CN112688169A - 一种半导体激光bar条以及半导体外腔 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光bar条以及半导体外腔，属于半导体激光阵列相干合束领域，半导体激光bar条包括：多个发光单元以及位于相邻发光单元之间的不发光区域；发光单元与高阶厄米高斯光束的波峰一一对应，不发光区域与高阶厄米高斯光束的节线一一对应，且各发光单元的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等，各不发光区域与其对应节线重合，各发光单元的宽度不相等，其中，高阶厄米高斯光束由半导体激光bar条和外腔相互作用产生。这种非均匀分布的半导体激光bar条支持高阶厄米高斯模式振荡，在腔内产生高阶厄米高斯模式时，引入的耦合损耗最低，每个发光单元的宽度和高阶厄米高斯模式相匹配，可提高耦合效率，进而提高相干合束的功率和稳定性。

Description

一种半导体激光bar条以及半导体外腔

技术领域

本发明属于半导体激光阵列相干合束领域，更具体地，涉及一种半导体激光bar条以及半导体外腔。

背景技术

半导体激光一直是激光研究的前沿热点。限制高功率半导体激光广泛应用的最大问题在于其光束质量较差。目前主要利用光谱合束技术提高高功率半导体激光亮度。这种方法使得半导体激光阵列的亮度有很大提高，然而，半导体激光再向更高功率推进的过程中，受到半导体增益带宽的限制，不能实现更大量的半导体激光合束。另外，光谱合束技术通常需要较为复杂的镀膜技术为基础，实现难度较大。

除了光谱合束技术外，半导体激光相干合束技术也具有较大提高半导体激光阵列整体亮度的能力和空间。传统技术中采用发光单元均匀分布的bar条，主要通过构建Talbot外腔结构实现被动相干合束，以在腔内构建周期结构的场分布。这个场分布的每个周期就会有一个放光单元内放大，而整体上又是一个具有确定相位关系的相干场分布。然而，基于Talbot成像技术的合束腔对于半导体激光功率和亮度有非常严重的限制：Talbot成像的耦合效率较弱，导致Talbot场的相位锁定能力有限，当工作电流较高时增益较大，单个发光单元内部存在自发辐射放大作用，自发辐射放大会导致发光单元内部产生寄生振荡，非相干寄生振荡会抑制相干振荡，从而使合束效率下降；半导体激光的随机相位和强度波动会破坏光场周期结构，导致自再现的Talbot像恶化，Talbot像恶化又会导致周期场进一步恶化，最终导致相干合束下降严重。利用Talbot像来实现相干合束就需要精确控制激光器阵列中每个发光单元的相位波动幅度，精度要求较高，效率相对较低，实现难度较大。

发明内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种半导体激光bar条以及半导体外腔，其目的在于设计非均匀分布的半导体激光bar条，当外腔内产生高阶厄米高斯模式时，引入的耦合损耗最低，每个发光单元的宽度和高阶厄米高斯模式相匹配，可提高耦合效率，进而提高相干合束的功率和稳定性。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种半导体激光bar条，包括多个发光单元以及位于相邻发光单元之间的不发光区域；所述发光单元与高阶厄米高斯光束的波峰一一对应，所述不发光区域与所述高阶厄米高斯光束的节线一一对应，且各所述发光单元的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等，各所述不发光区域与其对应节线重合，各所述发光单元的宽度不相等，其中，所述高阶厄米高斯光束由所述半导体激光bar条和外腔相互作用产生。

更进一步地，所述发光单元包括脊形波导区域和锥形放大区域；所述锥形放大区域中截面较小一端连接所述脊形波导区域，截面较大一端的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等。

按照本发明的另一个方面，提供了一种半导体外腔，包括依次分布的半导体激光bar条、衍射光学元件和输出镜，所述半导体激光bar条为如上所述的半导体激光bar条；所述衍射光学元件用于实现高阶厄米模式振荡以生成高阶厄米高斯光束，所述输出镜用于耦合输出所述高阶厄米高斯光束。

