CN112670830B - 一种半导体激光器部分相干合束系统 - Google Patents

一种半导体激光器部分相干合束系统 Download PDF

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Abstract

一种半导体激光器部分相干合束系统，包括：第一半导体激光芯片至第N半导体激光芯片，第k半导体激光芯片出射第k激光，第一激光至第N激光进行空间合束形成空间合束激光，N为大于等于2的整数，k大于等于1且小于等于N；光纤，所述光纤的入射端具有部分反射膜层；聚焦耦合镜，所述聚焦耦合镜适于将所述空间合束激光中的第一激光至第N激光耦合进所述光纤；所述部分反射膜层反射部分第k激光，使得被反射的第k激光经过聚焦耦合镜之后注入第N－k+1半导体激光芯片。所述半导体激光器部分相干合束系统实现部分相干的合束输出，光束质量提高，并最终通过光纤输出。

Description

一种半导体激光器部分相干合束系统
技术领域
本发明涉及半导体领域，具体涉及一种半导体激光器部分相干合束系统。
背景技术
高功率半导体激光器光纤耦合模块由于其较高的电光转换效率，较小的体积，较高的可靠性和较低的每瓦价格，目前广泛应用于光纤激光、固体激光的泵浦领域。
半导体激光器通常需要进行光束整形、空间合束、光纤耦合等过程组装为光纤耦合模块才能应用到实际中。其中空间合束虽然可以增加输出功率，但是牺牲了光束质量。同时由于半导体激光器自身性质特定，输出波长会随温度电流产生一定的漂移，降低了泵浦效率。上述缺点使得光纤耦合模块在实际应用过程中存在一定的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中合束激光的质量较差的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种半导体激光器部分相干合束系统，包括：第一半导体激光芯片至第N半导体激光芯片，第k半导体激光芯片出射第k激光，第一激光至第N激光进行空间合束形成空间合束激光，N为大于等于2的整数，k大于等于1且小于等于N；光纤，所述光纤的入射端具有部分反射膜层；聚焦耦合镜，所述聚焦耦合镜适于将所述空间合束激光中的第一激光至第N激光耦合进所述光纤，所述聚焦耦合镜朝向所述光纤的入射端；所述部分反射膜层反射部分第k激光，使得被反射的第k激光经过聚焦耦合镜之后注入第N-k+1半导体激光芯片。
可选的，所述部分反射膜层的反射率为5％～15％。
可选的，所述部分反射膜层为窄带部分反射膜，所述窄带部分反射膜反射特征波长的激光，所述特征波长的激光的波长宽度小于等于1纳米。
可选的，所述聚焦耦合镜具有经过聚焦耦合镜的焦点的中心光轴；所述空间合束激光中的第一激光至第N激光均与所述中心光轴平行，且所述空间合束激光中的第k激光与第N-k+1激光关于所述中心光轴对称设置。
可选的，所述聚焦耦合镜具有经过所述聚焦耦合镜的焦点的中心光轴；所述光纤的中心轴与所述聚焦耦合镜的焦点的中心光轴重合，所述聚焦耦合镜的焦点位于所述部分反射膜层的表面。
可选的，第k半导体激光芯片具有第k前腔面，所述第k前腔面适于出射第k激光，所述第k前腔面设置有第k前腔镀膜层，第k前腔镀膜层的反射率小于等于2％。
可选的，第一半导体激光芯片至第N半导体激光芯片出射激光的方向平行。
可选的，还包括：第一准直单元至第N准直单元，第k准直单元适于对第k半导体激光芯片发射出的第k激光进行准直。
可选的，第k准直单元包括第k快轴准直单元和第k慢轴准直单元。
可选的，N为奇数或者偶数。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明技术方案提供的半导体激光器部分相干合束系统，第k半导体激光芯片刚开始工作时会存在多个随机波长、相位和强度的模式，第k半导体激光芯片发出的第k激光和第N-k+1半导体激光芯片发出的第N-k+1激光发生相干时，则这部分相干模式会由于部分反射膜层的存在被反射回对应的激光芯片得到加强，使其在对应的激光芯片内的增益材料中形成模式竞争优势，最终其他非相干模式会消失，第k半导体激光芯片内和第N-k+1半导体激光芯片内只存在能够产生相干的模式，最终光纤可以实现部分相干的合束输出，光纤输出的光束质量可以提升一倍。
进一步，所述部分反射膜层为窄带部分反射膜，所述窄带部分反射膜反射特征波长的激光，最终光纤可以实现部分相干的波长锁定与窄化输出。
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半导体激光器部分相干合束系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种半导体激光器部分相干合束系统，参考图1，包括：
第一半导体激光芯片G1至第N半导体激光芯片Gn，第k半导体激光芯片Gk出射第k激光，第一激光至第N激光进行空间合束形成空间合束激光，N为大于等于2的整数，k大于等于1且小于等于N；
