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%。     

窄光谱高亮度半导体激光器光栅-外腔光谱合束实验研究

光栅-外腔光谱合束是基于光栅的波长选择特性和外腔的反馈,使得半导体激光阵列(DLA)中的每个发光单元锁定在不同的波长,并保持每个发光单元输出光束在近场和远场重合,实现光谱合束后输出光束质量与单个发光单元的光束质量保持一致,极大地改善了输出光束的光束质量。实验采用发光单元宽度为100μm、周期为500μm,由19个发光单元组成的常规CM-Bar条进行光栅-外腔光谱合束技术实验,在连续运行最大注入电流为70 A,获得了44.9 W的连续激光输出,快慢轴的光束质量分别为1.52 mm·mrad和5 mm·mrad,合束后的电光转换效率为36%,输出光斑亮度约为36.92 MW/cm2-str,光谱展宽为3.24 nm,合成输出激光可以被耦合进入50μm芯径、数值孔径(NA)0.22的光纤中,作为高亮度激光抽运源或直接半导体激光光源使用。     

二极管激光光谱合束技术实验研究

为了研究基于光栅-外腔的二极管激光阵列光谱合束,利用存在离轴像差情况下耦合效率模型,数值模拟了系统各参量对耦合效率的影响,可知耦合效率随着离轴距离和横模阶次增加而下降;单个单元将被压窄至0.05nm。应用光栅-外腔实现了单条二极管激光阵列光谱合束,获得了10.1W的连续输出,斜效率为0.45W/A,慢轴方向光束质量因子Mx2=17.6,整个阵列的光谱被展宽到15nm,单个单元的线宽被压窄到0.1nm。结果表明,光谱合束能改善二极管激光阵列的光束质量,压窄单个单元的线宽。     

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。     

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。     

无输出镜外腔光谱合束结构对反馈效率的影响

半导体激光阵列无输出耦合镜外腔光谱合束技术利用光栅的0级和1级衍射光束反馈实现发光单元的波长锁定,避免了0级和1级衍射光束的转储和浪费,可以获得高的合束效率。因此,0级和1级衍射光束的反馈量高低就会决定外腔波长锁定的稳定性,进而影响合束后光束质量的高低甚至光谱合束的成败。针对此种结构,理论研究了两外腔长度、望远镜滤波结构及"Smile"效应对0级和1级衍射光束反馈效率的影响,结果表明：(1)外腔长度会影响反馈功率以及串扰程度;(2)望远镜滤波结构可以有效滤除大偏角杂散光束以及使光束正确反馈回原发光单元;(3)"Smile"效应的程度对反馈效率以及输出光束质量影响尤为严重,需要采取措施进行抑制。     

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。     

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。     

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。     

光纤激光器外腔型光谱组束研究

实验研究了两路光纤激光器外腔反馈型光谱组束(SBC),采用透射式衍射光栅作为组束元件,实现了1060nm波长激光与1080nm波长激光的光谱组束输出。输出光束组束方向光束质量为1.328,非组束方向光束质量为1.257,组束输出功率为57.3 W,光-光效率为91.7%。采用该组束方案可以降低单路激光器线宽的要求,同时验证了多路激光进行组束的可行性,通过增加组束光束个数可以进一步提高组束输出功率。     

光纤激光频谱组束技术的研究进展

光纤激光频谱组束是实现大功率、高质量光纤激光输出的有效手段。综述了光纤激光频谱组束技术的最新进展情况,介绍了光栅外腔频谱组束、MOPA结构频谱组束、PTR布拉格光栅频谱组束以及二维阵列的相干和谱组束等方案的基本原理和研究现状,比较分析了各种组束方案的优缺点,最后对频谱组束发展中存在的问题进行了探讨。     

单瓣近衍射极限输出的带外腔半导体激光器

实验研究了带外腔反馈注入的宽接触条形激光器，并用光线传输矩阵分析了该外腔结构。利用闪耀光栅及耦合输出反射镜对表面未镀增透膜的半导体激光器构成外腔，选择一定模式的激光反馈注入回激光器，从而限制了其他模式在半导体激光器内的振荡，压缩了激光器输出激光的光谱宽度。当激光器驱动电流为2．7倍阈值电流时，获得230mW输出功率，0．6nm谱宽，单瓣近衍射极限的激光输出。用一平面镜代替光栅作为外腔反射镜，获得了320mW输出功率，1．5nm谱宽的单瓣近衍射极限的激光输出。     

