CN205828877U - 一种合束半导体激光装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型阐述了一种合束半导体激光装置，所述合束半导体激光装置包括：多个发光单元，多个发光单元呈阵列设置，用于发射激光；多个光学准直系统，每个光学准直系统均对应设置于一个发光单元的出光侧，用于对发光单元发出的激光进行准直；多个体布拉格光栅，每个体布拉格光栅均对应设置于一个光学准直系统的出光侧，用于发光单元发出的激光的波长进行锁定；多个合束元件，每个合束元件均对应设置于一个体布拉格光栅的出光侧，将每个发光单元出射的激光进行合束；一聚焦透镜，设置于多个合束元件的出光侧，对多个合束元件导出的激光进行聚焦；一输出光纤，设置于聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦后的激光进行耦合输出。

Description

一种合束半导体激光装置

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，尤其是一种波长锁定的高功率合束半导体激光装置。

背景技术

半导体激光器由于其高的转化效率，合适的功率水平，好的光谱范围特性，因此广泛应用于材料处理，医疗，军事等领域。但是由于半导体激光器受限于其波导增益结构，单单管的出光功率只能到几瓦到几十瓦，单巴条的出光功率也只能到几十到几百瓦。为了提高半导体激光器的功率和亮度，不可避免的得使用准直、合束技术。另外半导体激光器本身具有的某些固有性质，也限制了其的应用与发展。例如：在基于半导体激光器泵浦的激光器领域，增益介质在某些特定波长吸收转化效率高，而半导体激光器的光谱宽度很宽(2nm以上)，这一定程度上限制了整个激光器系统的转化效率。除上述问题以外，制约半导体激光器应用的因素还有半导体激光器的光谱会随着温度和电流的变化发生漂移现象，迁移率一般分别在0.3nm/K和1nm/A左右。

针对上述问题，普遍采用插入光栅与半导体激光单管构成外腔反馈式激光器来稳定波长，起到压窄线宽，降低温度和电流漂移的作用。

如Boris等在专利US2014/002964 A1中公开了一种技术方案：半导体激光二极管呈阵列式排布，沿着出光方向排列光学准直系统对出射光进行准直。该技术方案只用一块体布拉格光栅对所有激光二极管出射的经过准直的激光进行波长锁定。使用一块体布拉格光栅的技术方案能够输出高亮度并且波长稳定的激光。但由于体布拉格光栅的接收角很小，因此此技术方案对每个发光单元对应的准直透镜以及反射棱镜的调节一致性要求很高，除此以外，受限于一块体布拉格光栅只能在特定衍射角下对某一特定波长衍射极大，因此该技术方案只能输出某单一的特定波长的激光，极大限制了此类激光器的应用范围。

为了得到多稳定波长的输出，Boris等在专利US2014/002964 A1中也公开了一种使用一整块啁啾体布拉格光栅对每个发光单元来筛选各自特定模式，实现多稳定波长的输出，然后合束的技术方案。另外George等在专利US5,691,989中公开了使用一整块体布拉格光栅实现多稳定波长的输出，合束的技术方案。然而上述的波长锁定技术方案都存在对光栅的加工、调节难度很高等缺点。另外受限于光栅尺寸、技术，此类技术方案也只能对有限的波长进行锁定合束。

由此可见，目前现有的技术方案能够输出波长锁定的高功率激光，但是由于每个发光单元形成的反馈激光腔长度不一样，容易造成每个发光单元的反馈和增益不一致，发光单元间容易相互串扰，使得整个激光器可能存在模式不稳定的问题。此外，由于体布拉格光栅只能在特定衍射角下对某一特定波长衍射极大，因此采用一整块体布拉格光栅的技术方案只能输出某单一或有限的特定波长的激光，极大限制了该类激光器的应用范围。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提出一种合束半导体激光装置，避免激光装置的发光单元间容易相互串扰、使得整个激光装置存在模式不稳定等问题，并且该合束半导体激光装置还可以输出多种特定波长锁定的光谱，使其能得到更广泛的应用。

