CN117878716A - 光泵浦vcsel外腔光谱合成的激光器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体激光装置技术领域，提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，包括：VCSEL；小孔阵列结构，设置于VCSEL的出光方向；小孔阵列结构用于对外腔中各子单元激光的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用；聚焦元件，用于聚焦多个子单元激光；衍射元件用于为多个子单元激光进行衍射，形成衍射光；输出耦合镜，用于对衍射光提供部分反馈及输出；光泵浦元件，用于为VCSEL提供泵浦光。本发明通过外腔光谱合成结构实现多个子单元激光的合束，将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

Description

光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置

技术领域

本发明涉及激光装置技术领域，尤其涉及一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置。

背景技术

传统的边发射半导体激光器已实现较大功率输出，目前针对传统的边发射半导体激光器的光谱合束结构较为常见，可通过使用衍射元件将多个增益芯片锁定在不同波长上并使输出光斑在近场及远场都完全重合，但由于边发射半导体激光器的慢轴光束质量较差，故合束后的总光束质量不会太高，且快慢轴方向的光束质量差别较大，输出光斑不对称。

与边发射半导体激光器相比，VCSEL(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)，全名为垂直腔面发射激光器，具有光束对称性好，温漂系数小等优点。但直接VCSEL以及电泵浦VCSEL外腔均因电流注入不均匀和串联电阻热堆积，在单横模工作模式下高功率输出受到限制。

因此，如何提供一种高功率、高光束质量的半导体激光器，是本领域人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，用以解决现有技术中边发射半导体激光器的光谱合束光束质量差、电泵浦VCSEL外腔因电流注入不均匀和串联电阻热堆积，在单横模工作模式下高功率输出受到限制的缺陷，实现将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

本发明提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，包括：

VCSEL；

小孔阵列结构，设置于所述VCSEL的出光方向，且所述小孔阵列结构与所述VCSEL相适配；所述小孔阵列结构用于对外腔中各子单元的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用；

聚焦元件，设置于所述小孔阵列结构的出光方向，且所述聚焦元件将多个所述子单元激光聚焦在衍射元件的表面；

衍射元件，设置于所述聚焦元件的出光方向，且位于所述聚焦元件的焦平面处，且所述衍射元件用于为多个所述子单元激光进行衍射，形成衍射光；

输出耦合镜，用于对衍射光提供部分反馈及输出；

光泵浦元件，用于为所述VCSEL提供泵浦光。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述VCSEL包括：

长条VCSEL，用于输出矩形激光光斑；

所述小孔阵列结构用于将所述矩形激光光斑分隔成多个子单元激光并限制单个子单元激光的光束尺寸，起到滤波和优化光束质量的作用；

所述光泵浦元件包括：

边发射半导体激光阵列和第一球透镜，设置于所述子激光单元的一侧；所述边发射半导体激光阵列用于发出所述泵浦光；所述第一球透镜设置于所述边发射半导体激光阵列的出光方向；

第二球透镜和高反镜，设置于所述子激光单元的另一侧；

所述第一球透镜和所述第二球透镜组成望远镜系统；所述边发射半导体激光阵列位于所述第一球透镜的前像面处，所述高反镜位于所述第二球透镜的后像面处；且所述VCSEL位于所述望远镜系统的中心焦点处，泵浦光在VCSEL增益芯片中形成四程泵浦，增加了泵浦效率，以实现更高的增益和输出效率。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述边发射半导体激光阵列包括多个边发射半导体激光器，且多个所述边发射半导体激光器沿快轴方向堆叠形成，所述边发射半导体激光器的后腔面上设置有高反膜，前腔面上镀有增透膜。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，还包括：

第一光束整形元件，设置于所述边发射半导体激光阵列出射泵浦光进入所述VCSEL之前，对所述泵浦光整形；

第二光束整形元件，设置于经过所述高反镜反射后的高反光进入VCSEL之前，对所述高反光进行整形。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述VCSEL包括：

