[发明专利]一种提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的装置及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的装置及其方法。

背景技术

高功率激光器二极管列阵（LD bars）以其优越的性能逐渐取代了闪光灯成为固体激光的主要泵浦源，但是也由于横向多模振荡所造成的光束质量较差，同时输出光束谱线较宽，使其应用受到很大的限制。利用外腔进行反馈是改善高功率激光器二极管列阵输出光束质量的一种有效手段，理论上可以获得近衍射极限输出的光束。

利用外腔对高功率激光器二极管列阵进行反馈，根据应用需求的不同主要可以分为两种技术形式，一种是以改善输出光束的光束质量为目的，通过锁定各个发光单元的相位，获得同相的模式输出，这种比较多的使用泰伯腔（Talbot cavity）的形式，反馈元件一般使用平面镜；第二种是以改善输出光谱特性为目的，反馈元件一般使用体全息布拉格光栅，不仅可以获得窄线宽的光谱输出，还可以使输出谱线的稳定性提高，极大地方便了后续的应用。上述的第二种方式技术上已经比较成熟，但是第一种方式目前还存在一些问题，目前报道的结果虽然可以较好的光束质量输出，但是输出功率都比较小，主要问题是随着输出功率的增加，各个发光单元之间的相位锁定变得更加困难，最终导致相位完全失锁，输出光束质量恶化。

综合了上述两种反馈技术的优点，提出一种提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的装置，不仅可以获得良好的光束质量输出，而且具有较大的相位锁定工作范围，适合在高功率条件下使用。装置中采用体全息布拉格光栅作为泰伯腔的反射镜，通过增强各个发光单元的相干性，使得更为容易地获得同相的模式输出，同时由于体全息布拉格光栅具有良好的光谱选择性和角度选择性，在高功率输出的情况下仍然可以保持相位锁定输出，从而实现在高功率输出情况下光束质量的改善。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的装置及其方法。

提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的装置是，在同一光轴上依次垂直放置激光二极管列阵、快轴准直透镜和体全息布拉格光栅；快轴准直透镜与激光二极管列阵前端面之间的距离L₁=f，f为快轴准直透镜的焦距，体全息布拉格光栅与激光二极管列阵前端面之间的距离                                               ，体全息布拉格光栅的光栅波矢与光轴之间的夹角α = λ /(2d)，λ为输出激光波长，d为激光二极管列阵发光单元周期，激光器二极管列阵前端面镀有反射率小于0.5%的反射膜，激光器二极管列阵后端面镀有反射率大于99.5%的反射膜。

所述的反射膜的材料为氧化锆或氧化硅。所述的激光器二极管列阵的输出功率为5W～300W，发光单元数为9个～99个，发光单元周期为10μm～500μm。所述的快轴准直透镜为平凸柱面透镜，两端面镀有反射率小于0.5%的减反射膜，快轴准直透镜的焦距为0.05mm～5mm。所述的体全息布拉格光栅为反射式体全息布拉格光栅，反射率为5%～80%，反射的光谱带宽为0.01nm～2nm，光栅厚度0.2mm～5mm。

提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的方法包括以下步骤：

（1）在光轴上垂直放置激光二极管列阵、快轴准直透镜、体全息布拉格光栅；

（2）调整快轴准直透镜与激光二极管列阵前端面之间的距离L₁，同时观测输出激光在快轴方向的发散角，当发散角小于0.2度时，快轴准直透镜与激光二极管列阵前端面之间的距离L₁=f，f为快轴准直透镜的焦距；

（3）旋转体全息布拉格光栅，同时观测输出激光在慢轴方向的发散角，当发散角小于1度时，体全息布拉格光栅的光栅波矢与光轴之间的夹角α = λ /(2d)，λ为输出激光波长，d为激光二极管列阵发光单元周期；

（4）调整体全息布拉格光栅与激光二极管列阵前端面之间的距离L₂，同时观测输出激光的光束质量，当光束质量因子M²小于10时，体全息布拉格光栅与激光二极管列阵前端面之间的距离，达到提高大功率激光二极管列阵输出光束质量的目的。

本发明使得激光二极管列阵输出光束质量大幅提高，输出波长稳定，相干性好，同时具有较大的相位锁定工作范围，获得高功率输出。