根据本实用新型的一个方面提供一种合束半导体激光装置，所述合束半导体激光装置包括：多个发光单元，所述多个发光单元呈阵列设置，用于发射激光；多个光学准直系统，每个所述光学准直系统均对应设置于一个所述发光单元的出光侧，用于对所述发光单元发出的激光进行准直；多个体布拉格光栅，每个所述体布拉格光栅均对应设置于一个所述光学准直系统的出光侧，用于所述发光单元发出的激光的波长进行锁定；多个合束元件，每个所述合束元件均对应设置于一个所述体布拉格光栅的出光侧，将每个所述发光单元出射的激光进行合束；一聚焦透镜，设置于多个所述合束元件的出光侧，对多个所述合束元件导出的激光进行聚焦；一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦后的激光进行耦合输出。

优选地，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均在其所对应的一个所述发光单元的激射波长范围内。

优选地，所述体布拉格光栅的衍射效率在5-30％之间。

优选地，每个所述的发光单元包括一输出端面以及与所述输出端面相对的后端面，所述输出端面镀有增透膜，所述后端面镀有高反膜。

优选地，所述发光单元为半导体激光单管、巴条或者激光器。

优选地，每个所述光学准直系统均包括：第一准直透镜，接收所述发光单元产生的激光后将其射出；第二准直透镜，接收所述第一准直透镜射出的激光束后，将其射向所述体布拉格光栅。

优选地，所述第一准直透镜为快轴准直透镜，所述第二准直透镜为慢轴准直透镜。

优选地，每个所述发光单元所在的高度均不相等。

优选地，所述多个发光单元在高度方向排列成等间距的高度差。

优选地，所述合束半导体激光装置还包括一热沉，所述热沉具有高低不同的多个台阶，每个所述发光单元均设置于一个所述台阶上。

优选地，所述合束元件为反射镜。

优选地，所述合束元件为45度反射镜，反射率大于99.8％。

优选地，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均不相等。

优选地，所述合束元件为滤光片，所述滤光片具有特定波段反射和透射的光谱特性，用于波分复用。

优选地，所述滤光片为带通滤光片或者光栅。

优选地，所述的滤光片可以为密集波分复用或者粗波分复用。

本实用新型实施例揭示了一种合束半导体激光装置，该合束半导体激光装置包括多个发光单元，每个发光单元沿出光方向都对应设有一个光学准直系统以及一个对应的体布拉格光栅，体布拉格光栅设置于光学准直系统出光侧。体布拉格光栅对准直后的光进行波长锁定，其与入光侧的发光单元和光学准直系统构成新的外腔，形成振荡并耦合输出，实现波长锁定的激光输出，同时保证稳定的波长和高功率激光输出。并且该合束半导体激光装置具有结构紧凑、各光学元器件之间调节方便以及功率和波长范围可拓展等优点。

此外，发光单元可根据实际需要呈高度台阶分布或具有不同激射波长范围，进而可与体布拉格光栅以及相应的光学元件构成空间合束和波长合束的半导体激光装置，分别实现波长锁定的高功率高亮度激光输出以及多波长锁定的高功率高亮度激光输出。

附图说明

图1为本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置的结构示意图；

图2为本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置的发光单元的结构示意图；

图3为本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置输出的激光的光谱图；

图4为本实用新型的第二实施例的合束半导体激光装置的结构示意图；以及

图5为本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置输出的激光的光谱图。

具体实施方式

依据本实用新型主旨构思，所述合束半导体激光装置包括：多个发光单元，所述多个发光单元呈阵列设置，用于发射激光；多个光学准直系统，每个所述光学准直系统均对应设置于一个所述发光单元的出光侧，用于对所述发光单元发出的激光进行准直；多个体布拉格光栅，每个所述体布拉格光栅均对应设置于一个所述光学准直系统的出光侧，用于所述发光单元发出的激光的波长进行锁定；多个合束元件，每个所述合束元件均对应设置于一个所述体布拉格光栅的出光侧，将每个所述发光单元出射的激光进行合束；一聚焦透镜，设置于多个所述合束元件的出光侧，对多个所述合束元件导出的激光进行聚焦；一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦后的激光进行耦合输出。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术内容进行进一步地说明。

