CN106575853A - 半导体激光装置 - Google Patents

Abstract

该半导体激光装置在波长色散元件和部分反射镜之间配置有变形棱镜对，该变形棱镜对将从发光点射出的正规振荡光束的正规振荡光轴、与经由不同的发光点而振荡形成的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴所成的角度扩大，该半导体激光装置无需使装置大型化即可增大交叉耦合振荡光束的振荡损耗，能够提高聚光性。

Description

半导体激光装置

技术领域

本发明涉及一种利用波长色散元件的波长色散将从多个发光点产生的多个波长的光束进行叠加而输出的半导体激光装置。

背景技术

当前，已知下述结构的半导体激光装置(例如，参照专利文献1及专利文献2)，即，为了对在不同发光点彼此间产生的外部激光谐振器光路所引起的交叉耦合振荡光束输出进行抑制，在外部激光谐振器的波长色散元件和部分反射镜之间配置有空间滤波器(spatial filter)。

专利文献1：美国专利第06192062号说明书

专利文献2：美国专利第07065107号说明书

发明内容

但是，该半导体激光装置存在空间滤波器所使用的狭缝干涉到振荡光束，激光器输出降低这样的问题。

另外，还存在下述问题，即，为了防止振荡光束受狭缝的干涉，另外，为了将装置小型化，需要将空间滤波器所使用的透镜的焦距缩短，由透镜的像差引起激光器输出降低、聚光性降低。

并且，还存在下述问题，即，由于狭缝配置在透镜的焦点位置处，因此在调整狭缝时容易发生狭缝烧损等，狭缝调整非常困难，并且，作为狭缝烧损对策而在狭缝处需要冷却构造，因此成本变高。

本发明将解决如上述的问题作为课题，其目的在于，得到一种半导体激光装置，该半导体激光装置无需将装置大型化即可增大交叉耦合振荡光束的振荡损耗，能够提高聚光性。

本发明所涉及的半导体激光装置具有：外部激光谐振器，其包含波长色散元件和部分反射镜，该波长色散元件使来自多个发光点的光束叠加，该部分反射镜被照射经过所述波长色散元件后的所述光束，将所述光束的一部分输出至外部，对剩余的光束进行反射，该外部激光谐振器将从所述多个发光点产生的多个波长的所述光束利用所述波长色散元件的波长色散而进行叠加，将由所述多个发光点各自振荡形成的正规振荡光束输出至外部；以及角度扩大元件，其配置在所述波长色散元件和所述部分反射镜之间，将所述正规振荡光束的光轴即正规振荡光轴、与经由不同的所述多个发光点而振荡形成的交叉耦合振荡光束的光轴即交叉耦合光轴所成的角度扩大。

发明的效果

根据本发明所涉及的半导体激光装置，在波长色散元件和部分反射镜之间配置有角度扩大元件，该角度扩大元件对从发光点射出的正规振荡光束的正规振荡光轴、与经由不同的发光点而振荡形成的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴所成的角度进行扩大，因此无需将装置大型化即可增大交叉耦合振荡光束的振荡损耗，能够提高聚光性。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光装置的概略结构图。

图2是表示图1的半导体激光装置的正规振荡光束的波谱的图。

图3是用于说明半导体激光装置处的交叉耦合振荡光束的概略结构图。

图4是表示交叉耦合振荡光束的波谱的图。

图5是用于说明半导体激光装置的交叉耦合振荡光束的抑制方法的概略结构图。

图6是说明图1的半导体激光装置处的交叉耦合振荡光束的抑制效果的概略结构图。

图7是表示本发明的实施方式2所涉及的半导体激光装置的概略结构图。

图8是表示本发明的实施方式3所涉及的半导体激光装置的概略结构图。

具体实施方式

下面，基于附图，对本发明的各实施方式进行说明，在各图中对相同或等同部件、部位标注相同标号而进行说明。

实施方式1.

