专利名称：一种外腔大功率半导体激光器迭阵光源的制作方法
技术领域：
本发明属于大功率半导体激光器领域，涉及一种外腔大功率半 导体激光器迭阵光源。
背景技术：
大功率半导体激光器列阵由于结构紧凑，效率高，寿命长，在许 多领域得到广泛应用，如材料加工，激光打标，激光医疗，泵浦固体
激光器，自旋交换光泵浦(SEOP)等领域。但是由于半导体激光器 大的发散角及宽的光谱带宽，使其应用受到很大限制。
通过外腔反馈可以改善半导体激光器的输出光束质量。通常设计 的外腔半导体激光器大都针对小功率单管半导体激光器[Opt. Lett. 27,1995(2002)]。
对于半导体激光器列阵大功率、高亮度、窄线宽的激光输出只有 激光二极管阵列双反馈外腔激光器(CN 1829015A)方案。此方案中 使用平凹透镜，由于平凹透镜的发散作用，不能将会聚光束a,c平行 耦合到光栅上；另外此方案中双凸球面透镜将激光二极管阵列向下传 播的光束b, d同时会聚到球面反射镜的焦点上，对半导体激光器迭 阵，为使半导体激光器迭阵每层的激光束经双凸球面透镜都会聚到球 面反射镜的焦点上，如图6所示(CN 1829015A)方案，需要双凸球 面透镜的口径大于半导体激光器迭阵的尺寸，与半导体激光器迭阵组
装不方便，不易产业化。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，利用平凸柱
面镜4代替双凸球面透镜，利用圆柱反射镜5代替球面反射镜，图7 为本发明后的光线传输路径与(CN 1829015A)方案的对比。这样本 发明的半导体激光器迭阵与光学元件较易组装。另外，调节可调矩形 狭缝宽度对激光输出亮度可进行调节，旋转半波片对输出功率可进行 调节。
如图l所示 一种外腔反馈半导体激光器迭阵的构成如下半导
体激光器迭阵l、快轴准直镜3和光栅9，所述的快轴准直镜3是微 柱透镜或非球面镜，所述的光栅9为Littrow结构，其特征在于，所 述的半导体激光器迭阵1是由多个相同的半导体激光器线阵2层叠而 成，每个半导体激光器线阵2的快轴方向都设有快轴准直镜3，快轴 准直镜3后有一平凸柱面镜4，平凸柱面镜4轴线方向(图l中为y 方向)与半导体激光器迭阵1的慢轴方向(图l中为x方向)垂直； 在平凸柱面镜4之后的上方是圆柱反射镜5，其下方依次是矩形狭缝 6，半波片7，平凸柱面镜8和光栅9;所述的平凸柱面镜4将向上传 播的一路光a,b会聚于圆柱反射镜5的轴线处，平凸柱面镜4和平凸 柱面镜8平行共焦点放置，矩形狭缝6放置在其焦点处，半波片7放 置于其焦点与平凸柱面镜8之间，调节矩形狭缝6宽度实现横模选择， 进行亮度调节，旋转半波片7可调节反馈光和输出光的功率，光束 c, d经过平凸柱面镜8后平行地入射到光栅9上，其中光栅9的一阶
衍射光沿原路返回提供反馈，零阶衍射光e， f作为激光输出，光栅9 反馈实现纵模选择，压窄线宽；
如图3所示，所述的平凸柱面镜4和圆柱反射镜5构成向上的反
馈腔10;
如图4所示，所述的平凸柱面镜4，矩形狭缝6，半波片7，平 凸柱面镜8和光栅9构成向下的反馈腔11;其中平凸柱面镜4和平 凸柱面镜8形成了一个慢轴准直光学系统，对向下传播的一路光e, f 进行准直，准直后平行入射到光栅9上；
如图5所示，所述的半导体激光器迭阵1后端面、圆柱反射镜5、 光栅9形成一谐振腔12，谐振过程激光传播路径为半导体激光器 迭阵1后端面—圆柱反射镜5 —半导体激光器迭阵1后端面—光栅
9 —半导体激光器迭阵1后端面；
所述的平凸柱面镜4和平凸柱面镜8是矩形平凸柱面镜，两平凸 柱面镜凸面相对；
所述的可调狭缝6是一个矩形狭缝，狭缝长度固定，与激光器高 度(图中为y方向的长度)相等，狭缝宽度(图中为x方向的长度) 可调，用来选择半导体激光器迭阵1的横模；
所述的光栅9为铜衬底全息光栅，激光功率很大时可在衬底后附 加水冷或风冷装置，以防光栅碎裂；
所述的快轴准直镜3、平凸柱面镜4、半波片7和平凸柱面镜8 镀有工作波长的增透膜，而圆柱反射镜5和光栅9镀有工作波长的增 反膜。
