[發明專利]大功率半導體堆棧笑臉校正及線寬壓窄裝置及方法

有效

• 申請號: 201611122343.0
• 申請日: 2016-12-08
• 公開（公告）號: CN106707503B
• 公開（公告）日: 2017-12-12
• 發明（設計）人: 王紅巖;申成;楊子寧;張煊喆;寧禹;許曉軍
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G02B27/00
• 分類號: G02B27/00;G02B27/09;G02B5/30;G02B27/30
• 代理公司: 長沙七源專利代理事務所(普通合伙)43214
• 代理人: 吳婷

技術領域

本發明屬于半導體激光領域，尤其涉及一種利用兩塊平行放置的反射式相位板消除大功率半導體堆棧笑臉效應及利用面光柵進行線寬壓窄的裝置及方法。

背景技術

近年來，半導體泵浦堿金屬蒸氣激光器在高能激光領域獲得快速發展。它實現的關鍵點之一是泵浦譜寬與原子吸收譜寬的匹配。但堿金屬原子常溫下多普勒線寬極窄(約1pm)，即使充入0.1MPa的緩沖氣體(如氦氣或乙烷)，吸收譜寬也只有20pm-40pm，而市售半導體激光器輸出譜寬為2-4nm，難以實現有效的泵浦。為此，業界采用外腔法壓窄泵浦源輸出譜寬，以滿足泵浦的需要。

線陣或堆棧等形式大功率半導體激光器由很多發光元組成，熱沉材料的選擇和封裝工藝等因素導致各發光元排列不成理想直線(簡稱笑臉效應)，大大增加了外腔壓窄難度。笑臉的大小一般用發光元沿快軸方向的最大相互偏離距離表示；一般線陣半導體激光器(LDA)的笑臉大小在1-10um量級。在基于面光柵的線寬壓窄裝置中，笑臉效應會導致不同發光元經光學系統后以不同的角度入射至光柵，從而使不同發光元在外腔結構中具有不同的諧振波長；其結果是雖然每個發光元的光譜被壓窄，但由于不同發光元中心波長存在偏差，總體輸出光譜被展寬。

為此，人們采取各種方案以減小笑臉效應的影響。常用方法有：采用長焦快軸準直微透鏡，采用高放大倍率的望遠鏡系統，以及傾斜柱面鏡等。這些方法雖然結構簡單，但是由于半導體光束發散角較大，需要將元件設計得較寬，方可覆蓋整個光束。正因為元件占用空間較大，使得這些方法不適用于大功率半導體堆棧光源。近年來，又發展了復合外腔方法，利用一定反射系數的反射鏡，將各發光元的光束相互耦合，使得各發光源中心波長相等。但是由于該方法安裝調試復雜，集成度不高，很難應用在大功率激光線寬壓窄系統中。

值得一提的是，美國Hersman團隊采用透射式相位板消除笑臉的影響，已經成功應用在3KW的半導體堆棧線寬壓窄系統中，得到了較好的結果。但是這種透射式結構存在較大隱患：只能在四周冷卻，冷卻效果較差；只能采用玻璃材料，容易損傷和破裂，且加工難度大；對增透膜要求較高，鍍膜難度大。這些問題，在大功率激光系統中表現得尤為突出。

由上可見，現有的長焦快軸準直微透鏡等方法占用空間大，不適用于大功率半導體堆棧光源；復合外腔方法結構復雜，集成度不高裝配難度大；透射式相位板散熱困難，容易損壞，加工難度大。

發明內容

為了解決大功率半導體堆棧笑臉效應對線寬壓窄的影響問題，本發明提出了一種大功率半導體堆棧笑臉校正及線寬壓窄裝置及方法，對傳統基于長焦快軸準直微透鏡、復合外腔、透射式相位板等的笑臉校正方法進行了改進，降低了元件加工難度，提高了大功率半導體堆棧線寬壓窄方法的功率擴展性。

本發明的原理在于：①半導體堆棧笑臉校正：先拍攝出半導體堆棧的笑臉圖樣，然后根據單根巴條光束偏差圖像擬合出笑臉像差表達式，再根據擬合得到的笑臉像差表達式設計單根巴條光束的校正面，最后設計整塊笑臉校正反射式相位板。由于其在光路中斜向放置，改變了光束方向，導致各巴條光束光程不等；并且會引入像散、慧差等軸外像差，需要附加一塊反射式相位板來消除像差。兩塊相位板平行放置，與入射光束成135度角：第一塊相位板用來消除半導體堆棧的笑臉像差，第二塊相位板用來消除像散、慧差等軸外像差。②線寬壓窄：利用望遠放大系統將半導體光束在空間上放大，以提高系統的光譜分辨率；利用面光柵的波長選擇性實現光束反饋和輸出，反饋光束用于鎖定所需波長，輸出光束的線寬得到壓窄。

本發明采用的技術方案是：