图1是表示本发明的实施方式1所涉及的半导体激光装置40的概略结构图。

该半导体激光装置40的结构是，使用波长色散元件5的波长色散效果而将来自第1半导体激光器1a及第2半导体激光器1b各自的第1发光点2a、第2发光点2b的光叠加为一个光束。

对于半导体激光装置40，由半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b的光射出侧面的相反侧的面和部分反射镜7之间的各光学元件构成的光学系统成为激光谐振器，另外关于半导体激光器1a、1b，通常发光点2a、2b自身成为激光谐振器，但在下面的说明中，将在发光点2a、2b之外设置的、以部分反射镜7等为结构要素的上述激光谐振器称为外部激光谐振器。

在图1中，为了简单，第1半导体激光器1a及第2半导体激光器1b示出了两个，相对于各个半导体激光器1a、1b而分别示出了一个发光点2a、2b(所谓单发射器半导体激光器)。

此外，发光点的数量也可以多于半导体激光器的数量，另外在一个半导体激光器之上存在多个发光点的情况下(所谓半导体激光棒)，也能同样地利用波长色散元件5将来自多个发光点的光叠加为一个光束。

虽然光束实际上在外部激光谐振器内进行往返，但首先对从第1发光点2a、第2发光点2b朝向部分反射镜7的方向的光束的传播进行说明。

从半导体激光器1a、1b的发光点2a、2b产生的光束一边发散一边射出。为了与外部谐振器的模式耦合，通过光束平行化光学系统3a、3b而使从半导体激光器1a、1b产生的光束大致平行化。

光束平行化光学系统3a、3b能够使用圆筒透镜、球面透镜、非球面透镜、具有曲率的反射镜或它们的组合。

通常，从半导体激光器1a、1b产生的光的发散角具有各向异性，发散角在与纸面垂直的方向和纸面内的方向是不同的。因此，作为光束平行化光学系统3a、3b，优选将多块透镜或曲率反射镜组合而进行使用。

另外，此时，光束平行化光学系统3a、3b也可以包含有光束旋转光学系统。

作为光束旋转光学系统，使用在公知文献(参照日本特开2000－137139号公报，图2)中示出的柱面透镜阵列、在公知文献(WO98/08128号公报)中示出的反射镜等。

经过上述光束旋转光学系统，从而使得从各发光点2a、2b射出的具有各向异性的光束在与光轴垂直的面内旋转约90度。

由光束平行化光学系统3a、3b大致平行化后的光束，通过耦合光学系统4而在波长色散元件5之上得到空间上的重叠。

对于焦距为f的耦合光学系统4，在图1中用1块透镜示出，但能够使用圆筒透镜、球面透镜、非球面透镜、具有曲率的反射镜或它们的组合。

波长色散元件5能够使用反射型衍射光栅、透过型衍射光栅、棱镜、将衍射光栅和棱镜组合而成的元件(棱栅)。由于波长色散越大，即，在射入了两个不同波长的光束时衍射角或折射角的差异越大，则越能够省空间地将来自多个半导体激光器1a、1b的光束叠加，因此与棱镜相比，优选使用衍射光栅。

在来自第1发光点2a、第2发光点2b的不同的光为某特定的不同波长时，利用波长色散元件5的波长色散，即，衍射角或折射角根据波长而变化的特性，将射入的来自发光点2a、2b的光束叠加为一个光束。

叠加为一个光束后的光束经过作为角度扩大元件的变形棱镜对6后，朝向部分反射镜7射出。

此时，变形棱镜对6配置为如下的朝向，即，从波长色散元件5向部分反射镜7行进的光束经过变形棱镜对6后，仅使得与纸面平行的轴的正规振荡输出光束尺寸21缩小。

变形棱镜对6由2个棱镜构成，能够仅使1个方向的光束尺寸变化，大多是出于将椭圆光束整形为圆形光束的目的而使用的。

照射至部分反射镜7的光束的一部分透过而被作为正规振荡输出光束10取出，剩余的一部分被反射。

反射的光束在与从第1发光点2a、第2发光点2b朝向部分反射镜7的光束相同的路径沿反方向传播，射入至第1半导体激光器1a的第1发光点2a、第2半导体激光器1b的第2发光点2b，适当地返回至第1半导体激光器1a的第1发光点2a、第2半导体激光器1b的第2发光点2b各自的后侧端面，从而实现作为外部激光谐振器的功能。