第一实施例

请一并参见图1至图3，图1示出了本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置的结构示意图；图2示出了本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置的发光单元的结构示意图；图3示出了本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置输出的激光的光谱图。在图1至图3所示的优选实施例中，所述合束半导体激光装置包括：多个发光单元、多个光学准直系统、多个体布拉格光栅、多个合束元件、一聚焦透镜以及一输出光纤。

多个发光单元呈阵列设置，用于发射激光。每个发光单元所在的高度均不相等。所述发光单元优选地为半导体激光单管、巴条或者激光器中的任一种。在图1和图2所示实施例中，以发光单元11、发光单元12、发光单元13和发光单元14为例进行说明，其中，发光单元14为与发光单元13间隔数个发光单元的一个发光单元，即发光单元13与发光单元14之间还包括数个发光单元(图1和图2中进行了省略)。具体来说，结合图1和图2所示，发光单元11、发光单元12、发光单元13和发光单元14沿图1和图2中的X轴方向排列，发光单元11、发光单元12、发光单元13和发光单元14所在的高度(发光单元的高度是指沿Y轴方向上高度)不同。优选地，多个发光单元在高度方向排列成等间距的高度差，即如图2所示，沿X轴的方向上，发光单元14的高度大于发光单元13的高度，发光单元13的高度大于发光单元12的高度，发光单元12的高度大于发光单元11的高度，且发光单元14与发光单元13之间的高度差、发光单元13与发光单元12之间的高度差、发光单元12与发光单元11之间的高度差均相等。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，多个发光单元在高度方向上也可以排列成不等间距高度差，在此不予赘述。

在图1和图2所示的实施例中，所述合束半导体激光装置优选地还包括一热沉7。具体来说，如图2所示，热沉7沿X轴方向上具有高低(此处的高低是指沿Y轴方向上高度)不同的多个台阶，每个发光单元均设置于一个台阶上。热沉7不仅可对设置于其上方的发光单元进行散热，同时由于其具有高低不同的台阶，因此还能使每个发光单元均位于不同的高度。

进一步地，每个发光单元包括一输出端面以及与所述输出端面相对的后端面，所述输出端面镀有增透膜，所述后端面镀有高反膜。在图1所示的实施例中，以发光单元11为例，发光单元11的输出端面镀有增透膜111，其后端面镀有高反膜112。

进一步地，在图1所示实施例中，由于发光单元的出射激光是发散椭圆光斑，在快慢轴方向发散，因此，每个所述光学准直系统均对应设置于一个所述发光单元的出光侧，用于对所述发光单元发出的激光进行准直。具体来说，如图1所示，以与发光单元11对应设置的一个光学准直系统2为例，光学准直系统2包括第一准直透镜21以及第二准直透镜22。第一准直透镜21接收发光单元11产生的激光后将其射出。第二准直透镜22接收第一准直透镜21射出的激光束后，将其射向体布拉格光栅31。在图1所示实施例中，第一准直透镜21为快轴准直透镜，第二准直透镜22为慢轴准直透镜。

进一步地，每个所述体布拉格光栅均对应设置于一个所述光学准直系统的出光侧，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均在其所对应的一个所述发光单元的激射波长范围内，用于所述发光单元发出的激光的波长进行锁定，其还产生引起振荡所需的弱信号，沿原光路经第二准直透镜和第一准直透镜，反馈回到发光单元的波导结构中，各自形成新的激光腔。具体来说，如图1所示，以与发光单元11和光学准直系统2对应设置的一个体布拉格光栅31为例，体布拉格光栅31的布拉格波长在发光单元11的激射波长范围内，体布拉格光栅31设置于光学准直系统2的第二准直透镜22的出光侧，其接收由第二准直透镜22发出的激光并对该激光的波长进行锁定。体布拉格光栅31的衍射效率优选地在5-30％之间。且体布拉格光栅31的通光面优选地还镀有增透膜。需要说明的是，在本实用新型的实施例中，每个体布拉格光栅的布拉格波长可以是相同，也可以是不同。

每个所述合束元件均对应设置于一个所述体布拉格光栅的出光侧，将每个所述发光单元出射的激光进行合束。在图1所示的实施例中，合束元件为一反射镜。具体来说，如图1所示，以与发光单元11、光学准直系统2以及体布拉格光栅31对应设置的一个反射镜41为例，反射镜41将波长经体布拉格光栅31锁定后的激光导到一聚焦透镜51上。优选地，反射镜41为一45度反射镜，其反射率大于99.8％。

