CN112729780B - 一种半导体激光器的空间模式检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及半导体激光器技术领域，具体提供一种基于高分辨率双通光栅光谱仪的空间模式检测系统以及检测方法，所述空间模式检测系统包括准直单元、扩束单元、光束筛选单元、聚焦单元、衍射单元、转动单元、第一反射镜、场镜以及接收屏；通过采用高精度双通道光栅光谱仪结构，将半导体激光器的模式在空间上分离出来，投射到接收屏上，进一步通过CCD可直观地观察出模式分布；本申请提供的检测系统以及检测方法能够有效地检测半导体激光器的空间模式数量，有助于了解半导体激光器的模式特性、改进优化半导体激光器的设计。

Description

一种半导体激光器的空间模式检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，特别涉及一种半导体激光器的空间模式检测系统及检测方法。

背景技术

由于半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高、电光转换效率高等优点，使其成为激光加工、激光医疗、激光显示、激光照明、激光监控等领域的核心光源和支撑技术。在上述这些应用领域中，对半导体激光光源的输出功率有较高的要求。因此半导体激光器功率的提升，对上述应用具有显著意义。但是由于半导体激光器特殊的波导结构，其快轴通常为单模输出，光束质量较好，而慢轴则为多模输出，多模输出会严重增大发散角，降低光束质量。目前在半导体激光器结构设计上，经常需要考虑慢轴的模式情况，尽量减少模式数量。因此需要一套高效直观的半导体激光器测试检测系统，能够有效地检测半导体激光器的模式数量、模式分布情况，这对提升半导体激光器光束质量意义重大。

发明内容

基于现有半导体激光器中空间模式复杂难以检测的问题，本发明提供一种半导体激光器的空间模式检测系统，所述空间模式检测系统包括准直单元、扩束单元、光束筛选单元、聚焦单元、衍射单元、转动单元、第一反射镜10、场镜12以及接收屏13；

所述准直单元用于对半导体激光器发射出的激光束进行准直，所述扩束单元用于对准直后的激光束进行扩束；所述准直单元、所述扩束单元以及所述聚焦单元同轴依次排放设置，并与半导体激光器1的发光区的中心保持同轴；

所述光束筛选单元设置在所述扩束单元与所述聚焦单元之间，用于减少通过的激光束；所述聚焦单元用于将通过所述光束筛选单元的激光束聚焦至所述衍射单元上；所述衍射单元固定设置于所述转动单元上，可由所述转动单元带动旋转；所述第一反射镜10设置在所述衍射单元的衍射方向，并与所述衍射单元构成高分辨率双通光栅光谱仪结构；

所述场镜12用于将经过所述第一反射镜10后的出射光束成像至所述接收屏13上；所述转动单元带动所述衍射单元旋转，所述接收屏13获得不同空间模式下的投射。

一些实施例中，所述空间模式检测系统还包括水冷座2，所述半导体激光器1固定设置于所述水冷座2上，所述水冷座2用于对所述半导体激光器1进行散热。

一些实施例中，所述衍射单元包括衍射光栅8；所述第一反射镜10将经过所述衍射光栅8衍射的激光束再次反射到所述衍射光栅8上，形成二次衍射。

一些实施例中，所述空间模式检测系统还包括第二反射镜11，所述衍射单元包括衍射光栅8；所述第二反射镜11与所述场镜12均设置于所述衍射光栅8二次衍射的出射方向，所述第二反射镜11改变所述出射光束的传输方向后，所述场镜12成像到接收屏13上；

一些实施例中，所述空间模式检测系统还包括电荷耦合器件(以下简称：CCD)14以及计算机15，所述计算机15与所述CCD14通过信号线连接；所述CCD14与所述接收屏13非垂直正对设置；所述CCD14记录所述接收屏13上获得的空间模式分布，并传输至所述计算机15。

一些实施例中，所述CCD14与所述接收屏13成角度设置，所述角度的范围为45°～80°。

一些实施例中，所述扩束单元包括第一扩束透镜4和第二扩束透镜5；所述第一扩束透镜4的焦距为5mm≤f_1a≤50mm，所述第二扩束透镜5的焦距为50mm≤f_1b≤350mm；所述第一扩束透镜4与所述第二扩束透镜5之间的距离为166mm，放大倍率为2～50倍。

一些实施例中，所述第一扩束透镜4的焦距为f_1a＝16mm，所述第二扩束透镜5的焦距为f_1b＝150mm；所述第一扩束透镜4与所述第二扩束透镜5之间的距离为166mm，放大倍率为9倍。

