CN112652950B - 一种波长锁定半导体激光器系统 - Google Patents

一种波长锁定半导体激光器系统 Download PDF

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Abstract

一种波长锁定半导体激光器系统，包括：若干半导体激光器光纤耦合模块，每个半导体激光器光纤耦合模块包括若干半导体激光器芯片、若干准直镜、聚焦耦合镜单元和若干传能光纤，所述聚焦耦合镜单元适于将经过所述若干准直镜准直之后的若干激光束聚焦耦合至对应的传能光纤；体光栅光纤阵列模块，所述体光栅光纤阵列模块包括光纤阵列和体光栅，所述光纤阵列位于所述若干传能光纤和所述体光栅之间，所述光纤阵列输出的激光直接进入体光栅。所述波长锁定半导体激光器系统避免了波长锁定失效。

Description

一种波长锁定半导体激光器系统
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种波长锁定半导体激光器系统。
背景技术
固体激光器和气体激光器输出功率高、光束质量好，在材料加工和远距离能量传输等对于激光功率和激光光束质量有非常严格要求的领域得到了广泛的应用。固体激光器和气体激光器常见的泵浦方式主要有电泵浦、化学泵浦、光泵浦和气动泵浦。半导体激光器二极管具有电光转换效率高、结构紧凑、成本低和寿命长等优点，目前广泛被作为光泵浦源应用于泵浦固体激光器和气体激光器。
常见的大功率半导体激光器泵浦源由半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光。由于半导体激光器的增益曲线宽、发光区宽度宽、支持的模式多，而每个模式具有不同的频率，导致半导体激光器输出光谱宽。同时，半导体激光器的输出光谱也会随着温度或驱动电流的微小变化而变化，造成输出中心波长漂移和光谱宽度变化。泵浦吸收峰较窄的固体激光器和气体激光器时效率低，能量损失严重。并且未吸收的能量将在激光器内部多次反射，造成激光器温度升高，甚至烧毁激光器。
由于半导体激光器光纤耦合模块泵浦源使用方便，在光泵浦领域得到了广泛的应用。但是传统光纤耦合模块泵浦内部放置体光栅进行线宽压窄，每个光纤耦合模块都需要放置一个体光栅(或每个芯片前端需要放置一个体光栅)，增加了成本。并且光纤耦合模块内部放置的体光栅只针对每个半导体激光器芯片进行波长锁定，当光纤耦合模块发生形变、光路改变时单个芯片有可能波长锁定失效，导致中心波长变化、光谱展宽。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中波长锁定半导体激光器系统的波长锁定失效的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种波长锁定半导体激光器系统，包括：若干半导体激光器光纤耦合模块，每个半导体激光器光纤耦合模块包括若干半导体激光器芯片、若干准直镜、聚焦耦合镜单元和若干传能光纤，所述聚焦耦合镜单元适于将经过所述若干准直镜准直之后的若干激光束聚焦耦合至对应的传能光纤；体光栅光纤阵列模块，所述体光栅光纤阵列模块包括光纤阵列和体光栅，所述光纤阵列位于所述若干传能光纤和所述体光栅之间，所述光纤阵列输出的激光直接进入所述体光栅。
可选的，所述半导体激光器光纤耦合模块中，半导体激光器芯片具有快轴近场宽度半宽wFA、快轴发散角半角θFA、慢轴近场宽度半宽wSA、慢轴发散角半角θSA，每个半导体激光器光纤耦合模块具有若干组半导体激光器芯片单元，每组半导体激光器芯片单元具有在快轴方向排列的NFA个半导体激光器芯片，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有NSA个激光束光斑，传能光纤的输出激光束的发散角为θfiber，传能光纤的芯径为R；R≥(NFA*wFA*θFA+NSA*wSA*θSA)/θfiber。
可选的，所述聚焦耦合镜单元包括快轴聚焦耦合镜和慢轴聚焦耦合镜，所述快轴聚焦耦合镜具有快轴聚焦透镜焦距
Figure GDA0003329263110000031
所述慢轴聚焦耦合镜具有慢轴聚焦透镜焦距
Figure GDA0003329263110000032
所述若干准直镜包括若干快轴准直镜和若干慢轴准直镜，所述快轴准直镜具有快轴准直透镜焦距fFAC，所述慢轴准直镜具有慢轴准直透镜焦距fSAC；
