一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光源的製作方法

2023-05-28 04:46:26

專利名稱：一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光源的製作方法
技術領域：
本發明屬於大功率半導體雷射器領域，涉及一種外腔大功率半 導體雷射器迭陣光源。
背景技術：
大功率半導體雷射器列陣由於結構緊湊，效率高，壽命長，在許 多領域得到廣泛應用，如材料加工，雷射打標，雷射醫療，泵浦固體
雷射器，自旋交換光泵浦(SEOP)等領域。但是由於半導體雷射器 大的發散角及寬的光譜帶寬，使其應用受到很大限制。
通過外腔反饋可以改善半導體雷射器的輸出光束質量。通常設計 的外腔半導體雷射器大都針對小功率單管半導體雷射器[Opt. Lett. 27,1995(2002)]。
對於半導體雷射器列陣大功率、高亮度、窄線寬的雷射輸出只有 雷射二極體陣列雙反饋外腔雷射器(CN 1829015A)方案。此方案中 使用平凹透鏡，由於平凹透鏡的發散作用，不能將會聚光束a,c平行 耦合到光柵上；另外此方案中雙凸球面透鏡將雷射二極體陣列向下傳 播的光束b, d同時會聚到球面反射鏡的焦點上，對半導體雷射器迭 陣，為使半導體雷射器迭陣每層的雷射束經雙凸球面透鏡都會聚到球 面反射鏡的焦點上，如圖6所示(CN 1829015A)方案，需要雙凸球 面透鏡的口徑大於半導體雷射器迭陣的尺寸，與半導體雷射器迭陣組
裝不方便，不易產業化。

發明內容
本發明要解決的問題在於克服上述現有技術的不足，利用平凸柱
面鏡4代替雙凸球面透鏡，利用圓柱反射鏡5代替球面反射鏡，圖7 為本發明後的光線傳輸路徑與(CN 1829015A)方案的對比。這樣本 發明的半導體雷射器迭陣與光學元件較易組裝。另外，調節可調矩形 狹縫寬度對雷射輸出亮度可進行調節，旋轉半波片對輸出功率可進行 調節。
如圖l所示 一種外腔反饋半導體雷射器迭陣的構成如下半導
體雷射器迭陣l、快軸準直鏡3和光柵9，所述的快軸準直鏡3是微 柱透鏡或非球面鏡，所述的光柵9為Littrow結構，其特徵在於，所 述的半導體雷射器迭陣1是由多個相同的半導體雷射器線陣2層疊而 成，每個半導體雷射器線陣2的快軸方向都設有快軸準直鏡3，快軸 準直鏡3後有一平凸柱面鏡4，平凸柱面鏡4軸線方向(圖l中為y 方向)與半導體雷射器迭陣1的慢軸方向(圖l中為x方向)垂直； 在平凸柱面鏡4之後的上方是圓柱反射鏡5，其下方依次是矩形狹縫 6，半波片7，平凸柱面鏡8和光柵9;所述的平凸柱面鏡4將向上傳 播的一路光a,b會聚於圓柱反射鏡5的軸線處，平凸柱面鏡4和平凸 柱面鏡8平行共焦點放置，矩形狹縫6放置在其焦點處，半波片7放 置於其焦點與平凸柱面鏡8之間，調節矩形狹縫6寬度實現橫模選擇， 進行亮度調節，旋轉半波片7可調節反饋光和輸出光的功率，光束 c, d經過平凸柱面鏡8後平行地入射到光柵9上，其中光柵9的一階
衍射光沿原路返回提供反饋，零階衍射光e， f作為雷射輸出，光柵9 反饋實現縱模選擇，壓窄線寬；
如圖3所示，所述的平凸柱面鏡4和圓柱反射鏡5構成向上的反
饋腔10;
如圖4所示，所述的平凸柱面鏡4，矩形狹縫6，半波片7，平 凸柱面鏡8和光柵9構成向下的反饋腔11;其中平凸柱面鏡4和平 凸柱面鏡8形成了一個慢軸準直光學系統，對向下傳播的一路光e, f 進行準直，準直後平行入射到光柵9上；