更进一步地，所述半导体激光bar条中背离衍射光学元件的端面设置有增反膜，以提供激光反馈，另一端面设置有增透膜，以限制这两个端面之间的激光振荡。

更进一步地，还包括反射型体布拉格光栅，位于所述半导体激光bar条的另一侧，所述半导体激光bar条沿光路的两个端面均设置有增透膜。

更进一步地，还包括反射型衍射光学元件，位于所述半导体激光bar条的另一侧，所述衍射光学元件为透射型衍射光学元件；所述半导体激光bar条沿光路的两个端面的轴线与光轴之间的夹角等于布鲁斯特角。

更进一步地，所述衍射光学元件中设置有多个第一区域，所述第一区域为由多个方格形成的棋盘结构，任意相邻两个方格之间的相位调制差为π/2，使得所述第一区域为不透光区域，各所述第一区域两侧区域为透光区域；所述不透光区域与所述不发光区域一一对应且宽度相同。

更进一步地，所述衍射光学元件包括交替设置的第二区域和第三区域，所述第二区域的相位延迟为π，所述第三区域的相位延迟为π/2，使得所述第二区域和第三区域交界处区域的场强为0，所述交界处区域为不透光区域，所述交界处之外的区域为透光区域；所述不透光区域与所述不发光区域一一对应且宽度相同。

按照本发明的另一个方面，提供了一种半导体外腔，包括依次分布的第一反射镜、半导体激光bar条和输出镜，以及依次分布的第二反射镜、衍射光学元件、光隔离器和第三反射镜，所述第一反射镜与第三反射镜相对设置，所述输出镜和第二反射镜相对设置，以在所述半导体外腔内形成单向传输的行波。

更进一步地，所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜中的一个反射镜设置为光栅反射镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)设计非均匀分布的半导体激光bar条，当外腔内产生高阶厄米高斯模式时，引入的耦合损耗最低，每个发光单元的宽度和高阶厄米高斯模式相匹配，可提高耦合效率，进而提高相干合束的功率和稳定性；此外，这种非均匀分布的半导体激光bar条结构，除了支持高阶厄米高斯模式以外，还会对其他高阶超模提供较高的损耗，亦即这种结构能够在半导体激光外腔内提供额外的模式鉴别能力，即使半导体发光单元内部的相位波动比较大的时候，半导体外腔依然能够实现较高效率的耦合和相干工作特性；

(2)虽然非均匀分布半导体激光bar条上的发光单元是不均匀的，然而除了两端的两个发光单元以外，其他发光单元的宽度变化不是特别明显，因此，完全可以利用目前的半导体激光加工技术实现，不需要额外的加工手段，不会增加半导体激光器的成本；

(3)在半导体外腔中加入控制腔内超模结构的透射型或反射型衍射光学元件，或者加入其它实现相同功能的器件，来实现腔内的高阶厄米高斯模式振荡，达到相干合束的目的，这些衍射光学元件加工制造成本低，且容易实现。

附图说明

图1为本发明实施例提供的半导体激光bar条的结构示意图；

图2为图1所示半导体激光bar条与外腔模式之间相互匹配的几何关系示意图；

图3为本发明第一实施例提供的半导体外腔的结构示意图；

图4A为图3所示半导体外腔中衍射光学元件的一结构示意图；

图4B为图3所示半导体外腔中衍射光学元件的另一结构示意图；

图5为本发明第二实施例提供的半导体外腔的结构示意图；

图6为本发明第三实施例提供的半导体外腔的结构示意图；

图7为本发明第四实施例提供的半导体外腔的结构示意图；

图8为本发明第五实施例提供的半导体外腔的结构示意图；

图9为本发明第六实施例提供的半导体外腔的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为半导体激光bar条，2为衍射光学元件，3为输出镜，4为反射型体布拉格光栅，5为反射型衍射光学元件，6为光隔离器，7为第一反射镜，8为第二反射镜，9为第三反射镜。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

