高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法制造方法及图纸

高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法，包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件。半导体激光阵列每根巴条发射的激光分别经对应的光束整形系统进行准直后平行输出。平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经反射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，1其衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。该方法能够确保不同发光源出射波长的严格一致，易于实现精确波长锁定和超窄线宽光谱输出。

Device and method for wavelength locking and linewidth compression of high power semiconductor laser array

Device and method for wavelength locking and linewidth compression of high power semiconductor laser array, including semiconductor laser array, beam shaping system, partial reflector and dispersion optical element. The laser emitted from each bar of the semiconductor laser array is collimated by the corresponding beam shaping system and then output in parallel. The parallel laser beams are respectively incident to the corresponding partial reflectors. A part of the light in each laser beam is reflected by the corresponding partial reflectors and then reflected by the subsequent partial reflectors of the reflection light path and finally incident to the dispersion optical elements. 1. The diffracted light returns along the original path and re incident to each bar of the semiconductor laser array through the reflection of each partial reflector Inside, each bar, the beam shaping system corresponding to each bar, and some reflectors form an external cavity structure together with the dispersive optical elements. This method can ensure that the output wavelengths of different light sources are strictly consistent, and it is easy to achieve accurate wavelength locking and ultra narrow linewidth spectrum output.

【技术实现步骤摘要】
高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法
本专利技术属于激光器
，具体涉及一种新型的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法。
技术介绍
半导体激光器以其高电光转换效率(通常≥60％)、轻质紧凑的体积结构、宽的波段覆盖范围(0.6-2um)和可拓展的高功率输出能力(kW～100kW)，在工业、国防、科研和医疗等领域具有重要应用。常规的半导体激光器出射激光的波长与标称具有一定的偏差(±3nm)，且中心波长会随驱动电流和温度的变化产生漂移，通常在0.2～0.3nm/A(nm/K)的范围，其典型的发射光谱线宽在3-5nm(FWHM)，上述指标一般可以满足绝大多数领域的应用需求。与此同时，诸多新兴和前沿领域的发展对半导体激光的光谱特性提出了更为苛刻的要求。在针对单发光源的毫瓦至瓦量级低功率半导体激光方面，人们已经掌握了相对较为成熟的波长锁定和线宽压缩技术，并成功应用于量子光学、激光光谱学等诸多领域。相比之下，面向千瓦级及千瓦级以上的高功率半导体叠阵(Stack)的波长锁定和线宽压缩需求则是近年内逐步兴起，相关技术也远非成熟。如以碱金属激光为代表的高能半导体泵浦原子气体激光要求千瓦级半导体泵浦激光的发射波长精确对准原子吸收谱线(波长允许偏差±0.05nm)且具有极窄的光谱线宽(<0.1nm,FWHM)。在超极化气体肺部磁共振成像中对高功率半导体激光也提出类似的苛刻要求以实现高效的自旋极化光泵浦。即使在传统的固体和光纤激光泵浦领域，人们也希望高功率半导体激光具有尽可能小的电流和温度波长漂移系数，以确保整体激光系统具有稳定高效的运转性能。鉴于以上需求，人们相继提出了不同的针对高功率半导体叠阵的波长锁定和线宽压缩方法，其基本原理均是利用色散光学元件与半导体增益介质形成外腔实现对光谱的有效调控。根据所采用的色散光学元件的不同，可以分为基于面光栅或者基于体光栅两类外腔结构。对于面光栅外腔法，早期人们直接将典型的Littrow外腔结构应用于半导体阵列，虽然达到了部分预期效果，但功率损失比例过大，且仅可应用于于十至百瓦级。基于此，美国Xemed公司提出具有高外腔效率和面向高功率应用的技术方案，并计划近期实现3kW的窄线宽(<0.1nm)半导体激光应用于碱金属原子的高效泵浦，该方案虽然具有值得期待的巧妙合理的结构，但体系复杂、过于精密，且体积庞大，功率拓展性尚不明确。对于体光栅(VolumeBraggGrating,VBG)外腔法，由于其兼具高外腔效率、结构简单紧凑以及窄的光谱(<0.1nm)输出特性而成为目前的主流方案，德国DILAS公司利用该方案在15个巴条的半导体叠阵上实现了功率1kW线宽0.08nm(FWHM)的780.2nm激光输出。然而，虽然该方案实现了良好的光谱特性，但其缺陷也是显著的：一是需要对半导体叠阵上的每一个巴条都装配一个体光栅，成本十分高昂。二是需要对每一个体光栅都进行独立的精确温控，使其具有一致的衍射波长，从而确保各个巴条以相同的中心波长发射激光。这样的结构极大的增加了体系复杂性，且严重制约了其功率拓展能力。
技术实现思路
针对现有技术存在的缺陷，本专利技术提出了一种高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法。该专利技术通过合理的光学系统设计、利用一块体光栅可以实现对具有多巴条的高功率半导体叠阵的波长锁定和线宽压缩，相比于现有方案能够进一步提升光谱调控品质、有效节约成本、并且显著提升高功率拓展能力。为实现本专利技术的技术目的，采用以下技术方案：一种高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件。半导体激光阵列包括呈一维阵列分布的n根巴条，依次分别为第1巴条、第2巴条…第n巴条，n≥2；各巴条发射出的激光分别依次输入对应的光束整形系统和部分反射镜，与第1巴条、第2巴条…第n巴条对应的部分反射镜分别为第1部分反射镜、第2部分发射镜……第n部分发射镜，n个部分反射镜呈一维阵列分布，n个部分反射镜的发射光路在同一直线上；色散光学元件设置在第n部分反射镜的反射光路上。n束激光分别经对应的光束整形系统进行准直，实现激光束的平行输出。从各光束整形系统输出的平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经反射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，各激光束中的另一部分光经部分反射镜透射出去，透射光则为半导体的最终输出激光。色散光学元件的衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。进一步地，所述色散光学元件需要进行温控以精确锁定半导体激光阵列输出的整体光谱的中心波长，温控方式可以为加热或者制冷，温控元件可以为电阻或者TEC等。通过设计各部分反射镜的反射率Ri，能够实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。优选地，本专利技术所述半导体激光阵列中的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。如n根巴条采用垂直堆叠，那么从上到下，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从上至下依次排列成一维阵列。如n根巴条采用水平堆叠，那么从左到右，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从左到右依次排列成一维阵列。进一步地，本专利技术部分反射镜其反射率根据对应的巴条不同而不同。通过合理设置各部分反射镜的反射率Ri，可以实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。如各部分反射镜的反射率Ri可以按照Ri＝1/i,i＝1,2...n进行分配，即第1部分反射镜的反射率R1为100％，第2部分反射镜的反射率为50％，第3部分反射镜的反射率为33％，……，第n部分反射镜的反射率为1/n。设各巴条自由运转输出功率为P(通常在～100W量级)。由于第1部分反射镜的反射率R1为100％，第1巴条没有对应的出射激光。除第1巴条位置处无出射激光以外，对于第2巴条，第3巴条……第n巴条各自对应位置处的出射激光功率Pi，有在反射率Ri＝1/i的情况下通过计算可以得到：Pi＝P，i＝2,3,...,n，即除第1巴条位置处无出射激光以外，其余各个巴条对应位置处的出射激光功率均为P。入射至色散光学元件的激光总功率Pin，其表达式为在反射率Ri＝1/i的情况下得到：Pin＝P。由于色散光学元件的衍射效率Rdiffractive～100％，色散光学元件其衍射功率Pdiffractive＝Pin＝P，此时色散光学元件的反馈回光Pdiffractive被各部分反射镜Ri分别反馈回各自对应的巴条内，对应于各个巴条的衍射回光功率分别为带入各个巴条对应的各部分反射镜的反射率Ri得到各个巴条的衍射回光功率：Pri＝P×10％，i＝1,2,...,n，即各个巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构，其外腔反馈能量比例为各单个巴条自由运转时输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件；/n半导体激光阵列包括呈一维阵列分布的n根巴条，依次分别为第1巴条、第2巴条…第n巴条，n≥2；各巴条发射出的激光分别依次输入对应的光束整形系统和部分反射镜，与第1巴条、第2巴条…第n巴条对应的部分反射镜分别为第1部分反射镜、第2部分发射镜……第n部分发射镜，n个部分反射镜呈一维阵列分布，n个部分反射镜的发射光路在同一直线上；色散光学元件设置在第n部分反射镜的反射光路上。/n