聚焦透镜设置于多个所述合束元件的出光侧，对多个所述合束元件导出的激光进行聚焦耦合。具体来说，在图1和图2所示的实施例中，每个发光单元所在的高度均不相等，聚焦透镜51可以将经所有反射镜(包括图1中的反射镜41)反射的高度不同的激光聚焦至一输出光纤6。优选地，聚焦透镜6为非球面透镜，其出光侧表面镀有增透膜。

输出光纤6设置于聚焦透镜51的出光侧，用于对合束后的激光进行耦合输出。如图1所示，输出光纤6设置于聚焦透镜6的出光侧，对聚焦透镜6聚焦后的激光进行耦合输出。

进一步地，结合上述图1至图3所示的实施例，以发光单元11为例，所述合束半导体激光装置的发射激光的过程中，由发光单元11发出激光，发光单元11发出的激光沿图1中的Z轴方向，在经过第一准直透镜21和第二准直透镜22准直后射入体布拉格光栅31，由体布拉格光栅31对该激光进行波长锁定，波长锁定后的激光进一步地被反射镜41导至聚焦透镜51。类似地，发光单元12、发光单元13以及发光单元14发出的激光也经过与其各自对应设置的第一准直透镜、第二准直透镜、体布拉格光栅以及反射镜后射向聚焦透镜51。聚焦透镜51将所有激光聚焦至输出光纤6，由输出光纤6耦合输出波长锁定的高功率合束激光。

在此实施例中，所述合束半导体激光装置通过发光单元、体布拉格光栅的设置使发光单元发射的激光经波长锁定后合束输出，从而能够保证稳定的波长的同时高功率激光输出。如图3所示，与波长未锁定的光谱71相比，波长锁定后的光谱72范围明显变窄，并且能够更稳定地输出所需的特定波长，且波长特性可由体布拉格光栅决定。

第二实施例

请一并参见图4和图5，图4示出了本实用新型的第二实施例的合束半导体激光装置的结构示意图；图5示出了本实用新型的第一实施例的合束半导体激光装置输出的激光的光谱图。与上述图1所示第一实施例不同的是，在此实施例中，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均不相等，所述合束元件为滤光片，以此代替上述实施例中的反射镜。具体来说，每个体布拉格光栅的布拉格波长均在各自对应的一个发光单元的激射波长范围内，但每个体布拉格光栅之间的布拉格波长均是不相同的。以图4为例，与发光单元11对应的体布拉格光栅31的布拉格波长为λ1；与发光单元12对应的体布拉格光栅32的布拉格波长为λ2；与发光单元13对应的体布拉格光栅33的布拉格波长为λ3；与发光单元14对应的体布拉格光栅34的布拉格波长为λ4。即经过体布拉格光栅31、32、33、34后射出的激光的波长分别被锁定为λ1、λ2、λ3、λ4。

进一步地，所述合束元件为滤光片，所述滤光片具有特定波段反射和透射的光谱特性，用于波分复用。所述滤光片将体布拉格光栅射出的激光导到一耦合光学元件上。优选地，滤光片为带通滤光片或者光栅。需要说明的是，在本实用新型的其他实施例中，所述滤光片也可以是其他具有部分波段透射和部分波段反射的光谱特性的光学元件。每个滤光片的光谱特性均对应于一个发光单元。具体来说，在图4所示实施例中，与发光单元11对应的滤光片41’对波长为λ1的激光高反；与发光单元12对应的滤光片42’对波长为λ1的激光高透，对波长为λ2的激光高反；与发光单元13对应的滤光片43’对波长为λ1、λ2的激光高透，对波长为λ3的激光高反；与发光单元14对应的滤光片44’对波长为λ1、λ2、λ3的激光高透，对波长为λ4的激光高反。合束元件可以是密集波分复用，也可以是粗波分复用，其可根据所需的波长组合决定。

