CN112993747B - 一种波长锁定半导体激光器系统 - Google Patents

Abstract

一种波长锁定半导体激光器系统，包括：M个半导体激光器芯片，第k个半导体激光器芯片适于从前腔面出射第k前激光束，第k个半导体激光器芯片适于从后腔面出射第k后激光束；第一光纤光栅，第一光纤光栅适于部分反射第k前激光束以形成第k前反馈光束，第k前反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M‑k+1个半导体激光器芯片中；第二光纤光栅，第二光纤光栅适于部分反射第k后激光束以形成第k后反馈光束，第k后反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M‑k+1个半导体激光器芯片中；第k前反馈光束的波长范围和第k后反馈光束的波长范围至少部分重叠。所述波长锁定半导体激光器系统的降低了波长锁定失效的几率且寿命到提高。

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。其次，传统的半导体激光器光纤耦合模块的寿命较低。

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和寿命较低的问题。

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：M个半导体激光器芯片，各所述半导体激光器芯片均具有相对的前腔面和后腔面，第k个半导体激光器芯片适于从前腔面出射第k前激光束，第k个半导体激光器芯片适于从后腔面出射第k后激光束；第一光纤光栅，所述第一光纤光栅适于部分反射第k前激光束以形成第k前反馈光束，第k前反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；第二光纤光栅，所述第二光纤光栅适于部分反射第k后激光束以形成第k后反馈光束，第k后反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；第k前反馈光束的波长范围和第k后反馈光束的波长范围至少部分重叠；其中，M为大于等于1的整数；k为大于或等于1且小于或等于M的整数。

可选的，所述前腔面的反射率小于或等于1％，所述后腔面的反射率小于或等于1％。

可选的，还包括：第一聚焦透镜，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第一光纤光栅之间的光路中；第二聚焦透镜，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第二光纤光栅之间的光路中。

可选的，M为大于等于2的奇数或者偶数。

可选的，还包括：M个第一准直透镜组，第k个第一准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第一聚焦透镜之间的光路中；M个第二准直透镜组，第k个第二准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第二聚焦透镜之间的光路中。

可选的，所述第k个第一准直透镜组包括沿着第k前激光束的传播方向上依次设置的第k个第一快轴准直镜和第k个第一慢轴准直镜，第k个第二准直透镜组包括沿着第k后激光束的传播方向上依次设置的第k个第二快轴准直镜和第k个第二慢轴准直镜。

可选的，所述第一光纤光栅反射的激光的中心波长为λ₁，所述第二光纤光栅反射的激光的中心波长为λ₂，所述第一光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₁，所述第二光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₂；∣λ₁-λ₂∣≤1/2Δε₁,且∣λ₁-λ₂∣≤1/2Δε₂；Δε₁为0.05纳米～1纳米；Δε₂为0.05纳米～1纳米。

可选的，λ₁为760纳米～1100纳米，λ₂为760纳米～1100纳米；所述半导体激光器芯片从前腔面发射的前激光束的波长范围为760纳米～1100纳米；所述半导体激光器芯片从后腔面发射的后激光束的波长范围为760纳米～1100纳米。

可选的，对于任意相邻的第k₁个半导体激光器芯片和第k₂个半导体激光器芯片，第k₁前激光束和第k₂前反馈光束部分重叠且第k₁后激光束和第k₂后反馈光束部分重叠，和/或，第k₂前激光束和第k₁前反馈光束部分重叠且第k₂后激光束和第k₁后反馈光束部分重叠，k₁为大于或等于1且小于或等于M的整数，k₂为大于或等于1且小于或等于M的整数。

可选的，所述第一光纤光栅的反射率小于或等于10％；所述第二光纤光栅的反射率小于或等于10％。

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，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，因此该两个半导体激光器芯片的反馈光束在聚焦透镜上完全重合，也就是说，对称的两个半导体激光器芯片的前反馈光束在第一聚焦透镜上完全重合，对称的两个半导体激光器芯片的后反馈光束在第二聚焦透镜上完全重合。对称的两个半导体激光器芯片的输出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的中心光轴位置不同，两个半导体激光器芯片输出的激光经过光纤光栅匀化后的光束发散角也不同，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，因此任意一个半导体激光器芯片的输出光束的中心波长与波长锁定半导体激光器系统整体的输出光束的中心波长完全一致，任意一个半导体激光器芯片的光谱宽度与波长锁定半导体激光器系统整体的光谱宽度完全一致。其次，当输出相同功率时双端输出芯片的前腔面和后腔面所承受的功率低得多，因此双端输出的半导体激光器芯片的发热现象以及腔面灾变将得到显著改善，寿命和可靠性得到大幅提升。所述波长锁定半导体激光器系统的降低了波长锁定失效的几率且寿命到提高。