实施例一：

图1为本发明实施例提供的半导体激光bar条的结构示意图。参阅图1，结合图2，对本实施例中半导体激光bar条的结构进行详细说明。

半导体激光bar条包括多个发光单元以及位于相邻发光单元之间的不发光区域。参阅图2，发光单元与高阶厄米高斯光束的波峰一一对应，不发光区域与高阶厄米高斯光束的节线一一对应，且各发光单元的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等，各不发光区域与其对应节线重合，各发光单元的宽度不相等，其中，高阶厄米高斯光束由半导体激光bar条和外腔相互作用产生。节线是指高阶厄米高斯光束中强度为0的区域，两个波峰之间具有一段一定长度的节线；两个发光单元之间具有一小段不发光区域；节线和不发光区域的宽度相对比较小。本实施例中的半导体激光bar条的每个发光单元发出的光正好是高阶厄米高斯光束的一个峰，这种情况下，半导体激光bar条导致的耦合损耗几乎可以忽略不计，而谐振腔内的振荡就可以和高阶厄米高斯光束完全匹配，利用衍射光学元件等控制半导体外腔内的自在现模式为厄米高斯模式，实现较强的半导体外腔内相位锁定，从而实现高功率条件下相位锁定相干模式输出。

根据本发明实施例，发光单元包括脊形波导区域和锥形放大区域；锥形放大区域中截面较小一端连接脊形波导区域，截面较大一端的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等。通过改变各锥形放大区域的锥角、各脊形波导区域的长度以及各脊形波导区域的位置，可以改变半导体激光bar条出射激光的宽度，从而实现非均匀激光，为实现特定腔内高阶模式和激光相干合束提供基础。可以理解的是，发光单元也可以为其他结构。

高阶厄米高斯光束例如为图1和图2中示出10阶厄米高斯模式归一化强度分布，其含有11个峰。高阶厄米高斯光束除了边缘的两个峰以外，其他中间的峰可看作准高斯空间分布，中间各峰的宽度并不相同，如图2所示。为了让半导体激光bar条的输出光束与高阶厄米高斯光束相匹配，就必须要求半导体bar条上的每个发光单元的宽度与相应的厄米高斯光束的每个峰的距离相匹配，使得每个厄米高斯的峰在一个发光单元里面工作。当bar条的填充因子大于80％的时候，半导体发光面的耦合损耗可以降低到小于0.1％。本实施例中与高阶厄米高斯光束相匹配的非均匀半导体激光bar条，能够提高相干合束效率，抑制半导体bar内自激振荡。

实施例二：

图3为本发明第一实施例提供的半导体外腔的结构示意图。参阅图3，结合图4A和图4B，对本实施例中半导体外腔的结构进行详细说明。

参阅图3，半导体外腔包括依次分布的半导体激光bar条1、衍射光学元件2和输出镜3。半导体激光bar条1为如图1-图2所示实施例中的半导体激光bar条。衍射光学元件2用于控制腔内模式，以实现高阶厄米模式振荡以生成高阶厄米高斯光束。输出镜3用于耦合输出高阶厄米高斯光束，提供部分耦合输出，并将另一部分激光反馈回腔内再次放大。

本实施例中，半导体激光bar条1中背离衍射光学元件2的端面设置有增反膜，以提供激光反馈；另一端面(即其输出端面)设置有增透膜，以限制这两个端面之间的激光振荡，从而降低半导体外腔内部的自激振荡。半导体激光bar条1与衍射光学元件2一起为谐振器腔提供足够的模式鉴别能力，使得腔内其他模式的损耗很高，或者模体积很小，只有与非均匀半导体激光bar条结构相匹配的厄米高斯模式能够在腔内存在。其他模式由于模式竞争而逐渐减弱，或者因为损耗太高而不会形成振荡，与非均匀分布半导体bar条结构相匹配的高阶厄米高斯光束成为输出激光的主模，从而实现相干合束。

本发明一实施例中，衍射光学元件2的结构如图4A所示。衍射光学元件2中设置有多个第一区域，第一区域为由多个方格形成的棋盘结构，任意相邻两个方格之间的相位调制差为π/2，在第一区域上衍射的光束将会远离光轴，由此，使得第一区域为不透光区域，第一区域为图4A中的阴影区域。不透光区域与不发光区域一一对应且宽度相同。各第一区域两侧区域为透光区域，第一区域之外的区域的相位调制是相同的，形成为透光区域。