一些实施例中，所述准直单元包括准直透镜3，所述准直透镜3的焦距为1mm～5mm；所述准直透镜3为圆形透镜；所述准直透镜3包括两个分立的准直透镜；所述光束筛选单元包括光阑6，所述光阑6为滑动光阑；所述聚焦单元包括长焦聚焦透镜7，所述长焦聚焦透镜7的焦距为1000mm～3000mm；所述衍射单元包括衍射光栅8，所述衍射光栅8的周期为1800～3000线/mm；所述转动单元包括精密转台9。

本发明提供一种半导体激光器的空间模式检测系统，所述空间模式检测系统包括半导体激光器1、准直透镜3、第一扩束透镜4、第二扩束透镜5、光阑6、长焦聚焦透镜7、衍射光栅8、精密转台9、第一反射镜10、场镜12以及接收屏13；

所述准直透镜3、所述第一扩束透镜4、所述第二扩束透镜5以及所述长焦聚焦透镜7同轴依次排放设置，并与所述半导体激光器1的发光区的中心保持同轴；所述光阑6设置在所述第二扩束透镜5与所述长焦聚焦透镜7之间；所述长焦聚焦透镜7用于将经过所述光阑6的激光束聚焦至所述衍射光栅8上；所述衍射光栅8固定设置于所述精密转台9上，可由所述精密转台9带动旋转；所述第一反射镜10设置在所述衍射光栅8的衍射方向，并与所述衍射光栅8构成高分辨率双通光栅光谱仪结构；场镜12用于将经过所述第一反射镜10后的出射光束成像至所述接收屏13上；所述精密转台9带动所述衍射光栅8旋转，所述接收屏13获得不同空间模式下的投射。

另一方面，本发明还提供一种半导体激光器的空间模式检测方法，所述检测方法包括步骤：

S1、半导体激光器1发射激光束，所述激光束经过准直透镜3进行准直，然后依次通过第一扩束透镜4和第二扩束透镜5进行扩束；

S2、扩束后的激光束经过光阑6后，部分激光束经过长焦聚焦透镜7，入射到衍射光栅8上；

S3、通过精密转台9带动所述衍射光栅8旋转，半导体激光器1在不同空间模式下发射的不同激光束分别以不同角度入射到所述衍射光栅8上，并以相同的衍射角入射到第一反射镜10上，实现空间模式的分离；

S4、分离后的空间模式分别由场镜12成像到接收屏13上，进而获得所述空间模式分布。

常规的宽条半导体激光器由于其器件结构特性，光束内部的模式情况较为复杂，存在很多个波长不同的模组，而每个模组内部又包含多个特定波长间隔的横模。但是整个光束内部的每个模式都以一定的波长间隔分布，沿波长方向以模式谱形式存在，本发明提供一种基于高分辨率双通光栅光谱仪结构的半导体激光器的空间模式检测系统以及检测方法，具体通过对半导体激光器的输出光束进行准直、扩束，并结合高分辨率双通光栅光谱仪的光学结构，将半导体激光器的模式在空间上有效地分离出来，投射到接收屏上，进一步再通过CCD将模式分布情况记录下来，便可通过计算机直观地检测。本发明提供的检测系统以及检测方法能够有效地检测半导体激光器的空间模式数量，有助于了解半导体激光器的模式特性、改进优化半导体激光器的设计。

附图说明

图1为本发明一种具体实施例所提供的半导体激光器的空间模式检测系统结构示意图；

图2为本发明一种具体实施例中接收屏上所接收的空间模式分布图。

附图标记

半导体激光器1、水冷座2、准直透镜3、第一扩束透镜4、第二扩束透镜5、光阑6、长焦聚焦透镜7、衍射光栅8、精密转台9、第一反射镜10、第二反射镜11、场镜12、接收屏13、CCD14、计算机15。

具体实施方式

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。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变，所述的连接可以是直接连接，也可以是间接连接。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明具体实施方式提供一种半导体激光器的空间模式检测系统，空间模式检测系统包括准直单元、扩束单元、光束筛选单元、聚焦单元、衍射单元、转动单元、第一反射镜10、场镜12以及接收屏13；准直单元用于对半导体激光器发射出的激光束进行准直，扩束单元用于对准直后的激光束进行扩束；准直单元、扩束单元以及聚焦单元同轴依次排放设置，并与半导体激光器1的发光区的中心保持同轴；光束筛选单元设置在扩束单元与聚焦单元之间，用于减少通过的激光束；聚焦单元用于将通过光束筛选单元的激光束聚焦至衍射单元上；衍射单元固定设置于转动单元上，可由转动单元带动旋转；第一反射镜10设置在衍射单元的衍射方向，并与衍射单元构成高分辨率双通光栅光谱仪结构；场镜12用于将经过第一反射镜10后的出射光束成像至接收屏13上；转动单元带动衍射单元旋转，接收屏13获得不同空间模式下的投射。