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结构示意图；

图2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结构示意图；

图3为本发明又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轴上半导体激光器芯片输出光束与反馈光束在聚焦透镜上的分布和有效反馈示意图；

图5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上的分布和有效反馈示意图；

图6为本发明一实施例提供的沿光轴对称的半导体激光器芯片对应的输出光束与反馈光束在聚焦透镜上分布和有效反馈示意图；

图7为本发明一实施例提供的非对称的半导体激光器芯片对应的输出光束与反馈光束在聚焦透镜上分布和有效反馈示意图；

图8为单端输出的半导体激光器芯片和本发明实施例中双端输出的半导体激光器芯片的腔内光强分布；

图9为本发明一实施例中第一光纤光栅和第二光纤光栅反馈光谱具有细微差异时波长锁定半导体激光器系统实现波长窄化的原理图。

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，参考图1和图2，包括:

M个半导体激光器芯片100，各所述半导体激光器芯片100均具有相对的前腔面1001和后腔面1002，第k个半导体激光器芯片100适于从前腔面1001出射第k前激光束，第k个半导体激光器芯片100适于从后腔面1002出射第k后激光束；

第一光纤光栅110，所述第一光纤光栅110适于部分反射第k前激光束以形成第k前反馈光束，第k前反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；

第二光纤光栅120，所述第二光纤光栅120适于部分反射第k后激光束以形成第k后反馈光束，第k后反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；

第k前反馈光束的波长范围和第k后反馈光束的波长范围至少部分重叠；

其中，M为大于等于1的整数；k为大于或等于1且小于等于M的整数。

所述前腔面的反射率小于或等于1％，如0.8％，0.5％；所述后腔面的反射率小于或等于1％，如0.8％，0.5％。

需要说明的是，现有技术的波长锁定半导体激光器系统中半导体激光器芯片为单端输出激光的结构，半导体激光器芯片的后腔面的反射率大于95％，半导体激光器芯片的前腔面小于10％。

本实施例中，选择各半导体激光器芯片的前腔面的反射率小于或等于1％，且后腔面的反射率小于或等于1％，前腔面的反射率和后腔面的反射率均较小，这样使得半导体激光器芯片仅作为增益介质，波长锁定半导体激光器系统的出射光束的中心波长和光谱宽度主要由光纤光栅决定。

所述第一光纤光栅110的反射率小于或等于10％，例如10％、9％、8％、7％；所述第二光纤光栅120的反射率小于或等于10％，例如10％、9％、8％、7％。

在一个实施例中，参考图1，M等于1。

在另一个实施例中，M为大于等于2的整数，参考图2，M等于3。参考图2，M个半导体激光器芯片100包括第一个半导体激光器芯片100a、第二个半导体激光器芯片100b和第三个半导体激光器芯片100c。第一光纤光栅110适于部分反射从第一个半导体激光器芯片100a的前腔面出射的第一前激光束以形成第一前反馈光束，第一前反馈光束至少注入第一个半导体激光器芯片100a和第三个半导体激光器芯片100c中。第一光纤光栅110适于部分反射从第二个半导体激光器芯片100b的前腔面出射的第二前激光束以形成第二前反馈光束，第二前反馈光束至少注入第二个半导体激光器芯片100b中。第一光纤光栅110适于部分反射从第三个半导体激光器芯片100c的前腔面出射的第三前激光束以形成第三前反馈光束，第三前反馈光束至少注入第三个半导体激光器芯片100c和第一个半导体激光器芯片100a中。第二光纤光栅120适于部分反射从第一个半导体激光器芯片100a的后腔面出射的第一后激光束以形成第一后反馈光束，第一后反馈光束至少注入第一个半导体激光器芯片100a和第三个半导体激光器芯片100c中。第二光纤光栅120适于部分反射从第二个半导体激光器芯片100b的后腔面出射的第二后激光束以形成第二后反馈光束，第二后反馈光束至少注入第二个半导体激光器芯片100b中。第二光纤光栅120适于部分反射从第三个半导体激光器芯片100c的后腔面出射的第三后激光束以形成第三后反馈光束，第三后反馈光束至少注入第三个半导体激光器芯片100c和第一个半导体激光器芯片100a中。第一前反馈光束的波长范围和第一后反馈光束的波长范围至少部分重叠。第二前反馈光束的波长范围和第二后反馈光束的波长范围至少部分重叠。第三前反馈光束的波长范围和第三后反馈光束的波长范围至少部分重叠。