图4A所示不透光区域可以增强部分模式的损耗，当阴影区域正好和高阶厄米模式的节线位置一致时，该衍射光学元件2就不会对该模式引入额外损耗，由此可以诱导高阶厄米高斯模式成为外腔内振荡的主模式。只需要控制透光区域的宽度与半导体外腔内的高阶厄米高斯模式的各波峰宽度一致即可，这种实现方式对于现有的衍射光学元件加工技术而言是非常容易实现的，加工成本也非常低，可以保证精度。

本发明另一实施例中，衍射光学元件2的结构如图4B所示，该结构为二元型衍射光学元件。衍射光学元件2包括交替设置的第二区域和第三区域，第二区域的相位延迟为π，第三区域的相位延迟为π/2，当激光来回两次通过时，可以在交界区域产生π相位的相位差，这种相位差使得第二区域和第三区域交界处区域的场强为0，由此，交界处区域为不透光区域，交界处之外的区域为透光区域。图4B所示衍射光学元件设计时，必须保持激光场强为0的地方与衍射光学元件的交界区域重合，该类型元件的加工精度要求不高，而且只有两种相位，成本较低。

实施例三：

图5为本发明第二实施例提供的半导体外腔的结构示意图。参阅图5，与实施例二中半导体外腔不同的是：本实施例中，半导体激光bar条1沿光路的两个端面均镀有增透膜，半导体外腔还包括反射型体布拉格光栅4，反射型体布拉格光栅4位于半导体激光bar条1的另一侧。

半导体激光bar条1端面增透膜的透过率越高越好，以减少bar条两个端面间的寄生振荡。反射型体布拉格光栅4提供激光反馈，输出镜3提供激光耦合输出，衍射光学元件2用于实现高阶厄米模式振荡，达到相干合束目的。本实施例中，使用光栅元件有利于控制外腔中激光频率，压缩线宽。

实施例四：

图6为本发明第三实施例提供的半导体外腔的结构示意图。参阅图6，与实施例二中半导体外腔不同的是：本实施例中，半导体外腔话包括反射型衍射光学元件5，反射型衍射光学元件5位于半导体激光bar条1的另一侧，衍射光学元件2为透射型衍射光学元件，半导体激光bar条1沿光路的两个端面的轴线与光轴平行。

本实施例中，使用两个衍射光学元件可以提高模式鉴别能力；将让其中一个衍射光学元件设置为反射型衍射光学元，可以承受较高功率，有利于冷却。

实施例五：

图7为本发明第四实施例提供的半导体外腔的结构示意图。参阅图7，与实施例二中半导体外腔不同的是：本实施例中，半导体外腔话包括反射型衍射光学元件5，反射型衍射光学元件5位于半导体激光bar条1的另一侧，衍射光学元件2为透射型衍射光学元件，半导体激光bar条1沿光路的两个端面的轴线与光轴之间的夹角等于布鲁斯特角。

本实施例中，由于半导体激光bar条1沿光路的两个端面与光轴不垂直，所以不能在发光单元内部形成有效振荡，由此抑制寄生振荡的发生，提高合束效率。半导体激光bar条1沿光路的两个端面的轴线与光轴之间的夹角为布鲁斯特角时，p光在半导体激光端面的反射率为0，有利于提高激光器的工作效率；此外，还能够使p光优先振荡，产生线偏振光输出；同时有效的抑制了半导体发光单元内部的寄生振荡，对提高相干合束的效率极为有利。

实施例六：

图8为本发明第五实施例提供的半导体外腔的结构示意图。半导体外腔包括依次分布的第一反射镜7、半导体激光bar条1和输出镜3，以及依次分布的第二反射镜8、衍射光学元件2、光隔离器6和第三反射镜9，第一反射镜7与第三反射镜9相对设置，输出镜3和第二反射镜8相对设置，以在半导体外腔内形成单向传输的行波。

光隔离器6使得半导体外腔内部只有一个方向传输的行波，而非图3-图7所示半导体外腔内部来回振荡所形成的驻波。行波可以避免半导体激光发光单元内部形成的空间烧孔效应，进而避免由空间烧孔效应引起的一系列问题，如发光单元内的温度梯度、载流子浓度不均等问题。因此，环形腔对于消除半导体激光输出不稳、减少纵模数量、增强半导体外腔相干合束效率非常有利。