具体实施方式中，准直单元可以包括准直透镜3，用于对半导体激光器发射出的激光束进行准直；扩束单元可以包括第一扩束透镜4和第二扩束透镜5，用于对准直后的激光束进行扩束；光束筛选单元可以包括光阑6；聚焦单元可以包括长焦聚焦透镜7；衍射单元可以包括衍射光栅8；转动单元可以包括精密转台9，用于带动衍射光栅8旋转。

如图1所示，本发明具体实施方式中提供一种半导体激光器的空间模式检测系统，该检测系统主要基于高分辨率双通光栅光谱仪结构。

该具体实施方式中，空间模式检测系统包括准直透镜3、第一扩束透镜4、第二扩束透镜5、光阑6、长焦聚焦透镜7、衍射光栅8、精密转台9、第一反射镜10、场镜12以及接收屏13。

其中，准直透镜3、第一扩束透镜4、第二扩束透镜5以及长焦聚焦透镜7同轴依次排放设置，并与半导体激光器1的发光区的中心保持同轴；通过准直透镜3对半导体激光器1发射出的激光束进行准直，然后通过第一扩束透镜4与第二扩束透镜5所形成的扩束透镜组对激光束进行扩束。

优选的实施方式中，准直透镜3的焦距为1mm～5mm，准直透镜3可以为圆形准直透镜，对半导体激光器1发射出的激光束整体进行准直；进一步优选的实施方式中，准直透镜3可以包括两个分立的准直透镜，以便分别对半导体激光器1的快轴和慢轴进行准直，以便达到更好的准直效果。

优选的实施方式中，第一扩束透镜4的焦距为5mm≤f_1a≤50mm，第二扩束透镜5的焦距为50mm≤f_1b≤350mm；第一扩束透镜4与第二扩束透镜5之间的距离为166mm，放大倍率为2～50倍。进一步优选的实施方式中，第一扩束透镜4的焦距为f_1a＝16mm，第二扩束透镜5的焦距为f_1b＝150mm；第一扩束透镜4与第二扩束透镜5之间的距离为166mm，放大倍率为9倍。通过采用相应焦距的第一扩束透镜4和第二扩束透镜5，并设置相应的位置距离及放大倍率所形成的扩束透镜组能够更好的实现对准直后的激光束进行扩束，将半导体激光器发射出的激光束进行扩大。

具体实施方式中，光阑6设置在第二扩束透镜5与长焦聚焦透镜7之间，通过设置光阑6，可以使通过扩束透镜组扩束后的激光束仅有部分通过，并经过长焦聚焦透镜7到达衍射光栅8上，以便降低激光束的功率，而不至于使CCD饱和；优选的实施方式中，光阑6可以为滑动光阑，以便通过改变位置能够更好的针对不同空间模式下，半导体激光器1发射出的激光束进行减少光束。

具体实施方式中，长焦聚焦透镜7的焦距为1000mm～3000mm，用于将经过光阑6的激光束聚焦至衍射光栅8上；衍射光栅8的周期为1800～3000线/mm，衍射光栅8固定设置于精密转台9上，可由精密转台9带动旋转；第一反射镜10设置在衍射光栅8的衍射方向，具体设置在激光束经过衍射光栅8一次衍射后的出射位置，通过设置第一反射镜10能够将经衍射光栅8衍射的激光束再次反射到衍射光栅8上，形成二次衍射，这样可以将进一步提高衍射能力；同时，第一反射镜10与衍射光栅8构成高分辨率双通光栅光谱仪结构，从而可以将激光束的每个模式在空间上分离开来；经过第一反射镜10后的出射光束由场镜12成像至接收屏13上；通过精密转台9带动所述衍射光栅8旋转，在所述接收屏13获得不同空间模式下的投射，进而获得空间模式分布。