需要说明的是，在其他实施例中，M等于2，或者，M为大于或等于4的整数。

在一个实施例中，M为奇数。在另一个实施例中，M为偶数。

所述波长锁定半导体激光器系统还包括：第一聚焦透镜130，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第一光纤光栅110之间的光路中；第二聚焦透镜140，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第二光纤光栅120之间的光路中。

所述波长锁定半导体激光器系统还包括：M个第一准直透镜组150，第k个第一准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第一聚焦透镜130之间的光路中；M个第二准直透镜组160，第k个第二准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第二聚焦透镜140之间的光路中。

参考图1，第一准直透镜组150位于半导体激光器芯片100至第一聚焦透镜130之间的光路中，第二准直透镜组160位于半导体激光器芯片100至第二聚焦透镜140之间的光路中。

参考图2，M个第一准直透镜组150包括第一个第一准直透镜组150a、第二个第一准直透镜组150b和第三个第一准直透镜组150c。M个第二准直透镜组160包括第一个第二准直透镜组160a、第二个第二准直透镜组160b和第三个第二准直透镜组160c。第一个第一准直透镜组150a位于第一个半导体激光器芯片100a至所述第一聚焦透镜130之间的光路中。第二个第一准直透镜组150b位于第二个半导体激光器芯片100b至所述第一聚焦透镜130之间的光路中。第三个第一准直透镜组150c位于第三个半导体激光器芯片100c至所述第一聚焦透镜130之间的光路中。第一个第二准直透镜组160a位于第一个半导体激光器芯片100a至所述第二聚焦透镜140之间的光路中。第二个第二准直透镜组160b位于第二个半导体激光器芯片100b至所述第二聚焦透镜140之间的光路中。第三个第二准直透镜组160c位于第三个半导体激光器芯片100c至所述第二聚焦透镜140之间的光路中。

本实施例中，各第一准直透镜组包括第一慢轴准直镜和第一快轴准直镜。各第二准直透镜组包括第二慢轴准直镜和第二快轴准直镜。第k个第一准直透镜组包括第k个第一慢轴准直镜和第k个第一快轴准直镜。第k个第二准直透镜组包括第k个第二慢轴准直镜和第k个第二快轴准直镜。第k个第一快轴准直镜位于第k个半导体激光器芯片和第k个第一慢轴准直镜之间的光路中。第k个第二快轴准直镜位于第k个半导体激光器芯片和第k个第二慢轴准直镜之间的光路中。

第k个第一快轴准直镜和第k个第一慢轴准直镜沿着第k前激光束的传播方向上依次设置，第k个第二快轴准直镜和第k个第二慢轴准直镜沿着第k后激光束的传播方向上依次设置。

若干个第一快轴准直镜在前激光束的快轴方向排布并具有微小的高度差，例如，相邻的第一快轴准直镜在前激光束的快轴方向的高度差为0.5mm，若干个第一快轴准直镜还沿着前激光束的慢轴方向依次排布。所述第一快轴准直镜适于对半导体激光器芯片的前腔面输出的前激光束在快轴方向进行准直，第一慢轴准直镜适于对半导体激光器芯片的前腔面输出的前激光束在慢轴方向进行准直。所述第一快轴准直镜对前激光束在快轴进行准直之后，再由第一慢轴准直镜对前激光束在慢轴方向进行准直。

