大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于半导体激光领域，尤其涉及一种利用两块平行放置的反射式相位板消除大功率半导体堆栈笑脸效应及利用面光栅进行线宽压窄的装置及方法。所述装置包括由大功率半导体堆栈组成的激光源、快轴准直装置、笑脸校正反射式相位板、像差补偿反射式相位板、凹透镜、凸透镜、面光栅；为了解决大功率半导体堆栈笑脸效应对线宽压窄的影响问题，本发明专利技术提出了一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法，对传统基于长焦快轴准直微透镜、复合外腔、透射式相位板等的笑脸校正方法进行了改进，降低了元件加工难度，提高了大功率半导体堆栈线宽压窄方法的功率扩展性。

High power semiconductor stack smile correction and linewidth narrowing device and method

The invention belongs to the field of semiconductor laser, in particular to a reflective phase plate by using two parallel device and a method for eliminating linewidth of high power semiconductor stack effect and grating with smiling face. The device comprises a laser source, composed of high power semiconductor stack fast axis collimation device, face correction reflective phase aberration compensation plate, reflective phase plate, concave lens and convex lens and plane grating; in order to solve the problem of high power semiconductor stack effect on the linewidth of the face, the invention provides a high power semiconductor stack face correction and linewidth reduction device and method of traditional telephoto fast axis collimation based on micro lens, composite external cavity, transmission phase plate face correction method was improved, reducing the difficulty of processing elements, improve the power of high power semiconductor stack linewidth method scalability.

