[發明專利]一種外腔半導體激光陣列相干合束方法和裝置

有效

• 申請號: 201811636327.2
• 申請日: 2018-12-29
• 公開（公告）號: CN109638631B
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 肖瑜;唐霞輝;胡聰;覃貝倫
• 申請（專利權）人: 華中科技大學;深圳華中科技大學研究院
• 主分類號: H01S5/00
• 分類號: H01S5/00;G02B27/10
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 李智;曹葆青

本發明公開了一種外腔半導體激光陣列相干合束方法，屬于半導體激光陣列相干合束技術領域。本發明方法利用衍射光學元件等控制半導體外腔內的自再現模式為厄米高斯模式，實現半導體外腔內相位鎖定，從而實現高功率條件下相位鎖定相干模式輸出。本發明技術方案基于厄米高斯光束的相干合束方法能夠提供較好噪聲抑制能力，模式均勻性高，因此可以提升相干激光輸出功率，同時，不會產生額外的諧振腔內的損耗，因為每個厄米高斯光束的峰會直接耦合到單個發光單元中去，并且在腔內控制產生厄米高斯光束的方法有多種，多采用衍射光學元件，因此，實現本發明方法簡單方便，成本低。另外本發明還公開了一種外腔半導體激光陣列相干合束裝置。

技術領域

本發明屬于半導體激光陣列相干合束技術領域，更具體地，涉及一種外腔半導體激光陣列相干合束方法和裝置。

背景技術

半導體激光由于電光效率高，結構緊湊，生產成本低，使用壽命長的特點，其從誕生之日起一直是激光研究的前沿熱點。目前限制高功率半導體激光廣泛應用的最大問題在于，高功率半導體激光的光束質量較差。由于光束質量的限制，高功率半導體激光很少能夠應用到如激光打孔、焊接、切割等對光束質量要求較高的場合。

目前使用的提高高功率半導體激光亮度的最主要方法是光譜合束技術。近年來光譜合束技術在半導體激光束合束中得到了極大的發展，該方法的使得半導體激光陣列的亮度提高已經有了很大的提高，然而，半導體激光再向更高功率推進過程中，受到半導體增益帶寬的限制，使得人們不能實現更大量的半導體激光合束。例如，目前廣泛應用的布拉格體光柵控制的單個半導體激光線寬約為數百pm，半導體激光的增益約為幾十nm，所有，能夠實現合束的半導體激光的數目不超過100個，而且，每個發光單元的工作波長都需要嚴格穩定，由于半導體增益帶寬有限和頻率穩定性要求的限制，使得基于單bar半導體激光的光譜合束技術目前發展相對緩慢。另外，光譜合束技術通常需要較為復雜的鍍膜技術為基礎，實現難度也較大。盡管早在2012年美國TeraDiode公司報道了基于波譜合束技術的高亮度2000W直接半導體激光。然而，截止目前千瓦級的高光束質量半導體激光發展仍然不成熟，市場上沒有得到廣泛應用。關于解決有限增益帶寬問題的方法也未見報道。

除了波譜合束技術以外，半導體激光相干合束技術也具有較大的提高半導體激光陣列整體亮度的能力和空間。被動相干合束主要是通過構建Talbot外腔結構，使得在在腔內能夠構建一個周期結構的場分布，每個周期單獨工作在一個放光單元周期內，而整體上又是一個具有確定相位關系的相干場分布。該項技術對于半導體激光功率和亮度而言最為嚴重限制在于:①Talbot場的相位鎖定能力有限，當工作電流較高的時候，增益較大，單個發光單元內部存在自發輻射放大作用，自發輻射放大進而會導致發光單元內部的寄生振蕩的產生，非相干的寄生振蕩會抑制相干振蕩，從而使合束效率下降；②半導體激光的隨機相位及強度波動會導致穩定自再現的Talbot像惡化。利用Talbot像來實現相干合束就需要精確控制激光器陣列中每個發光單元的相位波動幅度，精度要求較高，實現難度較大。長期以來問題①和②都不能得到有效的解決。如圖1(a)所示是基于Talbot腔的半導體相干合束的基本原理示意圖，圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)所示國內外主要研究單位關于相干合束技術的報道結果。從中可以看到當半導體工作電流較大的時候，相干光束遠場的峰都是建立在一個不相干的光場的基礎上的。這些不相干的光場來源于放光單元內部的寄生振蕩，這些寄生振蕩會導致輸出激光的相干性下降。一直以來該問題都是影響半導體相干合束技術發展的最大限制。圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)中產生寄生振蕩的部分原因是在于它們所依賴的Talbot成像原理不再成立(Talbot外腔需要依賴無窮周期展寬的結構，但是，在半導體激光器bar條中，該條件不在成立)，該型外腔能夠提供的單元間的耦合有限，而且，隨激光功率相位波動，耦合作用會明顯減弱，所以，圖1(b)、圖1(c)和圖1(d)中所示的輸出光束質量在工作電流提升的時候會嚴重惡化。截止目前能夠徹底解決寄生振蕩問題的方法依舊沒有找到。

發明內容