一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器的制造方法
【專利摘要】一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器，其在半導體增益元件外部搭建外諧振腔，外諧振腔內依次設置準直光學元件、光譜色散元件和耦合輸出鏡。半導體增益元件包含數(shù)個呈直線平行排列的有源增益區(qū)，在每個有源增益區(qū)的一側鍍有對激光波長高反射率的膜層，另一側鍍有對激光波長高透過率的膜層。準直光學元件位于半導體增益元件鍍有高透過率膜層一側的后方，其中心光軸方向與所述半導體光學增益元件發(fā)射出光束的中心光軸重合。光譜色散元件以一定角度放置于準直光學元件的后方。耦合輸出鏡沿光束傳播方向位于所述光譜色散元件的后方。本發(fā)明改善了激光震蕩的模式，在不影響激光光束質量的前提下有效地提高了激光器的輸出功率。
【專利說明】一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種外腔半導體激光器功率擴展技術，更具體地說，涉及一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器。
【背景技術】
[0002]激光由于其亮度高、單色性好、準直和聚焦性能好，已在科學研究、軍事國防、工業(yè)加工、天文觀測和信息傳播等領域得到了廣泛的應用。激光的光束質量是描述激光傳播過程中聚焦和準直能力的參數(shù)，高光束質量的激光在聚焦后會得到更小的光斑、在準直后會獲得更小的遠場發(fā)散角，因此在實際應用中，高光束質量的激光一直是人們追求的方向。但隨著激光器輸出功率的增加，諸如熱效應等因素會逐漸被放大，從而影響激光的光束質量，因此激光器的光束質量與功率一直是相互對立的存在，在研制激光器時必須衡量實際應用的利弊，對這兩個參數(shù)進行權衡。
[0003]半導體激光器與其他類型的激光器(如氣體激光器、固體激光器)相比，具有電光效率更高(無光纖耦合損耗或二次泵浦損耗)，成本低(無價格高昂的大功率傳能光纖)等優(yōu)點，但其光束質量隨著激光輸出功率的增加會嚴重惡化，如何在保持光束質量的前提下有效擴展半導體激光器的輸出功率，一直是本領域研究的熱點。
[0004]半導體激光陣列(巴條)技術是一種很方便的半導體激光器功率擴展技術，其原理就是將數(shù)個半導體發(fā)光單元平行排列在基底上，以使激光器的輸出功率隨發(fā)光單元數(shù)目線性增加，但由于用這種方法得到的激光光束近場波面被分割，因此其光束質量很差，無法有效的應用于光纖耦合以及焊接、切割等需要高光束質量激光的【技術領域】。因此，如何在擴展半導體激光器陣列的輸出功率時，有效保障其光束質量是一個迫切需要解決的技術問題。

【發(fā)明內容】

[0005]針對現(xiàn)有技術存在的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用外腔半導體激光器功率擴展技術，獲得具有大功率高光束質量激光的半導體激光器。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案是:一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器，其在半導體增益元件外部搭建外諧振腔，所述外諧振腔內依次設置準直光學元件、光譜色散元件和耦合輸出鏡，所述半導體增益元件包含數(shù)個呈直線平行排列的有源增益區(qū)，在每個有源增益區(qū)的一側鍍有對激光波長高反射率的膜層，另一側鍍有對激光波長高透過率的膜層，所述準直光學元件位于所述半導體增益元件鍍有高透過率膜層一側的后方，其中心光軸方向與所述半導體光學增益元件發(fā)射出光束的中心光軸重合，所述光譜色散元件以一定角度放置于所述準直光學元件的后方，所述耦合輸出鏡沿光束傳播方向位于所述光譜色散元件的后方。
[0007]所述準直光學元件是由選自柱透鏡、微透鏡陣列或球面透鏡中至少兩種組成的透鏡組。
