一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法及系统与流程

1.本发明涉及激光器技术领域，具体是一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法及系统。


背景技术：

2.ld具有转换效率高和使用寿命长等众多优点，但由于自身结构导致的光束质量差和功率密度低的缺点，使得半导体激光器很难作为千瓦、万瓦级直接光源应用在材料加工和国防领域。如何获得高功率、高光束质量的ld光源已成为国际上的重大瓶颈技术问题，美、德等国已将其列入国家级重大计划进行攻克，我国在近年也把ld功率和亮度的提升作为重点关注的领域。激光合束被证明是解决该难题的关键技术。
3.在众多的合束技术之中，ld共孔径光谱合束技术是不牺牲单管光束质量的同时有效提升输出功率的方法，是突破万瓦级ld的关键技术。但是，光谱合束技术的合成路数受到光学器件尺寸和合成光谱宽度要求的双重影响，因此提升的空间有限；光谱合束效率与光栅衍射效率等器件的制造息息相关，同样可以提升的范围有限。若想进一步提升ld共孔径光谱合束输出的功率，在保持合成子束光谱宽度和光束质量的同时大幅提升子束的功率则是有效的方法。但是，现有的ld单管芯片在近衍射极限下输出的功率有限，并且可以提升的空间比较少，因此，开发另一种提升光谱合束子束功率的方法是非常有必要的。
4.ld共孔径相干合成技术，利用单个种子光同时注入多个半导体放大芯片，在进行共孔径叠加之后可以实现相干相长，因此可以保持每个芯片输出的线宽，提升光束质量，同时功率得到大幅增长。但是，由于多个ld的相干性调控较难，现有的ld共孔径相干合束的合成路数有限，且输出功率较低，很难单独实现千瓦级输出。


技术实现要素：

5.为克服现有技术的不足，本发明提供了一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法及系统，解决现有技术存在的在近衍射极限下输出的功率难以大幅提高等问题。
6.本发明解决上述问题所采用的技术方案是：
7.一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法，包括以下步骤：
8.s1，构建m个ld共孔径相干合成模块，每个ld共孔径相干合成模块输出窄线宽高光束质量低相位噪声的ld激光，其中，m≥2且m为正整数；
9.s2，将步骤s1中得到的m路窄线宽高光束质量低相位噪声ld激光进行共孔径光谱合成，得到单路高光束质量输出的ld激光。
10.作为一种优选的技术方案，步骤s1包括以下步骤：
11.s11，对单横模单纵模高频率稳定性ld激光器实施低噪声放大；
12.s12，将步骤s11中得到的光分为n份，其中，n≥2且n为正整数；
13.s13，将步骤s12中得到的光耦合进入被相位调控的n个低相位噪声半导体放大芯片；
14.s14，将步骤s13中n个半导体放大芯片的输出光进行共孔径叠加；
15.s15，将步骤s14中得到的叠加光分出一路作为参考，运用联动相位调控算法对半导体放大芯片的加载电流进行调整，最终使共孔径叠加的光实现相干相长；
16.s16，将步骤s15中共孔径叠加后相干相长的光通过输出窗口输出ld共孔径相干合成子系统。
17.作为一种优选的技术方案，步骤s12中运用dammann光栅、透镜组或平面高反镜实现分光，和/或，步骤s14中，运用dammann光栅、透镜组或平面高反镜实现共孔径叠加。
18.作为一种优选的技术方案，步骤s15中，所述联动相位调控算法为爬山法、spgd算法、ai算法中的一种或几种。
19.作为一种优选的技术方案，步骤s2包括以下步骤：
20.s21，调整m个ld共孔径相干合成子系统输出的出光角度，并折叠光路，使得每一路光均在光栅的角度带宽内输入光栅；
21.s22，将步骤s21得到的光经过光栅的衍射之后光轴进行重叠，并输出至下一个光栅；
22.s23，运用第二块光栅对步骤s22输出的光进行衍射，从而实现共孔径叠加，最终得到高合成效率共孔径光谱合成ld。
23.作为一种优选的技术方案，步骤s21中，运用棱镜组或平面高反镜实现对m路共孔径相干合成子系统输出激光的出光角度调整。
24.作为一种优选的技术方案，步骤s22和/或步骤s23中光栅放置的角度能调整，使光栅法线与输入光光轴的角度为光栅littrow角。
25.一种实现高功率近衍射极限半导体激光的系统，包括依次沿光路设置的ld共孔径相干合成子系统和ld共孔径光谱合成子系统；