如圖5所示，所述的半導體雷射器迭陣1後端面、圓柱反射鏡5、 光柵9形成一諧振腔12，諧振過程雷射傳播路徑為半導體雷射器 迭陣1後端面—圓柱反射鏡5 —半導體雷射器迭陣1後端面—光柵
9 —半導體雷射器迭陣1後端面；
所述的平凸柱面鏡4和平凸柱面鏡8是矩形平凸柱面鏡，兩平凸 柱面鏡凸面相對；
所述的可調狹縫6是一個矩形狹縫，狹縫長度固定，與雷射器高 度(圖中為y方向的長度)相等，狹縫寬度(圖中為x方向的長度) 可調，用來選擇半導體雷射器迭陣1的橫模；
所述的光柵9為銅襯底全息光柵，雷射功率很大時可在襯底後附 加水冷或風冷裝置，以防光柵碎裂；
所述的快軸準直鏡3、平凸柱面鏡4、半波片7和平凸柱面鏡8 鍍有工作波長的增透膜，而圓柱反射鏡5和光柵9鍍有工作波長的增 反膜。
本發明的工作過程
半導體雷射器迭陣1中每個半導體雷射器線陣2發出的光經過各
自的快軸準直鏡3珠行快軸準直。快軸準直後的光a, b, c, d在快軸方 向(圖1中為y方向)近似為平行光。經快軸準直後的光a,b,c,d分 兩路傳播，向上傳播的一路光a,b形成了上遠場瓣，向下傳播的一路 光c, d形成下遠場瓣，所述的平凸柱面鏡4將向上傳播的一路光a, b 會聚到圓柱反射鏡5的軸線處，被圓柱面反射沿原路返回，並注入半 導體雷射器迭陣1被放大；所述的平凸柱面鏡4和平凸柱面鏡8形成 了一個慢軸準直光學系統，對向下傳播的一路光c,d進行準直，光被 準直後入射到光柵9上，光柵9的一階衍射光沿原路返回提供反饋， 光柵9的零級衍射光e, f作為雷射輸出。這樣半導體雷射器迭陣1 ， 圓柱反射鏡5和光柵9形成一諧振腔12。其諧振過程的雷射傳播的 路徑為半導體雷射器迭陣1後端面—圓柱反射鏡5 —半導體雷射器 迭陣1後端面—光柵9 —半導體雷射器迭陣1後端面。
調節矩形狹縫6的寬度可選擇特定的雷射橫模進行反饋，從而進 行亮度調節，因為光柵9對不同方向的偏振光的衍射效率不同，所以 旋轉半波片7可調節半導體雷射器迭陣1輸出光的偏振方向，從而對 反饋光功率和輸出光功率進行調節。
本發明的有益效果
發明中由於快軸準直鏡2僅對快軸進行準直，而平凸柱面鏡4和 平凸柱面鏡8僅對慢軸進行準直，快慢軸準直互不影響，對於不同層 數的半導體雷射器迭陣1隻需相應改變平凸柱面鏡4 、平凸柱面鏡8
以及圓柱反射鏡5的軸線方向(圖l中為y方向)長度，使用方便， 而且可使平凸柱面鏡4尺寸與半導體雷射器迭陣1都是矩形，便於封
裝。另外，通過調節矩形狹縫寬度可對雷射亮度進行調節，通過旋轉 半波片可對輸出雷射功率進行調節。


圖1為三層半導體雷射器迭陣外腔結構示意圖。1半導體雷射器
迭陣，2半導體雷射器線陣，3快軸準直鏡，4平凸柱面鏡，5圓柱反 射鏡，6矩形狹縫，7半波片，8平凸柱面鏡，9光柵。 此圖也是說明書摘要的附圖
圖2為五層半導體雷射器迭陣外腔結構示意圖。1半導體雷射器 迭陣，2半導體雷射器線陣，3快軸準直鏡，4平凸柱面鏡，5圓柱反 射鏡，6矩形狹縫，'7半波片，8平凸柱面鏡，9光柵。
圖3為平凸柱面鏡4和圓柱反射鏡5構成向上的反饋腔10的結 構示意圖。
圖4為平凸柱面鏡4，矩形狹縫6，半波片7，平凸柱面鏡8和 光柵9構成向下的反饋腔11的結構示意圖。
