用于堿金屬蒸汽激光器泵浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]堿金屬蒸汽激光器(DPAL)是以堿金屬原子飽和蒸汽作為增益介質(zhì)，利用其外層價(jià)電子能級(jí)躍迀實(shí)現(xiàn)激光作用的典型的三能級(jí)氣體激光器，具有量子效率高、氣體介質(zhì)可循環(huán)流動(dòng)散熱、近紅外原子譜線大氣透過性好、全電操作、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，可克服大功率氣體激光器體積重量龐大、固體激光器熱效應(yīng)嚴(yán)重、半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量較差等問題，近年來，DPAL受到越來越多的關(guān)注和研究，有望發(fā)展成為新一代高能激光光源。
[0003]堿金屬原子吸收波長和高功率半導(dǎo)體激光器發(fā)射波長之間的關(guān)系如圖1所示，Na、K、Rb、Cs 分別對(duì)應(yīng) 589.3nm、671.0nm^766.3nm、780.0nm 和 852.2nm，目前高功率半導(dǎo)體激光器覆蓋的波長范圍為750nm?llOOnm，可以滿足K、Rb和Cs原子的栗浦要求，因此現(xiàn)階段主要針對(duì)鉀、銣和銫蒸汽激光器展開研究。
[0004]為了獲得好的栗浦效果，栗浦光源的光譜與堿金屬蒸汽的吸收光譜嚴(yán)格匹配。而根據(jù)堿金屬蒸汽激光器能帶躍迀原理，它的吸收譜寬非常窄(堿金屬原子的多普勒線寬只有0.0Olnm)，即使在充入高壓緩沖氣體后，吸收譜寬也僅為數(shù)十GHz (0.05nm量級(jí))，如圖2所示，模擬分析不同壓力下，堿金屬Cs蒸汽輸出功率與栗浦源線寬的關(guān)系:隨著線寬的增加，輸出激光功率急劇下降。因此要求栗浦光源:激光功率高、光譜線寬窄、激光波長與吸收波長匹配。而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器線寬通常在2-4nm。因此為了將半導(dǎo)體栗浦源的發(fā)射譜與堿金屬原子的吸收譜相匹配，必須壓窄半導(dǎo)體激光栗浦源輸出線寬，并使其中心波長穩(wěn)定。
[0005]目前市場上的高功率、窄線寬半導(dǎo)體激光源主要采用反射式體布拉格光柵(VBG)外腔反饋實(shí)現(xiàn)，VBG是一種通過激光全息技術(shù)，在光熱敏折變玻璃上的一個(gè)特定方向上實(shí)現(xiàn)折射率周期性調(diào)制的光柵，它對(duì)特定波長、特定角度入射的光束具有選擇衍射作用。如反射式的VBG，當(dāng)光束沿著特定方向傳播并滿足布拉格條件時(shí)，VBG會(huì)選擇特定波長范圍的光束反射，利用該種方式，將該VBG置于準(zhǔn)直后的半導(dǎo)體激光芯片前方，與激光芯片構(gòu)成諧振腔，在VBG選擇性反饋?zhàn)饔孟拢す馄鞯牟ㄩL就被穩(wěn)定在特定波長處。
[0006]為了使各個(gè)半導(dǎo)體激光單元輸出激光中心波長完全一致，考慮到VBG本身的差另lj，VBG結(jié)構(gòu)對(duì)每一個(gè)VBG配備獨(dú)立溫控，以此調(diào)節(jié)VBG的衍射波長，從而控制每個(gè)激光器的諧振波長，達(dá)到輸出波長一致的目的。但是我們也不難發(fā)現(xiàn)該結(jié)構(gòu)中每個(gè)半導(dǎo)體激光器前端都需配備獨(dú)立的VBG，這使得光源的成本非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，該裝置利用窄帶濾光片的光譜選擇特性和光譜-角度調(diào)諧特性，通過外腔反饋篩選振蕩激光模式，獲得中心波長可調(diào)諧和光譜線寬窄的激光輸出。
[0008]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0009]用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，該裝置包括:半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)過準(zhǔn)直組件準(zhǔn)直，然后以一定角度Θ入射到窄帶濾光片，經(jīng)過窄帶濾光片后，再入射到外腔鏡，一部分光束經(jīng)過外腔鏡前表面反射，沿原路返回，依次經(jīng)過窄帶濾光片和準(zhǔn)直組件，返回到半導(dǎo)體激光器內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光器后腔面反射，再次經(jīng)過準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；另一部分光束經(jīng)過外腔鏡直接輸出。