26.所述ld相干合成子系统包括m个ld共孔径相干合成模块，每个ld共孔径相干合成模块用于输出窄线宽高光束质量低相位噪声的ld激光，其中，m≥2且m为正整数；
27.所述ld共孔径光谱合成子系统用于将ld相干合成子系统输出的m路窄线宽高光束质量低相位噪声ld激光进行共孔径光谱合成，得到单路高光束质量输出的ld激光。
28.值得说明的是，ld共孔径相干合成子系统和ld共孔径光谱合成子系统中心波长不一致能达到较佳效果，否则可能导致工作失效。
29.作为一种优选的技术方案，ld共孔径相干合成模块包括依次沿光路设置的单纵模单横模低相位噪声ld、低噪声放大模块、分光模块、高效耦合模块、半导体放大芯片组、共孔径叠加模块、输出分束器、输出窗口，还包括联动相位调控模块，所述输出分束器能用以将分出的一路光输入联动相位调控模块，所述联动相位调控模块能用以通过调整分出的一路光反馈电流加载至所述半导体放大芯片组。
30.作为一种优选的技术方案，所述ld共孔径光谱合成子系统包括输入角度调控模块、第一衍射光栅、第二衍射光栅，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅设于所述输入角度调控模块的光路下游端，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅放置角度一致，呈相互平行关系；
31.所述输入角度调控模块用于调整m个ld共孔径相干合成子系统输出的光的出光角度，并折叠光路，使得每一路光都可以以合适的角度输入第一衍射光栅；
32.所述第一衍射光栅用于将输入的光进行衍射然后光轴进行重叠，并输出至第二衍射光栅；
33.所述第二衍射光栅用于运用衍射效应得到高合成效率共孔径光谱合成ld。
34.本发明相比于现有技术，具有以下有益效果：
35.(1)本发明在保持光束质量的同时实现了ld输出功率的大幅提升；相对于单独使用ld共孔径相干合成系统技术或ld共孔径光谱合成技术，运用二级级联合成技术得到的功率将会得到极大的提升；并且，由于ld相干合成技术的合成输出光束质量相比较于单管输出还会有小幅度的提升，所以运用二级级联合成技术得到的光束质量比起单独使用ld共孔径光谱合成输出的光束质量基本一致；
36.(2)本发明不会牺牲ld光谱合成的合成路数；由于ld共孔径相干合成运用单个种子光注入多个ld放大芯片，并且在输出时所有光相干相长(相干相长又称相长干涉)，所以ld共孔径相干合成的激光线宽与单管一致；因此，ld相干合成作为光谱合成的子束时所运用的路数，不小于运用单管作为光谱合成子束时所运用的路数，从而运用二级级联得到的功率相比较于运用单管作为子束进行光谱合成的功率有大幅的提升；
37.(3)本发明可保持合成的电光效率和系统的轻量化；不同于运用ld泵浦其他类型的激光器，该系统只运用ld相关的有源和无源器件，所以最终得到的系统具有半导体激光器本身所具有的小型轻量化特征；同时，ld共孔径相干合成的效率比较高(>70％)，因此二级级联合成输出的电光效率可达40％以上，因此本发明具有较高的电光效率；
38.(4)本发明所提出的方法及系统可以作为高能泵浦源泵浦光纤激光/碱金属激光，也可直接作为工业加工使用，对激光领域的发展具有深远意义。
附图说明
39.图1为本发明所述一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法的步骤示意图；
40.图2为运用二级级联合成高亮度半导体激光(ld)的方法概念示意图；
41.图3为本发明所述一种实现高功率近衍射极限半导体激光的系统的结构示意图；
42.图4为ld共孔径相干合成模块的结构图。
43.附图中标记及相应的零部件名称：1、ld共孔径相干合成子系统；2、ld共孔径光谱合成子系统；101、ld共孔径相干合成模块；201、输入角度调控模块；202、第一衍射光栅；203、第二衍射光栅；1011、单纵模单横模低相位噪声；ld；1012、ld低噪声放大模块；1013、均匀分光模块；1014、高效耦合模块；1015、半导体放大芯片组；1016、共孔径叠加模块；1017、输出分束器；1018、输出窗口；1019、联动相位调控模块。
具体实施方式
44.下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。
45.实施例1
46.如图1至图4所示，一种实现高功率近衍射极限半导体激光的方法，包括以下步骤：