Figure GDA0003329263110000033
Figure GDA0003329263110000034
可选的，所述若干准直镜包括若干快轴准直镜和若干慢轴准直镜，所述快轴准直镜位于所述半导体激光器芯片和所述慢轴准直镜之间；每个半导体激光器光纤耦合模块内部还包括若干45°反射镜，所述45°反射镜适于将经过所述快轴准直镜和慢轴准直镜准直之后的激光朝向所述聚焦耦合镜单元反射。
可选的，还包括：与所述若干半导体激光器光纤耦合模块一一对应的中心波长检测模块，所述中心波长检测模块适于检测激光的中心波长偏移程度；温度控制模块，所述温度控制模块适于根据中心波长偏移程度对所述体光栅进行温度补偿，以降低激光的中心波长偏移。
可选的，所述温度控制模块包括半导体制冷片和反馈控制单元，所述半导体制冷片与所述体光栅接触，所述半导体制冷片适于给所述体光栅进行制冷，所述半导体制冷片还适于给所述体光栅进行制热，所述反馈控制单元适于根据所述中心波长检测模块检测到的激光的中心波长偏移程度调节所述半导体制冷片的制冷和制热程度。
可选的，当所述中心波长检测模块检测到激光的中心波长向短波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片对所述体光栅进行制热；当所述中心波长检测模块检测到激光的中心波长向长波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片对所述体光栅进行制冷。
可选的，每个中心波长检测模块包括：偏振分束器和半波片单元，所述偏振分束器和半波片单元位于所述若干准直镜和所述聚焦耦合镜单元之间，所述偏振分束器和半波片单元配合使用以将激光的主偏振态分量进行偏振合束且从第一方向出射，且将激光的次偏振态分量合束为次偏振态光束并将次偏振态光束沿着第二方向出射，第二方向与第一方向垂直；衍射光栅；光斑位置检测单元；位于所述衍射光栅和所述光斑位置检测单元之间的柱面凸透镜；所述衍射光栅适于对所述次偏振态分量进行衍射之后照射至所述柱面凸透镜。
可选的，所述光斑位置检测单元为CCD相机。
可选的，所述偏振分束器包括斜方棱镜、直角棱镜以及位于斜方棱镜直角棱镜之间的偏振分束膜；当所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈水平偏振态时，所述半波片单元为第一半波片，第一半波片位于所述斜方棱镜的入射面上；当所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈垂直偏振态时，所述半波片单元包括第一半波片和第二半波长片，所述第一半波长片位于所述直角棱镜的入射面上，所述第二半波片位于所述偏振分束器和所述聚焦耦合镜单元之间。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明技术方案提供的波长锁定半导体激光器系统，半导体激光器光纤耦合模块内部的各个半导体激光器芯片之间相互波长锁定。首先，单个半导体激光器芯片可实现自身波长锁定，半导体激光器芯片自身的波长锁定过程参照单个轴上半导体激光器芯片、和单个轴外半导体激光器芯片波长锁定过程。其次，对于沿光轴对称分布的半导体激光器芯片，当两个半导体激光器芯片完全对称时，该2个半导体激光器芯片的反馈光束完全重合，该两个半导体激光器芯片的输入光束与该两个半导体激光器芯片的反馈光束部分重合，即该两个半导体激光器芯片的反馈光束相互注入，实现了相互锁定。最后，针对沿光轴非对称的半导体激光器芯片，两个半导体激光器芯片的光束距离聚焦透镜单元的中心光轴位置不同，该两个半导体激光器芯片输出的激光经过光纤阵列匀化后的输出光束发散角也不同，因此对应的反馈光束的直径也不同，反馈光束呈两个圆环，该两个半导体激光器芯片的输出光束都与反馈光束有重合部分，即该两个半导体激光器芯片的反馈光束相互注入，实现了相互锁定。依次类推，多个半导体激光器芯片将实现直接的相互波长锁定或间接的相互波长锁定。直接的相互波长锁定参照两个半导体激光器芯片之间相互有反馈光束注入。间接的相互波长锁定，以三个半导体激光器芯片为例，假设第一个半导体激光器芯片与第三个半导体激光器芯片无反馈光束相互注入，但是第一个半导体激光器芯片与第二个半导体激光器芯片有反馈光束相互注入，第三个半导体激光器芯片与第二个半导体激光器芯片有反馈光束相互注入，此时等效于第一个半导体激光器芯片与第三个半导体激光器芯片实现反馈光束相互注入的相互波长锁定。并且单个半导体激光器芯片可与多个半导体激光器芯片都形成相互波长锁定，因此半导体激光器光纤耦合模块中任意一个半导体激光器芯片的输出光束中心波长与半导体激光器光纤耦合模块整体的输出光束的中心波长完全一致，半导体激光器光纤耦合模块中任意一个半导体激光器芯片的光谱宽度与半导体激光器光纤耦合模块整体的光谱宽度完全一致。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一实施例提供的波长锁定半导体激光器系统的框图示意图；