为了形成外部激光谐振器，对部分反射镜7、波长色散元件5、耦合光学系统4、光束平行化光学系统3a、3b的位置、角度进行调整。

在形成了该外部激光谐振器的状态下，在部分反射镜7和波长色散元件5之间是一条光轴，在波长色散元件5与第1发光点2a、第2发光点2b之间是将波长色散元件5与第1发光点2a连结的光轴、以及将波长色散元件5与第2发光点2b连结的光轴这两条不同的光轴。为了形成这些光轴而自动地决定由第1发光点2a及第2发光点2b产生的激光振荡波长。

即，在半导体激光装置40中，为了在实现了外部激光谐振器的功能时，在图1中，在部分反射镜7和波长色散元件5之间以一条光轴即正规振荡光轴20来形成外部激光谐振器，而自动地决定第1发光点2a及第2发光点2b的振荡波长，其波长成为各自不同的波长。

下面，将该振荡光束称为正规振荡光束。

图2表示正规振荡光束时的波谱。

在该正规振荡光束中，来自第1发光点2a及第2发光点2b的两条光束叠加，作为一条正规振荡输出光束10从部分反射镜7射出，能够将亮度变为大约2倍。如果使半导体激光器及发光点的数量增加，则能够进一步使亮度提高。

另一方面，即使为了形成图1的正规振荡光轴20而对外部激光谐振器内的各光学元件进行了调整，也有可能产生不希望出现的激光振荡。

如后面记述所示，由于该不希望出现的激光振荡光束是经由不同的第1发光点2a、第2发光点2b而振荡形成的，因此下面将该不希望出现的激光振荡光束称为交叉耦合振荡光束。

接下来，使用图3，对交叉耦合振荡光束进行说明。

在图3中，为了使交叉耦合振荡光束的说明变得简单，由最小限度的光学元件构成，在波长色散元件5和部分反射镜7之间没有配置图1示出的变形棱镜对6。

在图3中，交叉耦合振荡光束的光轴即交叉耦合光轴30以虚线示出，正规振荡光轴20以实线示出。

正规振荡光轴20在波长色散元件5之上位于一处，垂直地射入至部分反射镜7。

另一方面，交叉耦合光轴30在波长色散元件5之上没有汇集在一处，另外，相对于部分反射镜7也不是垂直地射入，而是倾斜地射入。

交叉耦合光轴30在第1发光点2a、第2发光点2b处也是倾斜地射入射出，但由于从第1发光点2a、第1发光点2b能够以一定程度的角度幅度而产生光束，因此通过在第1发光点2a、第2发光点2b处光束变得倾斜的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30，也会形成外部激光谐振器。

此时，从第1发光点2a射出的光束的一部分由部分反射镜7进行正反射后射入至第2发光点2b，从第2发光点2b射出的光束的一部分由部分反射镜7进行正反射后射入至第1发光点2a。

如上所述，通过光束在第1发光点2a及第2发光点2b之间相互地射入、射出的光路而形成外部激光谐振器。

此时，正规振荡光轴20在部分反射镜7之上是垂直的，另外，是1条光轴，与此相对，交叉耦合光轴30如在图3所示的那样，在部分反射镜7之上是倾斜的。

由此，在从正规振荡光轴20产生的正规振荡输出光束10之外，混合有行进方向不同的交叉耦合振荡输出光束11a、11b，因此从外部激光谐振器产生的光束的聚光性降低。

在这里，在对交叉耦合光轴30进行详细说明时，设置以下2个条件。

条件1是，如图4所示，将由交叉耦合产生的振荡波长设为正规振荡光束时的第1发光点2a及第2发光点2b的振荡波长的中间的波长。

条件2是，如图3所示，将从第1发光点2a及第2发光点2b射出的交叉耦合光轴30的出射角度设为相对于正规振荡光轴20而上下对称。

上述条件是为了使说明变得容易理解而使用的，实际上也会想到除了上述条件以外的交叉耦合振荡光束，但上述条件是足以理解交叉耦合振荡光束的条件。

根据上述条件2，从图3所示的第1发光点2a及第2发光点2b射出的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30的出射角度分别是+θ1及－θ1，经过波长色散元件5后，根据上述条件1，分别以+θg及－θg的角度行进，在部分反射镜7之上与正规振荡光轴20相交。