若干个第二快轴准直镜在后激光束的快轴方向排布并具有微小的高度差，例如，相邻的第二快轴准直镜在后激光束的快轴方向的高度差为0.5mm，若干个第二快轴准直镜还沿着后激光束的慢轴方向依次排布。所述第二快轴准直镜适于对半导体激光器芯片的后腔面输出的后激光束在快轴方向进行准直，第二慢轴准直镜适于对半导体激光器芯片的后腔面输出的后激光束在慢轴方向进行准直。所述第二快轴准直镜对后激光束在快轴进行准直之后，再由第二慢轴准直镜对后激光束在慢轴方向进行准直。

在一个实施例中，第k前反馈光束的波长范围和第k后反馈光束的波长范围完全重叠。例如，当M等于3时，第一前反馈光束的波长范围和第一反馈光束的波长范围完全重叠，第二前反馈光束的波长范围和第二反馈光束的波长范围完全重叠，第三前反馈光束的波长范围和第三反馈光束的波长范围完全重叠。

在另一个实施例中，参考图9，图9中横轴为波长，纵轴为激光的强度，所述第一光纤光栅110反射的激光的中心波长为λ₁，所述第二光纤光栅129反射的激光的中心波长为λ₂，所述第一光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₁，所述第二光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₂。

当∣λ1-λ2∣≤1/2Δε1,且∣λ1-λ2∣≤1/2Δε2时，第k后反馈光束和第k前反馈光束在半导体激光器芯片中波长重叠的光束才会在模式竞争中取胜，实现波长锁定半导体激光器系统输出光谱的窄化；其次，当∣λ1-λ2∣≤1/2Δε1,且∣λ1-λ2∣≤1/2Δε2时，第k后反馈光束和第k前反馈光束的重叠部分的光强不至于过小，这样使得波长锁定半导体激光器系统能够实现激射。

本实施例中，λ1为760纳米～1100纳米，λ2为760纳米～1100纳米；所述半导体激光器芯片从前腔面发射的前激光束的波长范围为760纳米～1100纳米；所述半导体激光器芯片从后腔面发射的后激光束的波长范围为760纳米～1100纳米。

本实施例中，Δε1为0.05纳米～1纳米；Δε2为0.05纳米～1纳米。好处在于：此范围既能满足光谱窄化需求，又能保证输出功率较高。

参考图1，半导体激光器芯片100从前腔面和后腔面均出射激光，第一光纤光栅110具有波长选择特性，第二光纤光栅120具有波长选择特性，只有特定波长的光才能被反射，反馈光束在半导体激光器芯片100内部模式竞争中获胜，进而实现半导体激光器系统的波长锁定和光谱窄化。

参考图2，单个半导体激光器芯片的波长锁定原理参考图1，其次，不同的半导体激光器芯片共用第一光纤光栅110和第二光纤光栅120，因此每个半导体激光器芯片的中心波长完全相同且每个半导体激光器芯片的光谱宽度都完全相同。再次，不同的半导体激光器芯片之间还存在互锁现象，确保波长锁定半导体激光器系统整体输出的中心波长等效于单个半导体激光器芯片的中心波长，波长锁定半导体激光器系统整体输出的光谱宽度等效于单个半导体激光器芯片的中心波长。

在上述图1和图2中，由于半导体激光器芯片在两个出光方向上都放置了相同中心波长的光纤光栅进行波长锁定，即第一光纤光栅110和第二光纤光栅120，由于第一光纤光栅110和第二光纤光栅120所支持激光模式数目存在细微差异，最终只有同时符合第一光纤光栅110和第二光纤光栅120的激光模式的波长才能稳定存在，输出光谱进一步得到窄化。需要说明的是，第一光纤光栅110和第二光纤光栅120的反射的激光的中心波长还可以存在细微的差别(参考图9)。