图2为本发明一实施例提供的波长锁定半导体激光器系统的结构示意图；
图3为本发明一实施例提供的半导体激光器光纤耦合模块的结构示意图；
图4为本发明一实施例提供的传能光纤输出的大发散角光束和反馈光束的示意图；
图5为本发明一实施例提供的传能光纤输出的小发散角光束和反馈光束的示意图；
图6为本发明一实施例提供的半导体激光器光纤耦合模块内部单轴上半导体激光器芯片波长锁定示意图；
图7为本发明一实施例提供的轴上半导体激光器芯片输出光束与反馈光束在聚焦透镜单元上分布和有效反馈示意图；
图8为本发明一实施例提供的半导体激光器光纤耦合模块内部单个轴外半导体激光器芯片波长锁定示意图；
图9为本发明一实施例提供的单个轴外半导体激光器芯片输出光束与反馈光束在聚焦透镜单元上分布和有效反馈示意图；
图10为本发明一实施例提供的半导体激光器光纤耦合模块内部4个半导体激光器芯片波长相互锁定示意图；
图11为本发明一实施例提供的沿光轴对称半导体激光器芯片输出光束与反馈光束在聚焦透镜单元上分布和有效反馈示意图；
图12为本发明一实施例提供的非对称半导体激光器芯片输出光束与反馈光束在聚焦透镜单元上分布和有效反馈示意图；
图13为本发明另一实施例提供的波长锁定半导体激光器系统的框图示意图；
图14为体光栅连接半导体制冷片的示意图；
图15为主偏振态为TE偏振态的半导体激光器芯片使用偏振合束和波长检测功能的半导体激光器光纤耦合模块；
图16为利用图15的次偏振态光束进行波长检测示意图；
图17为主偏振态为TM偏振态的半导体激光器芯片使用偏振合束和波长检测功能的半导体激光器光纤耦合模块；
图18为利用图17的次偏振态光束进行波长检测示意图；
图19为中心波长检测模块波长检测示意图；
图20为中心波长变化时光斑在CCD上位置变化示意图；
图21为单个半导体激光器芯片的光学参数示意图。
具体实施方式
本发明一实施例提供一种波长锁定半导体激光器系统，结合参考图1、图2和图3，包括:
若干个半导体激光器光纤耦合模块10，每个半导体激光器光纤耦合模块10包括若干半导体激光器芯片110、若干准直镜、聚焦耦合镜单元和若干传能光纤C，所述聚焦耦合镜单元适于将经过所述若干准直镜准直之后的若干激光束聚焦耦合至对应的传能光纤C；
体光栅光纤阵列模块20，所述体光栅光纤阵列模块20包括光纤阵列21和体光栅22，所述光纤阵列21位于所述若干传能光纤C和所述体光栅22之间，所述光纤阵列21输出的激光直接进入体光栅22。
参考图3，每个半导体激光器光纤耦合模块10中，若干准直镜包括若干慢轴准直镜130和若干快轴准直镜120。若干个快轴准直镜120在快轴方向排布具有微小的高度差，例如，相邻的快轴准直镜120在快轴方向的高度差为0.5mm，若干个快轴准直镜120还沿着慢轴方向依次排布，若干慢轴准直镜130沿着慢轴方向依次排布。在每个半导体激光器光纤耦合模块10中，快轴准直镜130位于半导体激光芯片110和慢轴准直镜130之间。所述快轴准直镜120适于对半导体激光芯片110输出的激光束在快轴方向进行准直，慢轴准直镜130适于对激光束在慢轴方向进行准直。所述快轴准直镜120对激光束在快轴进行准直之后，再由慢轴准直镜130对激光束在慢轴方向进行准直。
参考图3，每个半导体激光器光纤耦合模块10还包括：若干45°反射镜140，所述45°反射镜140的法线方向与激光入射至45°反射镜140的入射方向之间呈45度角。所述45°反射镜140适于将经过所述慢轴准直镜130和快轴准直镜120准直之后的的激光朝向所述聚焦耦合镜单元反射，所述45°反射镜140将激光的光路偏折90度。
参考图3，在每个半导体激光器光纤耦合模块10中，若干45°反射镜140在快轴方向具有高度差，使得若干45°反射镜140对各自反射的激光在光路上不被阻挡，每束激光被对应的45°反射镜140反射后均入射至聚焦耦合镜单元。
一个半导体激光芯片110对应一个快轴准直镜120、一个慢轴准直镜130和一个45°反射镜140。