本发明的工作过程
半导体激光器迭阵1中每个半导体激光器线阵2发出的光经过各
自的快轴准直镜3珠行快轴准直。快轴准直后的光a, b, c, d在快轴方 向(图1中为y方向)近似为平行光。经快轴准直后的光a,b,c,d分 两路传播，向上传播的一路光a,b形成了上远场瓣，向下传播的一路 光c, d形成下远场瓣，所述的平凸柱面镜4将向上传播的一路光a, b 会聚到圆柱反射镜5的轴线处，被圆柱面反射沿原路返回，并注入半 导体激光器迭阵1被放大；所述的平凸柱面镜4和平凸柱面镜8形成 了一个慢轴准直光学系统，对向下传播的一路光c,d进行准直，光被 准直后入射到光栅9上，光栅9的一阶衍射光沿原路返回提供反馈， 光栅9的零级衍射光e, f作为激光输出。这样半导体激光器迭阵1 ， 圆柱反射镜5和光栅9形成一谐振腔12。其谐振过程的激光传播的 路径为半导体激光器迭阵1后端面—圆柱反射镜5 —半导体激光器 迭阵1后端面—光栅9 —半导体激光器迭阵1后端面。
调节矩形狭缝6的宽度可选择特定的激光横模进行反馈，从而进 行亮度调节，因为光栅9对不同方向的偏振光的衍射效率不同，所以 旋转半波片7可调节半导体激光器迭阵1输出光的偏振方向，从而对 反馈光功率和输出光功率进行调节。
本发明的有益效果
发明中由于快轴准直镜2仅对快轴进行准直，而平凸柱面镜4和 平凸柱面镜8仅对慢轴进行准直，快慢轴准直互不影响，对于不同层 数的半导体激光器迭阵1只需相应改变平凸柱面镜4 、平凸柱面镜8
以及圆柱反射镜5的轴线方向(图l中为y方向)长度，使用方便， 而且可使平凸柱面镜4尺寸与半导体激光器迭阵1都是矩形，便于封
装。另外，通过调节矩形狭缝宽度可对激光亮度进行调节，通过旋转 半波片可对输出激光功率进行调节。
图1为三层半导体激光器迭阵外腔结构示意图。1半导体激光器
迭阵，2半导体激光器线阵，3快轴准直镜，4平凸柱面镜，5圆柱反 射镜，6矩形狭缝，7半波片，8平凸柱面镜，9光栅。 此图也是说明书摘要的附图
图2为五层半导体激光器迭阵外腔结构示意图。1半导体激光器 迭阵，2半导体激光器线阵，3快轴准直镜，4平凸柱面镜，5圆柱反 射镜，6矩形狭缝，'7半波片，8平凸柱面镜，9光栅。
图3为平凸柱面镜4和圆柱反射镜5构成向上的反馈腔10的结 构示意图。
图4为平凸柱面镜4，矩形狭缝6，半波片7，平凸柱面镜8和 光栅9构成向下的反馈腔11的结构示意图。
图5为半导体激光器迭阵1后端面、圆柱反射镜5、光栅9形成 一谐振腔12的结构示意图。
图6为(CN 1829015A)方案的双凸球面透镜与半导体激光器阵 列尺寸的对比示意图。
图7为本发明的光线传输路径与(CN 1829015A)方案的对比。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 实施例1
参照附图1，半导体激光器迭阵1由3个半导体激光器线阵2层 叠而成，层间距为5mm， y方向长为1.2cm， x方向长为1.2cm，发 射波长为808nm，每个半导体激光器线阵2的快轴方向(图1中为y 方向)都设有各自的快轴准直镜3，对快轴进行准直。快轴准直镜3 为微柱透镜，快轴准直后的激光a, b, c, d在快轴方向近似为平行光， 慢轴方向(图1中为x方向)分为两路。向上传播的一路光a,b形成 了上远场瓣；向下传播的一路光c,d形成下远场瓣。上光路a,b和下 光路c,d在入射到快轴准直镜之前与光轴(图1中为z方向)的夹角 为^ = ±^
此时的发射角为最优发射角，沿此方向反馈可得最佳效果，其中 D为每个发光单元的全孔径，m为模阶数，m = 7V±l， N为半导体激 光器线阵2中发光单元的个数(半导体激光器线阵包含许多发光单 元，发光单元在快轴方向一般为lum,在慢轴方向一般为 50um 200um，发光单元间距一般为200um 500um)。
