[发明专利]基于星形反射的蓝光半导体激光器波长合束装置及方法

说明书

本发明公开了基于星形反射的蓝光半导体激光器波长合束装置及方法，属于半导体激光器波长合束技术领域。包括多个半导体激光发射单元、半透半反棱镜、内柱面反射镜、慢轴准直透镜和输出耦合透镜，半导体激光发射单元用于发出多条光束；慢轴准直透镜用于使每束输出光束以同一角度出射至合束通道；半透半反棱镜用于反射上方传来的光束并透射下方光束以使两束光束在合束通道内传播方向一致从而形成合束光束；内柱面反射镜用于改变合束光束方向，使其与下一光束进行波长合束；输出耦合透镜用于输出最终合束光束。本发明在保证输出光束拥有较好光束质量的前提下，允许更多数目的半导体激光发射单元所发出的光束参与波长合束，并明提高了波长合束的效率。

技术领域

本发明属于半导体激光器波长合束技术领域，更具体地，涉及基于星形反射的蓝光半导体激光器波长合束装置及方法。

背景技术

半导体激光器按波长分为中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等多种类别，其中蓝光半导体激光器是输出波长在400nm～500nm范围内的半导体激光器。蓝光半导体激光器与蓝色LED灯一样，一般采用GaN类半导体材料。在GaN底板上层叠GaN类半导体的结晶层，可直接获得蓝光激光。使用光导波型元件将红外半导体激光器输出光转换成1/2波长的光。例如：使用850nm的红外半导体激光器，可获得425nm左右的蓝紫色激光。

近年来，随着各种半导体泵浦激光器的迅速发展，半导体激光器制造技术以其低价格、高功率、长寿命等特点得到了迅速发展。此外，蓝光半导体激光器稳定性高、电光效率高、光谱宽度比全固态蓝光激光器大，减少了散斑。因此，用于大屏幕激光显示的高功率光纤耦合蓝光半导体激光器被研究。相对于利用非线性频率转换技术进行倍频获得蓝光，直接发射蓝光的激光二极管具有结构简单、稳定性高、价格相对较低的优点。近年来，蓝光激光二极管技术越来越成熟，其功率及光束质量的提高也大大推动了高功率蓝光激光器的发展。

半导体激光器的快、慢轴方向光束特性不同，这导致半导体激光器在工业中的应用受到约束。而激光合束技术可用来改善光束质量、提高输出功率从而增大功率密度。该技术利用光学元件对输入光束进行反射及折射等光学变换将各个发光单元输出光束完成合束，提高输出功率密度。首先通过光束整形缩小快慢轴方向的光束质量差距，接着通过偏振合束、波长合束等非相干合束方式在保持光束质量不变的前提下提高合束光功率，所以可用激光合束技术得到近单个发光单元光束质量水平的高输出光功率光束。

现有半导体激光器采用多种合束方法，其中包括非相干合束和相干合束。相干合束利用波长相同、偏振方向一致、相位不同的各路激光阵列输出光束，使光束在远场相干叠加从而完成合束，因此要求精确的相位控制。非相干合束是通过单独控制激光阵列使其在目标处进行简单的光强叠加。对比相干合束，非相干合束不要求各个激光阵列偏振方向一致、相位恒定和窄线宽，系统更加简单且具有高稳定性。

就非相干合束技术来说，它可以分为空间合束、偏振合束、波长合束(也称光谱合束)等。空间合束使在不改变光束质量的前提下，通过缩小各个光束之间的间隔来提高激光输出功率和激光亮度；偏振合束使基于偏振元件将两束偏振态互相垂直的输出光耦合成一束，从而在光束质量不变的前提下使激光功率加倍，提高激光密度；波长合束又称光谱合束，它利用波长合束器件将多束具有不同波长的光源合为一束，并在保持光束质量不变的前提下大大提高输出光束功率。

2011年，Denmark大学和Fraunhofer Institute利用反射式VBG对两个1060nm、12W锥形半导体激光器进行光谱合束。利用VBG的波长选择特性将两个锥形半导体激光器分别锁定1062.65nm和1063nm，合束后输出的光谱间隔约为5nm。在最大注入电流下，得到了16W的高光束质量的激光束输出，快慢轴光束质量M²分别为1.8(快轴)和33(慢轴)，电-光效率为25％。

2013年，佛罗里达大学同研究组Daniel Ott等人设计的新型复用体布拉格光栅实现5路光束光谱组合并用实验证明增加光栅复用数目并不会导致光束质量的下降。