47.s1，构建m个ld共孔径相干合成模块，每个ld共孔径相干合成模块输出窄线宽高光束质量低相位噪声的ld激光，其中，m≥2且m为正整数；
48.s2，将步骤s1中得到的m路窄线宽高光束质量低相位噪声ld激光进行共孔径光谱合成，得到单路高光束质量输出的ld激光。
49.本发明针对ld共孔径相干合成技术与ld共孔径光谱合成技术分立状态下各自输出功率有限的问题，提出了一种运用二级级联合成高亮度ld的方法，将ld相干合成的输出作为ld光谱合成的子束，共同实现直接ld输出功率的提升而不牺牲ld单管的光束质量。
50.需要说明的是，共孔径相干合成又称共孔径相干合成，共孔径光谱合成又称共孔径光合成。
51.值得说明的是，设置步骤s1中m个ld共孔径相干合成模块输出的ld激光中心波长不一致能达到较佳效果，否则可能导致工作失效。
52.值得说明的是，本实施例中，窄线宽指线宽＜100mhz，高光束质量指m2＜5，低相位噪声指相位噪声＜
‑
120db/hz，但本实施例的以上取值范围不应作为对本发明上述术语的范围限制。
53.本发明在保持光束质量的同时实现了ld输出功率的大幅提升。相对于单独使用ld共孔径相干合成系统技术或ld共孔径光谱合成技术，运用二级级联合成技术得到的功率将会得到极大的提升。并且，由于ld相干合成技术的合成输出光束质量相比较于单管输出还会有小幅度的提升，所以运用二级级联合成技术得到的光束质量比起单独使用ld共孔径光谱合成输出的光束质量基本一致。
54.作为一种优选的技术方案，步骤s1包括以下步骤：
55.s11，对单横模单纵模高频率稳定性ld激光器实施低噪声放大；
56.s12，将步骤s11中得到的光分为n份，其中，n≥2且n为正整数；
57.s13，将步骤s12中得到的光耦合进入被相位调控的n个低相位噪声半导体放大芯片；
58.s14，将步骤s13中n个半导体放大芯片的输出光进行共孔径叠加；
59.s15，将步骤s14中得到的叠加光分出一路作为参考，运用联动相位调控算法对半导体放大芯片的加载电流进行调整，最终使共孔径叠加的光实现相干相长；
60.s16，将步骤s15中共孔径叠加后相干相长的光通过输出窗口输出ld共孔径相干合成子系统。
61.作为一种优选的技术方案，步骤s12中运用dammann光栅、透镜组或平面高反镜实现分光，和/或，步骤s14中，运用dammann光栅、透镜组或平面高反镜实现共孔径叠加。
62.作为一种优选的技术方案，步骤s15中，所述联动相位调控算法为爬山法、spgd算法、ai算法中的一种或几种。
63.作为一种优选的技术方案，步骤s2包括以下步骤：
64.s21，调整m个ld共孔径相干合成子系统输出的出光角度，并折叠光路，使得每一路光均在光栅的角度带宽内输入光栅；
65.s22，将步骤s21得到的光经过光栅的衍射之后光轴进行重叠，并输出至下一个光栅；
66.s23，运用第二块光栅对步骤s22输出的光进行衍射，从而实现共孔径叠加，最终得到高合成效率共孔径光谱合成ld。
67.作为一种优选的技术方案，步骤s21中，运用棱镜组或平面高反镜实现对m路共孔
径相干合成子系统输出激光的出光角度调整。
68.作为一种优选的技术方案，步骤s22和/或步骤s23中光栅放置的角度能调整，使光栅法线与输入光光轴的角度为光栅littrow角。
69.优选的，步骤s12中，将步骤s11中得到的光按功率平均分为n份，效果更佳。
70.优选的，步骤s15中，所述联动相位调控算法可采用卷积神经网络算法等ai算法，更加智能化。
71.本发明不会牺牲ld光谱合成的合成路数。由于ld共孔径相干合成运用单个种子光注入多个ld放大芯片，并且在输出时所有光相干相长(相干相长又称相长干涉)，所以ld共孔径相干合成的激光线宽与单管一致。因此，ld相干合成作为光谱合成的子束时所运用的路数，不小于运用单管作为光谱合成子束时所运用的路数，从而运用二级级联得到的功率相比较于运用单管作为子束进行光谱合成的功率有大幅的提升。
72.本发明可保持合成的电光效率和系统的轻量化。不同于运用ld泵浦其他类型的激光器，该系统只运用ld相关的有源和无源器件，所以最终得到的系统具有半导体激光器本身所具有的小型轻量化特征。同时，ld共孔径相干合成的效率比较高(>70％)，因此二级级联合成输出的电光效率可达40％以上，因此本发明具有较高的电光效率。
73.实施例2
74.如图1至图4所示，作为实施例1的进一步优化，本实施例包含了实施例1的全部技术特征，除此之外，本实施例还包括以下技术特征：
75.一种实现高功率近衍射极限半导体激光的系统，包括依次沿光路设置的ld共孔径相干合成子系统1和ld共孔径光谱合成子系统2；