【技术实现步骤摘要】
大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法
本专利技术属于半导体激光领域，尤其涉及一种利用两块平行放置的反射式相位板消除大功率半导体堆栈笑脸效应及利用面光栅进行线宽压窄的装置及方法。
技术介绍
近年来，半导体泵浦碱金属蒸气激光器在高能激光领域获得快速发展。它实现的关键点之一是泵浦谱宽与原子吸收谱宽的匹配。但碱金属原子常温下多普勒线宽极窄(约1pm)，即使充入0.1MPa的缓冲气体(如氦气或乙烷)，吸收谱宽也只有20pm-40pm，而市售半导体激光器输出谱宽为2-4nm，难以实现有效的泵浦。为此，业界采用外腔法压窄泵浦源输出谱宽，以满足泵浦的需要。线阵或堆栈等形式大功率半导体激光器由很多发光元组成，热沉材料的选择和封装工艺等因素导致各发光元排列不成理想直线(简称笑脸效应)，大大增加了外腔压窄难度。笑脸的大小一般用发光元沿快轴方向的最大相互偏离距离表示；一般线阵半导体激光器(LDA)的笑脸大小在1-10um量级。在基于面光栅的线宽压窄装置中，笑脸效应会导致不同发光元经光学系统后以不同的角度入射至光栅，从而使不同发光元在外腔结构中具有不同的谐振波长；其结果是虽然每个发光元的光谱被压窄，但由于不同发光元中心波长存在偏差，总体输出光谱被展宽。为此，人们采取各种方案以减小笑脸效应的影响。常用方法有：采用长焦快轴准直微透镜，采用高放大倍率的望远镜系统，以及倾斜柱面镜等。这些方法虽然结构简单，但是由于半导体光束发散角较大，需要将元件设计得较宽，方可覆盖整个光束。正因为元件占用空间较大，使得这些方法不适用于大功率半导体堆栈光源。近年来，又发展了复合外腔方法，利用一定反射系数的反射镜，将各发光元的光束相互耦合，使得各发光源中心波长相等。但是由于该方法安装调试复杂，集成度不高，很难应用在大功率激光线宽压窄系统中。值得一提的是，美国Hersman团队采用透射式相位板消除笑脸的影响，已经成功应用在3KW的半导体堆栈线宽压窄系统中，得到了较好的结果。但是这种透射式结构存在较大隐患：只能在四周冷却，冷却效果较差；只能采用玻璃材料，容易损伤和破裂，且加工难度大；对增透膜要求较高，镀膜难度大。这些问题，在大功率激光系统中表现得尤为突出。由上可见，现有的长焦快轴准直微透镜等方法占用空间大，不适用于大功率半导体堆栈光源；复合外腔方法结构复杂，集成度不高装配难度大；透射式相位板散热困难，容易损坏，加工难度大。
技术实现思路
为了解决大功率半导体堆栈笑脸效应对线宽压窄的影响问题，本专利技术提出了一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置及方法，对传统基于长焦快轴准直微透镜、复合外腔、透射式相位板等的笑脸校正方法进行了改进，降低了元件加工难度，提高了大功率半导体堆栈线宽压窄方法的功率扩展性。本专利技术的原理在于：①半导体堆栈笑脸校正：先拍摄出半导体堆栈的笑脸图样，然后根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，再根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面，最后设计整块笑脸校正反射式相位板。由于其在光路中斜向放置，改变了光束方向，导致各巴条光束光程不等；并且会引入像散、慧差等轴外像差，需要附加一块反射式相位板来消除像差。两块相位板平行放置，与入射光束成135度角：第一块相位板用来消除半导体堆栈的笑脸像差，第二块相位板用来消除像散、慧差等轴外像差。②线宽压窄：利用望远放大系统将半导体光束在空间上放大，以提高系统的光谱分辨率；利用面光栅的波长选择性实现光束反馈和输出，反馈光束用于锁定所需波长，输出光束的线宽得到压窄。本专利技术采用的技术方案是：一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，包括由大功率半导体堆栈组成的激光源、快轴准直装置、笑脸校正反射式相位板、像差补偿反射式相位板、凹透镜、凸透镜、面光栅；所述激光源发射含有笑脸效应的单一波长的光束，经由所述快轴准直装置准直后，使其平行向前传播；所述笑脸校正反射式相位板的反射面以与所述快轴准直装置发射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于消除笑脸效应，使光束变平整；所述像差补偿反射式相位板的反射面以与从笑脸校正反射式相位板反射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于补偿由笑脸校正反射式相位板引入的像散、慧差等轴外像差；所述凹透镜和凸透镜均垂直放置在平行光束的光路中，凹透镜置于靠近所述像差补偿反射式相位板的一侧，凸透镜置于远离所述像差补偿反射式相位板的一侧，共同构成光束望远放大系统，用于在空间上放大半导体光束，以提高系统的光谱分辨率；所述面光栅以其法线与从所述光束望远放大系统出射的平行光束成闪耀角的方式放置在平行光束的光路上，用于锁定需要的波长，压窄半导体光束的线宽。进一步地，所述由大功率半导体堆栈组成的激光源由P根巴条组成，P≥2，各巴条间距相等，约为400um；每根巴条由Q个发光元一维线性排列组成，Q≥10，各发光元间距相等，约为140um。进一步地，所述快轴准直装置由T个微柱状透镜一维线性排列组成快轴准直微透镜阵列，T＝P，每个微柱状透镜均对应激光源的一根巴条，且两者中心对齐，因此各微柱状透镜间距和各巴条间距相等。所述单个微柱状透镜长度与所述巴条长度相当，宽度约为200um，厚度为1mm。所述快轴准直微透镜阵列紧紧粘贴在半导体堆栈的发光面上，用于在快轴方向准直所述半导体堆栈发出的光束。进一步地，所述笑脸校正反射式相位板的设计方法包括如下步骤：S1拍摄出由大功率半导体堆栈组成的激光源的笑脸图样：在激光源全功率运行情况下，依次拍摄每根巴条的光束偏差图像，具体操作流程请参考英国赫瑞瓦特大学物理科学与工程学院的J.F.Monjardin等人所做的工作：Correctionofbeamerrorsinhighpowerlaserdiodebarsandstacks，OPTICSEXPRESS，2006。S2根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，具体步骤如下：S2.1在电脑上将单根巴条的光束偏差图像转换成一系列数据点，这些点由平面二维坐标和光强组合而成，坐标原点为图像左下方的初始点。S2.2检索光强值，得到光强最大值Imax，然后以0.5Imax为阈值确定发光元的Q个分布区域，选取这Q个分布区域的中心点作为数据拟合点，坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、…、(XQ,YQ)。S2.3计算各拟合点相对图像中心纵坐标的偏差值ΔY1、ΔY2、ΔY3、…、ΔYQ，这些偏差值可以分解为常函数Y＝1、正弦函数和余弦函数三种基本像差。所述正弦函数和余弦函数的频率均为m，需根据实际情况调整。所述正弦函数和余弦函数的初始相位为S2.4首个拟合偏差值的对应点为所述三种基本像差中首个数值点，后面的Q-1个拟合偏差值依次对应相应横坐标处三种基本像差中的Q-1个数值点，拟合得到所述三种基本像差的权重因子，依次为a1、a2、a3，满足以下两个条件：①a1+a2+a3＝1；②各点的拟合偏差和最小。S2.5根据拟合得到的所述三种基本像差的权重因子，得到笑脸像差表达式为：S3根据拟合得到的笑脸像差表达式设计单根巴条光束的校正面：所述三种基本像差可以通过三种对应基本面型来校正。根据笑脸像差表达式，可以确定三种基本面型所占的比重，将其叠加即可得到单根巴条的校正面。S4设计整块笑脸校本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，其特征在于：所述装置包括由大功率半导体堆栈组成的激光源(11)、快轴准直装置(21)、笑脸校正反射式相位板(31)、像差补偿反射式相位板(41)、凹透镜(51)、凸透镜(52)、面光栅(61)；所述激光源(11)发射含有笑脸效应的单一波长的光束，经由所述快轴准直装置(21)准直后，使其平行向前传播；所述笑脸校正反射式相位板(31)的反射面以与所述快轴准直装置(21)发射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于消除笑脸效应，使光束变平整；所述像差补偿反射式相位板(41)的反射面以与从笑脸校正反射式相位板(31)反射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于补偿由笑脸校正反射式相位板(31)引入的像散、慧差等轴外像差；所述凹透镜(51)和凸透镜(52)均垂直放置在平行光束的光路中，凹透镜(51)置于靠近所述像差补偿反射式相位板(41)的一侧，凸透镜(52)置于远离所述像差补偿反射式相位板(41)的一侧，共同构成光束望远放大系统，用于在空间上放大半导体光束，以提高系统的光谱分辨率；所述面光栅(61)以其法线与从所述光束望远放大系统出射的平行光束成闪耀角的方式放置在平行光束的光路上，用于锁定需要的波长，压窄半导体光束的线宽。...