本实施例中，各个半导体激光器芯片100之间实现相互波长锁定。至少相邻的半导体激光器芯片100之间两两实现相互波长锁定。

参考图3，波长锁定半导体激光器系统包括：若干半导体激光器芯片100，各所述半导体激光器芯片100具有相对的前腔面和后腔面，第k个半导体激光器芯片适于从前腔面出射第k前激光束，第k个半导体激光器芯片适于从后腔面出射第k后激光束；若干个第一准直透镜组，第一准直透镜组包括第一慢轴准直镜152和第一快轴准直镜151；若干个第二准直透镜组，第二准直透镜组包括第二慢轴准直镜162和第二快轴准直镜161；若干前45°反射镜171；若干后45°反射镜172；第一聚焦透镜130，所述第一聚焦透镜130包括第一快轴聚焦透镜131和第一慢轴聚焦透镜132；第二聚焦透镜140，第二聚焦透镜140包括第二快轴聚焦透镜141和第二慢轴聚焦透镜142；第一光纤光栅110；第二光纤光栅120。第一快轴聚焦透镜131位于所述若干前45°反射镜171和第一慢轴聚焦透镜132之间。第二快轴聚焦透镜141位于所述若干后45°反射镜172和第二慢轴聚焦透镜142之间。

若干半导体激光器芯片100在前激光束和后激光束的快轴方向上具有高度差。

参考图3，第k个第一准直透镜组包括第k个第一慢轴准直镜和第k个第一快轴准直镜。第k个第二准直透镜组包括第k个第二慢轴准直镜和第k个第二快轴准直镜。第k前45°反射镜的法线方向与第k前激光束入射至第k前45°反射镜的入射方向之间呈45度角。第k后45°反射镜的法线方向与第k后激光束入射至第k后45°反射镜的入射方向之间呈45度角。第k前45°反射镜适于将经过第k个第一慢轴准直镜和第k个第一快轴准直镜准直之后的的激光朝向所述第一聚焦透镜130反射，第k前45°反射镜将第k前激光束的光路偏折90度。第k后45°反射镜适于将经过第k个第二慢轴准直镜和第k个第二快轴准直镜准直之后的的激光朝向所述第二聚焦透镜140反射，第k后45°反射镜将第k后激光束的光路偏折90度。

参考图3，第一快轴聚焦透镜131和第一慢轴聚焦透镜132能够分别进行调控，也就是第一快轴聚焦透镜131的焦距和第一慢轴聚焦透镜132的焦距能够相等或不等。在其他实施例中，第一聚焦透镜为圆凸透镜，圆凸透镜兼慢轴聚焦透镜和快轴聚焦透镜的功能。第二快轴聚焦透镜141和第二慢轴聚焦透镜142能够分别进行调控，也就是第二快轴聚焦透镜141的焦距和第二慢轴聚焦透镜142的焦距能够相等或不等。在其他实施例中，第二聚焦透镜为圆凸透镜，圆凸透镜兼慢轴聚焦透镜和快轴聚焦透镜的功能。

参考图3，若干前45°反射镜171在前激光束的快轴方向上具有高度差，使得若干前45°反射镜171对各自反射的前激光束在光路上相互不阻挡，每束前激光束被对应的前45°反射镜171反射后均入射至第一聚焦透镜130。若干后45°反射镜172在后激光束的快轴方向上具有高度差，使得若干后45°反射镜172对各自反射的后激光束在光路上相互不阻挡，每束后激光束被对应的后45°反射镜172反射后均入射至第二聚焦透镜140。

第一光纤光栅110对第k前激光束进行均化并部分反射第k前激光束以形成第k前反馈光束。第二光纤光栅120对第k后激光束进行均化并部分反射第k后激光束以形成第k后反馈光束。

图4示出了包括单个轴上半导体激光器芯片进行波长锁定后的反馈和输出示意图。图4对应图1。图4中反馈光束代表前反馈光束和后反馈光束，图4中的输出光束代表了输出的前激光束和后激光束，图4中的聚焦透镜轮廓代表了第一聚焦透镜的轮廓和第二聚焦透镜的轮廓。

