CN1200491C - 大功率半导体激光变频装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大功率半导体激光变频装置，该装置包括电源、泵源、激光晶体和由腔镜组成的谐振腔；其中泵源放在谐振腔中，激光晶体安置在泵源与作为输出光用的腔镜之间，电源与泵源电连接；其特征是：所述的泵源是一由电源泵浦的量子阱半导体激光器芯片列阵，该量子阱半导体激光器芯片列阵的外侧镀有在泵源输出的波段高反的膜作为谐振腔的另一块腔镜。该装置采用量子阱半导体激光器芯片列阵泵浦光学晶体，产生新的激光振荡或进行频率变换，克服了传统半导体激光器倍频效率低、输出激光功率小的缺点，并且结构简单，可实现高效、高功率、高光束质量的激光输出。

Description

大功率半导体激光变频装置

                      技术领域

本发明涉及一种激光器，特别是涉及一种采用量子阱半导体激光器芯片作为泵源产生高光束质量、大功率半导体激光装置。

                      背景技术

传统半导体激光器(以下简称LD)是电泵半导体芯片列阵产生激光，经光纤耦合输出，利用输出的激光泵浦激光晶体或非线性光学晶体可以得到所需的各种波长的激光输出，并提高光束质量和输出功率，如CLEO 2001上记录的“High-efficiency，High-power，OPO-based RGB source”中所述：LD(Laser Diode)侧泵Nd:YLF输出1047nm的激光(光路如图2)，此激光经过光放大器，入射倍频晶体，输出524nm的激光。此装置中成对的高反镜1和4形成1047nm通过Nd:YLF的多通道，准直基频光(1047nm)，提高基频光(1047nm)在非线性光学晶体中的吸收率，从而提高倍频转换效率，此装置中倍频效率为23％。由于LD(Laser Diode)芯片列阵本身的光束质量不好，使得其泵浦Nd:YLF输出激光的效率不高，仅为19.5％，并且虽然输出的激光(1047nm)经过光路增益、准直，但泵光损耗太多，倍频效率仍然不高，而且此装置结构复杂，难于调节。

                        发明内容

本发明的目的在于克服传统侧发射半导体激光器由于光束质量差，功率小，不能直接作为激光输出，只能作为泵源泵浦激光晶体输出激光的缺点。为了克服半导体激光器输出的光束质量差，因而导致转换效率低的不足。为了实现高效、高光束质量和大功率激光输出，本发明采用电源泵浦镀膜量子阱面阵材料直接输出激光，或此激光经过单块或多块光学晶体，产生单一或几个波段的激光分别或同时输出的大功率半导体激光变频装置。

本发明的目的是这样实现的：本发明提供的一种大功率半导体激光变频装置，包括电源、泵源，激光晶体和由腔镜组成的谐振腔；其中泵源放在谐振腔中，激光晶体安置在泵源与作为输出光用的腔镜之间，电源与泵源电连接；其特征是：所述的泵源是一由电源泵浦的量子阱半导体激光器芯片列阵，该量子阱半导体激光器芯片列阵的输出光的面相对一块谐振腔镜设置，量子阱半导体激光器芯片列阵背面镀有在泵源输出的波段高反的膜作为谐振腔的另一块腔镜。

还包括在光路中安置一缩束系统和凸透镜，其中缩束系统的位置在第一块输出镜输出光的光腰处，凸透镜的焦点位置与从缩束系统输出的光的光腰重合。

还包括在光路中安置1块或1块以上反射镜，其位置跟据光路实际设计而定。

还包括在光路中安置2块以上腔镜作为谐振腔的另一块腔镜，该腔镜包括平镜、平凹镜、平凸镜、光栅或法布里—珀罗标准具。

所述的量子阱半导体激光器芯片列阵是垂直腔面发射激光的芯片。

所述的量子阱半导体激光器芯片列阵可以是N维线阵，也可以是M×N维垂直腔面发射的面阵，其中M、N均为大于1的正整数。

所述的激光晶体可以是光学晶体，也可以是非线性光学晶体。

所述的激光晶体包括Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG或Ti:Al₃O₃。

所述的非线性光学晶体包括偏硼酸钡(BBO)、三硼酸锂(LBO)、钛氧磷酸钾(KTP)、周期性极化钛氧磷酸钾(PPKTP)、周期性极化钽酸锂(PPLT)、周期性极化铌酸锂(PPLN)、周期性极化铌酸钾(PPKNLN)、铌酸钾(KN)、钛氧砷酸钾(KTA)。

