CN1198029A - 半导体激光源和固态激光设备 - Google Patents

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大枝靖雄
室清文
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Abstract

半导体激光源,包括:发射激光束的半导体激光器矩阵,其偏振平面相互平行,其两个垂直方向中的发散角θz和θx满足不等式θz>θx;按发散角θz的减小方向会聚由半导体激光器矩阵发射的激光束的圆柱形透镜;控制偏振方向使穿过圆柱形透镜的激光束的偏振平面相互成90度的波板;利用折射效应合并穿过波板的激光束的光路的折射光学元件;和按发散角θx减小方向会聚由折射光学元件合并的激光束的光发射表面。因此,能大大提高激光束的合并效率和激光束连接到随后的光学系统的效率。

Description

半导体激光源和固态激光设备
本发明涉及设计成大量激光束集成的半导体激光源及使用该激光源的固态激光设备。
与气体激光器、固态激光器等相比，半导体激光器体积小，可靠性高，广泛用于光通信领域和光盘装置中。但是，在要求高输出激光束的领域，如激光焊接和外科手术刀领域，半导体激光器仍处于开发之中。从一个激光器获得的光输出限制在约几毫瓦至几百毫瓦的恒定波(CW)工作中。因此，在所述的领域中不能应用半导体激光器。为此，将大量半导体激光器产生的激光束进行集成，以提高激光束输出方面进行了研究。
另一方面，由于半导体激光器产生的激光束的发散角大，必须高精度地构成和排列光学元件，因此，在技术上很难集成大量的激光束。但是，当大量微光束连接到例如一根光纤的情况下是有可能的，因而会增加半导体激光器的应用范围。
在现有技术中，如日本没审查的特许公开JP-A-60-76707(1985)公开了用于光通信的半导体激光器双联式模块，采用多路复用跟踪特性来提高可靠性。用光学系统把两个半导体激光器产生的激光束送入一根光纤，使一个激光束的偏振平面旋转90度角，然后用光折射效应使两束激光束合并，当一束激光束断裂时，另一束激光束继续工作。
但是，按JP-A-60-76707的排列，当用有大发散角的半导体激光器时，由于在光轴附近的光与朝外发射的光之间折射元件上的入射角极不相同，折射效应不均匀，造成激光束不能合并。此时，由于入射角的变化大，使激光束的波前端分散，使光束很难会聚到芯径小的光纤上。
对强调波长稳定性和长寿命的光纤通信用的半导体激光器而言，由于发散角不是太大，因此不会发生上述问题。但是，就强调高输出和高强度加工业用的半导体激光器而言，通常由于发散角大而会出现上述问题。
而且，现有技术中，由于分别提供合并激光束的光学元件和把激光束连到光纤上的光学元件，光的流通损耗增大，总体结构变得复杂，体积增大，因此，可靠性和生产率降低。
本发明的目的是提供一种能极大改善激光束合并效率和把激光束连接到随后的光学系统上的效率的半导体激光源。
本发明的另一目的是提供一种固态激光设备，通过改善激光束的合并效率和把激光束连接到随后的光学系统上的效率，能提高设备的激励光束的输出。
发明提供的半导体激光源包括：
发射激光束的第1和第2半导体激光器，其偏振平面相互平行；其发散角θa和θb处于两个垂直方向，并满足θa＞θb；
用于按发散角θa的减小方向会聚从第1和第2半导体激光器发射的激光束的圆柱形光学元件；
用于控制偏振方向而使有穿过圆柱形光学元件的各激光束的偏振平面形成90度角的偏振旋转元件；
用折射效应合并穿过偏振旋转元件的各激光束的光路的折射光学元件；和
用在发现角θb减小方向中的折射光学元件会聚合并的激光束的会聚光学元件。