所述聚焦耦合镜单元适于对被准直后的激光进行聚焦并耦合至传能光纤C，聚焦耦合镜单元对被准直后的激光进行聚焦，使聚焦光斑尺寸小于传能光纤C的纤芯，从而使得激光束可以通过传能光纤C传输。
本实施例中，参考图3，聚焦耦合镜单元包括快轴聚焦耦合镜150和慢轴聚焦耦合镜160，快轴聚焦耦合镜150位于所述若干45°反射镜140和慢轴聚焦耦合镜160之间。慢轴聚焦耦合镜160的焦距和快轴聚焦耦合镜150的焦距能够分别进行调控，也就是慢轴聚焦耦合镜160的焦距和慢轴聚焦耦合镜150的焦距能够相等或不等。在其他实施例中，聚焦耦合镜单元为圆凸透镜，圆凸透镜兼慢轴聚焦耦合镜和慢轴聚焦耦合镜的功能。
本实施例中，光纤阵列21输出的激光直接进入体光栅22，光纤阵列21和体光栅22之间不放置其他光学耦合单元。
所述光纤阵列21与若干传能光纤C连接，所述光纤阵列21对激光进行均化并输出，所述光纤阵列21的输出端输出经过光纤阵列21均化的光束至体光栅22。
体光栅22能够反射特定波长的光束，因此具有特定波长的光束将被反射重新进入光纤阵列21，重新进入光纤阵列21的反馈光束通过传能光纤C返回半导体激光器光纤耦合模块10并进入半导体激光器芯片110，在模式竞争中取胜，实现波长锁定和光谱窄化，并且各个半导体激光器芯片110之间实现相互波长锁定。体光栅22的体积较小，能实现整个波长锁定半导体激光器系统的小型化。
本实施例中，波长锁定半导体激光器系统中使用的半导体激光器光纤耦合模块10需要进行特殊设计，使传能光纤C输出光束发散角尽可能小，才能使反馈光束尽可能多地进入传能光纤C，如图4和图5所示，在图4中，传输光纤C输出的光束的发散角较大，经过体光栅22反射之后的反馈光束进入传输光纤C中的量较少，在图5中，传输光纤C输出的光束的发散角较小，经过体光栅22反射之后的反馈光束进入传输光纤C中的量较多。只有反馈光束的光强度足够强，才能对半导体激光器光纤耦合模块10中的半导体激光器芯片110进行波长锁定和光谱窄化。因此需要设计特殊半导体激光器光纤耦合模块10才能使尽可能多的反馈光束返回半导体激光器光纤耦合模块10。
所述传能光纤C的输出光束发散角与传能光纤C的输入端的入射光束尺寸以及所述聚焦耦合镜单元的焦距相关。入射光束尺寸越大，输出光束发散角越大；聚焦耦合镜单元的焦距越大，输出光束发散角越小。但是聚焦耦合镜单元的焦距过大将导致聚焦光斑的尺寸大于传能光纤C的芯径，传能光纤C的耦合效率降低。因此，为保证传能光纤C的耦合效率较高且传能光纤C具有较小的输出光束发散角，需要选择合适的传能光纤C和聚焦耦合镜单元。
图6和图7示出了包括单个轴上半导体激光器芯片的半导体激光器光纤耦合模块进行波长锁定后的反馈和输出。当体光栅存在于光路中时，如图6所示，半导体激光器芯片通电瞬间，未形成波长锁定时输出光谱包含λ0、λ1…λN，假设体光栅反馈中心波长为λ0，则只有波长为λ0的光束能够获得反馈，λ0波长模式在模式竞争中获胜，使得半导体激光器芯片最终输出波长为λ0，光谱宽度与半导体激光器芯片无关而只与体光栅反馈光谱宽度Δλ有关。半导体激光器芯片输出光束经过快轴和慢轴准直后形成椭圆形光斑，光斑经过聚焦透镜单元聚焦进入传能光纤，传能光纤对光斑进行匀化后输出，获得圆形光斑，圆形光斑经过体光栅反馈进入传能光纤，返回半导体激光器芯片中实现波长锁定，如图7所示。如图7所示，反馈光束中只有一部分能够进入半导体激光器芯片中形成有效反馈部分，有效反馈部分即图7中右图所示输出光束和反馈光束的光斑重叠部分。
图8和图9展示了包括单个轴外半导体激光器芯片的半导体激光器光纤耦合模块进行波长锁定后的反馈和输出。可以看出，单个轴外半导体激光器芯片的波长锁定和窄化过程与轴上单个半导体激光器芯片的波长锁定和窄化过程类似，只是单个轴外半导体激光器芯片的输出光束不在聚焦透镜单元的中央，并且反馈光束为圆环。只有轴上半导体激光器芯片的反馈光束能形成实心光斑，离轴半导体激光器芯片的反馈光束为空心圆环，如图9。并且半导体激光器芯片距离光轴的距离越远，反馈光束的空心圆环直径越大。