所述的另一块腔镜可以是平镜、平凹镜、平凸镜、光栅或法布里—珀罗标准具。

所述的非线性光学晶体至少是一块，在腔内进行非线性频率转换，同时输出相应波段的光。

该装置中采用量子阱半导体激光器芯片列阵作泵源，光学晶体作变频晶体；电泵浦量子阱半导体激光器芯片列阵直接输出激光或用此激光直接泵浦光学晶体，并通过一种或几种参量过程输出不同的激光。

本发明的优点：

本发明提供的一种大功率半导体激光变频装置采用量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵直接输出激光，或者作为泵源泵浦光学晶体输出激光，克服了原有技术中泵光光束质量差，不能作为激光输出，只能作为泵源并导致的引入泵光损耗大，转换效率低，装置复杂的缺点，生成的N维线阵或M×N(M、N均为大于1的正整数)维面阵的激光器列阵其功率可达几瓦至几十瓦，实现了高光束质量，其M²因子接近于1；高转换效率达＞＝30％，高功率达百瓦的激光输出。并可以用于连续波、准连续波输出，为高光束质量、高转换效率、高功率的激光技术实用化开辟了广阔的前景，可广泛应用于军事、科研、娱乐、医疗、工业等领域。

                     附图说明

图1是LD(Laser Diode)侧泵Nd:YLF输出1047nm的激光光路图

图2是本发明大功率半导体激光变频装置结构示意图

图3是本发明具有6维线阵量子阱半导体激光器芯片列阵的激光变频装置输出蓝光的光路图(连续波)

图4是本发明具有4×5维垂直腔面发射的面阵激光变频装置输出红外激光的光路图(连续波)

图5是本发明激光装置输出紫外激光的一种实施例的光路图

图6是本发明激光装置输出周期调谐可见光的一种实施例光路图

图7是本发明激光装置同时输出蓝光和可调谐红外激光的光路图(连续波)

图8是本发明激光装置输出可调谐红外激光的光路图(连续波)

图9是本发明激光装置输出蓝光的光路图(准连续波)

图面说明：

2-泵源(量子阱半导体激光器芯片列阵)；    3、7-光学晶体；

1、4、6、8-腔镜；                       5-凸透镜

9-Q开关                                 10-缩束系统

11-反射镜

                       具体实施方式

实施例1

按照图1和图3的光路制作一台输出连续波蓝光的大功率半导体激光变频装置。

该变频装置包括电源、泵源2，激光晶体3，腔镜1、4，其中泵源2是市售的6维的量子阱半导体激光器芯片列阵，光学晶体3选用LBO晶体，尺寸为4×4×10mm³，LBO晶体为θ＝90°，＝62.7°方向切割，腔镜1为镀膜在6维的量子阱半导体激光器芯片列阵的外侧面上，其镀膜为490nm高反(HR)膜，腔镜4选用平镜，双面镀490nm高透(HT)膜。其中腔镜1和腔镜4构成谐振腔，光学晶体3放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，市售的电源(图中未示出)与泵源2电连接；电泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，用此激光泵浦光学晶体3，发出的荧光分别在腔镜1和4构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜4输出激光。所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2在电源泵浦作用下输出980nm的激光，此激光经过非线性光学晶体3进行倍频，调节腔镜4与腔镜1，在腔镜4处输出490nm的连续波蓝光，输出功率可达3W，转换效率大于30％。

实施例2

按照图1和图4的光路制作一台输出连续红外波的大功率半导体激光变频装置。

该变频装置与实施例1的结构类似，不同之处在于泵源2是4×5维量子阱半导体激光器芯片列阵；腔镜1采用镀膜工艺制作在该泵源2的外侧面上，其镀膜为980nm HR，1400nm-1800nm HR，2150nm-3250nm HR膜；腔镜4选用平镜，腔镜4靠近光学晶体的一侧镀膜为980nm HR，2150nm-3250nm HR，双面1400nm-1800nm HT；光学晶体3选用PPLN晶体，尺寸为0.5×5×20mm³，调谐周期为2.79μm-2.87μm。腔镜1和腔镜4构成谐振腔，光学晶体3放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，泵源泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，或用此激光泵浦光学晶体3，发出的荧光分别在腔镜1和4构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜4处输出激光。所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

量子阱半导体激光器芯片列阵2输出980nm的激光，泵浦PPLN，产生的荧光在腔镜1与腔镜4组成的谐振腔中振荡，通过调整PPLN晶体的位置实现周期调谐，在腔镜4处输出1400nm-1800nm的10W连续波红外激光，转换效率大于30％。

