大功率半导体叠阵激光器波长锁定和线宽压窄方法及系统

1.本发明属于高功率半导体激光器领域，具体涉及一种用透射光栅对高功率半导体叠阵激光器进行波长锁定和线宽压窄的方法及系统。


背景技术：

2.半导体激光器是一种廉价而有效的高功率密度和高亮度的相干光光源。随着激光技术的高速发展，半导体激光器由于其高电光转换效率(通常≥60％)、轻质紧凑的体积结构、宽的波段覆盖范围被广泛应用于各个领域。目前商业上标准的半导体激光器的功率和线宽(2-4nm)基本满足各个行业的需求。但是在高功率泵浦领域中，尤其是在自旋极化光泵浦、高能泵浦气体激光器泵浦(半导体泵浦碱金属气体激光器、半导体泵浦亚稳态气体激光器等)等领域中，对于高功率半导体激光器的光谱特性有着更加苛刻的要求。基于以上需求，行业内发展了多种基于色散光学元件的外腔法，即构建半导体激光器外腔，并利用色散光学元件的选模特性影响半导体激光谐振外腔内的模式竞争，从而实现对于高功率半导体激光器的光谱调控。而目前外腔法中色散元件的最主流方案是反射式面光栅和体布拉格光栅(volume bragg gratings，vbg)。
3.对于反射式面光栅，常用基于反射式面光栅的利特曼或利特罗外腔结构实现对半导体激光器的光谱压窄。通过对光栅反射的衍射光的选择，可以帮助实现半导体的精确压窄，实现极好的光谱效果。但是由于反射式面光栅损伤阈值较低，以及利特罗或利特曼结构低外腔效率(～60％)带来的损耗这在一定程度上限制了其往更高功率的发展。同时反射式面光栅对于光束准直的高要求、利特罗或利特曼结构中光路的弯折等因素一定条件上制约该方案向紧凑、简洁的高功率激光模块发展。
4.vbg所具有的结构紧凑，方便性，可通过温度调节等优点，使得其成为目前巴条或叠阵半导体激光器的主流光谱压窄方式。但是由于vbg通常采用的光致热折变玻璃(photo-thermo-refractive glass，ptr玻璃)内部存在天然的光吸收，随着激光功率的增大会产生明显的温升，进而导致ptr玻璃材料内部折射率变化，从而进一步使vbg内部光栅的周期发生变化，这会导致vbg反馈的波长较初始值发生漂移。在高功率半导体激光器压窄的应用中，这种变化尤为明显，表现为压窄后半导体激光器出现波长漂移情况(漂移系数8-10pm/k)。因此在半导体叠阵中，需要对每一个巴条对应的vbg进行单独的温度控制，以保证整体光谱锁定在理想波长。由于温控系统的存在，叠阵中每个巴条的位置需要设计优化，不能紧密摆放，这将导致叠阵中光束占空比减少以及激光亮度降低，而这对于高功率泵浦是不利的。


