光器发射出的激光束依次经过光谱合束及压窄机构、隔离器、耦合透镜、TEC温度控制模块、非线性倍频晶体和第二耦合输出镜后输出。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述光谱合束及压窄机构包括有第一准直镜、第二准直镜、空间变换透镜、光栅和第一耦合输出镜；由半导体激光器发出的激光束依次透射过第一准直镜、第二准直镜和空间变换透镜后射入光栅；所述光栅将入射的激光束反射至第一耦合输出镜输出至隔离器；所述半导体激光器和光栅分别位于空间变换透镜两侧的焦距处。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述隔离器包括反射镜和λ∕2波片；从光谱合束及压窄机构输出的激光束由反射镜反射到λ∕2波片；反射后的激光束透射过λ∕2波片后输出到耦合透镜。
4.根据权利要求2所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述第一耦合输出镜针对P光或S光的透射率为5%-15%。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述半导体激光器的前腔反射率小于第一耦合输出镜。
6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述第二耦合输出镜上镀有针对基频光具有高反射率并且针对倍频光具有高透射率的膜。
7.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述反射镜上镀有针对S偏振光或P偏振光具有高反射率的膜。
8.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述非线性倍频晶体为BBO或LBO或KTP或PPKTP或KTA或KN。
9.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：所述非线性倍频晶体的前后端面针对基频光和倍频光进行增透处理，对非线性倍频晶体其余表面针对倍频光进行增反处理后形成非线性倍频晶体波导层。
10.根据权利要求1所述的一种半导体激光器直接倍频装置，其特征是：TEC温度控制模块对非线性倍频晶体进行整体温控。
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