VCSEL阵列，由多个具有矩形或圆形出光窗口的小尺寸VCSEL一维排列而成，组成光谱合成中的子单元激光；且所述VCSEL阵列与所述小孔阵列结构相适配；

所述光泵浦元件包括：

光纤耦合的半导体激光器阵列和光束整形聚焦元件阵列，以45度倾角设置于所述VCSEL阵列的斜上侧；

其中，所述光纤耦合的半导体激光器阵列用于发出所述泵浦光；所述光束整形聚焦元件阵列设置于所述光纤耦合的半导体激光器阵列的出光方向，用于对所述泵浦光进行整形聚焦，形成点光源泵浦阵列。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述小孔阵列结构上具有多个圆形小孔，多个所述圆形小孔均匀分布；且所述小孔阵列结构的表面镀金处理，所述圆形小孔的边缘倒角锐化。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述聚焦元件包括柱面镜或非球面镜，且所述聚焦元件的表面镀有与所述VCSEL波长相匹配增透膜。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述衍射元件包括：刻线密度高于900线/mm的多层介质膜光栅或体布拉格光栅；且所述衍射元件的衍射方向应与所述VCSEL的激光偏振方向匹配，将激光进行衍射。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述衍射元件包括透射式衍射元件或反射式衍射元件。

根据本发明提供的一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，所述输出耦合镜镀有对输出激光波长反射率为R的反射膜，其中R≥95％，且所述反射膜对所有偏振态的激光的反射率保持一致。

本发明提供的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，通过小孔阵列结构对外腔中各子单元的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用，子单元激光沿光路传播方向经过聚焦元件聚焦到达衍射元件表面，经过衍射元件的衍射作用，衍射光入射到输出耦合镜上，提供部分反馈以及输出。通过聚焦元件、衍射元件和输出耦合镜构成外腔光谱合成装置，实现多个子单元激光波长锁定和光谱合束，将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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例，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是本发明实施例的长条VCSEL外腔光谱合成的激光器装置示意图；

图2是本发明实施例的长条VCSEL的结构示意图；

图3是本发明实施例小孔阵列结构的结构示意图；

图4是本发明实施例的边发射半导体激光阵列的结构示意图一；

图5是本发明实施例的边发射半导体激光阵列的结构示意图二；

图6是本发明实施例的光泵浦元件中泵浦光在VCSEL中的四通光路示意图；

图7是本发明带有第一光束整形元件和第二光束整形元件的长条VCSEL外腔光谱合成的激光器装置示意图；

图8是本发明实施例VCSEL阵列外腔光谱合成的激光器装置示意图；

图9是本发明实施例VCSEL阵列的结构示意图；

图10是本发明实施例VCSEL阵列所需要的泵浦光源阵列的结构示意图；

图11是本发明实施例中光泵浦元件以45度倾角斜向下聚焦至VCSEL阵列各子单元表面的结构示意图；

附图标记：

1、VCSEL；11、长条VCSEL；12、VCSEL阵列；121、VCSEL阵列子单元；2、小孔阵列结构；3、聚焦元件；4、衍射元件；5、输出耦合镜；6、光泵浦元件；61、边发射半导体激光阵列；62、第一球透镜；63、第二球透镜；64、高反镜；7、第一光束整形元件；8、第二光束整形元件；601、光纤耦合的半导体激光器阵列；602、光束整形聚焦元件阵列。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面结合图1至图7描述本发明的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置。

本发明实施例提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其中，VCSEL增益芯片为顶发射机构，主要分为四个部分：衬底、布拉格反射镜(DBR)、多量子阱有源区(MQWs)和窗口层，可在衬底上通过分子束外延技术(MBE)或者金属有机物化学气相沉积(MOCVD)逐层生长而成。增益芯片封装在导热绝缘底座上，然后将其焊接在导热性良好的热沉上。

VCSEL主要由DBR作为激光腔镜，量子阱有源区夹在n-DBR和p-DBR之间，由于量子阱厚度小，使单程增益很小，因此反射镜的反射率较高，一般全反腔镜反射率>99.9％，输出腔镜反射率一般>98％，然后在DBR外表面制作金属接触层。

在本发明的一个实施例中，VCSEL采用端面光泵浦方式，泵浦光与输出光成一定夹角聚焦成像到增益芯片上。

如图1所示，本发明实施例提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，包括VCSEL 1，VCSEL 1包括长条VCSEL 11，与长条VCSEL 11匹配的小孔阵列结构2、聚焦元件3、衍射元件4、输出耦合镜5和光泵浦元件6。