图10、图11和图12为包括若干个半导体激光器芯片的半导体激光器光纤耦合模块内部各个半导体激光器芯片之间相互波长锁定的示意图。首先，单个半导体激光器芯片可实现自身波长锁定，半导体激光器芯片自身的波长锁定过程参照单个轴上半导体激光器芯片、和单个轴外半导体激光器芯片波长锁定过程。其次，对于沿光轴对称分布的半导体激光器芯片，如图11左图所示，当两个半导体激光器芯片完全对称，因此该两个半导体激光器芯片的反馈光束完全重合，如图11中间图所示。如图11右图可知，该两个半导体激光器芯片的输入光束与该两个半导体激光器芯片的反馈光束部分重合，即该两个半导体激光器芯片的反馈光束相互注入，实现了相互锁定。最后，针对沿光轴非对称的半导体激光器芯片，如图12左图所示，两个半导体激光器芯片的光束距离聚焦透镜单元的中心光轴位置不同。如图12中间图所示，两个半导体激光器芯片输出的激光经过光纤阵列匀化后的输出光束发散角也不同，因此对应的反馈光束的直径也不同，反馈光束呈两个圆环。从图12右图可以看出，该两个半导体激光器芯片的输出光束都与反馈光束有重合部分，即该两个半导体激光器芯片的反馈光束相互注入，实现了相互锁定。依次类推，多个半导体激光器芯片将实现直接的相互波长锁定或间接的相互波长锁定。直接的相互波长锁定参照两个半导体激光器芯片之间相互有反馈光束注入。间接的相互波长锁定，以三个半导体激光器芯片为例，假设第一个半导体激光器芯片与第三个半导体激光器芯片无反馈光束相互注入，但是第一个半导体激光器芯片与第二个半导体激光器芯片有反馈光束相互注入，第三个半导体激光器芯片与第二个半导体激光器芯片有反馈光束相互注入，此时等效于第一个半导体激光器芯片与第三个半导体激光器芯片实现反馈光束相互注入的相互波长锁定。并且单个半导体激光器芯片可与多个半导体激光器芯片都形成相互波长锁定，因此半导体激光器光纤耦合模块中任意一个半导体激光器芯片的输出光束中心波长与半导体激光器光纤耦合模块整体的输出光束的中心波长完全一致，半导体激光器光纤耦合模块中任意一个半导体激光器芯片的光谱宽度与半导体激光器光纤耦合模块整体的光谱宽度完全一致。
本实施例中，经过特殊设计的半导体激光器光纤耦合模块遵循以下设计标准实现大的光纤芯径和小发散角。
所述半导体激光器光纤耦合模块中，参考图21，半导体激光器芯片具有快轴近场宽度半宽wFA、快轴发散角半角θFA、慢轴近场宽度半宽wSA、慢轴发散角半角θSA，每个半导体激光器光纤耦合模块具有若干组半导体激光器芯片单元，每组半导体激光器芯片单元具有在快轴方向排列的NFA个半导体激光器芯片，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有NSA个激光束光斑，传能光纤的输出激光束的发散角为θfiber，传能光纤的芯径为R；
R≥(NFA*wFA*θFA+NSA*wSA*θSA)/θfiber。
所述聚焦耦合镜单元包括快轴聚焦耦合镜和慢轴聚焦耦合镜，所述快轴聚焦耦合镜具有快轴聚焦透镜焦距
Figure GDA0003329263110000141
所述慢轴聚焦耦合镜具有慢轴聚焦透镜焦距
Figure GDA0003329263110000142
所述若干准直镜包括若干快轴准直镜和若干慢轴准直镜，所述快轴准直镜具有快轴准直透镜焦距fFAC，所述慢轴准直镜具有慢轴准直透镜焦距fSAC；
Figure GDA0003329263110000151
Figure GDA0003329263110000152
需要说明的是，图3所示，每个半导体激光器光纤耦合模块具有NSA组半导体激光器芯片单元，具体的，每个半导体激光器光纤耦合模块具有一组半导体激光器芯片单元，每个半导体激光器光纤耦合模块中，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有NSA个激光束光斑，具体的，每个半导体激光器光纤耦合模块中，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有一个激光束光斑。在其他实施例中，NSA可以为大于等于2的整数。
NFA为大于等于2的整数。
需要说明的是，本发明中所提到的快轴方向和慢轴方向均垂直于激光束的光传播方向，当激光的光传播方向改变时，慢轴方向也会随着光传播方向改变，快轴方向不变。例如，当激光的光传播方向被所述全反射镜偏折90度时，慢轴方向也会偏折90度。
本发明另一实施例提供了一种波长锁定半导体激光器系统，参考图13，包括：
若干个半导体激光器光纤耦合模块10，每个半导体激光器光纤耦合模块10包括若干半导体激光器芯片110、若干准直镜、聚焦耦合镜单元和若干传能光纤C，所述聚焦耦合镜单元适于将经过所述若干准直镜准直之后的若干激光束聚焦耦合至对应的传能光纤C；