向部分反射镜7射入的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30的一部分被正反射，其中，从第1发光点2a射出的交叉耦合光轴30向第2发光点2b射入，从第2发光点2b射出的交叉耦合光轴30向第1发光点2a射入，从而形成交叉耦合振荡光束光路。

接下来，对交叉耦合振荡光束的抑制方法进行说明。

在图3中将从波长色散元件5至部分反射镜7的距离设为L1，但将该距离如图5所示设为L2(＞L1)。此时，交叉耦合振荡光束的波长不会根据上述条件1而变化，因此波长色散元件5和部分反射镜7之间的、交叉耦合光轴30和正规振荡光轴20所成的角分别还是+θg及－θg，与图3的角相同。

由此，波长色散元件5之上的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20的偏移量在图3的结构中为D1，与此相对，在图5的结构中为D2＝(L2/L1)×D1，D2为比D1大的值。

其结果，从第1发光点2a、第2发光点2b射出的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30的出射角度，按照与正规振荡光轴20所成的角来看，分别为+θ2及－θ2。

此时，θ2＝(L2/L1)×θ1，θ2＞θ1。

能够认为，从第1发光点2a、第2发光点2b射出的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角变得越大，交叉耦合振荡光束的在发光点2a、2b处的谐振越得到抑制，交叉耦合振荡光束的振荡损耗变得越大，因此通过增大图5的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角度θ2的值，从而能够实现交叉耦合振荡光束的抑制。

根据上述的说明可知，为了抑制交叉耦合振荡光束，增大上述角度θ2，即，增大波长色散元件5之上的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20的偏移量是有效的。

但是，通常θg是非常小的值，因此为了将D2增大至能够抑制交叉耦合振荡光束的程度，需要极度增大L2，存在导致装置大型化这样的问题。

与此相对，就本实施方式1的半导体激光装置40而言，无需将装置大型化就抑制了交叉耦合振荡光束，下面使用图6对交叉耦合振荡光束的抑制效果进行说明。

在图6中，变形棱镜对6具有下述效果，即，在光束朝向光束的射出方向即发光点2a、2b的方向经过变形棱镜对6时，将与纸面平行的轴的光束尺寸变为1/A倍。在这里，A是0以外的自然数，通过对变形棱镜对6的配置、形状进行调整，从而能够自由地选择A的大小，但市面销售的多是A＝2～6左右大小的产品。

此时，对于光轴的角度而言，在波长色散元件5和变形棱镜对6之间的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角分别为+θg及－θg时，变形棱镜对6和部分反射镜7之间的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角分别为+Aθg及－Aθg，纸面内的角度变为A倍。此时，由于θg充分小，因此波长色散元件5之上的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20的偏移量D4成为D4≈AD3。

如上所述，为了抑制交叉耦合振荡光束，增大上述D4是有效的，但可知在本实施方式1的半导体激光装置40中只要增大D3即可。为了增大D3，增大L3即可。

此时，变形棱镜对6和部分反射镜7之间的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角分别为+Aθg及－Aθg，交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20所成的角变为A倍，因此由于增大L3而产生的D3的增大量也成为A倍。

在这里，考虑下述情况，即，使用图6所示的本实施方式1的半导体激光装置40，得到与将从波长色散元件5至部分反射镜7的距离设为L2的、图5所示的结构同等的交叉耦合振荡光束的抑制效果。

为了得到与图5同等的交叉耦合振荡光束的抑制效果，成为D4＝AD3＝D2即可，因此求出使D3＝D2/A成立的L3的大小。

D3和D2的大小利用下面的式(1)、(2)求出。

D3≈Aθg×L3…(1)