技术实现要素：

5.本发明提出一种大功率半导体叠阵激光器波长锁定和线宽压窄方法及系统，基于45
°
装配透射式光栅阵列的外腔压窄方案解决了反射式光栅结构复杂，外腔效率低的问题。这种外腔半导体波长与光栅角度直接相关，通过固定光栅角度可以实现波长的精确锁定。
透射光栅的基板材质可以采用高纯熔融石英玻璃等低吸收材料，其光吸收远低于ptr玻璃，高功率情况下因温升导致的波长漂移情况会远远小于vbg，，可在不影响系统紧凑度的前提下提高半导体叠阵激光器的功率和波长稳定性。
6.本发明采用的技术方案为，一种大功率半导体叠阵激光器波长锁定和线宽压窄方法，分为以下步骤：
7.s1根据所需波长，选择输出光谱覆盖该波长的大功率半导体叠阵激光器；
8.s2确定透射光栅参数：根据所需波长设计透射光栅的参数，如透射光栅的刻线数，衍射角度；设计依据为公式sinθa±
sinθb＝nλ，其中θa为入射角，θb为-1级衍射角，n为每毫米光栅刻线数，λ为-1级衍射光波长；当θa＝θb＝45
°
时，透射光栅刻线数通过公式针对所需波长来设计；
9.s3使用光学整形系统使得大功率半导体叠阵激光器输出激光束准直，以确保透射光栅压窄半导体线宽的效果；
10.s4 n个透射光栅与大功率半导体叠阵激光器中的n根半导体巴条一一对应，并构成透射光栅阵列，且透射光栅阵列排列方向与半导体巴条分布方向一致，n≥2；
11.s5每个透射光栅与相对应的半导体巴条的后解理面形成激光器谐振外腔；
12.s6准直后的光束经过透射光栅时，会发生透射、反射和衍射，产生透射0级非衍射光、透射-1级衍射光、反射0级非衍射光和反射-1级衍射光；当透射光栅与入射光方向呈45
°
角装配时，透射光栅处产生的反射-1级衍射光将沿原路返回至半导体巴条中，此时透射光栅与半导体巴条的后解理面构成的激光器谐振外腔在模式竞争作用下，半导体巴条光谱线宽被压窄，中心波长被锁定在反射-1级衍射光波长；反射0级非衍射光传播方向竖直向下；透射-1级衍射光传播方向竖直向上；透射0级非衍射光沿原本路径继续传播；
13.s7利用一对分别与水平方向呈135
°
、45
°
角放置的反射镜系统实现竖直向上和竖直向下这两部分光的利用，其中一面反射镜放置在透射光栅阵列正上方，与水平方向呈135
°
角放置，将n束竖直向上传播的透射-1级衍射光反射为水平光输出；另一面反射镜放置在透射光栅阵列正下方，与水平方向呈45
°
角放置，将n束竖直向下传播的反射0级非衍射光反射为水平光输出；
14.s8对每个透射光栅的角度单独调节，使得每个对应半导体巴条光谱中心波长均调谐至所需波长，实现半导体叠阵激光的整体波长锁定和线宽压窄。
15.本发明还提出一种基于上述方法的大功率半导体叠阵激光器系统，具有波长锁定和线宽压窄功能，包括大功率半导体叠阵激光器1，所述大功率半导体叠阵激光器1作为增益元件，给激光器谐振外腔提供增益；光束整形系统2，用于对大功率半导体叠阵激光器1输出激光进行准直；透射光栅阵列3，作为构建激光器谐振外腔的输出耦合镜，同时也作为腔内的选模元件，帮助实现半导体叠阵光谱的线宽压窄和中心波长锁定；反射镜系统4，用于水平输出透射光栅阵列处产生的所有透射-1级衍射光和反射0级非衍射光；
16.大功率半导体叠阵激光器1由一维分布的n根半导体巴条构成，n≥2，每根巴条输出激光分别进入相对应的光束整形系统和透射光栅，n个透射光栅呈一维分布，同时n个透射光栅的透射-1级衍射光路和反射0级非衍射光均在同一直线上；两个45
°
反射镜分别设置在透射光栅阵列的正上方和正下方。
17.优选地，本发明所述大功率半导体叠阵激光器1中的n根巴条采用垂直堆叠或者水平堆叠的方式排列，各巴条之间的间距相等。
18.优选地，应针对半导体激光不同的偏振状态(例如tm偏振或非偏振)，对所需波长的透射光栅涂层反射率进行设计，使得透射光栅反射-1级衍射效率和0级非衍射光透过率即使面对不同的应用场景(例如半导体激光器叠阵或半导体偏振合束光纤耦合模块)，仍能保证外腔半导体系统在实现线宽压窄的同时，也具有足够的外腔效率(＞70％)。
19.优选地，本发明所述光束整形系统5为快轴准直透镜(fac)和慢轴准直透镜(sac)的组合，各巴条发射出的激光分别经过快轴准直透镜和慢轴准直透镜进行光束整形后实现准直输出。
20.优选地，透射光栅阵列3中透射光栅的基板材料使用高纯熔融石英基板，该材料比ptr玻璃具有低的多的光吸收特性，从而在高功率情况下的波长漂移现象比vbg低得多。
21.进一步地，所述系统同样用于半导体光纤耦合模块(偏振合束模块、阶梯合束模块)，只需在光纤耦合镜前按照所述原理增加一面透射光栅即可。
22.与现有技术相比，本发明的优点在于：
23.1、本发明基于45
°
装配透射式光栅阵列调控半导体阵列内不同巴条的光谱特性：将透射式平面光栅替换传统利特罗结构外腔半导体叠阵系统中反射式平面光栅，直接利用反射-1级衍射光作为反馈光实现半导体巴条光谱的调控，并将透射0级非衍射光作为输出光。这种结构使得光路没有偏折，整个外腔系统相比于利用反射式光栅的利特曼或利特罗外腔结构更加紧凑。同时设计透射光栅入射角角度和反射-1级衍射角度均为45