光纤120，所述光纤120的入射端具有部分反射膜层121；
聚焦耦合镜130，所述聚焦耦合镜130适于将所述空间合束激光中的第一激光至第N激光耦合进所述光纤120，所述聚焦耦合镜130朝向所述光纤120的入射端；
所述部分反射膜层121反射部分第k激光，使得被反射的第k激光经过聚焦耦合镜130之后注入第N-k+1半导体激光芯片GN-k+1。
本实施例中，N的数值可以根据需要进行合理的选择，在此不做限定。N为偶数或者奇数。优选的，N为奇数，相应的第(N+1)/2激光穿过聚焦耦合镜130的中心光轴。
所述部分反射膜层121适于对第k激光中的部分光束进行反射，第k激光中的大部分光束会穿过部分反射膜层121进入光纤。
所述部分反射膜层121的反射率为5％～15％。所述部分反射膜层121的反射率的意义在于：若部分反射膜层121的反射率小于5％，则导致对第k激光的反射较少，那么反射回去的第k激光的能量较小，反射回去的第k激光与第N-k+1半导体激光芯片中的第N-k+1激光之间相干作用较小，部分相干模式在对应的激光芯片内的增益材料中形成模式竞争优势较弱；若部分反射膜层121的反射率大于15％，则导致穿过部分反射膜层121的第k激光较少，这样导致最终光纤的输出端输出的激光的功率减小。
所述聚焦耦合镜130具有经过聚焦耦合镜130的焦点的中心光轴；所述空间合束激光中的第一激光与所述第N激光均与所述中心光轴平行，且所述空间合束激光中的第k激光与所述第N-k+1激光关于所述中心光轴对称设置。
所述光纤120的中心轴与所述聚焦耦合镜130的焦点的中心光轴重合，所述聚焦耦合镜130的焦点位于所述部分反射膜层121的表面。
所述半导体激光器部分相干合束系统还包括：第一准直单元至第N准直单元，所述第k准直单元适于对第k半导体激光芯片Gk发射出的第k激光进行准直。本实施例中，对准直后的第一激光至准直后的第N激光进行空间合束。
本实施例中，第k准直单元包括第k快轴准直透镜和第k慢轴准直透镜，所述第k快轴准直透镜和第k慢轴准直透镜依次对第k半导体激光芯片Gk发出的第k激光进行准直。也就是，第k快轴准直透镜先对第k激光进行准直之后，第k慢轴准直透镜对第k激光进行准直。第k快轴准直透镜位于第k慢轴准直透镜和第k半导体激光芯片之间。
在其他实施例中，所述第k准直单元仅包括第k慢轴准直透镜，或者所述第k准直单元仅包括第k快轴准直透镜。
所述第k半导体激光芯片Gk具有相对的第k后腔面和第k前腔面，所述第k前腔面适于出射第k激光，所述第k前腔面设置有第k前腔镀膜层，所述第k后腔面设置有第k后腔镀膜层，第k后腔镀膜层的反射率大于第k前腔镀膜层。本实施例中，第k后腔镀膜层的反射率在99％以上；第k前腔镀膜层的反射率小于等于2％。
第一半导体激光芯片G1至第N半导体激光芯片Gn出射激光的方向平行。在一个实施例中，在第一半导体激光芯片G1至第N半导体激光芯片Gn出射激光的方向上，第一半导体激光芯片G1至第N半导体激光芯片Gn前后错位，第一半导体激光芯片G1至第N半导体激光芯片Gn中相邻的半导体激光芯片的边缘的投影能部分重合。在第一慢轴准直透镜至第N慢轴准直透镜对激光的准直方向上，第一慢轴准直透镜至第N慢轴准直透镜前后错位，使得第一慢轴准直透镜至第N慢轴准直透镜的边缘的投影能部分重合，因此使得第一激光和第N激光中相邻的激光之间的距离更加紧密，因此使得N的取值可以较大，最终光纤输出的功率得到提高。
需要说明的是，第k快轴准直透镜一般设置紧邻第k半导体激光芯片Gk的出光口。
本实施例中，第一激光至第N激光通过聚焦耦合镜130聚焦在聚焦耦合镜130的焦点处，也就是说，光纤的输入端位于高斯光束束腰位置，第一激光至第N激光均会经过部分反射膜层121部分反射，具体的，所述部分反射膜层121反射部分第k激光，使得被反射的第k激光经过聚焦耦合镜130之后注入第N-k+1半导体激光芯片GN-k+1。
对于第一半导体激光芯片G1发出的第一激光和第N半导体激光芯片GN发出的第N激光，所述部分反射膜层121反射部分第一激光，被部分反射膜层121反射的第一激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第N半导体激光芯片GN，所述部分反射膜层121反射部分第N激光，被部分反射膜层121反射的第N激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第一半导体激光芯片G1。
当N大于等于2时，对于第二半导体激光芯片G2发出的第二激光和第N-1半导体激光芯片GN-1发出的第N-1激光，所述部分反射膜层121反射部分第二激光，被部分反射膜层121反射的第二激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第N-1半导体激光芯片GN-1，所述部分反射膜层121反射部分第N-1激光，被部分反射膜层121反射的第N-1激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第二半导体激光芯片G2。