圖5為半導體雷射器迭陣1後端面、圓柱反射鏡5、光柵9形成 一諧振腔12的結構示意圖。
圖6為(CN 1829015A)方案的雙凸球面透鏡與半導體雷射器陣 列尺寸的對比示意圖。
圖7為本發明的光線傳輸路徑與(CN 1829015A)方案的對比。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。 實施例1
參照附圖1，半導體雷射器迭陣1由3個半導體雷射器線陣2層 疊而成，層間距為5mm， y方向長為1.2cm， x方向長為1.2cm，發 射波長為808nm，每個半導體雷射器線陣2的快軸方向(圖1中為y 方向)都設有各自的快軸準直鏡3，對快軸進行準直。快軸準直鏡3 為微柱透鏡，快軸準直後的雷射a, b, c, d在快軸方向近似為平行光， 慢軸方向(圖1中為x方向)分為兩路。向上傳播的一路光a,b形成 了上遠場瓣；向下傳播的一路光c,d形成下遠場瓣。上光路a,b和下 光路c,d在入射到快軸準直鏡之前與光軸(圖1中為z方向)的夾角 為^ = ±^
此時的發射角為最優發射角，沿此方向反饋可得最佳效果，其中 D為每個發光單元的全孔徑，m為模階數，m = 7V±l， N為半導體激 光器線陣2中發光單元的個數(半導體雷射器線陣包含許多發光單 元，發光單元在快軸方向一般為lum,在慢軸方向一般為 50um 200um，發光單元間距一般為200um 500um)。
快軸準直鏡3後為平凸柱面鏡4，其軸線方向(圖1中為y方向) 與半導體雷射器線陣2的慢軸方向(圖1中為x方向)垂直，在所述 的平凸柱面鏡4之後的上方是圓柱反射鏡5，構成向上傳播光a, b的 反饋腔，平凸柱面鏡4將向上傳播的平行光a, b會聚於圓柱反射鏡5 的軸線處，被圓柱面反射沿原路返回，並注入半導體雷射器迭陣1被 放大。平凸柱面鏡4之後的下方依次是矩形狹縫6，半波片7，平凸
柱面鏡8和光柵9，構成向下傳播的光C,d的反饋腔，所述的平凸柱
面鏡4和平凸柱面鏡8形成了一個慢軸準直光學系統，對向下傳播的 一路光c， d進行準直，準直後平行入射到光柵9上，光柵9為2400 線/mm銅襯底全息光柵，使用Littrow結構，光柵9的一階衍射光沿 原路返回提供反饋，光柵9的零級衍射光e, f作為雷射輸出，光柵9 反饋實現縱模選擇，壓窄線寬。調整圓柱反射鏡5和光柵9，使圓柱 反射鏡5單獨反饋得到的遠場單瓣與光柵9雙反饋得到的單瓣輸出相 重合，這樣半導體雷射器迭陣l後端面，圓柱反射鏡5和光柵9形成 一共振諧振腔。其諧振過程的雷射傳播的路徑為半導體雷射器迭陣 1後端面—圓柱反射鏡5 —半導體雷射器迭陣1後端面—光柵9 —半 導體雷射器迭陣1後端面。調節狹縫6的寬度可選擇特定的橫模進行 反饋，從而進行亮度調節。旋轉半波片7調節半導體雷射器迭陣1輸 出光的偏振方向可調節反饋光及輸出光的功率。
平凸柱面鏡4的y方向長度為1.2cm， x方向長度為1.2cm，便 於與半導體雷射器迭陣l封裝，平凸柱面鏡8和圓柱反射鏡5軸線方 向(圖1中y方向)的長度以及矩形狹縫6的長度(圖1中y方向長 度)為1.2cm，便於整體封裝。另外，快軸準直鏡3、平凸柱面鏡4、 半波片7和平凸柱面鏡8鍍有波長808nm的增透膜，而圓柱反射鏡5、 光柵9鍍有波長808nm的增反膜。
實施例2
參照附圖2，半導體雷射器迭陣1由5個半導體雷射器線陣2層 疊而成，層間距為4mm， y方向長為2.0cm， x方向長為1.2cm，發
