半导体激光器相干合束技术（特邀）

大功率高光束质量半导体激光器在激光加工、激光通信、科学研究等方面有着广泛的应用,提高半导体激光器的功率和光束质量一直都是国际的研究前沿和学科热点。合束技术是提高半导体激光器输出功率最简单有效的方法。非相干合束技术提高输出功率往往以损失空间、偏振或光谱特性为代价,在对光束特性要求不高的场合应用较为成熟。相干合束技术在提高半导体激光器输出功率的同时还能提高光束质量、压窄频谱宽度,是高亮度窄线宽半导体激光技术发展的重要方向。本文简述了相干合束技术的原理及要求,从锁相技术出发,综述了半导体激光器相干合束技术近年来的发展现状,总结了主动锁相和被动锁相的优缺点,主动锁相技术采用主振荡放大结构通过相位负反馈技术实现锁相,在合束单元数量上具有优势,能获得大功率相干输出,但结构较为复杂。被动锁相技术结构简单,一般通过外腔的衍射效应或者共腔技术实现单元间的相位锁定,具备自组织锁相特点,但不易获得高功率输出。最后对半导体激光器相干合束技术的未来发展进行了展望。     

千瓦级高光束质量半导体激光线阵合束光源

低光束质量严重限制了大功率半导体激光器的应用,为了满足日益增长的工业和国防领域应用需求,发展兼具高功率和高光束质量激光输出的半导体激光光源具有重要意义。采用线阵合束方式集成20个传导热沉封装半导体激光单元,结合斜45°柱透镜阵列整形方法和准直技术,直接均衡激光束快慢轴方向的光斑和发散角,通过波长合束和偏振合束,研制出一种可实用化、连续输出功率1030W、快慢轴方向光参量积分别为18.3mm.mrad和17.7mm.mrad、最大电-光转换效率44%的808nm和870nm双波长半导体激光合束光源,实现了高效率、高功率和高光束质量激光输出,可作为直接光源应用于工业和国防领域。     

半导体激光器叠阵无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,亮度和功率得到很大提高。基于两个半导体激光器短阵列叠阵,进行了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束实验研究,实现了12个半导体激光器短阵列的光谱合束。分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量,在70 A的抽运电流下,连续输出功率为578 W,光谱带宽为10.26 nm,电光转换效率46.5%。     

半导体激光器光栅外腔光谱合束技术研究进展

半导体激光器由于受波导结构和芯片封装等因素的限制,其快慢轴方向上的光束质量差距较大,主要用作抽运源,即被当成亮度转换器使用,很难作为高亮度光源直接应用。介绍了提高输出光功率密度和输出光束质量的非相干合束技术——光栅外腔反馈光谱合束技术,以及近几年来的国内外的发展现状,梳理了半导体激光器外腔光谱合束技术发展的若干重要动向,为以后半导体激光器光谱合束技术的发展提供了参考。     

半导体激光合束技术及应用

半导体激光的高效率、长寿命、小体积和轻量等优点使其具有广泛的应用前景。但受光束质量的限制,半导体激光很难作为直接光源应用在对功率、光束质量和亮度均有高要求的领域。国际上半导体激光合束技术的发展非常迅速,千瓦量级已接近并达到全固态激光器的水平。介绍和总结了该实验组近年来在大功率半导体激光合束方面的研究进展,包括采用常规激光合束技术和新型的光栅外腔光谱合束技术,百瓦量级实现了3~5mm.mrad光束质量输出,千瓦量级实现了光纤输出和直接输出光源,光束质量的提高使得半导体激光可作为直接光源应用于工业和国防领域,并将发挥重要作用。     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