当N大于等于3时，对于第三半导体激光芯片G3发出的第三激光和第N-2半导体激光芯片GN-2发出的第N-2激光，所述部分反射膜层121反射部分第三激光，被部分反射膜层121反射的第三激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第N-2半导体激光芯片GN-2，所述部分反射膜层121反射部分第N-2激光，被部分反射膜层121反射的第N-2激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第三半导体激光芯片G3。
在一个具体的实施例中，以N等于7为示例进行说明，对于第一半导体激光芯片G1发出的第一激光和第七半导体激光芯片G7发出的第七激光，所述部分反射膜层121反射部分第一激光，被部分反射膜层121反射的第一激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第七半导体激光芯片G7，所述部分反射膜层121反射部分第七激光，被部分反射膜层121反射的第七激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第一半导体激光芯片G1，对于第二半导体激光芯片G2发出的第二激光和第六半导体激光芯片G6发出的第六激光，所述部分反射膜层121反射部分第二激光，被部分反射膜层121反射的第二激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第六半导体激光芯片G6，所述部分反射膜层121反射部分第六激光，被部分反射膜层121反射的第六激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第二半导体激光芯片G2，对于第三半导体激光芯片G3发出的第三激光和第五半导体激光芯片G5发出的第五激光，所述部分反射膜层121反射部分第三激光，被部分反射膜层121反射的第三激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第五半导体激光芯片G5，所述部分反射膜层121反射部分第五激光，被部分反射膜层121反射的第五激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第三半导体激光芯片G3，对于第四半导体激光芯片G4发出的第四激光，所述部分反射膜层121反射部分第四激光，被部分反射膜层121反射的第四激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第四半导体激光芯片G4。
以N等于9为示例进行说明，对于第一半导体激光芯片G1发出的第一激光和第九半导体激光芯片G9发出的第九激光，所述部分反射膜层121反射部分第一激光，被部分反射膜层121反射的第一激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第九半导体激光芯片G9，所述部分反射膜层121反射部分第九激光，被部分反射膜层121反射的第九激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第一半导体激光芯片G1，对于第二半导体激光芯片G2发出的第二激光和第八半导体激光芯片G8发出的第八激光，所述部分反射膜层121反射部分第二激光，被部分反射膜层121反射的第二激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第八半导体激光芯片G8，所述部分反射膜层121反射部分第八激光，被部分反射膜层121反射的第八激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第二半导体激光芯片G2，对于第三半导体激光芯片G3发出的第三激光和第七半导体激光芯片G7发出的第七激光，所述部分反射膜层121反射部分第三激光，被部分反射膜层121反射的第三激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第七半导体激光芯片G7，所述部分反射膜层121反射部分第七激光，被部分反射膜层121反射的第七激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第三半导体激光芯片G3，对于对于第四半导体激光芯片G4发出的第四激光和第六半导体激光芯片G6发出的第六激光，所述部分反射膜层121反射部分第四激光，被部分反射膜层121反射的第四激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第六半导体激光芯片G6，所述部分反射膜层121反射部分第六激光，被部分反射膜层121反射的第六激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第四半导体激光芯片G4，对于第五半导体激光芯片G5发出的第五激光，所述部分反射膜层121反射部分第五激光，被部分反射膜层121反射的第五激光经过聚焦耦合镜130之后注入至第五半导体激光芯片G5。