其中，长条VCSEL 11用于输出较大的矩形激光光斑，即长条VCSEL 11设置为长条形；小孔阵列结构2设置于长条VCSEL 11的出光方向，且小孔阵列结构2与长条VCSEL 11相适配；小孔阵列结构2用于将矩形激光光斑分隔成多个子单元激光并限制单个子单元激光的光束尺寸，起到滤波和优化光束质量的作用；聚焦元件3设置于小孔阵列结构2的出光方向，且聚焦元件3用于聚焦多个子单元激光；衍射元件4设置于聚焦元件3的出光方向，且衍射元件4用于为多个子单元激光进行衍射，形成衍射光；输出耦合镜5用于对衍射光提供部分反馈及输出；子单元激光与聚焦元件3、衍射元件4和输出耦合镜5构成外腔光谱合成装置，实现各子单元激光的波长锁定和光谱合束。

本发明实施例提供的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，VCSEL 11输出为较大的矩形激光光斑，小孔阵列结构2放置在VCSEL 11的前面，将矩形激光光斑分隔为一排圆形子单元激光并限制单个子单元激光的光束尺寸，起到滤波和优化光束质量的作用，圆形子单元激光沿光路传播方向经过聚焦元件3聚焦在衍射元件4的表面，通过衍射元件4的衍射作用，衍射光入射到输出耦合镜5上，提供部分反馈及输出。由于小孔阵列结构2的限制，各子单元的外腔光谱合成装置具有很好的光束质量，通过外腔光谱合成装置实现一束与子单元光束质量一致的合成光。通过光谱合束实现了单个VCSEL的多波长输出，光束质量受小孔阵列结构2的限制，进一步提高了VCSEL的应用。

光泵浦元件6用于为长条VCSEL 11提供泵浦光，泵浦是指给激光工作物质提供能量使其粒子数反转的过程。

其中，长条形的VCSEL 11不同于以往较为常见的圆形出光窗口，而是一个长条矩形出光窗口，可以根据光谱合束规模对出光窗口尺寸进行调整。

如图3所示，在本发明的一个实施例中，小孔阵列结构2上具有多个圆形小孔，且多个圆形小孔均匀分布；多个圆形小孔将矩形激光光斑分为多个子单元激光并限制单个子单元激光的光束尺寸，相当于常规光谱合束的多个子激光器。且小孔阵列结构2的表面镀金处理，圆形小孔的边缘倒角锐化，以避免圆形小孔对长条VCSEL 11输出激光的直接反射，可选择的，小孔阵列结构2可使用传导冷却进行降温。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，光泵浦元件6包括：边发射半导体激光阵列61、第一球透镜62、第二球透镜63和高反镜64；边发射半导体激光阵列61设置于子激光单元的一侧；边发射半导体激光阵列61用于发出泵浦光；第一球透镜62设置于边发射半导体激光阵列61的出光方向；第二球透镜63和高反镜64设置于子激光单元的另一侧；第一球透镜62和第二球透镜63为两个焦距相同或者不同的球面镜，第一球透镜62和第二球透镜63组成望远镜系统，边发射半导体激光阵列61和VCSEL 11分别位于第一球透镜62的前后焦点，长条VCSEL 11和高反镜64分别位于第二球透镜63的前后焦点，相当于分别为两路自成像光路。且长条VCSEL 11位于望远镜系统的中心焦点处，形成四通的光泵浦模块，增加了泵浦效率，以实现更高的增益和输出效率。

即，边发射半导体激光阵列61和第一球透镜62在一路，高反镜64和第二球透镜63在一路，且这两路光关于VCSEL 11的外腔光路镜像，两路光与长条VCSEL 11的外腔光路成一定夹角。优选的，夹角为45°，如果角度太大会导致泵浦光斑形状不均匀，而角度太小可能阻挡VCSEL的外腔光谱合成光路。

如图4和图5所示，边发射半导体激光阵列61由多个边发射半导体激光器沿快轴方向堆叠形成，图4中仅绘制9个，每个边发射半导体激光器上封装有多个半导体增益芯片，单个增益芯片宽度以及周期均可根据需要自行设计。边发射半导体激光器的后腔面上镀有高反膜，前腔面上一般镀有透过率为96％左右的增透膜。边发射半导体激光器上封装快轴准直元件FAC，快轴准直元件FAC设置在半导体激光器的前端面距离f _FAC处，沿快轴方向的焦距为f _FAC，焦距f _FAC优选为0.5-1.2mm，快轴准直元件上镀有增透膜，用于对激光在快轴方向准直。