大功率半导体激光光源光束整形技术研究

光束质量是半导体激光器应用的最大瓶颈,但是可以利用光束整形技术加以改善。随着半导体激光合束技术的发展,半导体激光光束质量的提高,由于其在效率方面的优势,大功率半导体激光技术得到迅速发展。采用连续输出60 W,转换效率达到57%的880 nm大功率半导体激光bar条,组成20层的半导体激光叠阵,输出功率达到1183 W,通过快慢轴准直及光束整形提高激光器的光束质量,最终实现1 kW功率输出,电-光转换效率超过45.8%,光束质量达到79.3 mm.mrad×81.2 mm.mrad。从而使半导体激光器可直接应用于熔覆、表面硬化等领域。     

高功率高亮度半导体激光器合束进展

半导体激光器体积小、效率高,但单元输出功率低、光束质量差限制了其应用。介绍了提升半导体激光器功率及光束质量的最新进展,对各种技术途径和实验结果进行了综述报道,并具体介绍了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来在高亮度半导体激光器芯片及合束方面取得的进展。     

基于反射式Bragg体光栅的密集光谱合束数值模拟研究

基于反射式布拉格(Bragg)体光栅(VBG)的密集光谱合束是实现半导体激光器光纤耦合向高亮度发展的重要手段,建立了同时考虑发散角、光谱带宽、Bragg波长偏移量和Bragg角度偏移量的反射式VBG衍射效率计算模型。基于新建立的计算模型,提出了半导体激光器(DL)光纤耦合模块双波长合束的反射式VBG参数优化方法。结果表明:在优化选择的VBG参数下,DL光纤耦合模块双波长合束在满足入射光束(衍射效率大于90%的发散角14mrad,半峰全宽为0.3nm)中心波长偏移小于±0.49nm,入射角度相对于Bragg角偏移小于±16mrad的条件下,可达到大于98.7%的合束效率。     

大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术

利用阶梯反射镜整形技术和偏振合束及波长合束技术成功将两只波长为808nm和两只波长为980nm的40W大功率半导体激光器光束进行混合,最后得到输出功率为95.8W、耦合效率为60%的双波长大功率半导体激光列阵单光纤耦合模块,光纤芯径为400μm,数值孔径为0.22.     

大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术

利用阶梯反射镜整形技术和偏振合束及波长合束技术成功将两只波长为808nm和两只波长为980nm的40W大功率半导体激光器光束进行混合,最后得到输出功率为95.8W、耦合效率为60%的双波长大功率半导体激光列阵单光纤耦合模块,光纤芯径为400μm,数值孔径为0.22.     

基于外腔光谱合束的650 nm半导体激光器EI北大核心CSCD

高功率650~660 nm波段激光器在可见光光电对抗领域具有重要作用,目前该波段光源由固体激光器通过半导体激光器泵浦并倍频输出,输出功率高、光束质量近衍射极限,但转换效率低。半导体激光器的转换效率高,但输出功率低,需要通过增加激光单元的方法提升功率,并通过激光合束的方式提升光束质量。文中提出外腔光谱合束的650 nm波段半导体激光器结构,通过实验验证可实现连续功率为7.3 W、光谱线宽为6.45 nm、电光转换效率为23.4%的650 nm波段激光输出,光束质量为M_(X)^(2)=1.95,M_(Y)^(2)=11.11,接近固体激光器,未来通过增加合束的激光单元数量并结合偏振合束可以获得更高功率的650 nm波段激光。     

三波长合束高亮度半导体激光光源

半导体激光器以其突出的优点具有广泛的应用前景,但受光束质量限制,使其很难作为直接光源应用在对功率和光束质量均有较高要求的领域。采用斜45°柱透镜阵列光束整形技术、自偏振合束技术和三波长合束技术,将3种波长的8个半导体激光阵列合束,研制出一种连续功率为500 W、电光转换效率为39.5%、光参量积为12.44mm.mrad、亮度为42.8MW/(cm2.sr)的半导体激光光源,可作为直接光源应用于工业和国防等领域。     

多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105W/cm2.     

