CN212011599U - 一种高功率半导体激光器波长锁定装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高功率半导体激光器波长锁定装置，该装置包括：多个单管半导体激光器，用于产生预设波长的激光；合束模块，用于将多个单管半导体激光器输出的激光进行合束；光纤光栅，用于接收合束后的激光，对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。通过实施本实用新型，在多个单管半导体激光器出光方向设置光束整形模块和耦合模块，可以使得多个单管半导体激光器输出的激光合束后耦合进入光纤光栅中传输，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器同时进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器即高功率半导体激光器的窄波长光纤耦合输出。

Description

一种高功率半导体激光器波长锁定装置

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种高功率半导体激光器波长锁定装置。

背景技术

大功率半导体激光器常被用作固体激光器(如薄片，光纤和板条激光器)的泵浦源，因此其效率、激光发射的空间和光谱特性决定了固体激光器的性能。大功率激光器芯片也被直接用材料加工(如表面处理，焊接，增材制造，切割)的工业领域以及于光纤激光、固体激光的泵浦领域。

目前，当在泵浦领域应用大功率半导体激光器时，由于增益介质泵浦带宽通常较窄，需要大功率半导体激光器能够实现窄波长输出。然而，目前实现半导体激光器光谱的窄化的技术主要有DFB/DBR半导体激光器以及体布拉格光栅或者面光栅外腔反馈波长锁定技术等，其中，DFB/DBR半导体激光器主要停留在实验室研究阶段，且制备成本较高；而体布拉格光栅或者面光栅外腔反馈波长锁定技术可以实现较窄的线宽和较大的输出功率，但是其核心器件价格昂贵，调节难度高，很难实现低成本大批量生产。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种高功率半导体激光器波长锁定装置，以解决现有技术中大功率激光器难以输出窄波长的技术问题。

本实用新型实施例第一方面提供一种高功率半导体激光器波长锁定装置，包括：多个单管半导体激光器，用于产生预设波长的激光；光束整形模块，用于将多个单管半导体激光器输出的激光进行整形；耦合模块，用于将整形后的光束耦合进光纤；光纤光栅，用于接收耦合的光束，对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。

进一步地，所述光束整形模块包括：准直镜，用于将多个单管半导体激光器输出的激光分别进行准直，得到多个准直光束。

进一步地，所述光束整形模块还包括：阶梯反射镜，用于将准直后的光束进行反射得到多个按照预设规律排列的激光光束。

进一步地，所述耦合模块包括：球面镜、非球面镜、双胶合透镜、正交柱面镜对中的任意一种。

进一步地，所述准直镜包括：快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜用于调整多个单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角，输出调整光束；所述慢轴准直镜用于调整所述调整光束在慢轴方向的发散角，得到多个准直光束。

进一步地，所述光纤光栅包括：由内到外依次设置的外包层、内包层以及纤芯，所述纤芯中刻蚀有周期排布的光栅，用于对多个单管半导体激光器进行波长锁定。

进一步地，至少一个单管半导体激光器的前腔面设置增透膜。

进一步地，所述增透膜的反射率大于0小于0.1％。

进一步地，所述纤芯的直径大于40μm。

进一步地，所述光纤光栅的衍射效率大于80％。

本实用新型实施例第二方面提供一种高功率半导体激光器波长锁定方法，包括：将多个单管半导体激光器输出的激光进行整形后耦合至光纤光栅；所述光纤光栅将输入光束中的预设波长的光束反馈至多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。

本实用新型技术方案，具有如下优点：

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，通过在多个单管半导体激光器出光方向设置光束整形模块和耦合模块，可以使得多个单管半导体激光器输出的激光合束后耦合进入光纤光栅中传输，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器同时进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器即高功率半导体激光器的窄波长光纤耦合输出。

本实用新型实施例提供的半导体激光器波长锁定方法，将多个单管半导体激光器输出的激光整形后耦合进入光纤光栅中传输，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出，并保证了输出波长的稳定性。本实用新型实施例提供的半导体激光器波长锁定方法，无需进行复杂的外腔调节，并且光纤光栅价格低廉，易于窄波长输出的高功率半导体激光器批量生产。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，将多个单管半导体激光器、光束整形模块、耦合模块以及光纤光栅共同组成了新的激光腔，实现了外腔反馈波长锁定，最终实现了窄波长输出，并保证了输出波长的稳定性。本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，采用光纤光栅对多个单管半导体激光器进行波长锁定，无需进行复杂的外腔调节，并且光纤光栅价格低廉，易于窄波长输出的高功率半导体激光器批量生产。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置及方法，可以用于高功率半导体光纤耦合模块中，降低了波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的制造难度与成本，有利于波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的批量生产与大规模应用，可以用于对波长与带宽有着明确要求的应用场景当中。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施方式，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为本实用新型另一实施例中高功率半导体激光器波长锁定装置的结构框图；