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:1)結(jié)構(gòu)簡單，本發(fā)明采用單片窄帶濾光片實(shí)現(xiàn)多個(gè)激光單元的光譜調(diào)節(jié)和窄化，無需獨(dú)立溫控，無論從裝調(diào)還是系統(tǒng)控制方面都具有明顯優(yōu)勢；2)制造成本低，相對(duì)于需要做特殊結(jié)構(gòu)的VBG，窄帶濾光片直接在平面玻璃基底上鍍多層介質(zhì)膜即可實(shí)現(xiàn)，生產(chǎn)工藝相對(duì)簡單易行；3)元件激光損傷閾值更高，相對(duì)于光柵需要進(jìn)行刻蝕存在缺陷，容易被高能激光打壞，窄帶濾光片的表面光潔度高，可滿足高功率激光的功率應(yīng)用；4)光譜調(diào)諧方便，直接旋轉(zhuǎn)窄帶濾光片的入射角度即可，無需另外的加熱控制。基于上述優(yōu)勢，本專利發(fā)明技術(shù)對(duì)于高性能的堿金屬蒸汽激光器的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。
【附圖說明】
[0011]圖1堿金屬原子栗浦波長和半導(dǎo)體激光器波長覆蓋范圍關(guān)系。
[0012]圖2不同壓力下，堿金屬Cs蒸汽輸出功率與栗浦源線寬的關(guān)系。
[0013]圖3本發(fā)明用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖4本發(fā)明窄帶濾光片在入射角時(shí)的光譜曲線。
[0015]圖5本發(fā)明窄帶濾光片中心波長隨角度變化曲線。
[0016]圖6本發(fā)明一維功率擴(kuò)展示意圖。
[0017]圖7本發(fā)明二維功率擴(kuò)展示意圖。
[0018]圖中:1、半導(dǎo)體激光器，11、激光器后腔面，12、激光器前腔面，2、準(zhǔn)直組件，22、快軸準(zhǔn)直鏡，23、慢軸準(zhǔn)直鏡，24、擴(kuò)束組件，3、窄帶濾光片，4、外腔鏡，41、外腔鏡前表面，42、外腔鏡后表面，5、一維堆疊激光陣列，6、二維堆疊激光陣列，71、光束一，72、光束二，73、光束三，74、光束四，75、光束五和76、光束六。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0020]如圖3所示，激光器后腔面11和外腔鏡前表面41構(gòu)成激光諧振腔的前后腔面，半導(dǎo)體激光器I輸出光束一 71經(jīng)過準(zhǔn)直組件2準(zhǔn)直后，輸出準(zhǔn)直光束二 72以一定角度θ
射到窄帶濾光片3上，經(jīng)過窄帶濾光片3的選模作用，只有滿足光譜條件的光能夠透過形成光束三73，光束三73入射到外腔鏡前表面41，只有垂直于外腔鏡前表面41的光能夠被反射回到半導(dǎo)體激光器1，其他角度的光被過濾，有效返回的光束四74再次經(jīng)過窄帶濾光片3選模作用，形成光束六76，其光譜被進(jìn)一步窄化，并經(jīng)過準(zhǔn)直組件2返回到半導(dǎo)體激光器I)形成有效振蕩，外腔鏡4經(jīng)過外腔鏡后表面42輸出的光束五75形成激光輸出。在一個(gè)諧振循環(huán)周期中，需經(jīng)過三次選模作用，分別為光束三73、光束四74和光束六76，其中光束三73和光束六76均由窄帶濾光片3作用，同時(shí)進(jìn)行波長和角度的雙重篩選，光束四74為角度篩選，只有垂直入射到外腔鏡4或入射角度非常小的光才能形成有效反饋，經(jīng)過三次選模作用，從而保證光束五75的窄線寬。其中，半導(dǎo)體激光器前腔面12鍍光譜增益范圍內(nèi)反射率小于0.5%的高增透膜；半導(dǎo)體激光器后腔面11鍍光譜增益范圍內(nèi)反射率大于95%的高反膜。窄帶濾光片3為透射式的衍射光柵或?yàn)殄兌鄬咏橘|(zhì)膜的濾光片。外腔鏡前表面41鍍反射率為3%?10%的部分反射膜，后表面42鍍高増透膜，在半導(dǎo)體激光芯片光譜增益范圍內(nèi)反射率小于0.1%。
[0021]圖4為窄帶濾光片在入射角Θi對(duì)應(yīng)的透射光譜，其光譜寬度是決定整個(gè)輸出激光譜譜寬的重要參數(shù)，為了實(shí)現(xiàn)窄光譜輸出，其譜寬A λ (半高全寬)一般小于0.lnm，中心波長的透過率大于99%。
[0022]圖5為窄帶濾光片透射光譜的中心波長隨入射角度的變化關(guān)系，兩者近似呈線性關(guān)系，通過旋轉(zhuǎn)角度Θ i，調(diào)節(jié)透射光譜的中心波長，達(dá)到調(diào)諧激光光譜的目的。