实施例3

按照图1和图5的光路制作一台输出连续紫外波的大功率半导体激光变频装置。

该变频装置包括泵源，激光晶体，腔镜，其中泵源2是5×6维量子阱半导体激光器芯片列阵，光学晶体3选用LBO晶体，LBO晶体尺寸为3×3×10mm³，是θ＝90℃，φ＝62.7℃方向切割；光学晶体7选用LBO晶体，LBO尺寸为4×4×10mm³，是θ＝90℃，φ＝37℃方向切割；LBO晶体的角度调谐范围是29.6℃-45.7℃；腔镜1端面镀膜为600nm HR；腔镜4选用平镜，腔镜4靠近晶体3的一面镀膜为600nm HR，双面300nm HT；腔镜6选用平镜，镀膜为靠近晶体7的一面400nm HR，双面300nm HT；腔镜8选用平镜，镀膜为靠近晶体7的一面300nm HR，双面400nm HT；腔镜1和腔镜4、腔镜6和腔镜8构成谐振腔；光学晶体3放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，光学晶体7放在腔镜6和腔镜8构成的谐振腔的焦点附近，泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，用此激光泵浦光学晶体3，发出的荧光分别在腔镜1和4构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜4处输出激光。所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出600nm的激光，经过LBO晶体3I类匹配倍频输出紫外光，此激光经过缩束系统10缩束，再经过凸透镜5聚焦后入射至LBO晶体7，在平镜6和平镜8组成的腔内进行光参量振荡，便可实现角度调谐紫外输出。调节LBO晶体3和腔镜4，在腔镜4处输出300nm的紫外光；调节LBO晶体7的角度，在腔镜8处输出50nm-400nm的连续波紫外激光，功率可达15W，转换效率大于30％。

实施例4

按照图6的光路制作一台输出可见可调谐激光的大功率半导体激光变频装置，包括量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2，光学晶体3、7，腔镜1、4、6、8，缩束系统10，凸透镜5。

该变频装置与实施例3的结构类似，不同之处在于泵源是6维量子阱半导体激光器芯片列阵2；腔镜1镀膜为900nm HR；腔镜4选用平镜，腔镜4对着晶体的一面镀膜为900nm HR，双面镀膜为450nm HT；腔镜6选用平镜，镀膜为双面450nm HT，靠近晶体的一面镀膜为450nm HR；腔镜8选用平镜，晶体的一面镀膜为450nm HR，双面镀膜500nm-600nm HT；光学晶体3选用LBO晶体，LBO晶体尺寸为4×4×10mm³，是θ＝90°，φ＝62.7°方向切割；光学晶体7选用PPLN晶体，尺寸为0.5×5×20mm³，PPLN晶体的周期调谐范围是27.9μm-28.7μm，每个周期之间的间隔为0.2mm；10是3∶1的缩束系统；5是凸透镜，其焦距为50mm；所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

包括量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2，光学晶体3、7，腔镜1、4、6、8，缩束系统10，凸透镜5。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出900nm的激光，经过LBO3晶体I类匹配倍频输出450nm的激光，此激光经过缩束系统10缩束，再经过凸透镜5聚焦后入射PPLN晶体7，在平镜6和平镜8组成的平平腔内进行参量振荡，从而输出500nm-600nm的激光，改变PPLN位置，从而改变PPLN的周期，便可实现周期调谐可见光输出，输出功率可达3W，转换效率大于30％。

实施例5

按照图7的光路制作一台输出多波段激光的大功率半导体激光变频装置，包括量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2，光学晶体3、7，腔镜1、4。

该激光器包括泵源，激光晶体，腔镜，其中泵源是6维量子阱半导体激光器芯片列阵2，光学晶体3选用PPLN晶体，尺寸为0.5×5×20mm³，调谐周期为27.9μm-28.7μm；光学晶体7选用LBO晶体，尺寸为4×4×10mm³；腔镜1镀膜为980nm HR，腔镜4选用平镜，腔镜4靠近光学晶体的一侧镀膜为980nm HR，1400nm-1800nm HR，双面镀膜2154nm-3256nmHT。所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

腔镜1和腔镜4构成谐振腔，光学晶体3、7放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，泵源泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，用此激光泵浦光学晶体3、7，发出的荧光分别在腔镜1和4构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜4处输出激光。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出980nm的激光，同时直接作用于PPLN3和LBO7，输出的激光在腔镜1与腔镜4组成的谐振腔中分别进行倍频转换和参量振荡，同时输出1.5w的490nm连续蓝光和1.5W的1400nm-1800nm连续波红外光，转换效率大于30％。

