[发明专利]利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光技术领域，尤其涉及一种采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器单元合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法。

背景技术

半导体激光器具有转换效率高、使用寿命长、体积小和重量轻等优点，作为直接光源，小功率器件早已在通信、印刷、条形码扫描和光存储等信息领域实现广泛应用，大功率器件受光束质量和亮度条件的限制，以及到达目标处的功率密度低，目前仅应用在一些低要求场合，如塑料焊接、激光钎焊等。对于如金属焊接、激光切割等要求较高的领域，半导体激光器的应用尚有一定难度，改善半导体激光器的光束质量，提高输出激光束的亮度，对大功率半导体激光器的发展和应用具有重要意义。

半导体激光器的光束质量采用光参量积（BPP）来评价，定义为光束束腰半径w₀与远场发散半角θ/2的乘积，光参量积越小，光束质量越好。

BPP= w_0*θ/2

由于半导体激光器的结构原因，平行于外延层方向的快轴方向光参量积（BPP_f）小，接近衍射极限，光束质量非常好，垂直于外延层方向的慢轴方向光参量积为快轴方向（BPP_s）的上千倍，光束质量差，不利于半导体激光器的实际应用。

半导体激光器的亮度（B）采用单位面积单位立体角内的输出功率进行评价：

B=P/(π²*BPP_f*BPP_s)

常规的几何光学方法，通过光束切割、重排的方式，将慢轴方向的BPP值减小，快轴方向的BPP值增加，实现两个方向BPP值相等，使对角线BPP值最小。但其两方向的BPP值乘积并没有减小，因此半导体激光器的亮度实质上并没有提高。

采用偏振合束和波长合束可以一定程度上提高半导体激光器输出激光亮度，但由于偏振合束只能提高2倍，而波长合束可耦合的波长数受到镀膜限制，合束数量一般不超过5个，因此可提高亮度的倍数不超过10倍。

通过外腔反馈实现光谱合束，可以有效提高半导体激光器的亮度，它在不增大快轴方向的BPP值条件下，降低慢轴方向BPP值，该方法在美国专利US7065107B2，US6192062B1，US6208679和公告号为CN102208753A、名称为“多波长联合外腔半导体激光器”的国内专利均有记载，但这些光谱合束方法均针对单个激光列阵或阵列，或者光栅与单个半导体激光器模块对应，造价昂贵的光栅利用率低，或者组成激光模块的半导体激光器均为同一种材料类型，可耦合的激光单元光束数量被限制，当在功率要求和光束质量要求高的场合，不能满足使用要求。另外，采用多个半导体激光器阵列光谱合束，对应需采用多个光栅，使得整个系统的成本高，多个互不相干的光路也使得系统集成度低。

上述存在的问题需要加以进一步改进。

发明内容

为了实现超高亮度、高功率半导体激光输出，本发明提供一种利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法，解决现有光谱合束方法均针对单个激光列阵或阵列，或者光栅与单个半导体激光器模块对应，造价昂贵的光栅利用率低；或者组成激光模块的半导体激光器均为同一种材料类型，可耦合的激光单元光束数量被限制，不能满足使用要求；以及采用多个半导体激光器阵列光谱合束，对应需采用多个光栅，使得整个系统的成本高，多个互不相干的光路也使得系统集成度低的问题。

本发明具体提出了一种采用单个光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光器合束成两束光，再结合偏振合束实现超高亮度、高功率单激光束输出的利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法，该方法所涉及的装置包括：半导体激光器模块，场镜，光栅，外腔反窥镜，半波片，反射镜组，偏振分光棱镜，其半导体激光器模块与外腔反窥镜分别组成两个激光振荡腔，其中：

半导体激光器模块由半导体激光器、快轴准直镜和慢轴准直镜组成；

单元光束入射到光栅的振动方向与光栅要求的偏振方向相匹配；

半导体激光器模块、场镜和光栅的位置关系满足：半导体激光器模块和光栅分别位于场镜的前后焦平面处；

组成半导体激光器模块其中的半导体激光器为多个激光单管（emitter）组合，或为激光列阵（bar），或由激光列阵组成的激光线阵或迭阵，或者是多个激光线阵或迭阵的组合；