[0023]圖6將半導(dǎo)體激光器I進(jìn)行一維激光合束，一維堆疊激光陣列5通過準(zhǔn)直組件2后，由共同的窄帶濾光片3及外腔鏡4可實(shí)現(xiàn)整體的激光窄化，無需對(duì)每個(gè)激光單元光譜進(jìn)行單獨(dú)控制。其中準(zhǔn)直組件2可能包括快軸準(zhǔn)直鏡22、慢軸準(zhǔn)直鏡23及擴(kuò)束組件24。
[0024]圖7將半導(dǎo)體激光器I進(jìn)行二維激光合束，二維堆疊激光陣列6通過準(zhǔn)直組件2后，由共同的窄帶濾光片3及外腔鏡4可實(shí)現(xiàn)整體的激光窄化，無需對(duì)每個(gè)激光單元光譜進(jìn)行單獨(dú)控制。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，該裝置包括:半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)過準(zhǔn)直組件準(zhǔn)直，然后以一定角度Θ入射到窄帶濾光片，經(jīng)過窄帶濾光片后，再入射到外腔鏡，一部分光束經(jīng)過外腔鏡前表面反射，沿原路返回，依次經(jīng)過窄帶濾光片和準(zhǔn)直組件，返回到半導(dǎo)體激光器內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光器后腔面反射，再次經(jīng)過準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；另一部分光束經(jīng)過外腔鏡直接輸出。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器的后腔面與外腔鏡的前表面構(gòu)成諧振腔。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器前腔面鍍光譜增益范圍內(nèi)反射率小于0.5%的高增透膜；半導(dǎo)體激光器后腔面鍍光譜增益范圍內(nèi)反射率大于95%的高反膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述窄帶濾光片為透射式的衍射光柵或?yàn)殄兌鄬咏橘|(zhì)膜的濾光片，有效透射光譜帶寬小于0.lnm，透過中心波長隨入射角Θ呈近似線性變化，中心波長的透過率大于99%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述外腔鏡前表面鍍反射率為3%?10%的部分反射膜，后表面鍍高増透膜，在半導(dǎo)體激光芯片光譜增益范圍內(nèi)反射率小于0.1%。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述半導(dǎo)體激光器為一維堆疊激光陣列或二維堆疊激光陣列。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于堿金屬蒸汽激光器栗浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置，其特征在于，所述準(zhǔn)直組件為快軸準(zhǔn)直鏡、慢軸準(zhǔn)直鏡及擴(kuò)束組件。
【專利摘要】用于堿金屬蒸汽激光器泵浦的半導(dǎo)體激光光源輸出裝置屬于半導(dǎo)體激光技術(shù)領(lǐng)域，該裝置包括：半導(dǎo)體激光器、準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；半導(dǎo)體激光器輸出光束經(jīng)過準(zhǔn)直組件準(zhǔn)直，然后以一定角度θ入射到窄帶濾光片，經(jīng)過窄帶濾光片后，再入射到外腔鏡，一部分光束經(jīng)過外腔鏡前表面反射，沿原路返回，依次經(jīng)過窄帶濾光片和準(zhǔn)直組件，返回到半導(dǎo)體激光器內(nèi)，通過半導(dǎo)體激光器后腔面反射，再次經(jīng)過準(zhǔn)直組件、窄帶濾光片和外腔鏡；另一部分光束經(jīng)過外腔鏡直接輸出。本發(fā)明無需獨(dú)立溫控，結(jié)構(gòu)簡單，光譜調(diào)節(jié)方便，對(duì)于高性能的堿金屬蒸汽激光器的發(fā)展具有重要推動(dòng)作用。
【IPC分類】H01S3/23, H01S3/0941, H01S3/227, H01S3/08
【公開號(hào)】CN105048279
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510457853
【發(fā)明人】張俊, 彭航宇, 寧永強(qiáng), 王立軍
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
【公開日】2015年11月11日
【申請(qǐng)日】2015年7月30日