76.所述ld相干合成子系统1包括m个ld共孔径相干合成模块101，每个ld共孔径相干合成模块101用于输出窄线宽高光束质量低相位噪声的ld激光，其中，m≥2且m为正整数；
77.所述ld共孔径光谱合成子系统2用于将ld相干合成子系统1输出的m路窄线宽高光束质量低相位噪声ld激光进行共孔径光谱合成，得到单路高光束质量输出的ld激光。
78.值得说明的是，需要设置m个ld共孔径相干合成模块101输出的ld激光的中心波长需要不一致，否则无法做第二次的光谱合成。
79.作为一种优选的技术方案，ld共孔径相干合成模块101包括依次沿光路设置的单纵模单横模低相位噪声ld1011、低噪声放大模块1012、分光模块1013、高效耦合模块1014、半导体放大芯片组1015、共孔径叠加模块1016、输出分束器1017、输出窗口1018，还包括联动相位调控模块1019，所述输出分束器1017能用以将分出的一路光输入联动相位调控模块1019，所述联动相位调控模块1019能用以通过调整分出的一路光反馈电流加载至(即注入至)所述半导体放大芯片组1015。
80.作为一种优选的技术方案，所述ld共孔径光谱合成子系统2包括输入角度调控模块201、第一衍射光栅202、第二衍射光栅203，所述第一衍射光栅202和所述第二衍射光栅203设于所述输入角度调控模块201的光路下游端，所述第一衍射光栅202和所述第二衍射光栅203放置角度一致，呈相互平行关系；
81.所述输入角度调控模块201用于调整m个ld共孔径相干合成子系统1输出的光的出光角度，并折叠光路，使得每一路光都可以以合适的角度输入第一衍射光栅202；
82.所述第一衍射光栅202用于将输入的光进行衍射然后光轴进行重叠，并输出至第
二衍射光栅203；
83.所述第二衍射光栅203用于运用衍射效应得到高合成效率共孔径光谱合成ld。
84.值得说明的是，所述“光轴进行重叠”是指使得每一路输入光的光轴在第二衍射光栅203处重叠在一起。
85.优选的，分光模块1013将得到的光按功率平均分为n份，效果更佳。
86.优选的，第一衍射光栅202、第二衍射光栅203可优选闪耀光栅，衍射效率高，角度调整方便。
87.优选的，第一衍射光栅202、第二衍射光栅203的放置角度需要精细调整，前者要使得输出光光轴与法线的角度为littrow角，后者要使得输出光光轴与法线的角度为littrow角。
88.优选的，单纵模单横模低相位噪声ld1011可用dfb半导体激光器。
89.优选的，低噪声放大模块1012可用掺镱光纤放大器。
90.优选的，分光模块1013可用透镜组、dammann光栅或平面高反镜。
91.优选的，耦合模块1014可用透镜组进行角度调整，使得每一路被分出的种子光高效耦合进入半导体放大芯片。
92.优选的，半导体放大芯片1015可用窄脊型放大芯片。
93.优选的，共孔径叠加模块1016可用透镜组与波片的结合、dammann光栅或平面高反镜。
94.优选的，联动相位调控模块1019可用爬山法、spgd算法或ai算法对加载在半导体放大芯片组1015的电流进行实时调整。
95.实施例3
96.如图1至图4所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
97.一种运用二级级联合成高功率近衍射极限ld的方法，该方法运用ld共孔径相干合成作为ld共孔径光谱合成的子束，把两个技术进行前后级联，最终在不牺牲光谱合束合成路数与单管输出光束质量的情况下，实现输出功率的大幅提升。下面以10路ld共孔径相干合成与20路ld共孔径光谱合成为例说明该方法。
98.首先，运用共孔径ld相干合成得到10路芯片的合成输出。第一步，对单横模单纵模高频率稳定性ld激光器实施低噪声放大；第二步，把放大的总是均分为10份；第三步，把均分得到的10路同频种子光高效耦合进入10个窄线宽、低相位噪声、高放大倍率的半导体放大芯片；第四步，把所有芯片得到的输出进行共孔径叠加；第五步，把共孔径输出的光分出一小部分输入联动相位调控系统，运用爬山法、spgd算法或者ai算法对每个芯片的加载电流进行调整，使得叠加之后的光可以相干相长。
99.然后，重复上述步骤20次，得到20路ld相干合成的输出光，每一路光的中心波长不同。
100.之后，把20路相干合成得到的输出光作为光谱合成的子束进行二级合成。第一步，把20路ld相干合成得到的子束进行角度的调整，使得所有光平行传输，且横向排列在一定的范围内；第二步，把这20路光输入以littrow角放置的第一个光栅，保证所有的光均得到最大效率的衍射；第三步，把不同波长不同衍射角度对应的光输入以与第一块衍射光栅平