进一步地，边发射半导体激光阵列61使用过程中需要进行冷却，冷却介质温度控制在适宜温度范围内，且要保证泵浦光波段合适。

进一步地，第一球透镜62和第二球透镜63的表面镀有与泵浦光相匹配的减反膜。

进一步地，高反镜为平面镜，镀有与泵浦光相匹配的高反膜，对入射激光沿原光路反射。

如图6所示，在以上实施例中，边发射半导体激光阵列61出射泵浦光通过第一球透镜62聚焦在长条VCSEL 11表面，泵浦光进入VCSEL 11增益芯片时为第一次泵浦吸收，经过VCSEL 11后腔面反射再次进入吸收区为第二次泵浦吸收，这两次泵浦光束方向在图6中使用黑色箭头表示。剩余未被吸收激光出射至高反镜64表面反射，经过第二球透镜63再次进入VCSEL吸收区为第三次泵浦吸收，经过VCSEL 11后腔面再次反射进入吸收区为第四次泵浦吸收，这两次泵浦光束方向在图6中使用灰色箭头表示。通过VCSEL 11后腔面和高反镜64使得泵浦光四次进入长条VCSEL 11泵浦吸收区，形成四程泵浦，增加了泵浦效率，以实现更高的增益和输出功率。

更进一步的，边发射半导体激光阵列61可以加装波长监测设备，同时增加温控反馈模块，以通过控制边发射半导体激光阵列61的温度达到控制泵浦光波长的目的，提高长条VCSEL 11对泵浦光的吸收效率。

如图7所示，在本发明的一个实施例中，还包括第一光束整形元件7，设置于边发射半导体激光阵列61出射泵浦光进入长条VCSEL 11之前，对泵浦光整形。还包括第二光束整形元件8，设置于经过高反镜64反射后的高反光进入长条VCSEL 11之前，对高反光进行整形。第一光束整形元件7和第二光束整形元件8可以相同，或者可以根据光斑形态设置两组不同的光束整形元件。第一光束整形元件7和第二光束整形元件8可以由一片镜片实现，或者可以由多个镜片组合实现。镜片可以是正透镜或者是负透镜，可以是柱面镜、球面镜，或者可以是非球面镜，相关研究人员可以根据需要自行选择。

具体地，需要对第一光束整形元件7和第二光束整形元件8的表面镀有对于一个波段的高透射的膜，这个波段可以根据光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置中，泵浦光发射的波长范围决定。

在本发明的一个实施例中，聚焦元件3包括柱面镜或非球面镜，且聚焦元件3的表面镀有与长条VCSEL 11波长相匹配的具有较宽带宽的增透膜。聚焦元件3的曲率方向与长条VCSEL 11出光窗口长边方向一致，对长条VCSEL 11分成的多个子单元激光进行聚焦，使所有子单元激光聚焦在衍射元件4的表面。

在本发明的一个实施例中，衍射元件4包括：刻线密度高于900线/mm的多层介质膜光栅或体布拉格光栅；且衍射元件4的衍射方向应与长条VCSEL 11的激光偏振方向匹配，将激光进行衍射。

在本发明的一个实施例中，衍射元件4包括透射式衍射元件或反射式衍射元件。

在本发明的一个实施例中，输出耦合镜5镀有对输出激光波长反射率为R的反射膜，其中R≥95％，且反射膜对所有偏振态的激光的反射率都保持一致，部分反馈光沿原光路返回可形成谐振，将圆形子单元锁定在不同波长上。

本发明提供的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，VCSEL 11输出矩形激光光斑，通过小孔阵列结构2将矩形激光光斑分隔成多个子单元激光，起到滤波和优化光束质量的作用，子单元激光沿光路传播方向经过柱面镜聚焦到衍射元件4表面，经过衍射元件4的衍射作用，衍射光入射到输出耦合镜5上，提供部分反馈以及输出。通过聚焦元件3、衍射元件4和输出耦合镜5构成外腔光谱合成装置，实现多个子单元激光波长锁定和光谱合束。

另外，VCSEL 11采用光泵浦元件，泵浦光在VCSEL 11增益芯片中形成四程泵浦，增加了泵浦效率，以实现更高的增益和输出效率。

因此，本发明提供的基于VCSEL的外腔光谱合成装置，将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

如图8-11所示，本发明还提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，包括：

VCSEL阵列12，由多个具有矩形或圆形出光窗口的小尺寸VCSEL 121一维排列而成，组成光谱合成中的子单元激光。

小孔阵列结构2，设置于所述VCSEL阵列12的出光方向，且所述小孔阵列结构与所述VCSEL阵列相适配；所述小孔阵列结构用于对外腔中各子单元的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用；