射波長為兆0nm，半導體雷射器線陣2的快軸方向(圖2中為y方向) 都設有各自的快軸準直鏡3，對快軸進行準直。快軸準直鏡3為非球 面透鏡，快軸準直後的雷射a, b, c, d在快軸方向近似為平行光，慢軸 方向(圖2中為x方向)分為兩路。向上傳播的一路光a，b形成了上 遠場瓣；向下傳播的一路光c,d形成下遠場瓣。上光路a,b和下光路 c, d在入射到快軸準直鏡之前與光軸(圖2中為z方向)的夾角為
此時的發射角為最優發射角，沿此方向反饋可得最佳效果，其中 D為每個發光單元的全孔徑，m為模階數，m = 7V±l， N為半導體激 光器線陣2中發光單元的個數(半導體雷射器線陣包含許多發光單 元，發光單元在快軸方向一般為lum,在慢軸方向一般為 50um 200um，發光單元間距一般為200um 500um)。
快軸準直鏡3後為平凸柱面鏡4，其軸線方向(圖2中為y方向) 與半導體雷射器線陣2的慢軸方向(圖2中為x方向)垂直，在所述 的平凸柱面鏡4之後的上方是柱面反射鏡5，構成向上傳播光a, b的 反饋腔，平凸柱面鏡4將向上傳播的平行光會聚於圓柱反射鏡5的軸 線處，被圓柱面反射沿原路返回，並注入半導體雷射器迭陣1被放大。 平凸柱面鏡4之後的下方是矩形狹縫6，半波片7，平凸柱面鏡8和 光柵9，構成向下傳播的光c,d的反饋腔，所述的平凸柱面鏡4和平 凸柱面鏡8形成了一個慢軸準直光學系統，對向下傳播的一路光c, d 進行準直，光被準直後入射到光柵9上，光柵9為1800線/mm銅襯 底全息光柵，使用Littrow結構，光柵9的一階衍射光沿原路返回提 供反饋，光柵9的零級衍射光e,f作為雷射輸出，光柵9反饋實現縱 模選擇，壓窄線寬。調整圓柱反射鏡5和光柵9，使圓柱反射鏡5單 獨反饋得到的遠場單瓣與光柵9雙反饋得到的單瓣輸出相重合。這樣 半導體雷射器迭陣1，圓柱反射鏡5和光柵9形成一共振諧振腔。其
諧振過程的雷射傳播的路徑為半導體雷射器迭陣1後端面—圓柱反
射鏡5 —半導體雷射器迭陣1後端面—光柵9 —半導體雷射器迭陣1 後端面。調節狹縫6的寬度可選擇一定的橫模進行反饋，從而進行亮 度調節；旋轉半波片7調節半導體雷射器迭陣1輸出光的偏振方向可 調節反饋光及輸出光的功率。
平凸柱面鏡4的y方向長度為2.0cm， x方向長度為1.2cm，便 於與半導體雷射器迭陣1封裝，平凸柱面鏡8和圓柱反射鏡5軸線方 向(圖2中y方向)的長度以及矩形狹縫6的長度(圖2中y方向長 度)為2.0cm，便於整體封裝。另外，快軸準直鏡3、平凸柱面鏡4、 半波片7和平凸柱面鏡8鍍有波長808nm的增透膜，而圓柱反射鏡5、 光柵9鍍有波長808nm的增反膜。
由實例1與實例2可知，對於不同高度(y方向不同層數，不 同間距)的半導體雷射器迭陣，所用的外腔系統中只需相應的改變平 凸柱面鏡4，圓柱反射鏡5和矩形狹縫6的y方向的長度即可，其它
參數不用改變，使用比較簡單。
權利要求