进一步地，在图4所示的实施例中，所述聚焦透镜51能对所有经体布拉格光栅锁定后激光(例如图4中波长为λ1、λ2、λ3、λ4的激光)聚焦耦合至输出光纤6。

需要说明的是，由于所述合束元件为滤光片，因此，在此实施例中，每个发光单元的高度也可以是相同的。

进一步地，本实施例中的合束半导体激光装置可以输出多特定波长锁定的光谱，如图5所示的λ1，λ2，λ3，λn，并且波长的范围可以拓展，既可以往小于λ1短波方向拓展，也可以往大于λn的长波方向拓展，理论上可以拓展到从紫外到近中红外所有的半导体芯片涉及波段，极大拓展该系列产品的应用范围。

综上所述，本实用新型实施例揭示了一种合束半导体激光装置，该合束半导体激光装置包括多个发光单元，每个发光单元沿出光方向都对应设有一个光学准直系统以及一个对应的体布拉格光栅，体布拉格光栅设置于光学准直系统出光侧。体布拉格光栅对准直后的光进行波长锁定，其与入光侧的发光单元和光学准直系统构成新的外腔，形成振荡并耦合输出，实现波长锁定的激光输出，同时保证稳定的波长和高功率激光输出。并且该合束半导体激光装置具有结构紧凑、各光学元器件之间调节方便以及功率和波长范围可拓展等优点。

此外，发光单元可根据实际需要呈高度台阶分布或具有不同激射波长范围，进而可与体布拉格光栅以及相应的光学元件构成空间合束和波长合束的半导体激光装置，分别实现波长锁定的高功率高亮度激光输出以及多波长锁定的高功率高亮度激光输出。

虽然本实用新型已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种合束半导体激光装置，其特征在于，所述合束半导体激光装置包括：

多个发光单元，所述多个发光单元呈阵列设置，用于发射激光；

多个光学准直系统，每个所述光学准直系统均对应设置于一个所述发光单元的出光侧，用于对所述发光单元发出的激光进行准直；

多个体布拉格光栅，每个所述体布拉格光栅均对应设置于一个所述光学准直系统的出光侧，用于所述发光单元发出的激光的波长进行锁定；

多个合束元件，每个所述合束元件均对应设置于一个所述体布拉格光栅的出光侧，将每个所述发光单元出射的激光进行合束；

一聚焦透镜，设置于多个所述合束元件的出光侧，对多个所述合束元件导出的激光进行聚焦；

一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦后的激光进行耦合输出。

2.根据权利要求1所述的合束半导体激光装置，其特征在于，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均在其所对应的一个所述发光单元的激射波长范围内。

3.根据权利要求2所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述体布拉格光栅的衍射效率在5-30％之间。

4.根据权利要求1所述的合束半导体激光装置，其特征在于，每个所述的发光单元包括一输出端面以及与所述输出端面相对的后端面，所述输出端面镀有增透膜，所述后端面镀有高反膜。

5.根据权利要求1所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述发光单元为半导体激光单管、巴条或者激光器。

6.根据权利要求1所述的合束半导体激光装置，其特征在于，每个所述光学准直系统均包括：

第一准直透镜，接收所述发光单元产生的激光后将其射出；

第二准直透镜，接收所述第一准直透镜射出的激光束后，将其射向所述体布拉格光栅。

7.根据权利要求6所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述第一准直透镜为快轴准直透镜，所述第二准直透镜为慢轴准直透镜。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的合束半导体激光装置，其特征在于，每个所述发光单元所在的高度均不相等。

9.根据权利要求8所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述多个发光单元在高度方向排列成等间距的高度差。

10.根据权利要求8所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述合束半导体激光装置还包括一热沉，所述热沉具有高低不同的多个台阶，每个所述发光单元均设置于一个所述台阶上。

11.根据权利要求8所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述合束元件为反射镜。

12.根据权利要求11所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述合束元件为45度反射镜，反射率大于99.8％。

13.根据权利要求1至7中任一项所述的合束半导体激光装置，其特征在于，每个所述体布拉格光栅的布拉格波长均不相等。

14.根据权利要求13所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述合束元件为滤光片，所述滤光片具有特定波段反射和透射的光谱特性，用于波分复用。

15.根据权利要求14所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述滤光片为带通滤光片或者光栅。

16.根据权利要求14所述的合束半导体激光装置，其特征在于，所述的滤光片可以为密集波分复用或者粗波分复用。