按本发明，把圆柱形光学元件置于第1和第2半导体激光器的背面，并且按折射角θa减小方向会聚激光束，提高光利用率，并能减小在随后的折射光学元件上的入射角度变化。而且，使激光束的折射效应变窄，因此提高激光束的合并效率。
而且，设置会聚光学元件，例如，圆柱形透镜和球形透镜，用折射光学元件按发射角θb减小方向会聚合并的激光束，提高光利用率并用圆柱形光学元件和会聚光学元件单独控制两个折射角θa和θb，因此能实现小的圆环形会聚光斑。结果，能大大提高激光束连接到诸如光纤的随后的光学系统中去的效率。
本发明中，是优选第1和第2半导体激光器按横向多模态振荡。
按本发明，横向多模态半导体激光器，即使单独使用也能产生高输出，而有助于提高激光束的输出。
本发明中，优选第1和第2半导体激光器构成横向多模态半导体激光器矩阵，其中，在一个单片上形成多个光发射区。
按本发明，采用有多个光发射区的半导体激光器矩阵，使各个光发射区的光发射特性，如发散角，偏振率。谐振波长和输出基本一致，因而，使合并的激光束特性变得均匀。而且，横向多模态半导体激光器矩阵即使单独使用时也能产生高输出，因而有助于提高激光束的输出。
本发明中，优选用折射光元件的光发射表面整体形成的曲面构成的会聚光学元件。
按本发明，与分别形成的会聚光学元件和折射光学元件相比，用整体的会聚光学元件和折射光学元件能减小界面反射。而且，能简化装配和调节，由此提高可靠性和生产率。
按本发明，会聚圆柱形光学元件与会聚光学元件的会聚位置相互重合，并使光纤的入射端面位于会聚位置中。
按本发明，能减小会聚位置处的光斑直径，由此能极大提高带光纤的激光束的偶合效率。
按本发明，优选半导体激光源还包括用多根光纤构成的光纤束，并将其排列成，在每根光纤的入射端面上，从半导体激光束矩阵的光发射区中的两个光发射区的激光束在相互合并后进入。
按本发明，由于光纤束的光发射端面形成为有预定面积的平板形光源，因而能实现高输出和高强度光源。因此，本发明能有效地用作光激励的固态激光器的激励光源和用作诸如加工，照明和显示的其它应用场合。
本发明提供的固态激光设备包括：
用于发射激光束的第1和第2半导体激光器，其偏振平面相互平行，其发散角θa和θb位于两个垂直方向，并满足θa＞θb。
用于会聚发射角θa减小方向的由第1和第2半导体激光器发射的激光束的圆柱形光学元件；
用于控制偏振方向使有穿过圆柱形光学元件的各激光束的偏振平面形成90度角的偏振旋转元件；
用折射效应合并穿过偏振旋转元件的各激光束的光路的折射光学元件；
用折射光学元件按散射角θb减小方向会聚合并的激光束的合聚光学元件；和
用合并的激光束进行光激励以进行激光器振荡的固态激光器介质。
按本发明，把圆柱形光学元件置于第1和第2半导体激光器背面，并按散射角θa减小方向会聚激光束，增加光的利用率，并减小在随的折射光元件上的入射角变化。因此，能使激光束的折射效应中的变化变窄，以提高合并激光束的效率。
而且，设置会聚光学元件，例如圆柱形或球形透镜，用折射光学元件按散射角θb减小方向会聚合并的激光束，增大光利用效率。此外，用圆柱形光学元件和会聚光学元件分别控制两个散射角θa和θb，由此能实现小圆环形会聚光斑。结果，能大大提高激光束与随后的光学系统的偶合效率。
用那些输出已增大为固态激光介质的激励束的激光束，极大地增大固态激光介质的激光输出。
这里圆柱形光学元件表示在光进入和输出处的曲面或平面构成的元件，它的曲面或平面有相互平行的生成线，在垂直于生成线方向有聚焦力，而在平行于生成线方向无聚焦力。以这种透镜为例，它的一边是圆形，另一边构形成平面(半圆柱形透镜)。也可以以其垂直于产生线的截面是圆环形的圆柱形透镜为例。