行的第二块光栅，得到共孔径光谱合成ld输出。
101.如果每一路单管ld芯片的输出为10w，以70％的合束效率计算，则ld相干合成的功率为70w；而如果ld光谱合束的合束效率为55％，则最终合成的总功率为770w。相比较于利用近衍射极限单管输出10w来进行20路光谱合成所得的输出功率得到大幅提升。
102.图2展示了该种方法在波长层面的概念示意图。ld共孔径相干合成得到的输出线宽为单个单管的线宽，输出中心波长为种子光的波长，因此可以通过改变种子光波长的方式得到多个不同中心波长的ld共孔径相干合成激光输出，然后运用ld共孔径光谱合成技术进行二级级联。
103.本发明在保持光束质量的同时实现了ld输出功率的大幅提升。相对于单独使用ld共孔径相干合成系统技术或ld共孔径光谱合成技术，运用二级级联合成技术得到的功率将会得到极大的提升。并且，由于ld相干合成技术的合成输出光束质量相比较于单管输出还会有小幅度的提升，所以运用二级级联合成技术得到的光束质量比起单独使用ld共孔径光谱合成输出的光束质量基本一致。
104.本发明不会牺牲ld光谱合成的合成路数。由于ld共孔径相干合成运用单个种子光注入多个ld放大芯片，并且在输出时所有光相干相长，所以ld共孔径相干合成的激光线宽与单管一致。因此，ld相干合成作为光谱合成的子束时所运用的路数，不小于运用单管作为光谱合成子束时所运用的路数，从而运用二级级联得到的功率相比较于运用单管作为子束进行光谱合成的功率有大幅的提升。
105.本发明可保持合成的电光效率和系统的轻量化。不同于运用ld泵浦其他类型的激光器，该系统只运用ld相关的有源和无源器件，所以最终得到的系统具有半导体激光器本身所具有的小型轻量化特征。同时，ld共孔径相干合成的效率比较高(>70％)，因此二级级联合成输出的电光效率可达40％以上，因此本发明具有较高的电光效率。
106.实施例4
107.如图1至图4所示，本实施例包含实施例1、实施例2的全部技术特征，本实施例在实施例1、实施例2的基础上，提供更细化的实施方式。
108.一种运用二级级联合成高功率近衍射极限ld的系统，如图3所示。包含依次放置的ld共孔径相干合成子系统1和ld共孔径光谱合成子系统2；ld相干合成子系统1包含m个ld共孔径相干合成模块101
‑
103，每个模块均输出窄线宽大功率高光束质量低相位噪声，且拥有不同波长的ld相干合成激光；ld共孔径光谱合成子系统包含输入角度调控模块201、衍射光栅1202与衍射光栅2203，把m路ld共孔径相干合成模块的输出进行光谱合成，得到大功率高光束质量的ld激光输出。
109.ld共孔径相干合成模块101结构如图4所示，依次包含单纵模单横模低相位噪声ld1011、低噪声放大模块1012、均匀分光模块1013、高效耦合模块1014、半导体放大芯片组1015、共孔径叠加模块1016、输出分束器1017、输出窗口1018；输出分束器分出的光输入联动相位调控模块1019后反馈的电流加载至半导体放大芯片组1015。
110.图3中展示的输入角度控制模块201运用了角度可微调的棱镜组或反射镜组。另外，闪耀光栅202与闪耀光栅203的放置角度需要精细调整，前者要使得输出光光轴与法线的角度为littrow角，后者要使得输出光光轴与法线的角度为littrow角。
111.图4中的单纵模单横模低相位噪声的ld1011运用了dfb半导体激光器；低噪声放大
模块1012运用了掺镱光纤放大器；均匀分光模块1013运用了dammann光栅；高效耦合模块1014中包含了多个透镜组进行角度调整，使得每一路被分出的种子光高效耦合进入半导体放大芯片；半导体放大芯片组1015运用了特殊设计过的窄脊型放大芯片。共孔径叠加模块1016运用了dammann光栅。共孔径叠加模块运用输出的光通过输出分束器分出一小部分输出联动相位调控模块1019，该模块运用了ai算法对加载在半导体放大芯片组1015的电流进行实时调整，使得最终输出101模块的光可以相干相长。
112.如上所述，可较好地实现本发明。
113.本说明书中所有实施例公开的所有特征，或隐含公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合和/或扩展、替换。
114.以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。