D2＝θg×L2…(2)

通过式(1)，求出L3。

L3＝D3/Aθg…(3)

现在，D3＝D2/A，因此式(3)以下述方式进行变形。

L3＝D2/Aθg…(4)

如果将式(2)代入式(4)，则成为

L3＝L2/A2…(5)。

由此可知，为了使D3＝D2/A成立，L3＝L2/A2即可。

通过上述说明，根据本实施方式1的半导体激光装置40，在波长色散元件5和部分反射镜7之间，配置有作为角度扩大元件的变形棱镜对6，该变形棱镜对6将从发光点2a、2b射出的正规振荡光束的正规振荡光轴20、与经由不同的发光点2a、2b而振荡形成的交叉耦合振荡光束的交叉耦合光轴30所成的角度扩大，因此具有下述显著的效果，即，能够将波长色散元件5和部分反射镜7之间的距离保持得紧凑，另外，无需使用产生由透镜的像差、遮挡物干涉到光束引起的输出降低的空间滤波器等，高效地实现交叉耦合振荡光束的抑制，聚光性提高。

实施方式2.

图7是本发明的实施方式2的半导体激光装置40的概略结构图。

本实施方式2的半导体激光装置40是相对于实施方式1的半导体激光装置40将光阑8配置在波长色散元件5的附近而得到的装置。该光阑8物理性地对交叉耦合振荡光束进行遮挡。

光阑8的孔径宽度是大于正规振荡光轴20的正规振荡输出光束尺寸21的尺寸，将光阑8配置为不会干涉到正规振荡输出光束10。作为光阑8的孔径宽度的基准，是大于或等于正规振荡输出光束10的包含整体能量的99％在内的宽度的1.1倍。

此外，光阑8的孔径宽度设为上述的大的量，但就本实施方式2的半导体激光装置40而言，由于与实施方式1的半导体激光装置40同样地，增大了交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20的偏移量，因此即使使用如上所述的大宽度的光阑8，也能够有效地对交叉耦合振荡光束进行遮挡。

另外，光阑8的配置位置可以不是波长色散元件5的附近，也可以是耦合光学系统4的附近，关键在于，只要配置在能够有效地对交叉耦合振荡光束进行抑制的、耦合光学系统4和波长色散元件5之间即可。

其他结构与实施方式2的半导体激光装置40相同。

根据本实施方式2的半导体激光装置40，通过将光阑8配置在外部激光谐振器的结构要素即耦合光学系统4和波长色散元件5之间，从而能够不受发光点2a、2b的容许角度宽度等个体差异的影响，将交叉耦合振荡光束的抑制效果始终保持恒定。

另外，对不超过发光点2a、2b的容许角度宽度的交叉耦合振荡光束也能够进行遮挡，因此能够进一步缩短部分反射镜7和变形棱镜对6之间的距离L3的长度，能够实现更进一步的装置的小型化。

此外，对于上述各实施方式的半导体激光装置40，使用变形棱镜对6作为角度扩大元件而进行了说明，但当然并不限定于此，也可以是其他具有相同功能的部件。

另外，对于实施方式1、2的半导体激光装置，说明的是在发光点2a、2b与波长色散元件5之间，配置有将来自发光点2a、2b的光束向波长色散元件5之上叠加的耦合光学系统4的半导体激光装置，但即使是来自发光点2a、2b的光束直接在波长色散元件5之上叠加的半导体激光装置，本发明也能适用。

另外，对于光阑8，除了耦合光学系统4和波长色散元件5之间以外，还可以配置在耦合光学系统4的发光点2a、2b侧的位置、波长色散元件5的变形棱镜对6侧的位置。另外，就光阑8而言，也可以不仅配置于一个位置，而是配置在各个位置。

实施方式3.