按本发明，为了减小设备的体积，最好用圆柱形透镜作圆柱形光学元件。由于圆柱形透镜的反射能力大于半圆柱形透镜的反射能力。因而可以减小半导体激光矩阵的发光部分之间的间距，并能减小折射光学元件在激光束传输方向的长度。结果，能减小至光纤的距离而不会增大光纤的数值孔径(NA)。为使该作用达到更大的程度、圆柱形透镜的直径上限优选为1mm，500μm更好。尽管直径的下限与半导体激光器的发散角和发散距离有关，但考虑到调节的问题，将直径下限选为10μm、30μm更好。
而且，按本发明，用其周边部分的折射率小于其中心部分的折射率的分级指示型圆柱形透镜更好。用分级指示型圆柱形透镜。能校正球形畸变。而且，波前端在由第1和第2半导体激光器发射的分别校准并相互重迭的两束激光束处的折射光学元件上的扰动极小，并减小了折射效应的变化。结果，激光束按好的状态会聚成小光斑。就分级指示型圆柱形透镜而言，例如，可用由加拿大Dorie Lenses Inc制造的Doric透镜。
从以下结合附图所作的详细说明中能更好地了解本发明的其它的和进一步的目的，特征和优点。
图1A至1C展示了本发明实施例的结构图；
图1A是平面图；
图1B是局部正视图；
图1C展示出光发射侧上端面的构形；
图2是按本发明的固态激光设备结构图；
图3A和3B是本发明另一实施例的结构图；
图3A是平面图；
图3B是局部正视图。
以下结合附图说明本发明优选实施例。
图1A至1e示出本发明实施例的结构图；图1A是平面图，1B是局部正视图，1C是光发射边上的端面构形图。半导体激光源9包括有大量光发射区3的半导体激光矩阵2，用于按Z方向会聚由光发射区3发射的激光束LA和LB，波板5为偏振旋转元件，用于控制偏转方向，因而穿过圆柱形透镜4的激光束LA和LB按90度角彼此相交，折射光学元件6用折射效应合并穿过波板5的激光束LA和LB的光路，已构成为圆柱形的光发射表面7用于按X方向会聚穿过折射光学元件6的激光束LA和LB，在圆柱形透镜4的会聚位置和光发射表面7设置多根光纤10。
从半导体激光矩阵2至折射光学元件6的各光学元件构成光源模块1。
在单个芯片上形成带宽为50μm带间距为500μm，谐振腔长度为1mm的多个光发射区3。每个光发射区作为单个独立的半导体激光器，并产生按横向多模态振荡的约1W的高输出激光束。用半导体激光矩阵2，光发射区3的发光特性例如，散射角，偏振比，谐振波长和输出是基本上均匀的，使激光束相互合并后的激光束特性一致。
以光发射区3发射的激光束LA和LB呈椭圆形强度分布，其中，按垂直于发射层的Z方向形成的发散角大于平行于XY平面的方向形成的发散角。例如，Z方向的发散角θ2是34度，X方向的发散角θX是10度。激光束LA和LB由发光区3激励出之后立即按线性偏振、激光束LA和LB的偏振平面平行于发光层。
圆柱形透镜4包括光进入表面，以形成有平行于X方向的基体的圆柱形表面，和光发射平面。圆柱形透镜4只按2方向会聚从光发射区3发射的激光束LA和LB。而不按X方向会聚激光束LA和LB。把圆柱形透镜4设置于半导体激光器矩阵2的背，使光利用率增大，并能减小在随后的折射光学元件6上的发散角变化，由此减小折射作用的不均匀性，提高把多束激光束合并成一束的效率。
就圆柱形透镜4而言，例如可用电熔融石英制成的圆柱形透镜，其中，光进入表面的曲率半径是500μm，数字孔径(NA)是0.4，中心厚度是0.5mm。
波板5用单轴或双轴晶体构成，其中在X方向和Y方向间的光折射率不同。将波板5的发光表面形成为有高度差，从而使激光束LA穿过的部分5a和激光束LB穿过的部分5b的厚度不同。这种结构由于光距离不同而引起光路径不同，由此能把邻近激光束LA和LB的偏振平面之间的旋转角控制到90度。