聚焦元件3，设置于所述小孔阵列结构2的出光方向，且所述聚焦元件3用于将多个所述子单元激光聚焦在衍射元件4的表面；

衍射元件4，设置于所述聚焦元件3出光方向，且位于所述聚焦元件的焦平面处，且所述衍射元件4用于为多个所述子单元激光进行衍射，形成衍射光；

输出耦合镜5，用于对衍射光提供部分反馈及输出；

光泵浦元件6，用于为所述VCSEL阵列12提供泵浦光。

其中，所述光泵浦元件包括：光纤耦合的半导体激光器阵列601和光束整形聚焦元件阵列602，以45度倾角设置于所述VCSEL阵列的斜上侧；光纤耦合的半导体激光器阵列601用于发出所述泵浦光；光束整形聚焦元件阵列602设置于光纤耦合的半导体激光器阵列601的出光方向，用于对所述泵浦光进行整形聚焦，形成点光源泵浦阵列。

下面结合图8至图11描述本发明的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置。

如图8所示，本发明实施例提供一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，包括VCSEL阵列12，与VCSEL阵列匹配的小孔阵列结构2、聚焦元件3、衍射元件4、输出耦合镜5和光泵浦元件6。

其中，VCSEL阵列12由多个具有矩形或圆形出光窗口的小尺寸VCSEL一维排列而成，用于输出一维排列的多束激光，组成光谱合成中的子单元激光；小孔阵列结构2设置于VCSEL阵列12的出光方向，且小孔阵列结构2与VCSEL阵列12相适配；小孔阵列结构2用于对外腔中各子单元的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用；聚焦元件3设置于小孔阵列结构2的出光方向，且聚焦元件3用于聚焦多个子单元激光；衍射元件4设置于聚焦元件3的出光方向且位于聚焦元件3的焦平面处，且衍射元件4用于为多个子单元激光进行衍射，形成衍射光；输出耦合镜5用于对衍射光提供部分反馈及输出；子单元激光与聚焦元件3、衍射元件4和输出耦合镜5构成外腔光谱合成装置，实现各子单元激光的波长锁定和光谱合束。

由于小孔阵列结构2的限制，各子单元的外腔光谱合成装置具有很好的光束质量，通过外腔光谱合成装置实现一束与子单元光束质量一致的合成光。通过光谱合束实现了VCSEL阵列12的多波长输出，光束质量受小孔阵列结构2的限制，将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

光泵浦元件6用于为VCSEL阵列12提供泵浦光，泵浦是指给激光工作物质提供能量使其粒子数反转的过程。

如图9所示，在本发明的一个实施例中，VCSEL阵列12由多个VCSEL阵列子单元121一维排列而成；VCSEL阵列采用端面光泵浦方式，泵浦光与输出光成一定夹角聚焦到增益芯片上。

如图10所示，由于VCSEL阵列12上多个子单元需要阵列光源分别泵浦，因此光泵浦元件6由光纤耦合的半导体激光器阵列601和光束整形聚焦元件阵列602组成；光泵浦元件6中阵列数应与VCSEL阵列的子单元数保持一致并一一对应；泵浦光与VCSEL阵列12外腔光束成一定夹角。优选的，为达到各子单元均匀的泵浦效果，光泵浦元件6以45度倾角斜向下聚焦至VCSEL阵列各子单元表面，如图11所示。

进一步地，光纤耦合的半导体激光器阵列601使用过程中需要进行冷却，冷却介质温度控制在适宜温度范围内，且要保证泵浦光波段合适。

更进一步的，光纤耦合的半导体激光器阵列601可以加装波长监测设备，同时增加温控反馈模块，以通过控制光纤耦合的半导体激光器阵列601的温度达到控制泵浦光波长的目的，提高VCSEL阵列对泵浦光的吸收效率。

具体地，需要对光束整形聚焦元件阵列602的表面镀有对于一个波段的高透射的膜，这个波段可以根据光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置中，泵浦光发射的波长范围决定。

因此，本发明实施例提供的基于光泵浦VCSEL的外腔光谱合成装置，将VCSEL的高光束质量与光谱合束结合起来，可在光束质量不变的基础上实现更高的输出功率。

在前述所有实例示意图中，衍射元件4均采用反射式衍射元件，同时也可以根据输出光束方向需要选择透射式衍射元件。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“方式”、“具体方式”、或“一些方式”等的描述意指结合该实施例或方式描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或方式中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或方式。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或方式中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或方式以及不同实施例或方式的特征进行结合和组合。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，包括：

