[发明专利]增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置，属于半导体激光技术领域，特别涉及一种提高光束质量的增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法及装置。

背景技术

半导体激光器具有转换效率高、使用寿命长、易于调制、体积小和重量轻等优点，小功率器件早已广泛应用在光通信和光存储等信息领域。大功率器件受光束质量限制，在工业和国防等领域主要作为泵浦源使用，作为直接光源，仅能应用在对功率密度要求不高的场合。提高大功率半导体激光器的光束质量是近年来激光技术研究的方向之一。

大功率半导体激光器的光束质量主要受限于慢轴方向（平行于外延层方向称为慢轴，垂直于外延层方向称为快轴），对于单个发光点该方向的光束质量是快轴方向的数十倍，对于标准的厘米条该方向的光束质量是快轴方向的上千倍，致使它在诸多方面的应用受到限制。同时单个半导体激光发光单元的输出功率低，一般为几瓦至几十瓦，为了实现上千瓦功率输出，需要采用多个半导体激光单元进行合束。对于常规的激光合束方式，主要通过空间合束、偏振合束和波长合束实现。偏振合束和波长合束可以在提高输出功率的同时，不降低激光的光束质量，是实现高光束质量半导体激光输出的有效手段，但由于该合束方式受到激光本身性能和镀膜技术的限制，造成提高功率的倍数有限，一般不超过10倍，其输出功率不能满足要求。因此空间合束就成为了目前实现高功率半导体激光输出的主要方式，该方法实现原理简单，它采用多个半导体激光单元一维或二维空间叠加，直接或间接地使多个激光单元沿同一方向输出，并且要求各个单元光束尽可能地空间靠拢。空间合束的方法可以实现几千瓦甚至上万的功率输出，如德国Dilas公司采用2200个激光条组成的二维空间阵列可实现脉冲功率高达264KW的激光脉冲输出，但该方法在增加功率的同时，光斑尺寸也在不断增加，造成激光光束质量降低，不能实现高功率高光束质量的激光束输出。

光谱合束技术是实现高功率高光束质量半导体激光输出的有效方法。它利用半导体激光材料的增益谱宽大的特点，通过光栅和外腔反馈的控制，使同一个芯片上的半导体激光单元可以输出不同波长的激光，然后通过光栅的色散作用，可以将这些波长的激光束空间重叠成一束光输出，输出光束的光束质量与单个激光束的光束质量相等，于是在实现高功率输出的条件下实现高光束质量激光输出。采用该方法，美国Teradiode公司已实现输出功率高达450W，光束质量仅为6mm.mrad、芯径100um/NA0.12光纤输出的半导体激光产品。

在光谱合束中，为了实现有效反馈，半导体激光单元的位置要求非常严格，如对于激光列阵的“smile”应低于快轴方向发光区宽度的1/2，否则不能形成有效反馈，激光单元将不能形成激射，这就对半导体激光器的封装提出了新的要求。目前商用半导体激光器单元的封装一般采用软焊料如In将激光芯片直接焊在高热导率的无氧铜热沉上，或者采用采用硬焊料如AuSn先将芯片焊在热膨胀系数与芯片相当的子模块上，然后再将子模块焊在无氧铜热沉上，无论哪一种方式，封装后的激光芯片均存在应力，造成芯片弯曲，形成所谓的smile效应。商用的半导体激光器的smile效应一般不低于1um，因此造成目前商用的半导体激光器不能适用于光谱合束中。

发明内容

为了降低激光单元位错对外腔反馈光谱合束半导体激光器的影响，本发明提出了一种在非光谱合束方向增加成像镜的方法，降低半导体激光单元的位置要求，有效提高激光腔内的反馈。

一种增强外腔反馈光谱合束半导体激光器反馈的方法，其实现原理在于，在外腔反馈半导体激光器的非光谱合束方向，半导体激光器输出的激光束，经过焦距为f₁的准直镜一准直后，再通过焦距为f₂的成像镜作用，直接将半导体激光器上的发光点成像到外腔反馈镜上，其入射方向正好与外腔反馈镜垂直，经过外腔反馈镜部分反射后，反射光可沿光路返回到原发光点，形成有效谐振，部分透射输出形成激光输出。

在非光谱合束方向，所述的半导体激光器位于准直镜一左侧f₁处，成像镜位于准直镜右侧f₁+f₂处，反馈镜位于成像镜右侧f₂处。