半导体激光器列阵器件光束复合研究

文中针对半导体激光器列阵的波长复合和偏振复合技术开展了设计和实验研究。首先利用半导体材料波长易调节的特点,设计了AlGaInAs/GaAs/AlGaAs压应变量子阱结构,得到了760nm、800nm、860nm、930nm、976nm五个波长激射的半导体列阵激光器,同时设计了四个短波通滤波片参数,开展了半导体列阵激光器的多波长光束复合技术的实验研究;其次利用1/2波片和偏振复合棱镜将两束不同偏振状态的光束进行了复合,并设计了光束聚焦系统。最终实现了5个波长,10条半导体激光器列阵的光束复合,得到了196W的激光功率输出,总体效率为76%,其中,波长复合效率可以达到92.4%,输出聚焦光斑尺寸为144μm×1 330μm,聚焦光功率密度达到1.02×105W/cm2,与单条半导体激光器列阵相比,合束光的光功率密度提高了4.3倍。     

基于光谱合束的双波长输出Nd:YAG固体激光器

报道了一种基于光谱合束的Nd:YAG固体激光器双波长光源。系统由两个固体Nd:YAG脉冲激光器通过光谱合束组合而成,两个固体Nd:YAG脉冲激光器可独立工作,有利于输出脉冲的波长调谐、功率调节和相对延迟调整。通过光栅的色散特性以及输出镜的共同外腔反馈将各个激光器锁定在不同波长,从而实现合束,获得的激光源中心波长锁定在1 061.5 nm和1 064.6 nm,两谱线中心间距为3.1 nm,组合光束的输出能量为173 mJ,组合光束的光束质量因子M²为2.8×2.2;两个Nd:YAG激光器独立工作的输出能量分别为94 mJ和92 mJ,在合束方向上的光束质量因子M²分别为2.7和2.1,在非合束方向上的光束质量因子M²分别为2.2和1.9;组合光束的输出能量为两个Nd:YAG激光器能量总和的93%,组合光束的光束质量因子与单个Nd:YAG激光束的光束质量因子M²基本相同。该双波长激光源满足波长间隔小、输出功率大小相近、同光轴等要求,在太赫兹波产生、测速激光雷达以及医疗仪器等应用领域具有重要作用。     

双波长高功率半导体激光器波长耦合技术

介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计耦合器件,自行设计了光学系统对光束进行扩束聚焦,通过实验将808nm和980nm两半导体激光迭阵光束通过此技术进行合束,最终实现更高功率输出,耦合效率为80%,光斑大小为2mm×2mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合。     

半导体激光器双波长光纤耦合模块的ZEMAX设计

为了发挥单管半导体激光器的优势,获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出,利用ZEMAX软件仿真模拟,设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm,输出功率为15 W的单管半导体激光器,经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后,耦合进芯径200 m、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示,光纤输出功率467.46 W,光纤前后耦合效率大于98.47%,总耦合效率高于97.39%,光功率密度高于12.86 MW/（cm2sr）,达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构,并结合ANSYS软件进行散热模拟分析,结果显示该模块散热性能良好,可行性较高。     

光纤激光器光谱合束技术综述

对实现高功率、高光束质量输出的光纤激光器光谱合束技术进行了综述。针对体布拉格光栅合束和多层介质膜光栅合束两种技术方案进行介绍,从合束原理、高功率窄线宽光纤激光器单元、光栅器件以及合束方案等方面进行分析。同时,针对近年来国内外在光纤激光光谱合束技术领域的发展也进行了归纳性的介绍。     

连续波量子级联激光器高效率光束合成

为获得能满足实际需要的高光功率输出,可以将已经成功应用于近红外波段半导体激光器的合束技术移植到量子级联激光器。讨论了量子级联激光器件的共水平面布局设计,这种设计有利于实现稳定可靠的室温连续工作;在量子级联激光器单管器件整形实验中,获得了光束质量因子M2优于2.3的准直光束;在高效率光束合成的实验中获得了85%的合束效率。