VCSEL(1)；

小孔阵列结构(2)，设置于所述VCSEL(1)的出光方向，且所述小孔阵列结构(2)与所述VCSEL(1)相适配；所述小孔阵列结构(2)用于对外腔中各子单元激光的光束尺寸进行限制，起到滤波和优化光束质量的作用；

聚焦元件(3)，设置于所述小孔阵列结构(2)的出光方向，且所述聚焦元件(3)用于将多个所述子单元激光聚焦在衍射元件(4)的表面；

衍射元件(4)，设置于所述聚焦元件(3)的出光方向，且位于所述聚焦元件(3)的焦平面处，且所述衍射元件(4)用于为多个所述子单元激光进行衍射，形成衍射光；

输出耦合镜(5)，用于对衍射光提供部分反馈及输出；

光泵浦元件(6)，用于为VCSEL(1)提供泵浦光。

2.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述VCSEL(1)包括：

长条VCSEL(11)，用于输出矩形激光光斑；

所述小孔阵列结构(2)用于将所述矩形激光光斑分隔成多个子单元激光并限制单个子单元激光的光束尺寸，起到滤波和优化光束质量的作用；

所述光泵浦元件(6)包括：

边发射半导体激光阵列(61)和第一球透镜(62)，设置于所述子激光单元的一侧；所述边发射半导体激光阵列(61)用于发出所述泵浦光；所述第一球透镜(62)设置于所述边发射半导体激光阵列(61)的出光方向；

第二球透镜(63)和高反镜(64)，设置于所述子激光单元的另一侧；

所述第一球透镜(62)和所述第二球透镜(63)组成望远镜系统；所述边发射半导体激光阵列(61)位于所述第一球透镜(62)的前像面处，所述高反镜(64)位于所述第二球透镜(63)的后像面处；且所述长条VCSEL(11)位于所述望远镜系统的中心焦点处，形成四通的光泵浦模块。

3.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述VCSEL(1)包括：

VCSEL阵列(12)，由多个具有矩形或圆形出光窗口的小尺寸VCSEL一维排列而成，组成光谱合成中的子单元激光；且所述VCSEL阵列(12)与所述小孔阵列结构(2)相适配；

所述光泵浦元件(6)包括：

光纤耦合的半导体激光器阵列(601)和光束整形聚焦元件阵列(602)，以45度倾角设置于所述VCSEL阵列(12)的斜上侧；

其中，所述光纤耦合的半导体激光器阵列(601)用于发出所述泵浦光；所述光束整形聚焦元件阵列(602)设置于所述光纤耦合的半导体激光器阵列(601)的出光方向，用于对所述泵浦光进行整形聚焦，形成点光源泵浦阵列。

4.根据权利要求2所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，还包括：

第一光束整形元件(7)，设置于所述边发射半导体激光阵列(61)出射泵浦光进入所述长条VCSEL(11)之前，对所述泵浦光整形；

第二光束整形元件(8)，设置于经过所述高反镜(64)反射后的高反光进入所述长条VCSEL(11)之前，对所述高反光进行整形。

5.根据权利要求2所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述边发射半导体激光阵列(61)包括多个边发射半导体激光器，且多个所述边发射半导体激光器沿快轴方向堆叠形成，所述边发射半导体激光器的后腔面上设置有高反膜，前腔面上镀有增透膜。

6.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述小孔阵列结构(2)上具有多个圆形小孔，且多个所述圆形小孔均匀分布；且所述小孔阵列结构(2)的表面镀金处理，所述圆形小孔的边缘倒角锐化。

7.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述聚焦元件(3)包括柱面镜或非球面镜，且所述聚焦元件(3)的表面镀有与所述VCSEL(1)波长相匹配的增透膜。

8.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述衍射元件(4)包括：刻线密度高于900线/mm的多层介质膜光栅或体布拉格光栅；且所述衍射元件(4)的衍射方向应与所述VCSEL(1)的激光偏振方向匹配，将激光进行衍射。

9.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述衍射元件(4)为透射式衍射元件或者反射式衍射元件。

10.根据权利要求1所述的光泵浦VCSEL外腔光谱合成的激光器装置，其特征在于，所述输出耦合镜(5)镀有对输出激光波长反射率为R的反射膜，其中R≥95％，且所述反射膜对所有偏振态的激光的反射率保持一致。