当N选择其他数值时，按照上述类似的原理工作，不再详述。
在一个实施例中，所述部分反射膜层121反射第k激光中的全部波长的激光。在另一个实施例中，所述部分反射膜层121为窄带部分反射膜。
本实施例中，第k半导体激光芯片刚开始工作时会存在多个随机波长、相位和强度的模式，第k半导体激光芯片发出的第k激光和第N-k+1半导体激光芯片发出的第N-k+1激光发生相干时，则这部分相干模式会由于部分反射膜层121的存在被反射回对应的激光芯片得到加强，使其在对应的激光芯片内的增益材料中形成模式竞争优势，最终其他非相干模式会消失，第k半导体激光芯片内和第N-k+1半导体激光芯片内只存在能够产生相干的模式，最终光纤可以实现部分相干的合束输出，光纤输出的光束质量可以提升一倍。
当所述部分反射膜层121为窄带部分反射膜时，所述窄带部分反射膜反射特征波长的激光，最终光纤可以实现部分相干的波长锁定与窄化输出。所述特征波长的激光的波长宽度小于等于1纳米。所述部分反射膜层121将特征波长的激光反射主要强调的是针对的一个较窄的波长范围的激光进行反射，而并不强调具体的波长值。
现有的第k前腔镀膜层的反射率一般在5％左右。本实施例通过降低第k半导体激光芯片中第k前腔镀膜层的反射率，第k前腔镀膜层的反射率小于等于2％，使得有助于反射回来的第k激光在模式竞争中取胜，实现了更好的波长锁定效果。
本实施例中，将单管的第一半导体激光芯片发出的第一激光至第N半导体激光芯片发出的第N激光分别进行准直，之后对第一激光至第N激光分别进行准直，之后对第一激光至第N激光进行空间合束，之后所述聚焦耦合镜将空间合束激光中的第一激光至第N激光耦合进所述光纤120，再通过光纤的输入端面的部分反射膜层121反射，部分反射膜层121分别对第一激光至第N激光进行部分反射，实现对第k半导体激光芯片和第N-k+1半导体激光芯片的相位互锁，实现部分相干合束。当部分反射膜层121为窄带部分反射膜时，实现部分相干合束的同时达到波长锁定与光谱窄化。提高了合束激光的光束质量，同时可以实现波长锁定输出。
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)

1.一种半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，包括：
第一半导体激光芯片至第N半导体激光芯片，第k半导体激光芯片出射第k激光，第一激光至第N激光进行空间合束形成空间合束激光，N为大于等于2的整数，k大于等于1且小于等于N；
光纤，所述光纤的入射端具有部分反射膜层；
聚焦耦合镜，所述聚焦耦合镜适于将所述空间合束激光中的第一激光至第N激光耦合进所述光纤，所述聚焦耦合镜朝向所述光纤的入射端；
所述部分反射膜层反射部分第k激光，使得被反射的第k激光经过聚焦耦合镜之后注入第N-k+1半导体激光芯片；
所述聚焦耦合镜具有经过聚焦耦合镜的焦点的中心光轴；所述空间合束激光中的第一激光至第N激光均与所述中心光轴平行，且所述空间合束激光中的第k激光与第N-k+1激光关于所述中心光轴对称设置；所述光纤的中心轴与所述聚焦耦合镜的焦点的中心光轴重合，所述聚焦耦合镜的焦点位于所述部分反射膜层的表面。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，所述部分反射膜层的反射率为5%~15%。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，所述部分反射膜层为窄带部分反射膜，所述窄带部分反射膜反射特征波长的激光，所述特征波长的激光的波长宽度小于等于1纳米。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，第k半导体激光芯片具有第k前腔面，所述第k前腔面适于出射第k激光，所述第k前腔面设置有第k前腔镀膜层，第k前腔镀膜层的反射率小于等于2%。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，第一半导体激光芯片至第N半导体激光芯片出射激光的方向平行。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，还包括：第一准直单元至第N准直单元，第k准直单元适于对第k半导体激光芯片发射出的第k激光进行准直。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，第k准直单元包括第k快轴准直单元和第k慢轴准直单元。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器部分相干合束系统，其特征在于，N为奇数或者偶数。
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