1.一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光源，其構成如下半導體雷射器迭陣(1)、快軸準直鏡(3)和光柵(9)，所述的快軸準直鏡(3)是微柱透鏡或非球面鏡，所述的光柵(9)為Littrow結構，其特徵在於，所述的半導體雷射器迭陣(1)是由多個相同的半導體雷射器線陣(2)層疊而成，每個半導體雷射器線陣(2)的快軸方向都設有快軸準直鏡(3)；快軸準直鏡(3)後有一平凸柱面鏡(4)，平凸柱面鏡(4)軸線方向與半導體雷射器線陣(2)慢軸方向垂直，在平凸柱面鏡(4)之後的上方是圓柱反射鏡(5)，其下方依次是矩形狹縫(6)，半波片(7)，平凸柱面鏡(8)和光柵(9)；所述的平凸柱面鏡(4)將向上傳播的一路光a，b會聚於圓柱反射鏡(5)的軸線處，平凸柱面鏡(4)和平凸柱面鏡(8)平行共焦點放置，兩平凸柱面鏡凸面相對，矩形狹縫(6)放置在其焦點處，半波片(7)放置於其焦點與平凸柱面鏡(8)之間，光束c，d經過平凸柱面鏡(8)後平行地入射到光柵(9)上，其中光柵(9)的一階衍射光沿原路返回提供反饋，零階衍射光e，f作為雷射輸出，光柵(9)反饋實現縱模選擇，壓窄線寬；所述的平凸柱面鏡(4)和圓柱反射鏡(5)構成向上的反饋腔(10)；所述的平凸柱面鏡(4)，矩形狹縫(6)，半波片(7)，平凸柱面鏡(8)和光柵(9)構成向下的反饋腔(11)；其中平凸柱面鏡(4)和平凸柱面鏡(8)形成了一個慢軸準直光學系統，對向下傳播的一路光e，f進行準直，準直後平行入射到光柵(9)上；所述的半導體雷射器迭陣(1)後端面、圓柱反射鏡(5)、光柵(9)形成一諧振腔(12)。
2. 根據權利要求1所述的一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光 源，其特徵是所述的光柵(9)為銅襯底全息光柵。
3. 根據權利要求1所述的一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光 源，其特徵是所述的平凸柱面鏡(4)和平凸柱面鏡(8)是矩形平凸 柱面鏡，兩平凸柱面鏡凸面相對。
4. 根據權利要求1所述的一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光 源，其特徵是所述的可調狹縫(6)是一個矩形狹縫，狹縫長度固定， 與半導體雷射器迭陣(1)高度相等，狹縫寬度可調，用來選擇半導 體雷射器迭陣(1)的橫模。
5. 根據權利要求1所述的一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光 源，其特徵是所述的快軸準直鏡(3)、平凸柱面鏡(4)、半波片(7) 和平凸柱面鏡(8)鍍有工作波長的增透膜。
6. 根據權利要求1所述的一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光 源，其特徵是所述的圓柱反射鏡(5)和光柵(9)鍍有工作波長的增 反膜。
全文摘要
一種外腔大功率半導體雷射器迭陣光源，利用快軸準直鏡對快軸進行準直，利用兩個平凸柱面鏡對慢軸進行準直，快軸準直後的光在慢軸分為兩路傳播，分別利用圓柱反射鏡和光柵對兩路光進行反饋，實現半導體雷射器迭陣光亮度、窄線寬的雷射輸出。矩形平凸柱面鏡和圓柱反射鏡與半導體雷射器迭陣較易組裝。另外，通過調節矩形狹縫寬度可對雷射輸出亮度進行調節，通過旋轉半波片可對輸出雷射功率進行調節。
文檔編號H01S5/00GK101170242SQ20071005598
公開日2008年4月30日 申請日期2007年8月21日 優先權日2007年8月21日
發明者王峙皓, 鄧鑫李 申請人:長春德信光電技術有限公司