[發明專利]利用單光柵外腔反饋實現多半導體激光合束的裝置及方法

有效

• 申請號: 201210361979.6
• 申請日: 2012-09-26
• 公開（公告）號: CN102868089A
• 公開（公告）日: 2013-01-09
• 發明（設計）人: 王峙皓;甘露;張淑珍
• 申請（專利權）人: 長春德信光電技術有限公司
• 主分類號: H01S5/14
• 分類號: H01S5/14;H01S5/40
• 代理公司: 長春市吉利專利事務所 22206
• 代理人: 張紹嚴

技術領域

本發明屬于半導體激光技術領域，尤其涉及一種采用單個光柵，通過外腔反饋，實現多個半導體激光器單元合束成兩束光，再結合偏振合束實現超高亮度、高功率單激光束輸出的利用單光柵外腔反饋實現多半導體激光合束的裝置及方法。

背景技術

半導體激光器具有轉換效率高、使用壽命長、體積小和重量輕等優點，作為直接光源，小功率器件早已在通信、印刷、條形碼掃描和光存儲等信息領域實現廣泛應用，大功率器件受光束質量和亮度條件的限制，以及到達目標處的功率密度低，目前僅應用在一些低要求場合，如塑料焊接、激光釬焊等。對于如金屬焊接、激光切割等要求較高的領域，半導體激光器的應用尚有一定難度，改善半導體激光器的光束質量，提高輸出激光束的亮度，對大功率半導體激光器的發展和應用具有重要意義。

半導體激光器的光束質量采用光參量積（BPP）來評價，定義為光束束腰半徑w₀與遠場發散半角θ/2的乘積，光參量積越小，光束質量越好。

BPP=?w_0*θ/2

由于半導體激光器的結構原因，平行于外延層方向的快軸方向光參量積（BPP_f）小，接近衍射極限，光束質量非常好，垂直于外延層方向的慢軸方向光參量積為快軸方向（BPP_s）的上千倍，光束質量差，不利于半導體激光器的實際應用。

半導體激光器的亮度（B）采用單位面積單位立體角內的輸出功率進行評價：

B=P/(π²*BPP_f*BPP_s)

常規的幾何光學方法，通過光束切割、重排的方式，將慢軸方向的BPP值減小，快軸方向的BPP值增加，實現兩個方向BPP值相等，使對角線BPP值最小。但其兩方向的BPP值乘積并沒有減小，因此半導體激光器的亮度實質上并沒有提高。

采用偏振合束和波長合束可以一定程度上提高半導體激光器輸出激光亮度，但由于偏振合束只能提高2倍，而波長合束可耦合的波長數受到鍍膜限制，合束數量一般不超過5個，因此可提高亮度的倍數不超過10倍。

通過外腔反饋實現光譜合束，可以有效提高半導體激光器的亮度，它在不增大快軸方向的BPP值條件下，降低慢軸方向BPP值，該方法在美國專利US7065107B2，US6192062B1，US6208679和公告號為CN102208753A、名稱為“多波長聯合外腔半導體激光器”的國內專利均有記載，但這些光譜合束方法均針對單個激光列陣或陣列，或者光柵與單個半導體激光器模塊對應，造價昂貴的光柵利用率低，或者組成激光模塊的半導體激光器均為同一種材料類型，可耦合的激光單元光束數量被限制，當在功率要求和光束質量要求高的場合，不能滿足使用要求。另外，采用多個半導體激光器陣列光譜合束，對應需采用多個光柵，使得整個系統的成本高，多個互不相干的光路也使得系統集成度低。

上述存在的問題需要加以進一步改進。

發明內容

為了實現超高亮度、高功率半導體激光輸出，本發明提供一種利用單光柵外腔反饋實現多半導體激光合束的裝置及方法，解決現有光譜合束方法均針對單個激光列陣或陣列，或者光柵與單個半導體激光器模塊對應，造價昂貴的光柵利用率低；或者組成激光模塊的半導體激光器均為同一種材料類型，可耦合的激光單元光束數量被限制，不能滿足使用要求；以及采用多個半導體激光器陣列光譜合束，對應需采用多個光柵，使得整個系統的成本高，多個互不相干的光路也使得系統集成度低的問題。

本發明具體提出了一種采用單個光柵，通過外腔反饋，實現多個半導體激光器合束成兩束光，再結合偏振合束實現超高亮度、高功率單激光束輸出的利用單光柵外腔反饋實現多半導體激光合束的裝置及方法，該方法所涉及的裝置包括：半導體激光器模塊，場鏡，光柵，外腔反窺鏡，半波片，反射鏡組，偏振分光棱鏡，其半導體激光器模塊與外腔反窺鏡分別組成兩個激光振蕩腔，其中：

半導體激光器模塊由半導體激光器、快軸準直鏡和慢軸準直鏡組成；

單元光束入射到光柵的振動方向與光柵要求的偏振方向相匹配；

半導體激光器模塊、場鏡和光柵的位置關系滿足：半導體激光器模塊和光柵分別位于場鏡的前后焦平面處；

組成半導體激光器模塊其中的半導體激光器為多個激光單管（emitter）組合，或為激光列陣（bar），或由激光列陣組成的激光線陣或迭陣，或者是多個激光線陣或迭陣的組合；