[发明专利]大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光领域，尤其涉及一种利用两块平行放置的反射式相位板消除大功率半导体堆栈笑脸效应及利用面光栅进行线宽压窄的装置及方法。

背景技术

近年来，半导体泵浦碱金属蒸气激光器在高能激光领域获得快速发展。它实现的关键点之一是泵浦谱宽与原子吸收谱宽的匹配。但碱金属原子常温下多普勒线宽极窄(约1pm)，即使充入0.1MPa的缓冲气体(如氦气或乙烷)，吸收谱宽也只有20pm-40pm，而市售半导体激光器输出谱宽为2-4nm，难以实现有效的泵浦。为此，业界采用外腔法压窄泵浦源输出谱宽，以满足泵浦的需要。

线阵或堆栈等形式大功率半导体激光器由很多发光元组成，热沉材料的选择和封装工艺等因素导致各发光元排列不成理想直线(简称笑脸效应)，大大增加了外腔压窄难度。笑脸的大小一般用发光元沿快轴方向的最大相互偏离距离表示；一般线阵半导体激光器(LDA)的笑脸大小在1-10um量级。在基于面光栅的线宽压窄装置中，笑脸效应会导致不同发光元经光学系统后以不同的角度入射至光栅，从而使不同发光元在外腔结构中具有不同的谐振波长；其结果是虽然每个发光元的光谱被压窄，但由于不同发光元中心波长存在偏差，总体输出光谱被展宽。

为此，人们采取各种方案以减小笑脸效应的影响。常用方法有：采用长焦快轴准直微透镜，采用高放大倍率的望远镜系统，以及倾斜柱面镜等。这些方法虽然结构简单，但是由于半导体光束发散角较大，需要将元件设计得较宽，方可覆盖整个光束。正因为元件占用空间较大，使得这些方法不适用于大功率半导体堆栈光源。近年来，又发展了复合外腔方法，利用一定反射系数的反射镜，将各发光元的光束相互耦合，使得各发光源中心波长相等。但是由于该方法安装调试复杂，集成度不高，很难应用在大功率激光线宽压窄系统中。

值得一提的是，美国Hersman团队采用透射式相位板消除笑脸的影响，已经成功应用在3KW的半导体堆栈线宽压窄系统中，得到了较好的结果。但是这种透射式结构存在较大隐患：只能在四周冷却，冷却效果较差；只能采用玻璃材料，容易损伤和破裂，且加工难度大；对增透膜要求较高，镀膜难度大。这些问题，在大功率激光系统中表现得尤为突出。

由上可见，现有的长焦快轴准直微透镜等方法占用空间大，不适用于大功率半导体堆栈光源；复合外腔方法结构复杂，集成度不高装配难度大；透射式相位板散热困难，容易损坏，加工难度大。

发明内容

为了解决大功率半导体堆栈笑脸效应对线宽压窄的影响问题，本发明提出了一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法，对传统基于长焦快轴准直微透镜、复合外腔、透射式相位板等的笑脸校正方法进行了改进，降低了元件加工难度，提高了大功率半导体堆栈线宽压窄方法的功率扩展性。

本发明的原理在于：①半导体堆栈笑脸校正：先拍摄出半导体堆栈的笑脸图样，然后根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，再根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面，最后设计整块笑脸校正反射式相位板。由于其在光路中斜向放置，改变了光束方向，导致各巴条光束光程不等；并且会引入像散、慧差等轴外像差，需要附加一块反射式相位板来消除像差。两块相位板平行放置，与入射光束成135度角：第一块相位板用来消除半导体堆栈的笑脸像差，第二块相位板用来消除像散、慧差等轴外像差。②线宽压窄：利用望远放大系统将半导体光束在空间上放大，以提高系统的光谱分辨率；利用面光栅的波长选择性实现光束反馈和输出，反馈光束用于锁定所需波长，输出光束的线宽得到压窄。

本发明采用的技术方案是：