图8是表示本发明的实施方式3的半导体激光装置40的概略结构图。

本实施方式3的半导体激光装置40与实施方式1的半导体激光装置40相比较，在波长色散元件5和部分反射镜7之间，配置第1变形棱镜对6a和第2变形棱镜对6b，追加了一个变形棱镜对。此外，在图8中，省略了变形棱镜对6a、6b中的交叉耦合光轴30。

在将追加的第2变形棱镜对6b的角度扩大率设为B的情况下，如果将第2变形棱镜对6b和部分反射镜7之间的距离设为L3，则波长色散元件5之上的交叉耦合光轴30与正规振荡光轴20的偏移量D4为D4≈A×B×D3。

为了抑制交叉耦合振荡光束，增大上述D4是有效的，因此在本实施方式3的半导体激光装置40中，发挥更进一步的交叉耦合振荡光束的抑制效果。

如果缩短第1半导体激光器1a和第2半导体激光器1b之间的距离，则经过波长色散元件5后的交叉耦合光轴30的行进角度θg变小，难以抑制交叉耦合振荡光束。

此时，为了抑制交叉耦合振荡光束，有效的是增大变形棱镜对6的角度扩大率。为了增大变形棱镜对6的角度扩大率，增大图8所示的α2即可。但是，如果增大α2，则由反射引起的损耗变大，振荡效率降低。

与此相对，如果使用本实施方式3的半导体激光装置40，则即使不增大各变形棱镜对6a、6b的角度扩大率，也能够提高交叉耦合抑制效果，因此能够将振荡损耗减小。

根据本实施方式3的半导体激光装置40，通过配置多个变形棱镜对6a、6b，无需增大振荡损耗即可提高交叉耦合振荡光束抑制效果。

此外，就本实施方式3的半导体激光装置40而言，对配置有2个变形棱镜对6a、6b的情况进行了说明，但当然并不限定于2个，也可以是大于或等于3个。

标号的说明

1a第1半导体激光器，1b第2半导体激光器，2a第1发光点，2b第2发光点，3光束平行化光学系统，4耦合光学系统，5波长色散元件，6变形棱镜对(角度扩大元件)，6a第1变形棱镜对(角度扩大元件)，6b第2变形棱镜对(角度扩大元件)，7部分反射镜，10正规振荡输出光束，11交叉耦合振荡输出光束，20正规振荡光轴，21正规振荡输出光束尺寸，30交叉耦合光轴，40半导体激光装置。

Claims (6)

1.一种半导体激光装置，其具有：

外部激光谐振器，其包含波长色散元件和部分反射镜，该波长色散元件使来自多个发光点的光束叠加，该部分反射镜被照射经过所述波长色散元件后的所述光束，将所述光束的一部分输出至外部，对剩余的光束进行反射，该外部激光谐振器将从所述多个发光点产生的多个波长的所述光束利用所述波长色散元件的波长色散而进行叠加，将由所述多个发光点各自振荡形成的正规振荡光束输出至外部；以及

角度扩大元件，其配置在所述波长色散元件和所述部分反射镜之间，将所述正规振荡光束的光轴即正规振荡光轴、与经由不同的所述多个发光点而振荡形成的交叉耦合振荡光束的光轴即交叉耦合光轴所成的角度扩大。

2.根据权利要求1所述的半导体激光装置，其特征在于，

在所述角度扩大元件和所述部分反射镜之间，进一步配置有1个或多个角度扩大元件。

3.根据权利要求1或2所述的半导体激光装置，其特征在于，

所述角度扩大元件是变形棱镜对。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的半导体激光装置，其特征在于，

在所述多个发光点和所述波长色散元件之间配置有耦合光学系统，该耦合光学系统将来自所述多个发光点的所述光束向所述波长色散元件之上进行叠加。

5.根据权利要求4所述的半导体激光装置，其特征在于，

在所述耦合光学系统和所述多个发光点之间、所述波长色散元件和所述角度扩大元件之间、以及所述耦合光学系统和所述波长色散元件之间中的至少一个位置配置有光阑，该光阑对所述交叉耦合振荡光束向所述波长色散元件的射入进行遮挡。

6.根据权利要求5所述的半导体激光装置，其特征在于，

所述光阑的孔径宽度大于所述正规振荡光束的光束尺寸。