图2(a)和图2(b)为本实用新型实施例中高功率半导体激光器波长锁定装置的光纤光栅的结构框图；

图3为本实用新型实施例中高功率半导体激光器波长锁定装置的测试光谱示意图；

图4为本实用新型实施例中高功率半导体激光器波长锁定方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“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，或一体地连接；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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本实用新型实施例提供一种高功率半导体激光器波长锁定装置，如图1所示，该高功率半导体激光器波长锁定装置包括：多个单管半导体激光器1，用于产生预设波长的激光；光束整形模块2，用于将多个单管半导体激光器输出的激光进行整形；耦合模块3，用于将整形后的光束耦合进光纤；光纤光栅4，用于接收耦合的光束，对多个单管半导体激光器1进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，通过在多个单管半导体激光器出光方向设置光束整形模块和耦合模块，可以使得多个单管半导体激光器输出的激光合束后耦合进入光纤光栅中传输，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器同时进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器即高功率半导体激光器的窄波长光纤耦合输出。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，将多个单管半导体激光器、光束整形模块、耦合模块以及光纤光栅共同组成了新的激光腔，实现了外腔反馈波长锁定，最终实现了窄波长输出，并保证了输出波长的稳定性。本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，采用光纤光栅对多个单管半导体激光器进行波长锁定，无需进行复杂的外腔调节，并且光纤光栅价格低廉，易于窄波长输出的高功率半导体激光器批量生产。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，可以用于高功率半导体光纤耦合模块中，降低了波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的制造难度与成本，有利于波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的批量生产与大规模应用，可以用于对波长与带宽有着明确要求的应用场景当中。

作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，如图2所示，光束整形模块2可以包括：准直镜，用于将多个单管半导体激光器1输出的激光进行准直，得到多个准直光束。具体地，可以采用热沉的方式将多个单管半导体激光器1按照如图1所示的方式侧立成阶梯型放置，这样，多个单管半导体激光器1输出的激光通过准直镜准直后可以呈现一定的规律排列。可选地，也可以在光束整形模块2中设置阶梯反射镜(图中未示出)，阶梯反射镜可以将准直后的光束进行反射得到多个按照预设规律排列的激光光束。

作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，耦合模块3包括：球面镜、非球面镜、双胶合透镜、正交柱面镜对中的任意一种。可以根据实际需要选择相应的透镜使得多个按照预设规律排列的激光光束通过耦合模块耦合进入光纤光栅4中。

作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，准直镜包括：快轴准直镜和慢轴准直镜，快轴准直镜用于调整多个单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角，输出调整光束；慢轴准直镜用于调整快轴准直镜输出的调整光束在慢轴方向的发散角，得到多个准直光束。

具体的，可以多个单管半导体激光器后均设置快轴准直镜和慢轴准直镜，每个单管半导体激光器发出的光在快轴方向上被快轴准直透镜准直，在快轴方向上被准直的光到达慢轴准直透镜，快轴方向上被准直的光被慢轴准直透镜在慢轴方向上准直，成为完全准直光；多个单管半导体激光器输出的激光经过快轴准直镜、慢轴准直镜以及阶梯反射镜后可以呈现一定规律排列，例如可以是多个平行光束，此时，耦合模块中可以是凸面镜，多个平行光束经过耦合模块后可以耦合进入位于透镜焦点处的光纤光栅，并进行光纤光栅的内包层中传输。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，通过在合束模块中设置快轴准直镜和慢轴准直镜，由于半导体激光器本身在快轴方向拥有近衍射极限的光束质量，而慢轴光束质量差，典型束参积的值约是快轴方向的10倍，这导致慢轴光束质量劣化的空间非常有限，快轴准直镜和慢轴准直镜的设置，能够提高最终光束质量。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，快轴准直透镜和慢轴准直透镜为现有市场上的准直透镜，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。作为可替换实施例，可以在快轴准直透镜和慢轴准直透镜上镀减反膜，由此减少光束反射，相对于单管半导体激光器的光束波长，镀膜后的透过率应在99％以上。

作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，如图2(a)所示，为光纤光栅正面的剖视图，光纤光栅4包括：由内到外依次设置的外包层41、内包层42以及纤芯43，纤芯43中刻蚀有周期排布的光栅44，用于对多个单管半导体激光器1进行波长锁定。同时，如图2(b)所示，为光纤光栅侧面的剖视图，可以看出，该光纤光栅为圆柱形结构。

本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置，对于纤芯中的光栅，可以根据光纤光栅需要反射的光束的波长进行设置，具体地，可以通过对设置的光栅的周期的调控，实现指定波长的反射。同时，还可以调节光栅的深度，从而调节光纤光栅的反射率(衍射效率)，可选地，可以调节光栅的深度，使得光纤光栅的衍射效率大于80％。此外，还可以调节光栅的厚度，调节光纤光栅反射波长的带宽。

作为本实用新型实施例一种可选的实施方式，可以在至少一个单管半导体激光器的前腔面设置增透膜。增透膜的反射率大于0小于0.1％。具体地，可以在所有单管半导体激光器前腔面设置增透膜。可选地，该增透膜可以采用溶胶凝胶法、化学气相沉积法或者溅射法进行制备。此外，为了进一步降低半导体激光器前腔面的反射率，可以增大光纤光栅纤芯的直径，使之大于40μm，例如可以制备纤芯直径为50μm的光纤光栅，从而实现更好的波长锁定效果。