体光栅光纤阵列模块20，所述体光栅光纤阵列模块20包括光纤阵列21和体光栅22，所述光纤阵列21位于所述若干传能光纤C和所述体光栅22之间，所述光纤阵列21输出的激光直接进入体光栅22；
与所述若干半导体激光器光纤耦合模块10一一对应的中心波长检测模块40，所述中心波长检测模块40适于检测激光的中心波长偏移程度；
温度控制模块30，所述温度控制模块30适于根据中心波长偏移程度对所述体光栅22进行温度补偿，以降低激光的中心波长偏移。
若干准直镜包括若干慢轴准直镜130和若干快轴准直镜120。所述快轴准直镜120位于所述半导体激光器芯片110和所述慢轴准直镜130之间。每个半导体激光器光纤耦合模块内部还包括若干45°反射镜140，所述45°反射镜140适于将经过所述快轴准直镜和慢轴准直镜准直之后的激光朝向所述聚焦耦合镜单元反射。所述聚焦耦合镜单元包括快轴聚焦耦合镜150和慢轴聚焦耦合镜160，快轴聚焦耦合镜150位于所述若干45°反射镜140和慢轴聚焦耦合镜160之间。
参考图14，所述温度控制模块包括30半导体制冷片31和反馈控制单元(未图示)，所述半导体制冷片31与所述体光栅22接触，所述半导体制冷片31适于给所述体光栅22进行制冷，所述半导体制冷片31还适于给所述体光栅22进行制热，所述反馈控制单元适于根据所述中心波长检测模块检测到的激光的中心波长偏移程度调节所述半导体制冷片31的制冷和制热程度。
当所述中心波长检测模块40检测到激光的中心波长向短波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片31对所述体光栅22进行制热；当所述中心波长检测模块40检测到激光的中心波长向长波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片31对所述体光栅22进行制冷。
参考图15至图18，每个中心波长检测模块40包括：偏振分束器410和半波片单元，所述偏振分束器410和半波片单元位于所述若干准直镜和所述聚焦耦合镜单元之间，具体的，所述偏振分束器410和半波片单元位于所述若干45°反射镜140和所述聚焦耦合镜单元之间，所述偏振分束器410和半波片单元配合使用以将激光的主偏振态分量进行偏振合束且从第一方向出射，形成主偏振态光束，且将激光的次偏振态分量沿着第二方向出射，形成次偏振态光束，第二方向与第一方向垂直；衍射光栅430；光斑位置检测单元450；位于所述衍射光栅430和所述光斑位置检测单元450之间的柱面凸透镜440；所述衍射光栅430适于对所述次偏振态光束进行衍射之后照射至所述柱面凸透镜440。
所述光斑位置检测单元450为CCD相机。所述衍射光栅430为透射式面光栅。所述偏振分束器410包括斜方棱镜、直角棱镜以及位于斜方棱镜直角棱镜之间的偏振分束膜。
参考图15和图16，所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈水平偏振态，半导体激光器芯片出射的激光的次偏振态分量呈垂直偏振态，所述半波片单元为第一半波片420，第一半波片420位于所述斜方棱镜的入射面上。图15和图16以两组半导体激光器芯片单元为示例进行说明，一组半导体激光器芯片单元输出的激光经过快轴准直、慢轴准直、45°反射镜的反射后照射至第一半波片420，激光的主偏振态分量经过第一半波片420后呈垂直偏振态，激光的次偏振态分量经过第一半波片420后呈水平偏振态，这一组半导体激光器芯片输出的激光进入偏振分束器410被斜方棱镜反射，之后光路偏折90度照射至偏振分束膜，呈水平偏振态激光的次偏振态分量从偏振分束膜穿过，呈垂直偏振态的激光的主偏振态分量被偏振分束膜反射。参考图15和图16，另一组半导体激光器芯片单元输出的激光经过快轴准直、慢轴准直、45°反射镜的反射后照射至偏振分束器410，具体的照射至偏振分束器410的直角棱镜，呈水平偏振态的激光的主偏振态分量从偏振分束膜穿过，呈垂直偏振态的次偏振态分量被偏振分束膜反射。参考图15和图16，利用偏振分束器410和第一半波片420对激光进行偏振合束，实现输出功率增加，将激光的主偏振态分量进行偏振合束且从第一方向出射，形成主偏振态光束，将激光的次偏振态分量沿着第二方向出射，形成次偏振态光束。