[0008]所述準直光學元件是由柱透鏡和球面透鏡組成的透鏡組，將所述光學增益元件發(fā)射出的光束聚焦，使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的聚焦后的傳播方向都略有不同，但焦點位置相同。
[0009]所述準直光學元件是由柱透鏡、微透鏡陣列和球面透鏡組成的透鏡組，將所述光學增益元件發(fā)射出的光束準直為平行光，通過所述球面透鏡使光束聚焦，并且使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的光束準直后的傳播方向都略有不同。
[0010]所述光譜色散元件，以一定角度放置于聚焦光學元件的后方焦平面處，將所有沿不同傳播方向的光束耦合為一束沿光軸方向傳播的光束。所述光譜色散元件優(yōu)選閃耀光柵。
[0011]所述耦合輸出鏡選用平面鏡或凹面鏡，鏡面鍍有約為80%透過率的膜層。
[0012]所述半導體增益元件材料為(InGa) (AsP)/InP，其有源增益區(qū)的形狀為錐筒形。
[0013]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明通過在半導體增益元件外部搭建外諧振腔，以改善激光震蕩的模式，并通過在外諧振腔內插入光譜色散元件，在不影響激光光束質量的前提下有效地提高了激光器的輸出功率。致使高光束質量的激光在聚焦后能夠得到更小的光斑、在準直后將獲得更小的遠場發(fā)散角，從而可有效的應用于光纖耦合以及焊接、切割等需要高光束質量激光的【技術領域】，擴大了半導體激光器的應用范圍。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的一個實施例，具有大功率高光束質量激光的半導體激光器結構及光路示意圖，圖中半導體增益元件I的有源增益區(qū)僅示例性的畫了 5個(未全畫出)，意在示出其排列和形狀；
[0015]圖2是本發(fā)明的另一個實施例，具有大功率高光束質量激光的半導體激光器結構及光路示意圖，圖中半導體增益元件I的有源增益區(qū)僅示例性的畫了 5個(未全畫出)，意在示出其排列和形狀。
[0016]圖中的附圖標記:
[0017]1、1’-半導體增益元件；2、5_準直光學元件；2a_柱透鏡；
[0018]2b、5b_球面透鏡；3、3’_閃耀光柵；4、4’-|禹合輸出鏡；
[0019]5a_ 微透鏡。
【具體實施方式】
[0020]本發(fā)明具有大功率高光束質量激光的半導體激光器，采用在實現(xiàn)光束整形的同時，將半導體激光器陣列各發(fā)光單元的光耦合為一束激光輸出的方法，極大地改善了激光器的光束質量，解決了現(xiàn)有光束整形技術不能改變半導體激光器陣列光束空間被割裂的特性。
[0021]本發(fā)明半導體激光器包括半導體增益元件、準直光學元件、光譜色散元件和耦合輸出鏡。根據(jù)本發(fā)明實施例，其中所述半導體增益元件1、1’包含數(shù)個有源增益區(qū)，所述數(shù)個有源增益區(qū)呈直線平行排列，在外加電流的激勵下，每個有源增益區(qū)都會產(chǎn)生一定線寬的激光增益。所述有源增益區(qū)的一側鍍有對激光波長高反射率(反射率τ>90%)的膜層，另一側鍍有對激光波長高透過率(反射率Τ〈 10%)的膜層。所述準直光學元件2、5位于所述半導體光學增益元件鍍有高透過率膜層一側的后方，其中心光軸方向與所述報道提光學增益元件發(fā)射出光束的中心光軸重合，其作用是可將所述光學增益元件發(fā)射出的光束聚焦，使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的聚焦后的傳播方向都略有不同，但焦點位置相同，或者可將光學增益元件發(fā)射出的光束準直為平行光，通過球面透鏡使光束聚焦，并且使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的光束準直后的傳播方向都略有不同。所述光譜色散元件，特別是閃耀光柵3、3’，以一定角度放置于準直光學元件的后方，其作用是將所有沿不同傳播方向的光束耦合為一束沿光軸方向傳播的光束。所述耦合輸出鏡4、4’沿光束傳播方向位于所述光譜色散元件的后方，其作用是將光束的部分能量投射輸出，部分能量反射回整個激光系統(tǒng)，從而在所述半導體增益元件1、1’的增益光譜范圍內，形成多個波長激光震蕩。