【技术特征摘要】
1.高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件；
半导体激光阵列包括呈一维阵列分布的n根巴条，依次分别为第1巴条、第2巴条…第n巴条，n≥2；各巴条发射出的激光分别依次输入对应的光束整形系统和部分反射镜，与第1巴条、第2巴条…第n巴条对应的部分反射镜分别为第1部分反射镜、第2部分发射镜……第n部分发射镜，n个部分反射镜呈一维阵列分布，n个部分反射镜的发射光路在同一直线上；色散光学元件设置在第n部分反射镜的反射光路上。


2.根据权利要求1所述的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：n束激光分别经对应的光束整形系统进行准直，实现激光束的平行输出；从各光束整形系统输出的平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经反射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，各激光束中的另一部分光经部分反射镜透射出去，透射光则为半导体的最终输出激光；色散光学元件的衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。


3.根据权利要求2所述的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：通过对所述色散光学元件进行温控即可精确调节并锁定半导体激光阵列的输出中心波长；通过设计各部分反射镜的反射率Ri，能够实现各个巴条对应位置处的出射激光功率的调整。


4.根据权利要求1所述的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：所述半导体激光阵列中的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；
当n根巴条采用垂直堆叠时，那么从上到下，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从上至下依次排列成一维阵列；
当n根巴条采用水平堆叠，那么从左到右，依次为第1巴条，第2巴条……第n巴条，n组光束整形系统以及n个部分反射镜同样的均从左到右依次排列成一维阵列。


5.根据权利要求1所述的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置，其特征在于：各部分反射镜的反射率Ri可以按照Ri＝1/i,i＝1,2...n进行分配，即第1部分反射镜的反射率R1为...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨子宁，赵晓帆，王红岩，华卫红，许晓军，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43