参考图17和图18，所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈垂直偏振态，半导体激光器芯片出射的激光的次偏振态分量呈水平偏振态，所述半波片单元包括第一半波片420’和第二半波长片421，所述第一半波长片420’位于所述直角棱镜的入射面上，所述第二半波片421位于所述偏振分束器410和所述聚焦耦合镜单元之间。图17和图18以两组半导体激光器芯片单元为示例进行说明，一组半导体激光器芯片单元输出的激光经过快轴准直、慢轴准直、45°反射镜的反射后照射至第一半波片420’，激光的主偏振态分量经过第一半波片420’后呈水平偏振态，激光的次偏振态分量经过第一半波片420’后呈垂直偏振态，呈水平偏振态激光的主偏振态分量从偏振分束膜穿过，呈垂直偏振态的激光的次偏振态分量被偏振分束膜反射。参考图17和图18，另一组半导体激光器芯片单元输出的激光经过快轴准直、慢轴准直、45°反射镜的反射后照射至偏振分束器410，具体的照射至偏振分束器410的斜方棱镜后被反射，之后光路偏折90度照射至偏振分束膜，呈垂直偏振态激光的主偏振态分量被偏振分束膜反射，呈水平偏振态的激光的次偏振态分量从偏振分束膜穿过。第二半波长片421将垂直偏振态激光的主偏振态分量变为水平偏振态激光的主偏振态分量，第二半波长片421将水平偏振态激光的主偏振态分量变为垂直偏振态激光的主偏振态分量。参考图17和图18，利用偏振分束器410和第一半波片420’和第二半波片对激光进行偏振合束，实现输出功率增加，将激光的主偏振态分量进行偏振合束且从第一方向出射，形成主偏振态光束，将激光的次偏振态分量沿着第二方向出射，形成次偏振态光束。
参考图19，次偏振态光束入射至衍射光栅，从衍射光栅的另一面出射。次偏振态光束的波长λ、入射至衍射光栅的入射角θi和衍射角θd符合以下关系，其中d为衍射光栅的周期，m为衍射光级次：mλ＝d(sinθi+sinθd)。通常选用1级衍射光栅，即m＝1。当衍射光栅固定后，入射至衍射光栅的入射角θi也确定，衍射角θd＝arcsin(λ/d-sinθi)。假设参考波长为λ0，入射光束与柱面放大透镜440的光轴垂直，将衍射光栅以α＝θd＝arcsin(λ0/d-sinθi)角度放置，如图19所示。
根据光栅方程可知，当次偏振态光束的波长变短时，θd减小，当次偏振态光束的波长变长时，θd增大，如图20所示。光斑位置检测单元450的中心位置与柱面放大透镜440的光轴重合，并位于柱面放大透镜440的焦平面上，当光束与柱面放大透镜440的光轴平行入射柱面放大透镜440时将被聚焦在光斑位置检测单元450的中心。
本实施例中，单个光纤阵列中由于所有光纤共用一块体光栅，仅需对单个半导体激光器光纤耦合模块10的输出光进行采样，将采样后检测到的波长与理论值相比较，再根据比较结果控制体光栅温度。而本实施例中，利用了次偏振态光束进行采样检测光谱，无需对主光路进行分光采样。
本发明实施例中，通过半导体激光器外腔反馈，实现光谱窄化，并且半导体激光器光纤耦合模块10中各个半导体激光器芯片之间实现相互波长锁定，降低了光学组装要求，提升了波长锁定半导体激光器系统的可靠性。最终实现波长锁定半导体激光器系统高功率、窄线宽稳定输出。
需要说明的是，本实施例中，每个半导体激光器光纤耦合模块具有若干组半导体激光器芯片单元，具体的，每个半导体激光器光纤耦合模块具有两组半导体激光器芯片单元，由于采用了偏振分束器410的合束功能，因此每个半导体激光器光纤耦合模块中，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有NSA个激光束光斑，具体的，每个半导体激光器光纤耦合模块中，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有一个激光束光斑。在其他实施例中，NSA可以为大于等于2的整数。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，包括：
若干半导体激光器光纤耦合模块，每个半导体激光器光纤耦合模块包括若干半导体激光器芯片、若干准直镜、聚焦耦合镜单元和若干传能光纤，所述聚焦耦合镜单元适于将经过所述若干准直镜准直之后的若干激光束聚焦耦合至对应的传能光纤；
体光栅光纤阵列模块，所述体光栅光纤阵列模块包括光纤阵列和体光栅，所述光纤阵列位于所述若干传能光纤和所述体光栅之间，所述光纤阵列输出的激光直接进入所述体光栅；
所述半导体激光器光纤耦合模块中，半导体激光器芯片具有快轴近场宽度半宽wFA、快轴发散角半角θFA、慢轴近场宽度半宽wSA、慢轴发散角半角θSA，每个半导体激光器光纤耦合模块具有若干组半导体激光器芯片单元，每组半导体激光器芯片单元具有在快轴方向排列的NFA个半导体激光器芯片，所述聚焦耦合镜单元在慢轴方向上具有NSA个激光束光斑，传能光纤的输出激光束的发散角为θfiber，传能光纤的芯径为R；