[0022]實施例一:
[0023]圖1示出本發(fā)明實施例一具有大功率高光束質量激光的半導體激光器結構及光路。在本實施例中，半導體增益介質為(InGa) (AsP)/InP，其半導體增益元件I中包含19個有源增益區(qū)，每個有源增益區(qū)的形狀均為錐筒形，以減少其輸出激光的橫模，從而獲得更好的光束質量。其后表面鍍有對940nm±5nm的高反射率膜，其前表面鍍有對940nm±5nm的高透過率膜。耦合輸出鏡4’為鍍有80%透過率膜層的凹面鏡，有源增益區(qū)發(fā)出的光束經(jīng)過柱透鏡2a和球面透鏡2b分別對快軸與慢軸進行準直后，被球面透鏡2b聚焦到閃耀光柵3上，被反射后，光束被耦合輸出鏡4部分透射輸出，部分反饋震蕩。如果利用閃耀光柵3的I級衍射，其閃耀角Θ s由下式確定:
【權利要求】
1.一種具有大功率高光束質量激光的半導體激光器，其特征在于，在半導體增益元件外部搭建外諧振腔，所述外諧振腔內依次設置準直光學元件、光譜色散元件和耦合輸出鏡，所述半導體增益元件包含數(shù)個呈直線平行排列的有源增益區(qū)，在每個有源增益區(qū)的一側鍍有對激光波長高反射率的膜層，另一側鍍有對激光波長高透過率的膜層，所述準直光學元件位于所述半導體增益元件鍍有高透過率膜層一側的后方，其中心光軸方向與所述半導體光學增益元件發(fā)射出光束的中心光軸重合，所述光譜色散元件以一定角度放置于所述準直光學元件的后方，所述耦合輸出鏡沿光束傳播方向位于所述光譜色散元件的后方。
2.根據(jù)權利要求1所述的半導體激光器，其特征在于，所述準直光學元件是由選自柱透鏡、微透鏡陣列或球面透鏡中至少兩種組成的透鏡組。
3.根據(jù)權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述準直光學元件是由柱透鏡和球面透鏡組成的透鏡組，將所述光學增益元件發(fā)射出的光束聚焦，使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的聚焦后的傳播方向都略有不同，但焦點位置相同。
4.根據(jù)權利要求2所述的半導體激光器，其特征在于，所述準直光學元件是由柱透鏡、微透鏡陣列和球面透鏡組成的透鏡組，將所述光學增益元件發(fā)射出的光束準直為平行光，通過所述球面透鏡使光束聚焦，并且使每個有源增益區(qū)所發(fā)出的光束準直后的傳播方向都略有不同。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的半導體激光器，其特征在于，所述光譜色散元件以一定角度放置于聚焦光學元件的后方焦平面處，將所有沿不同傳播方向的光束耦合為一束沿光軸方向傳播的光束。
6.根據(jù)權利要求5所述的半導體激光器，其特征在于，所述光譜色散元件為閃耀光柵。
7.根據(jù)權利要求6所述的半導體激光器，其特征在于，所述耦合輸出鏡為平面鏡，鏡面鍍有約為80%透過率的膜層。
8.根據(jù)權利要求6所述的半導體激光器，其特征在于，所述耦合輸出鏡為凹面鏡，鏡面鍍有約為80%透過率的膜層。
9.根據(jù)權利要求8所述的半導體激光器，其特征在于，所述半導體增益元件材料為(InGa) (AsP)/InP，其有源增益區(qū)的形狀為錐筒形。
【文檔編號】H01S5/06GK103887707SQ201410140797
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月9日 優(yōu)先權日:2014年4月9日
【發(fā)明者】邱運濤, 堯舜, 曹銀花, 王智勇, 秦文斌 申請人:北京工業(yè)大學