波板5例如是用非常射线反射率ne为1.5380和正常射线反射率no为1.5470的熔融石英制成。该波板中，部分5a的厚度是0.5mm，并在部分5b中相对于0.5mm的厚度形成45μm的凹槽，实际上部分5a保持偏振平面。部分5b起半波板作用，使偏振平面旋转90度角。随后，穿过部分5a的激光束LA的偏振平面保持与X方向平行，穿过部分5b的激光束LB的偏振平面变成与Z方向平行，因此激光束LA和LB的偏振平面变成相互垂直。可以用波板，其中，用调节部分5a和5b的厚度使激光束LA的偏振平面转90度而激光束LB的偏振平面保持原状。而且，可把波板5设计成一个激光束的偏振平面旋转+45度而另一激光束的偏振平面转-45度。
可用折光晶体制造折光光学元件6，例如，按与C轴成45度的方向切出非正常射线反射率ne为2.20和正常射线反射率no为2.0的YVO4晶体。用折射效应，使激光束LA的直线作为按正常射线平行于Y方向的方向传播，使激光束LB以直线作为非正常射线传播，因为在XY平面中引起相对于Y方向的约5.8度的束离散。折射光学元件6中激光束LA和LB的发散角均为2.5度左右。
因此，按倾斜方向传播的激光束LB使隔开预定距离的激光束LA和LB的光路在光进入面相交。调节折射光学元件的厚度使交点位置与光发射表面重合，本例中，折射光学元件长5mm。
光发射表面7有与Z方向平行的基体，并设置成与圆柱形透镜有相等的功能，因此，要构成曲率半径例如是5mm的圆柱形表面。光发射表面7只按X方向会聚激光束LA和LB，而不按Z方向会聚LA和LB。在光发射表面7可使激光束LB中的束离散消失约5.8度，因此激光束LA和LB相互重迭并以平行于Y方向的方向引出。激光束LA和LB因此合并进入一根光纤10。
最好是使由光发射表面7按X方向的会聚位置与由圆柱形透镜4按Z方向的会聚位置相互重合。例如，例如，把光发射表面7的图像放大倍数βx设置成基本相同，而把圆柱形透镜4的图像放大倍数β2设置成10至30。用该结构，即使激光束在垂直方向的发散角不同，也能在会聚位置得到小的圆环形会聚光斑，因此，能提高激光束连到是随后的光学系统的光纤去的效率。而且，把会聚透镜的功能结合到折射光学元件6的光发射表面7中，与光发射表面7和会聚透镜的功能分别设置的情况相比，会减小界面反射损失。而且，能简化装配和调节工作，并提高可靠性和生产效率。
光纤10包括其直径例如为60μm的芯11和包覆芯11的包覆层12。数字孔径VA为0.14。光纤10的光入射端表面设置于折射光学元件6的光发射表面7背面约7mm的位置。
因此，大量的光纤10处于以相邻的激光束LA和LB连接的位置。用环相捆扎13把多根光纤10的光发射端捆在一起，图1C示出了用多根光纤10构成的一束光纤束。光纤束用作产生激光束LC的单平面光源。例如，用输出为1瓦的有20个光发射区3的半导体激光矩阵2，和用10根半导体光纤，即使考虑到在光传播途中的损失，也能获得能产生有约14瓦输出的激光束LC的光源。该结构提高了半导体激光器在激光束加工领域中的应用。
图2是按本发明的固态激光设备的结构图。固态激光设备包括已参见图1说明了的半导体激光器9。用于会聚由半导体激光器9发生的激光束LC的透镜14，和执行作为由激光束LC光激励结果的激光谐振的固态激光器单元20。
固态激光器单元20包括固态激光器介质22，它形成作为用作激励束的激光束LC光激励结果翻转总体，对激光束LC的波长有高透射率并对固态激光器介质22的谐振波长有高反射率的凹面镜21，具有对固态激光器介质22的谐振波长的反射率为95％的平面镜24，和限制谐振激光束的横模的孔23。
例如，当激光束LC的波长是810nm时，能获得波长为1.064和输出约为7.5W的激光束LP，固态激光器介质22包括掺有1.1at％(原子百分比)Nd和谐振波长为1,064nm的Nd：YAG晶体，孔23的孔径是250μm，包括凹面镜21和平面镜24的光谐振器的长度为100mm。