R≥(NFA*wFA*θFA+NSA*wSA*θSA)/θfiber；
所述聚焦耦合镜单元包括快轴聚焦耦合镜和慢轴聚焦耦合镜，所述快轴聚焦耦合镜具有快轴聚焦透镜焦距
Figure FDA0003315353270000023
所述慢轴聚焦耦合镜具有慢轴聚焦透镜焦距
Figure FDA0003315353270000024
所述若干准直镜包括若干快轴准直镜和若干慢轴准直镜，所述快轴准直镜具有快轴准直透镜焦距fFAC，所述慢轴准直镜具有慢轴准直透镜焦距fSAC；
Figure FDA0003315353270000021
Figure FDA0003315353270000022
2.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，所述若干准直镜包括若干快轴准直镜和若干慢轴准直镜，所述快轴准直镜位于所述半导体激光器芯片和所述慢轴准直镜之间；每个半导体激光器光纤耦合模块内部还包括若干45°反射镜，所述45°反射镜适于将经过所述快轴准直镜和慢轴准直镜准直之后的激光朝向所述聚焦耦合镜单元反射。
3.根据权利要求1所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，还包括：与所述若干半导体激光器光纤耦合模块一一对应的中心波长检测模块，所述中心波长检测模块适于检测激光的中心波长偏移程度；温度控制模块，所述温度控制模块适于根据中心波长偏移程度对所述体光栅进行温度补偿，以降低激光的中心波长偏移。
4.根据权利要求3所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，所述温度控制模块包括半导体制冷片和反馈控制单元，所述半导体制冷片与所述体光栅接触，所述半导体制冷片适于给所述体光栅进行制冷，所述半导体制冷片还适于给所述体光栅进行制热，所述反馈控制单元适于根据所述中心波长检测模块检测到的激光的中心波长偏移程度调节所述半导体制冷片的制冷和制热程度。
5.根据权利要求4所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，当所述中心波长检测模块检测到激光的中心波长向短波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片对所述体光栅进行制热；当所述中心波长检测模块检测到激光的中心波长向长波方向偏移时，所述反馈控制单元适于控制半导体制冷片对所述体光栅进行制冷。
6.根据权利要求3所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，每个中心波长检测模块包括：偏振分束器和半波片单元，所述偏振分束器和半波片单元位于所述若干准直镜和所述聚焦耦合镜单元之间，所述偏振分束器和半波片单元配合使用以将激光的主偏振态分量进行偏振合束且从第一方向出射，且将激光的次偏振态分量合束为次偏振态光束并将次偏振态光束沿着第二方向出射，第二方向与第一方向垂直；衍射光栅；光斑位置检测单元；位于所述衍射光栅和所述光斑位置检测单元之间的柱面凸透镜；所述衍射光栅适于对所述次偏振态分量进行衍射之后照射至所述柱面凸透镜。
7.根据权利要求6所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，所述光斑位置检测单元为CCD相机。
8.根据权利要求6所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，所述偏振分束器包括斜方棱镜、直角棱镜以及位于斜方棱镜直角棱镜之间的偏振分束膜；
当所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈水平偏振态时，所述半波片单元为第一半波片，第一半波片位于所述斜方棱镜的入射面上；
当所述半导体激光器芯片出射的激光的主偏振态分量呈垂直偏振态时，所述半波片单元包括第一半波片和第二半波片，所述第一半波片位于所述直角棱镜的入射面上，所述第二半波片位于所述偏振分束器和所述聚焦耦合镜单元之间。
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