参考图4，当第一光纤光栅和第二光纤光栅存在于光路中时，如图4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…λ_N，假设第一光纤光栅的反馈中心波长和第二光纤光栅的反馈中心波长为λ₀，则波长为λ₀附近一定范围内的光束能够获得反馈，波长为λ₀附近一定范围内在模式竞争中获胜，使得半导体激光器芯片最终输出波长为λ₀附近一定范围内的光，光谱宽度与半导体激光器芯片无关而只与第一光纤光栅反馈光谱宽度Δλ和第二光纤光栅反馈光谱宽度Δλ有关。半导体激光器芯片输出的前激光束经过第一快轴准直镜和第一慢轴准直镜准直后形成椭圆形光斑，再经过第一聚焦透镜聚焦进入第一光纤光栅110，第一光纤光栅110会对前激光束进行匀化，第一光纤光栅110部分反射前激光束形成前反馈光束，前反馈光束经过第一聚焦透镜、第一慢轴准直镜、第一快轴准直镜之后从前腔面进入半导体激光器芯片中实现波长锁定，前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4中右图所示输出光束和反馈光束的光斑重叠部分，对应于前激光束的有效反馈部分指的是：前激光束和前反馈光束在第一聚焦透镜上的光斑的重叠部分。半导体激光器芯片输出的后激光束经过第二快轴准直镜和第二慢轴准直镜准直后形成椭圆形光斑，再经过第二聚焦透镜聚焦进入第二光纤光栅120，第二光纤光栅120会对后激光束进行匀化，第二光纤光栅120部分反射后激光束形成后反馈光束，后反馈光束经过第二聚焦透镜、第二慢轴准直镜、第二快轴准直镜之后从后腔面进入半导体激光器芯片中实现波长锁定，后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，对应于后激光束的有效反馈部分指的是：后激光束和后反馈光束在第二聚焦透镜上的光斑的重叠部分。

需要说明的是，只有轴上半导体激光器芯片的反馈光束能形成实心光斑(参考图4)；离轴的半导体激光器芯片的反馈光束为空心圆环(参考图5)，并且距离光轴距离越远，反馈光束的光斑的空心圆环的直径越大。

图5为单个轴外半导体激光器芯片进行波长锁定后的反馈和输出示意图。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的围绕中心轴的中央区域，并且反馈光束为圆环。

图6和图7为若干个半导体激光器芯片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6左图所示，当两个半导体激光器芯片完全对称时，因此该两个半导体激光器芯片的反馈光束在聚焦透镜上完全重合(如图6中间图所示)，也就是说，对称的两个半导体激光器芯片的前反馈光束在第一聚焦透镜上完全重合，对称的两个半导体激光器芯片的后反馈光束在第二聚焦透镜上完全重合。如图6右图可知，对称的两个半导体激光器芯片的输出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7左图所示，两个半导体激光器芯片的光束距离聚焦透镜的中心光轴位置不同。如图7中间图所示，两个半导体激光器芯片输出的激光经过光纤光栅匀化后的光束发散角也不同，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7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，因此任意一个半导体激光器芯片的输出光束的中心波长与波长锁定半导体激光器系统整体的输出光束的中心波长完全一致，任意一个半导体激光器芯片的光谱宽度与波长锁定半导体激光器系统整体的光谱宽度完全一致。

需要说明的是，任意对称的两个半导体激光器芯片指的是：该两个半导体激光器芯片出射的前激光束穿过第一聚焦透镜时关于第一聚焦透镜的光轴对称，且该两个半导体激光器芯片出射的后激光束穿过第二聚焦透镜时关于第二聚焦透镜的光轴对称。任意非对称的两个半导体激光器芯片指的是：该两个半导体激光器芯片出射的前激光束穿过第一聚焦透镜时关于第一聚焦透镜的光轴非对称，且该两个半导体激光器芯片出射的后激光束穿过第二聚焦透镜时关于第二聚焦透镜的光轴非对称。

需要说明的是，对于任意相邻的两个非对称的半导体激光器芯片，例如第k₁个半导体激光器芯片和第k₂个半导体激光器芯片，第k₁个半导体激光器芯片输出第k₁前激光束，第一光纤光栅部分反射第k₁前激光束以形成第k₁前反馈光束，第k₂个半导体激光器芯片输出第k₂前激光束，第一光纤光栅部分反射第k₂前激光束以形成第k₂前反馈光束，第k₁个半导体激光器芯片输出第k₁后激光束，第二光纤光栅部分反射第k₁后激光束以形成第k₁后反馈光束，第k₂个半导体激光器芯片输出第k₂后激光束，第二光纤光栅部分反射第k₂后激光束以形成第k₂后反馈光束。至少相邻的半导体激光器芯片100之间两两实现相互波长锁定指的是：第k₁前激光束和第k₂前反馈光束部分重叠且第k₁后激光束和第k₂后反馈光束部分重叠，和/或，第k₂前激光束和第k₁前反馈光束部分重叠且第k₂后激光束和第k₁后反馈光束部分重叠。k₁为大于或等于1且小于或等于M的整数，k₂为大于或等于1且小于或等于M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，当前激光束的光传播方向被前45°反射镜偏折90度时，前激光束的慢轴方向也会偏折90度，当后激光束的光传播方向被后45°反射镜偏折90度时，后激光束的慢轴方向也会偏折90度。