°
，这种设计使得其他级次光可以被通过45
°
、135
°
装配全反镜被充分利用，保证了半导体激光器阵列的整体功率，降低了对光栅其他级次光的抑制要求。
24.2、透射式光栅采用高纯熔融石英基板或其他低热量吸收材料，高功率入射下温度变化低，光栅刻线数变化在ppm量级，相比于vbg而言，极大的解决了在高功率情况下波长漂移的问题，从而避免复杂的温控系统。
25.3、条状透射光栅与每个巴条一一对应，与标准叠阵封装工艺相匹配，不影响光束占空比，可实现高效堆叠和功率扩展。
附图说明
26.图1为本发明所述基于透射光栅的高功率窄线宽半导体巴条叠阵组装示意图；
27.图2是图1中单个45
°
装配透射光栅与快轴准直、慢轴准直系统、单个半导体巴条的连接示意图和原理图；
28.图3是图1中顶部反射系统将45
°
装配透射光栅阵列产生的透射-1级衍射光合束并水平输出的工作图；
29.图4是图1中底部反射系统将45
°
装配透射光栅阵列产生的透反射0级非衍射光合束并水平输出的工作图。
具体实施方式
30.以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释发明，并不用于限定本发明。
31.参考图1所示，本实施例中以包含10根半导体巴条的大功率半导体叠阵激光器为例进行说明，所述大功率半导体叠阵激光器1包括10个沿竖直方向垂直堆叠的半导体巴条11，大功率半导体叠阵激光器1的半导体巴条11均通过由快轴准直透镜21和慢轴准直微透镜22组成的光束整形系统2与透射光栅3组成激光器外腔。
32.其中图2是图1中单个45
°
装配透射光栅与单个光束整形系统、单个半导体巴条的连接示意图。由图2可知，半导体巴条11直接发射出的激光经过快轴准直透镜21、慢轴准直透镜22进行光束整形后，光束以近准直状态传输；准直后的光束经过透射光栅31时，会发生衍射、反射和透射，产生透射0级非衍射光a、透射-1级衍射光b、反射0级非衍射光c和反射-1级衍射光d。透射光栅刻线数已经通过公式针对所需波长来设计，所以当透射光栅与入射光方向呈45
°
角装配时，透射光栅31处产生的反射-1级衍射光d将沿原路返回至半导体巴条11中。此时透射光栅31与半导体巴条11的后解理面构成激光器外腔，在模式竞争作用下，半导体巴条11光谱线宽被压窄，中心波长被锁定在反射-1级衍射光波长d处；反射0级非衍射光c传播方向竖直向下；透射-1级衍射光b传播方向竖直向上；透射0级非衍射光a沿原本路径继续传播。
33.因此图2中的单个45
°
装配透射光栅31与快轴准直21、慢轴准直系统22、单个半导体巴条11单独构成一个独立的半导体谐振外腔，该半导体谐振外腔使得反射-1级衍射光d波长满足谐振自再现条件。同时不断再次注入到半导体巴条中的反射-1级衍射光d使得该波长的光取得模式竞争的优势，因此最终该独立的半导体谐振外腔输出波长与反射-1级衍射光d波长相同，输出线宽取决于透射光栅31的光栅分辨率。输出功率则由透射0级非衍射光a透过率决定。
34.将10个如图2的独立外腔半导体激光系统按照图1所示堆叠时，10个透射光栅构成一维透射光栅阵列，沿竖直方向排列，此时透射出的10束-1级衍射光将竖直向上沿同一直线传播，反射的10束0级非衍射光束将竖直向下沿同一直线传播，分别如图3，图4所示。
35.反射镜系统4包含两面反射镜，分别位于透射光栅阵列的竖直正上和正下方，
36.其中位于透射光栅阵列竖直正上方的顶部反射镜与水平方向成135
°
装配，反射竖直向上传播的透射-1级衍射光集束的过程如图3所示。透射光栅阵列产生的所有透射-1级衍射光在向上传播的过程中，实现合束。在抵达顶部反射镜时合束完成，并由顶部反射镜全部反射，水平输出；位于透射光栅阵列竖直正下方的底部反射镜与水平方向成45
°
装配，反射竖直向下传播的反射0非级衍射光集束的过程如图4所示，透射光栅阵列产生的所有反射0非级衍射光在向下传播的过程中，实现合束。在抵达底部反射镜时合束完成，并由底部反射镜全部反射，水平输出。
37.通过上述说明可见，每个巴条所对应外腔的光谱性质由对应的透射光栅决定，且各个外腔均具有相同且合理的能量反馈比例(～10％，该值可通过调整透射光栅-1级衍射效率进行改变)，和高的外腔效率(》70％，改值可通过调整透射光栅透射0级非衍射光的透过率进行改变)，同时采用高纯石英作为透射光栅的基板材料减少波长-温度漂移，避免复杂的温度控制系统，使系统更加紧凑。
38.以上对本发明所提供的一种基于透射光栅的波长锁定的窄线宽大功率半导体阵列系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，该方案同样适用于对于
本领域的技术人员来说，本专利可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。