快轴准直镜3后为平凸柱面镜4，其轴线方向(图1中为y方向) 与半导体激光器线阵2的慢轴方向(图1中为x方向)垂直，在所述 的平凸柱面镜4之后的上方是圆柱反射镜5，构成向上传播光a, b的 反馈腔，平凸柱面镜4将向上传播的平行光a, b会聚于圆柱反射镜5 的轴线处，被圆柱面反射沿原路返回，并注入半导体激光器迭阵1被 放大。平凸柱面镜4之后的下方依次是矩形狭缝6，半波片7，平凸
柱面镜8和光栅9，构成向下传播的光C,d的反馈腔，所述的平凸柱
面镜4和平凸柱面镜8形成了一个慢轴准直光学系统，对向下传播的 一路光c， d进行准直，准直后平行入射到光栅9上，光栅9为2400 线/mm铜衬底全息光栅，使用Littrow结构，光栅9的一阶衍射光沿 原路返回提供反馈，光栅9的零级衍射光e, f作为激光输出，光栅9 反馈实现纵模选择，压窄线宽。调整圆柱反射镜5和光栅9，使圆柱 反射镜5单独反馈得到的远场单瓣与光栅9双反馈得到的单瓣输出相 重合，这样半导体激光器迭阵l后端面，圆柱反射镜5和光栅9形成 一共振谐振腔。其谐振过程的激光传播的路径为半导体激光器迭阵 1后端面—圆柱反射镜5 —半导体激光器迭阵1后端面—光栅9 —半 导体激光器迭阵1后端面。调节狭缝6的宽度可选择特定的横模进行 反馈，从而进行亮度调节。旋转半波片7调节半导体激光器迭阵1输 出光的偏振方向可调节反馈光及输出光的功率。
平凸柱面镜4的y方向长度为1.2cm， x方向长度为1.2cm，便 于与半导体激光器迭阵l封装，平凸柱面镜8和圆柱反射镜5轴线方 向(图1中y方向)的长度以及矩形狭缝6的长度(图1中y方向长 度)为1.2cm，便于整体封装。另外，快轴准直镜3、平凸柱面镜4、 半波片7和平凸柱面镜8镀有波长808nm的增透膜，而圆柱反射镜5、 光栅9镀有波长808nm的增反膜。
实施例2
参照附图2，半导体激光器迭阵1由5个半导体激光器线阵2层 叠而成，层间距为4mm， y方向长为2.0cm， x方向长为1.2cm，发
射波长为兆0nm，半导体激光器线阵2的快轴方向(图2中为y方向) 都设有各自的快轴准直镜3，对快轴进行准直。快轴准直镜3为非球 面透镜，快轴准直后的激光a, b, c, d在快轴方向近似为平行光，慢轴 方向(图2中为x方向)分为两路。向上传播的一路光a，b形成了上 远场瓣；向下传播的一路光c,d形成下远场瓣。上光路a,b和下光路 c, d在入射到快轴准直镜之前与光轴(图2中为z方向)的夹角为
此时的发射角为最优发射角，沿此方向反馈可得最佳效果，其中 D为每个发光单元的全孔径，m为模阶数，m = 7V±l， N为半导体激 光器线阵2中发光单元的个数(半导体激光器线阵包含许多发光单 元，发光单元在快轴方向一般为lum,在慢轴方向一般为 50um 200um，发光单元间距一般为200um 500um)。
快轴准直镜3后为平凸柱面镜4，其轴线方向(图2中为y方向) 与半导体激光器线阵2的慢轴方向(图2中为x方向)垂直，在所述 的平凸柱面镜4之后的上方是柱面反射镜5，构成向上传播光a, b的 反馈腔，平凸柱面镜4将向上传播的平行光会聚于圆柱反射镜5的轴 线处，被圆柱面反射沿原路返回，并注入半导体激光器迭阵1被放大。 平凸柱面镜4之后的下方是矩形狭缝6，半波片7，平凸柱面镜8和 光栅9，构成向下传播的光c,d的反馈腔，所述的平凸柱面镜4和平 凸柱面镜8形成了一个慢轴准直光学系统，对向下传播的一路光c, d 进行准直，光被准直后入射到光栅9上，光栅9为1800线/mm铜衬 底全息光栅，使用Littrow结构，光栅9的一阶衍射光沿原路返回提 供反馈，光栅9的零级衍射光e,f作为激光输出，光栅9反馈实现纵 模选择，压窄线宽。调整圆柱反射镜5和光栅9，使圆柱反射镜5单 独反馈得到的远场单瓣与光栅9双反馈得到的单瓣输出相重合。这样 半导体激光器迭阵1，圆柱反射镜5和光栅9形成一共振谐振腔。其
谐振过程的激光传播的路径为半导体激光器迭阵1后端面—圆柱反
射镜5 —半导体激光器迭阵1后端面—光栅9 —半导体激光器迭阵1 后端面。调节狭缝6的宽度可选择一定的横模进行反馈，从而进行亮 度调节；旋转半波片7调节半导体激光器迭阵1输出光的偏振方向可 调节反馈光及输出光的功率。