实施例七：

图9为本发明第六实施例提供的半导体外腔的结构示意图。与图8所示实施例中半导体外腔不同的是：本实施例中，用光栅反射镜代替了第一反射镜7、第二反射镜8和第三反射镜9中的一个反射镜。如图9所示，将第一反射镜7设置为光栅反射镜。可以理解的是，本实施例中，也可以将第二反射镜8或第三反射镜9设置为光栅反射镜。

光栅反射镜是色散元件，可以选择特定的激光波长作为谐振腔内的谐振波长，并且可以压缩半导体激光的线宽，此外，可以稳定工作激光的波长，也能够选择固定的纵模。可用于需要工作在单纵模条件的半导体外腔。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种半导体激光bar条，其特征在于，包括多个发光单元以及位于相邻发光单元之间的不发光区域；

所述发光单元与高阶厄米高斯光束的波峰一一对应，所述不发光区域与所述高阶厄米高斯光束的节线一一对应，且各所述发光单元的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等，各所述不发光区域与其对应节线重合，各所述发光单元的宽度不相等，其中，所述高阶厄米高斯光束由所述半导体激光bar条和外腔相互作用产生。

2.如权利要求1所述的半导体激光bar条，其特征在于，所述发光单元包括脊形波导区域和锥形放大区域；所述锥形放大区域中截面较小一端连接所述脊形波导区域，截面较大一端的宽度与其对应波峰两端零点之间的宽度相等。

3.一种半导体外腔，其特征在于，包括依次分布的半导体激光bar条(1)、衍射光学元件(2)和输出镜(3)，所述半导体激光bar条(1)为如权利要求1-2任一项所述的半导体激光bar条；

所述衍射光学元件(2)用于实现高阶厄米模式振荡以生成高阶厄米高斯光束，所述输出镜(3)用于耦合输出所述高阶厄米高斯光束。

4.如权利要求3所述的半导体外腔，其特征在于，所述半导体激光bar条(1)中背离衍射光学元件(2)的端面设置有增反膜，以提供激光反馈，另一端面设置有增透膜，以限制这两个端面之间的激光振荡。

5.如权利要求3所述的半导体外腔，其特征在于，还包括反射型体布拉格光栅(4)，位于所述半导体激光bar条(1)的另一侧，所述半导体激光bar条(1)沿光路的两个端面均设置有增透膜。

6.如权利要求3所述的半导体外腔，其特征在于，还包括反射型衍射光学元件(5)，位于所述半导体激光bar条(1)的另一侧，所述衍射光学元件(2)为透射型衍射光学元件；所述半导体激光bar条(1)沿光路的两个端面的轴线与光轴之间的夹角等于布鲁斯特角。

7.如权利要求3-6任一项所述的半导体外腔，其特征在于，所述衍射光学元件(2)中设置有多个第一区域，所述第一区域为由多个方格形成的棋盘结构，任意相邻两个方格之间的相位调制差为π/2，使得所述第一区域为不透光区域，各所述第一区域两侧区域为透光区域；所述不透光区域与所述不发光区域一一对应且宽度相同。

8.如权利要求3-6任一项所述的半导体外腔，其特征在于，所述衍射光学元件(2)包括交替设置的第二区域和第三区域，所述第二区域的相位延迟为π，所述第三区域的相位延迟为π/2，使得所述第二区域和第三区域交界处区域的场强为0，所述交界处区域为不透光区域，所述交界处之外的区域为透光区域；所述不透光区域与所述不发光区域一一对应且宽度相同。

9.一种半导体外腔，其特征在于，包括依次分布的第一反射镜(7)、半导体激光bar条(1)和输出镜(3)，以及依次分布的第二反射镜(8)、衍射光学元件(2)、光隔离器(6)和第三反射镜(9)，所述第一反射镜(7)与第三反射镜(9)相对设置，所述输出镜(3)和第二反射镜(8)相对设置，以在所述半导体外腔内形成单向传输的行波。

10.如权利要求9所述的半导体外腔，其特征在于，所述第一反射镜(7)、第二反射镜(8)和第三反射镜(9)中的一个反射镜设置为光栅反射镜。

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