可清楚地看到，用折射效应，将由半导体激光器矩阵2发射的大量激光束由两束合并成一束，并把多根光纤10捆成一捆，因而能获得单个高输出激励光源。用光激励固态激光器介质22，能大大提高固态激光器介质22的激光器谐振输出。
图3是按本发明另一实施例的结构图。图3A是平面图，图3B是局部正视图。该实施例的总体结构与图1所示实施例相同，但在本例中，分级指示型圆柱形透镜4a是用加拿大Doric Lenses Inc制造的直径为300μm的Doric透镜作圆柱形光学元件代替图1中的圆柱形透镜4。由于用圆柱形透镜4a作圆柱透镜。如图3B所示，可以减小光纤10与半导体激光矩阵2之间的距离，而不会增大光纤10的NA。为获得本实施例的结构，把光发射部分3之间的间隔设定为250μm，折射光学元件6的长度设定为2.5mm，光发射表面7的圆柱形表面的曲率半径设定为2.5μm，折射光学元件6与光纤10之间的距离设定为3.5mm。由于其它条件和工作与图1所示实施例相同。因此省略了说明，用圆柱形透镜4a作了以上说明，因此，可以把半导体激光器沿光传播方向的长度小到图1所示长度的一半，而光纤10的NA为0.14，与图1所示相同。
而且，用这种圆柱形透镜4a的情况下，通过由光发射区3发射的激光束LA和LB按Z方向的会聚，可以更有效地进行折射光元件6中激光束LA和LB的合并。
本发明也可以用其它特定的形式实施，但并不脱离本发明的精神和主要特征。因此，现有的实施例可以认为只是为了说明本发明，而不是对本发明的限制，发明的范围由所附的权利要求限定，而不是以上说明的内容限定，所有的改变均不脱离权利要求所述的内容和范围中，因此，均是要求保护的范围。

Claims (7)

1.半导体激光源，包括：
用于发射激光束的第1和第2半导体激光器，其偏振平面相互平行，其在两个垂直方向的发射角θa和θb满足θa＞θb的不等式；
圆柱形光学元件，用按发散角θa减小方向会聚从第1和第2半导体激光器发射的激光束；
偏振旋转元件，用于控制偏振方向，因此，使穿过圆柱形光学元件的各激光束的偏振平面形成90度角；
折射光学元件，利用折射效应合并穿过偏振旋转元件的各激光束的光路；和
会聚光学元件，按发散角θb的减小方向会聚用折射光学元件合并的激光束。
2.按权利要求1的半导体激光源，其中，第1和第2半导体激光器分别按横向多模态谐振。
3.按权利要求1的半导体激光源，其中，在一个单片上形成其中有多台光发射区的第1和第2半导体激光器构成的横向多横态半导体激光器矩阵。
4.按权利要求1至3中任一项的半导体激光源，其中，会聚光学元件由与折射光学元件的光发射表面整体形成的弯曲表面构成。
5.按权利要求1至4中任一项的半导体激光源，其中，圆柱形光学元件的会聚位置与会聚光学元件相互重合，光纤的入射端面设置在会聚位置。
6.按权利要求5的半导体激光源，其中，其中，所述光纤是由多根光纤构成的光纤束，并排列成在每根光纤的入射端面上有从半导体激光器矩阵的多个发生区中的一对发生区发射的激光束相互合并后进入。
7.固态激光设备，包括
发射激光束的第1和第2半导体激光器，其偏振平面相互平行，其在两个垂直方向的发散角θa和θb满足θa＞θb的不等式；
圆柱形光学元件，用于按发散角θa减小方向会聚从第1和第2半导体激光器发射的激光束；
偏振旋转元件，用于控制偏振方向，使穿过圆柱形光学元件的各激光束的偏振平面形成90度角；
折射光学元件，利用折射效应合并穿过偏振旋转元件的各激光束的光路；
会聚光学元件，按发散角θb的减小方向会聚用折射光学元件合并的激光束，和
用合并的激光束进行光激励而进行激光谐振的固态激光介质。
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