实施例6

按照图8的光路制作一台输出多波段激光的大功率半导体激光变频装置。

该激光器包括泵源2，激光晶体3、7，腔镜1、4、和8，其中泵源是6×20维电泵量子阱半导体激光器芯片列阵2光学晶体3选用PPLN晶体，尺寸为0.5×5×20mm³，调谐周期为27.9μm-28.7μm，每个周期之间的间隔为0.2mm；光学晶体7选用LBO晶体，尺寸为4×4×10mm³，切割方向为θ＝60°，φ＝0°，角度调谐范围是50°-66°；腔镜1端面镀膜为980nm HR；腔镜4选用平镜，腔镜8为6个柱面镜组成的柱面镜组，腔镜4靠近光学晶体的一侧镀膜为980nm HR，1600nm-1800nm HR，腔镜组8凹面镀膜为800nm-900nm HR；所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

腔镜1和腔镜4构成谐振腔；腔镜4和腔镜8构成谐振腔；光学晶体3放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，光学晶体7放在由腔镜4入射的光束的焦点附近，泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，用此激光泵浦光学晶体3、7，发出的荧光分别在腔镜1和4构成的谐振腔、腔镜4和腔镜8构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜8处，输出激光。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出980nm的激光，直接作用于PPLN3，在腔镜1和腔镜4组成的谐振腔内进行参量振荡，输出1400nm-1800nm的红外激光，此激光经过腔镜6反射进入由腔镜4和腔镜8组成的谐振腔内，经LBO晶体7II类匹配倍频，从腔镜组8的每个腔镜分别输出800nm-900nm的可调谐连续红外光，因此，便形成几个同时输出800nm-900nm的连续波可调谐激光器，功率可达50W，转换效率大于30％。

实施例7

按照图1的光路制作一台输出准连续蓝光的大功率半导体激光变频装置。

该激光器包括泵源，激光晶体，腔镜，其中泵源6是量子阱半导体激光器芯片列阵2，光学晶体3选用LBO晶体，尺寸为4×4×10mm³，LBO晶体为θ＝90℃，φ＝62.7℃方向切割；腔镜1镀膜为490nm HR，腔镜4选用平镜，双面镀490nm HT；腔镜1和4构成谐振腔，光学晶体3放在量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2输出激光的焦点附近，泵源泵浦量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2端面直接输出激光，用此激光泵浦光学晶体3，发出的荧光在腔镜1和4构成的谐振腔内进行振荡，从腔镜4处输出激光。所述光学元件固定在光学具座上，光学具座固定在光学平台上。

按照图9的光路制作一台全固态蓝光激光器，包括量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2，光学晶体3，腔镜1、4，Q开关9。

量子阱半导体垂直腔面发射激光芯片列阵2在电源泵浦作用下输出980nm激光，此激光经过非线性光学晶体3进行倍频，用Q开关9调Q，调节腔镜4与腔镜1，在腔镜4处输出490nm的准连续波蓝光，输出功率可达1.5W，转换效率大于30％。

Claims (9)

1、一种大功率半导体激光列阵变频装置，包括电源、泵源，激光晶体和由腔镜组成的谐振腔；其中泵源放在谐振腔中，激光晶体安置在泵源与作为输出光用的腔镜之间，电源与泵源电连接；其特征是：所述的泵源是一由电源泵浦的量子阱半导体激光器芯片列阵，该量子阱半导体激光器芯片列阵的输出的面相对一块谐振腔镜设置，量子阱半导体激光器芯片列阵背面镀有在泵源输出的波段高反的膜作为谐振腔的另一块腔镜。

2、按权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：还包括在光路中安置一缩束系统和凸透镜，其中缩束系统的位置在第一块输出镜输出光的光腰处，凸透镜的焦点位置与从缩束系统输出的光的光腰重合。

3、按权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：还包括在光路中安置1块或1块以上反射镜，其位置根据光路实际情况而定。

4、按权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：还包括在光路中安置2块以上腔镜作为谐振腔的另一块腔镜，该腔镜包括平镜、平凹镜、平凸镜、光栅或法布里-珀罗标准具。

5、按权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：所述的量子阱半导体激光器芯片列阵是垂直腔面发射激光的芯片。

6、按权利要求1、2、3、4或5所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：所述的量子阱半导体激光器芯片列阵是N维线阵，或是M×N维面阵，其中M、N均为大于1的正整数。

7、按权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：所述的激光晶体至少是一块；它可以是光学晶体，也可以是非线性光学晶体。

8、权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：所述的激光晶体包括Nd:YAG、Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG或Ti:Al₃O₃。

9、权利要求1所述的大功率半导体激光变频装置，其特征是：所述的非线性光学晶体包括：BBO、LBO、KTP、PPKTP、PPLT、PPLN、KTA、KN。

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