具体实施方式中，本发明提供的空间模式检测系统还包括第二反射镜11，第二反射镜11与场镜12均设置于衍射光栅8二次衍射的出射方向，经过第一反射镜10与衍射光栅8所构成的高分辨率双通光栅光谱仪结构将激光束的每个模式在空间上分离开后，分别通过第二反射镜11改变出射光束的传输方向后，再由场镜12成像到接收屏13上；通过设置第二反射镜11对光束的方向进行改变，能够让光路更合理，光路的空间利用率更高，并且让半导体激光器1的出射方向和最后投射到接收屏13的光束方向一致，便于观察。

具体实施方式中，接收屏13主要用来接收投射的激光束，具体可以为涂有黑漆的金属板或者漫反射屏等等，图2为一种具体实施方式中，接收屏13接收到的半导体激光器的空间模式分布图。

具体实施方式中，本发明提供的空间模式检测系统还包括CCD14以及计算机15，计算机15与CCD14通过信号线连接；通过CCD14记录所述接收屏13上获得的空间模式分布，并传输至计算机15，以便能够通过计算机15更加方便快捷的观察半导体激光器1的空间模式分布情况。优选的实施方式中，CCD14与接收屏13非垂直正对设置，而是成角度设置，具体角度的范围可为45°～80°，但不限于此，以便使得整个光路空间结构更加合理。

具体实施方式中，当半导体激光器1工作的功率较高时，例如当导体激光器1工作的功率大于1W时，可以通过设置水冷座2对半导体激光器1进行散热，具体的，可将半导体激光器固定设置于水冷座2上，水冷座2中设有水冷通道，通过水冷实现半导体激光器1的冷却散热。而当半导体激光器1工作的功率较低时，例如当导体激光器1工作的功率为1W或低于1W时，本发明的空间模式检测系统中则可以不设置水冷座2。

本发明的具体实施方式中还提供一种利用上述空间模式检测系统进行检测的检测方法，检测方法具体包括步骤：

S1、半导体激光器1发射激光束，激光束经过准直透镜3进行准直，然后依次通过第一扩束透镜4和第二扩束透镜5进行扩束；

S2、扩束后的激光束经过光阑6后，部分激光束经过长焦聚焦透镜7，入射到衍射光栅8上；

S3、通过精密转台9带动衍射光栅8旋转，将半导体激光器1在不同空间模式下发射的不同激光束分别以不同角度入射到衍射光栅8上，并以相同的衍射角入射到第一反射镜10上，实现空间模式的分离；

S4、分离后的空间模式分别由场镜12成像到接收屏13上，进而获得空间模式分布。

具体实施方式中，本发明提供的空间模式检测方法包括：半导体激光器1发出的激光束，先经过准直透镜3进行准直，然后通过第一扩束透镜4和第二扩束透镜5组成的扩束透镜组进行扩束，将半导体激光器1发射出的激光束扩大；通过扩束透镜组后设置的光阑6，可使扩束后的激光束部分激光透过，避免由于激光束功率过强而导致CCD饱和；透过的激光束经长焦聚焦透镜7后，入射到衍射光栅8上；由于半导体激光器1内部的每个模式都以一定的波长间隔分布，因此根据光栅方程，经长焦聚焦透镜7聚焦的激光束会以不同的角度入射到衍射光栅8上，并以相同的衍射角入射到第一反射镜10上；通过衍射光栅8和第一反射镜10构成的高分辨率双通光栅光谱仪光学结构，可将激光束中的每个模式在空间上分离开；分离后的模式通过第二反射镜11改变出射光束的传输方向，再由场镜12成像到接收屏13上。

通过精密转台9转动衍射光栅8，可以将不同模式从上到下投射在接收屏13上，从而形成模式谱分布，通过CCD14可将接收屏13上的模式谱分布记录下来并传输到计算机15里，通过计算机15可以直观的检测出模式数量及分布情况。

本发明提供的基于高分辨率双通光栅光谱仪光学结构的半导体激光器的空间模式检测系统以及检测方法，具体通过对半导体激光器的输出光束进行准直、扩束，并结合高分辨率双通光栅光谱仪的光学结构，将半导体激光器的模式在空间上有效地分离出来，投射到接收屏上，进一步再通过CCD将空间模式分布情况记录下来，便可通过计算机直观地检测。本发明提供的检测系统以及检测方法能够有效地检测半导体激光器的空间模式数量，有助于了解半导体激光器的模式特性、改进优化半导体激光器的设计。