【技术特征摘要】
1.一种大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，其特征在于：所述装置包括由大功率半导体堆栈组成的激光源(11)、快轴准直装置(21)、笑脸校正反射式相位板(31)、像差补偿反射式相位板(41)、凹透镜(51)、凸透镜(52)、面光栅(61)；所述激光源(11)发射含有笑脸效应的单一波长的光束，经由所述快轴准直装置(21)准直后，使其平行向前传播；所述笑脸校正反射式相位板(31)的反射面以与所述快轴准直装置(21)发射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于消除笑脸效应，使光束变平整；所述像差补偿反射式相位板(41)的反射面以与从笑脸校正反射式相位板(31)反射的平行光束成135度角的方式放置在平行光束的光路上，用于补偿由笑脸校正反射式相位板(31)引入的像散、慧差等轴外像差；所述凹透镜(51)和凸透镜(52)均垂直放置在平行光束的光路中，凹透镜(51)置于靠近所述像差补偿反射式相位板(41)的一侧，凸透镜(52)置于远离所述像差补偿反射式相位板(41)的一侧，共同构成光束望远放大系统，用于在空间上放大半导体光束，以提高系统的光谱分辨率；所述面光栅(61)以其法线与从所述光束望远放大系统出射的平行光束成闪耀角的方式放置在平行光束的光路上，用于锁定需要的波长，压窄半导体光束的线宽。2.根据权利要求1所述大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，其特征在于：所述由大功率半导体堆栈组成的激光源(11)由P根巴条组成，P≥2，各巴条间距相等，约为400um；每根巴条由Q个发光元一维线性排列组成，Q≥10，各发光元间距相等，约为140um。3.根据权利要求1所述大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，其特征在于：所述快轴准直装置(21)由T个微柱状透镜一维线性排列组成快轴准直微透镜阵列，T＝P，每个微柱状透镜均对应激光源的一根巴条，且两者中心对齐，因此各微柱状透镜间距和各巴条间距相等；所述单个微柱状透镜长度与所述巴条长度相当，宽度约为200um，厚度为1mm；所述快轴准直微透镜阵列紧紧粘贴在半导体堆栈的发光面上，用于在快轴方向准直所述半导体堆栈发出的光束。4.根据权利要求1所述大功率半导体堆栈笑脸校正及线宽压窄装置，其特征在于，所述笑脸校正反射式相位板(31)的设计方法包括如下步骤：S1拍摄出由大功率半导体堆栈组成的激光源(11)的笑脸图样：在激光源(11)全功率运行情况下，依次拍摄每根巴条的光束偏差图像；S2根据单根巴条光束偏差图像拟合出笑脸像差表达式，具体步骤如下：S2.1在电脑上将单根巴条的光束偏差图像转换成一系列数据点，这些点由平面二维坐标和光强组合而成，坐标原点为图像左下方的初始点；S2.2检索光强值，得到光强最大值Imax，然后以0.5Imax为阈值确定发光元的Q个分布区域，选取这Q个分布区域的中心点作为数据拟合点，坐标分别为(X1,Y1)、(X2,Y2)、(X3,Y3)、…、(XQ,YQ)；S2.3计算各拟合点相对图像中心纵坐标的偏差值ΔY1、ΔY2、ΔY3、…、ΔYQ，这些偏差值可以分解为常函数Y＝1、正弦函数和余弦函数三种基本像差，所述正弦函数和余弦函数的频率均为m，需根据实际情况调整，所述正弦函数和余弦函数的初始相位为S2.4首个拟合偏差值的对应点为所述三种基本像差中首个数值点，后面的Q-1个拟合偏差值依次...

【专利技术属性】
技术研发人员：王红岩，申成，杨子宁，张煊喆，宁禹，许晓军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43