在一实施例中，可以对本实用新型实施例提供的高功率半导体激光器波长锁定装置的输出光谱进行测试，如图3所示，可以对多个单管半导体激光器施加不同的电流，例如0.5A、5A、10A以及14A，从图3中可以看出，无论对激光器施加的电流是多少，该高功率半导体激光器波长锁定装置的输出光谱的光谱范围都在974nm和976nm之间，即该高功率半导体激光器波长锁定装置可以实现较好的窄波长输出。

本实用新型实施例还提高一种半导体激光器波长锁定方法，如图4所示，该半导体激光器波长锁定方法包括如下步骤：

步骤S101：将多个单管半导体激光器输出的激光进行整形后耦合至光纤光栅；具体地，可以在多个单管半导体激光器出光方向设置快轴准直镜和慢轴准直镜，每个单管半导体激光器发出的光在快轴方向上被快轴准直透镜准直，在快轴方向上被准直的光到达慢轴准直透镜，快轴方向上被准直的光被慢轴准直透镜在慢轴方向上准直，成为完全准直光；多个单管半导体激光器输出的激光经过快轴准直镜、慢轴准直镜以及阶梯反射镜后可以呈现一定规律排列，例如可以是多个平行光束，此时，耦合模块中可以是凸面镜，多个平行光束经过耦合模块后可以耦合进入位于透镜焦点处的光纤光栅，并进行光纤光栅的内包层中传输。

步骤S102：光纤光栅将输入光束中的预设波长的光束反馈至多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。具体地，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。

本实用新型实施例提供的半导体激光器波长锁定方法，将多个单管半导体激光器输出的激光整形后耦合进入光纤光栅中传输，光纤光栅可以将输入光束中的预设波长光束反馈至相应的单管半导体激光器中，可以对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出，并保证了输出波长的稳定性。本实用新型实施例提供的半导体激光器波长锁定方法，无需进行复杂的外腔调节，并且光纤光栅价格低廉，易于窄波长输出的高功率半导体激光器批量生产。

本实用新型实施例提供的半导体激光器波长锁定方法，可以用于高功率半导体光纤耦合模块中，降低了波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的制造难度与成本，有利于波长锁定半导体激光器光纤耦合模块的批量生产与大规模应用，可以用于对波长与带宽有着明确要求的应用场景当中。

虽然关于示例实施例及其优点已经详细说明，但是本领域技术人员可以在不脱离本实用新型的精神和所附权利要求限定的保护范围的情况下对这些实施例进行各种变化、替换和修改，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。对于其他例子，本领域的普通技术人员应当容易理解在保持本实用新型保护范围内的同时，工艺步骤的次序可以变化。

此外，本实用新型的应用范围不局限于说明书中描述的特定实施例的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法及步骤。从本实用新型的公开内容，作为本领域的普通技术人员将容易地理解，对于目前已存在或者以后即将开发出的工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤，其中它们执行与本实用新型描述的对应实施例大体相同的功能或者获得大体相同的结果，依照本实用新型可以对它们进行应用。因此，本实用新型所附权利要求旨在将这些工艺、机构、制造、物质组成、手段、方法或步骤包含在其保护范围内。

Claims (10)

1.一种高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，包括：

多个单管半导体激光器，用于产生预设波长的激光；

光束整形模块，用于将多个单管半导体激光器输出的激光进行整形；

耦合模块，用于将整形后的光束耦合进光纤；

光纤光栅，用于接收耦合的光束，对多个单管半导体激光器进行波长锁定，实现多个单管半导体激光器窄波长输出。

2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述光束整形模块包括：

准直镜，用于将多个单管半导体激光器输出的激光分别进行准直，得到多个准直光束。

3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述光束整形模块还包括：

阶梯反射镜，用于将准直后的光束进行反射得到多个按照预设规律排列的激光光束。

4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述耦合模块包括：球面镜、非球面镜、双胶合透镜、正交柱面镜对中的任意一种。

5.根据权利要求2所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述准直镜包括：快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜用于调整多个单管半导体激光器输出的激光在快轴方向的发散角，输出调整光束；所述慢轴准直镜用于调整所述调整光束在慢轴方向的发散角，得到多个准直光束。

6.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述光纤光栅包括：由内到外依次设置的外包层、内包层以及纤芯，所述纤芯中刻蚀有周期排布的光栅，用于对多个单管半导体激光器进行波长锁定。

7.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，至少一个单管半导体激光器的前腔面设置增透膜。

8.根据权利要求7所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述增透膜的反射率大于0小于0.1％。

9.根据权利要求6所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述纤芯的直径大于40μm。

10.根据权利要求1所述的高功率半导体激光器波长锁定装置，其特征在于，所述光纤光栅的衍射效率大于80％。

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