浅析元件参数对外腔半导体激光器输出谱宽影响

半导体抽运碱金属蒸气激光器（DPAL）需大功率窄线宽泵浦源,但市售半导体激光器输出线宽远远大于碱金属原子吸收谱宽,难以实现有效泵浦,因此需采用Littrow 外腔法压窄半导体激光器输出谱宽。Littrow 外腔系统中元件参数的选择直接影响大功率半导体激光器输出谱宽。为此文中沿入射光线方向构建外腔压窄模型,利用球面镜替代柱面镜,分析了微柱透镜阵列、光学系统和光栅元件对外腔输出谱宽的影响,模拟结果为微柱透镜阵列焦距越小、光栅刻线越密、球面镜焦距越大,外腔输出谱宽越窄,实验结果符合理论模型。     

双体光栅外腔二极管激光器光谱特性研究

为了研究双体布喇格光栅外腔二极管激光器的衍射特性,采用一块体布喇格光栅与一块横向啁啾体布喇格光栅组成双体布喇格光栅,理论分析了组合前后体布喇格光栅的衍射特性,实验研究了双体布喇格光栅外腔二极管激光器的输出光谱特性。结果表明,在双体布喇格光栅外腔反馈的作用下,可以实现双波长同时输出,通过横向移动横向啁啾体布喇格光栅,可以在保持其中一个中心波长不变的情况下,使另外的一个波长在800nm~815nm的范围内线性调谐。此研究为基于双体布喇格光栅实现双波长输出的大功率二极管激光器提供了实验指导。     

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.     

体布拉格光栅反射率对外腔半导体激光阵列输出光谱的影响

采用记录在光致热敏折射率玻璃中的反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光阵列,对其输出光谱特性进行了实验研究,分析了快轴准直透镜的位置对外腔反馈耦合效率的影响。实验结果表明,在体布拉格光栅外腔反馈作用下,半导体激光阵列输出光谱中心波长得到锁定,同时输出线宽显著变窄。重点研究了体布拉格光栅的反射率对外腔反馈半导体激光阵列输出光谱特性以及激光器效率的影响。实验结果表明,体布拉格光栅反射率的增加可提高半导体激光阵列内腔模式的抑制效果,提高输出光谱对比度,减小输出光谱线宽。使用反射率为30%的体布拉格光栅,可将半导体激光阵列的输出波长锁定在808nm附近,输出光谱线宽压缩至0.18nm。外腔半导体激光器的输出功率达24.8W,效率为82.6%。     

Wavelength Selector External Cavity Laser Diode by Fiber Switch

A Fabry–Perot laser diode coupled to a single-mode fiber Bragg grating has the ability to emit a single longitudinal mode. In this paper a wavelength selector source based on a mechanical fiber switch used to change the Bragg grating in front of the laser diode is investigated. The external laser wavelength is changed. Critical coupling exists between the two fiber ends of the switch, which leads to the creation of a parasitic cavity inside the laser cavity. The aim of this work is to optimize the coupling ends of a single-mode fiber switch with respect to coupling efficiency and afterward measure the laser output power variation and spectrum to check their optical feedback characteristics on the relative intensity noise. Typical emission performance is a power of −2.5 dBm with a SMSR of 43 dB and a RIN of −146 dB/Hz.     

用于光纤激光器光谱组束的外腔反馈研究

为了解决光纤激光器外腔光谱组束中存在像差以及发光单元反馈不足等问题,采用将组束系统中单个传输透镜准直和聚焦功能分离的方法,搭建了光纤激光外腔反馈系统,实现了激光波长的锁定。结果表明,该系统光光转换效率为91.5%,反馈输出线宽为0.16nm,输出功率为29.7W,组束方向M2=1.241,非组束方向M2=1.171,实验结果同理论分析相符。该外腔反馈方案可以应用于光纤激光器光谱组束。     

光纤激光外腔频谱组束的实验研究

实验中采用激光二极管作为泵浦源、大模面积Er3+Yb3+共掺双包层光纤作为增益介质,利用傅里叶变换透镜、闪耀光栅和输出耦合镜组成的外腔结构,实现了两路Er3+Yb3+共掺双包层光纤激光器的频谱组束。在单路光纤激光器的最大输出功率为520 mW和545 mW、光栅衍射效率为80%的条件下,获得了690 mW的组束功率,组束效率为65%,同时对组束激光的光束质量进行了评估。测得水平和垂直方向的光束质量因子分别为M2x=1.592,M2y=1.335。