平凸柱面镜4的y方向长度为2.0cm， x方向长度为1.2cm，便 于与半导体激光器迭阵1封装，平凸柱面镜8和圆柱反射镜5轴线方 向(图2中y方向)的长度以及矩形狭缝6的长度(图2中y方向长 度)为2.0cm，便于整体封装。另外，快轴准直镜3、平凸柱面镜4、 半波片7和平凸柱面镜8镀有波长808nm的增透膜，而圆柱反射镜5、 光栅9镀有波长808nm的增反膜。
由实例1与实例2可知，对于不同高度(y方向不同层数，不 同间距)的半导体激光器迭阵，所用的外腔系统中只需相应的改变平 凸柱面镜4，圆柱反射镜5和矩形狭缝6的y方向的长度即可，其它
参数不用改变，使用比较简单。
权利要求
1.一种外腔大功率半导体激光器迭阵光源，其构成如下半导体激光器迭阵(1)、快轴准直镜(3)和光栅(9)，所述的快轴准直镜(3)是微柱透镜或非球面镜，所述的光栅(9)为Littrow结构，其特征在于，所述的半导体激光器迭阵(1)是由多个相同的半导体激光器线阵(2)层叠而成，每个半导体激光器线阵(2)的快轴方向都设有快轴准直镜(3)；快轴准直镜(3)后有一平凸柱面镜(4)，平凸柱面镜(4)轴线方向与半导体激光器线阵(2)慢轴方向垂直，在平凸柱面镜(4)之后的上方是圆柱反射镜(5)，其下方依次是矩形狭缝(6)，半波片(7)，平凸柱面镜(8)和光栅(9)；所述的平凸柱面镜(4)将向上传播的一路光a，b会聚于圆柱反射镜(5)的轴线处，平凸柱面镜(4)和平凸柱面镜(8)平行共焦点放置，两平凸柱面镜凸面相对，矩形狭缝(6)放置在其焦点处，半波片(7)放置于其焦点与平凸柱面镜(8)之间，光束c，d经过平凸柱面镜(8)后平行地入射到光栅(9)上，其中光栅(9)的一阶衍射光沿原路返回提供反馈，零阶衍射光e，f作为激光输出，光栅(9)反馈实现纵模选择，压窄线宽；所述的平凸柱面镜(4)和圆柱反射镜(5)构成向上的反馈腔(10)；所述的平凸柱面镜(4)，矩形狭缝(6)，半波片(7)，平凸柱面镜(8)和光栅(9)构成向下的反馈腔(11)；其中平凸柱面镜(4)和平凸柱面镜(8)形成了一个慢轴准直光学系统，对向下传播的一路光e，f进行准直，准直后平行入射到光栅(9)上；所述的半导体激光器迭阵(1)后端面、圆柱反射镜(5)、光栅(9)形成一谐振腔(12)。
2. 根据权利要求1所述的一种外腔大功率半导体激光器迭阵光 源，其特征是所述的光栅(9)为铜衬底全息光栅。
3. 根据权利要求1所述的一种外腔大功率半导体激光器迭阵光 源，其特征是所述的平凸柱面镜(4)和平凸柱面镜(8)是矩形平凸 柱面镜，两平凸柱面镜凸面相对。
4. 根据权利要求1所述的一种外腔大功率半导体激光器迭阵光 源，其特征是所述的可调狭缝(6)是一个矩形狭缝，狭缝长度固定， 与半导体激光器迭阵(1)高度相等，狭缝宽度可调，用来选择半导 体激光器迭阵(1)的横模。
5. 根据权利要求1所述的一种外腔大功率半导体激光器迭阵光 源，其特征是所述的快轴准直镜(3)、平凸柱面镜(4)、半波片(7) 和平凸柱面镜(8)镀有工作波长的增透膜。
6. 根据权利要求1所述的一种外腔大功率半导体激光器迭阵光 源，其特征是所述的圆柱反射镜(5)和光栅(9)镀有工作波长的增 反膜。
全文摘要
一种外腔大功率半导体激光器迭阵光源，利用快轴准直镜对快轴进行准直，利用两个平凸柱面镜对慢轴进行准直，快轴准直后的光在慢轴分为两路传播，分别利用圆柱反射镜和光栅对两路光进行反馈，实现半导体激光器迭阵光亮度、窄线宽的激光输出。矩形平凸柱面镜和圆柱反射镜与半导体激光器迭阵较易组装。另外，通过调节矩形狭缝宽度可对激光输出亮度进行调节，通过旋转半波片可对输出激光功率进行调节。
文档编号H01S5/00GK101170242SQ20071005598
公开日2008年4月30日 申请日期2007年8月21日 优先权日2007年8月21日
发明者王峙皓, 邓鑫李 申请人:长春德信光电技术有限公司