[发明专利]基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置

说明书

本发明公开了一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置，包括半导体激光光源、变换透镜和第一光栅；半导体激光光源包括有片上调控的半导体激光阵列和准直透镜；半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜上，将阵列上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到光栅上发生衍射，实现共孔径合束输出；或使变换透镜和第一光栅替换为第二光栅和第三光栅，将激光束入射到第二光栅上发生衍射，衍射后的光束再射入第三光栅上发生衍射并实现共孔径合束输出。本发明可直接在片上发光单元所出射的激光的中心波长以一定的光谱间隔进行锁定，实现了光谱锁定调控部分与光谱合成光路的解耦合，缩减了系统尺寸，增加了系统的可靠性及工程可行性。

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，尤其是一种基于片上调控半导体激光芯片的光谱合束装置。

背景技术

在现有技术中，公知的技术是，半导体激光器具有波长覆盖范围广、电光转化效率高、体积小、成本低、寿命长等优点，在军事国防、工业加工、卫生医疗、科学研究等多个领域具有广泛的应用前景。但目前商用半导体激光器单元输出功率低、光束质量差等缺点限制了它的直接应用。基于外腔反馈的光谱合成技术在实现半导体激光输出功率放大的同时可保证高光束质量，理论上合成后的光束质量与参与合成的单个发光单元相当，名为《基于外腔反馈的宽带半导体激光光谱合成研究》(Spectral beam combining of a broad-stripediode laser array in an external cavity，Daneu V.，Sanchez A.，Fan T.Y.etal.Optics Letters，2000，25(6)，405-407.)的文章对其基本原理进行了详细说明，该技术近年来引起了国内外研究机构的广泛关注。

光谱合成技术直接利用半导体激光器组成高效率、紧凑的激光系统而不通过中间泵浦的转换过程，可以使合成激光的光束质量与参与合成的子发光单元相当，弥补了半导体激光器光束质量较差的缺点，大大提高了半导体激光器的发光亮度。目前，现有的半导体激光光谱合成激光系统通常采用外腔闭环合束方法，这种方法实现相对较为容易，但系统所有元件间呈强耦合关系，可靠性较低，这是现有技术所存在的不足之处。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供一种基于片上光谱调控半导体激光芯片的开环光谱合成装置。该方案采用具有片上光谱调控结构的半导体激光芯片作为光谱合成激光光源，无需任何外部光学结构即可实现各半导体激光光源的中心波长锁定与光谱宽度压窄，再使用光栅进行光谱合成，实现了各元件间的解耦合，利于合成通道路数的拓展，并可有效提升系统的可靠性。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于片上光谱调控半导体激光芯片的光谱合束装置，其包括半导体激光光源和合束机构，半导体激光光源包括具备片上光谱调控的半导体激光阵列和准直透镜，半导体激光阵列由若干阵列式排布的发光单元构成，片上调控为对不同发光单元的中心波长和光谱宽度上的片上调控；

上述发光单元(构成半导体激光阵列的单元)包括依次排布的电热可调谐光栅、种子源、模式控制区和放大区；种子源和模式控制区之间，设置有分布式布拉格反射镜；上述模式控制区通过宽度和长度的调整，实现对种子源激光的模式过滤，使进入放大区的激光的模式是一个单横模；

合束机构的结构为：

合束机构包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的变换透镜和第一光栅；半导体激光光源输出的激光束入射到变换透镜上，将阵列发光单元上各激光束的空间位偏移变换为角度偏差并入射到第一光栅上发生衍射，实现共孔径合束输出；

或者，合束机构为双光栅结构：合束装置包括沿半导体激光光源光路方向依次设置的第二光栅和第三光栅，半导体激光光源输出的激光束入射到第一光栅上发生衍射，衍射后的光束再射入第二光栅上发生衍射并实现共孔径合束输出。