以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种半导体激光器的空间模式检测系统，其特征在于，所述空间模式检测系统包括准直单元、扩束单元、光束筛选单元、聚焦单元、衍射单元、转动单元、第一反射镜(10)、场镜(12)以及接收屏(13)；

所述准直单元用于对半导体激光器发射出的激光束进行准直，所述扩束单元用于对准直后的激光束进行扩束；所述准直单元、所述扩束单元以及所述聚焦单元同轴依次排放设置，并与半导体激光器(1)的发光区的中心保持同轴；

所述光束筛选单元设置在所述扩束单元与所述聚焦单元之间，用于减少通过的激光束；所述聚焦单元用于将通过所述光束筛选单元的激光束聚焦至所述衍射单元上；所述衍射单元固定设置于所述转动单元上，可由所述转动单元带动旋转；所述第一反射镜(10)设置在所述衍射单元的衍射方向，并与所述衍射单元构成高分辨率双通光栅光谱仪结构；

所述场镜(12)用于将经过所述第一反射镜(10)后的出射光束成像至所述接收屏(13)上；所述转动单元带动所述衍射单元旋转，所述接收屏(13)获得不同空间模式下的投射；

所述衍射单元包括衍射光栅(8)；所述第一反射镜(10)将经过所述衍射光栅(8)衍射的激光束再次反射到所述衍射光栅(8)上，形成二次衍射；

所述空间模式检测系统还包括第二反射镜(11)，所述衍射单元包括衍射光栅(8)；所述第二反射镜(11)与所述场镜(12)均设置于所述衍射光栅(8)二次衍射的出射方向，所述第二反射镜(11)改变所述出射光束的传输方向后，所述场镜(12)成像到接收屏(13)上。

2.根据权利要求1所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述空间模式检测系统还包括水冷座(2)，所述半导体激光器(1)固定设置于所述水冷座(2)上，所述水冷座(2)用于对所述半导体激光器(1)进行散热。

3.根据权利要求1所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述空间模式检测系统还包括电荷耦合器件(14)以及计算机(15)，所述计算机(15)与所述电荷耦合器件(14)通过信号线连接；所述电荷耦合器件(14)与所述接收屏(13)非垂直正对设置；所述电荷耦合器件(14)记录所述接收屏(13)上获得的空间模式分布，并传输至所述计算机(15)。

4.根据权利要求3所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述电荷耦合器件(14)与所述接收屏(13)成角度设置，所述角度的范围为45°～80°。

5.根据权利要求1所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述扩束单元包括第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)；所述第一扩束透镜(4)的焦距为5mm≤f_1a≤50mm，所述第二扩束透镜(5)的焦距为50mm≤f_1b≤350mm；所述第一扩束透镜(4)与所述第二扩束透镜(5)之间的距离为166mm，放大倍率为2～50倍。

6.根据权利要求5所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述第一扩束透镜(4)的焦距为f_1a＝16mm，所述第二扩束透镜(5)的焦距为f_1b＝150mm；所述第一扩束透镜(4)与所述第二扩束透镜(5)之间的距离为166mm，放大倍率为9倍。

7.根据权利要求1所述的空间模式检测系统，其特征在于，所述准直单元包括准直透镜(3)，所述准直透镜(3)的焦距为1mm～5mm；所述准直透镜(3)为圆形透镜；所述准直透镜(3)包括两个分立的准直透镜；

所述光束筛选单元包括光阑(6)，所述光阑(6)为滑动光阑；

所述聚焦单元包括长焦聚焦透镜(7)，所述长焦聚焦透镜(7)的焦距为1000mm～3000mm；

所述衍射单元包括衍射光栅(8)，所述衍射光栅(8)的周期为1800～3000线/mm；

所述转动单元包括精密转台(9)。

8.一种如权利要求1所述的半导体激光器的空间模式检测系统的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括步骤：

S1、半导体激光器(1)发射激光束，所述激光束经过准直透镜(3)进行准直，然后依次通过第一扩束透镜(4)和第二扩束透镜(5)进行扩束；

S2、扩束后的激光束经过光阑(6)后，部分激光束经过长焦聚焦透镜(7)，入射到衍射光栅(8)上；

S3、通过精密转台(9)带动所述衍射光栅(8)旋转，半导体激光器(1)在不同空间模式下发射的不同激光束分别以不同角度入射到所述衍射光栅(8)上，并以相同的衍射角入射到第一反射镜(10)上，实现空间模式的分离；

S4、分离后的空间模式分别由场镜(12)成像到接收屏(13)上，进而获得所述空间模式分布。

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