参考图8，图8为单端输出的半导体激光器芯片和本实施例中双端输出的半导体激光器芯片腔内光强分布对比，图8的横轴为半导体激光器芯片的腔长，单位为微米，图8的纵轴为功率，单位为瓦(W)。当横轴为0微米的位置代表前腔面的位置，横轴为5000微米的位置代表后腔面的位置。

从图8中可以看出，可以看出当输出相同功率时双端输出芯片的前腔面和后腔面所承受的功率低得多，因此双端输出的半导体激光器芯片的发热现象以及腔面灾变将得到显著改善，寿命和可靠性得到大幅提升。

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 (10)

1.一种波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，包括：

M个半导体激光器芯片，各所述半导体激光器芯片均具有相对的前腔面和后腔面，第k个半导体激光器芯片适于从前腔面出射第k前激光束，第k个半导体激光器芯片适于从后腔面出射第k后激光束；

第一光纤光栅，所述第一光纤光栅适于部分反射第k前激光束以形成第k前反馈光束，第k前反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；

第二光纤光栅，所述第二光纤光栅适于部分反射第k后激光束以形成第k后反馈光束，第k后反馈光束至少注入第k个半导体激光器芯片和第M-k+1个半导体激光器芯片中；

第k前反馈光束的波长范围和第k后反馈光束的波长范围至少部分重叠；

其中，M为大于等于1的整数；k为大于或等于1且小于或等于M的整数；

所述第一光纤光栅反射的激光的中心波长为λ₁，所述第二光纤光栅反射的激光的中心波长为λ₂，所述第一光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₁，所述第二光纤光栅反射的激光的光谱宽度为Δε₂；

∣λ₁-λ₂∣≤1/2Δε₁,且∣λ₁-λ₂∣≤1/2Δε₂。

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，所述前腔面的反射率小于或等于1％，所述后腔面的反射率小于或等于1％。

3.根据权利要求1或2所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，还包括：第一聚焦透镜，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第一光纤光栅之间的光路中；第二聚焦透镜，位于所述M个半导体激光器芯片至所述第二光纤光栅之间的光路中。

4.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，M为大于等于2的奇数或者偶数。

5.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，还包括：M个第一准直透镜组，第k个第一准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第一聚焦透镜之间的光路中；M个第二准直透镜组，第k个第二准直透镜组位于第k个半导体激光器芯片至所述第二聚焦透镜之间的光路中。

6.根据权利要求5所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，所述第k个第一准直透镜组包括沿着第k前激光束的传播方向上依次设置的第k个第一快轴准直镜和第k个第一慢轴准直镜，第k个第二准直透镜组包括沿着第k后激光束的传播方向上依次设置的第k个第二快轴准直镜和第k个第二慢轴准直镜。

7.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，

Δε₁为0.05纳米～1纳米；Δε₂为0.05纳米～1纳米。

8.根据权利要求7所述的波长锁定半导体激光器系统，其特征在于，λ₁为760纳米～1100纳米，λ₂为760纳米～1100纳米；

所述半导体激光器芯片从前腔面发射的前激光束的波长范围为760纳米～1100纳米；所述半导体激光器芯片从后腔面发射的后激光束的波长范围为760纳米～1100纳米。

9.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，对于任意相邻的第k₁个半导体激光器芯片和第k₂个半导体激光器芯片，第k₁前激光束和第k₂前反馈光束部分重叠且第k₁后激光束和第k₂后反馈光束部分重叠，和/或，第k₂前激光束和第k₁前反馈光束部分重叠且第k₂后激光束和第k₁后反馈光束部分重叠，k₁为大于或等于1且小于或等于M的整数，k₂为大于或等于1且小于或等于M的整数。

10.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，所述第一光纤光栅的反射率小于或等于10％；所述第二光纤光栅的反射率小于或等于10％。

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