半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束技术研究

发布时间：2020-07-10 02:52

【摘要】：半导体激光器在固体激光器泵浦、显示和材料处理等许多应用中起着重要作用。对半导体激光器输出光束进行合束,常用的合束方法有空间合束、偏振合束和光谱合束。其中只有光谱合束(Spectral Beam Combination,SBC)能够在保持输出光束与单个发光单元光束质量相当的情况下,将亮度提高数倍,因而逐渐成为研究热点,并取得了一些较大突破。近年来,Teradiode公司利用光谱光束合成技术使的半导体激光器输出功率达到了数千瓦级。本论文主要围绕半导体激光器的波分复用合束技术之一——光谱合束展开研究。设计了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束的研究方案,研制了高功率、高光束质量、高亮度的光谱合束直接输出半导体激光光源。具体工作内容如下:1)梳理了近几年来国内外半导体激光器光谱合束技术发展的最新重大成果和在发展高功率高亮度直接应用半导体激光光源方面极具有潜力的波分复用合束技术。将半导体激光器的波长合束、光谱合束(密集光谱合术和粗谱合束)、波分复用统一为波分复用合束技术,总结了半导体激光器波分复用合束技术中所用的波长锁定和复用元件的发展现状,总结了目前已经商业化的光谱合束直接输出光源。2)以提高光谱合束输出功率、合束效率和光束质量为目的,分析了输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,设计了无输出耦合镜外腔光栅光谱合束结构,对该结构的反馈光束和输出光束组成进行了分析阐述,并得到了其等效外腔结构。3)分析了半导体激光器外腔波长锁定的原理及过程,并就光栅外腔光谱合束中,外腔结构参数与外腔反馈耦合带宽进行了简要分析,分析了外腔耦合带宽与半导体激光器波长锁定后残余线宽的关系。4)分析了光栅光谱合束的原理,根据光栅色散特性,以光栅刻线1600条/mm,光栅Littrow角aLittrow=51.33°@976nm为例,建立了光栅的波长-角度对应系统。根据所建立的波长-角度对应系统,分析了光栅外腔结构里半导体激光器阵列条上发光单元间隔、变换柱透镜焦距、光栅周期和光栅Littrow角等参数对合束输出光谱的谱峰间隔、输出谱宽等的影响。分析了导致光栅外腔光谱合束输出光束质量劣化的主要原因—残余光谱线宽、发光点间串扰和阵列条“smile”效应。5)进行了所用的波长976nm、9个发光点半导体激光短阵列条的测试,并进行了单阵列条无输出耦合镜光谱合束验证实验。实现了 70A工作电流下40.8W的输出功率,验证了无输出耦合镜光栅外腔结构的可行性。6)基于单阵列条的验证实验,设计了 6个阵列条快轴方向堆栈成叠阵,两叠阵进行空间合束之后进行光谱合束的高功率直接输出半导体激光光源的研制方案,研制了一套输出功率578W,电光效率46.5%,快轴和慢轴光束质量分别为BPPFA=7.35mm·mrad、BPPSA=6.03mm mrad(包含95%能量),空间亮度为132.14MW/(cm2· sr),光谱亮度为12.88MW/(cm2·sr·nm)的直接输出光源。
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN248.4
【图文】：

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１．２光谱合束国内外发展现状逡逑１．２．１波分复用合束技术分类逡逑图１．１为光束合束原理示意图。如图１．１（ａ）所示的空间合束，光束的空间堆叠能够成逡逑倍提高输出功率，输出功率与合束单元数量成正比，即逡逑Ｐ邋＝邋ＮＰ０逦（１－１）逡逑式中为Ｐ合束后光功率，＃为合束单元数量，为合束单元光功率。合束后光参数积随逡逑合束单元数量增大而增大，可表示为逡逑ＢＰＰ邋＝邋Ｎ0）Ｏ０Ｏ逡逑式中５ＰＰ为合束后光参数积，％为合束单元束腰半径，成为合束单元光束发散角。合逡逑束后亮度为逡逑Ｂ逦（１－３）逡逑ＢＰＰ邋ＡＱ逡逑式中Ｊ为合束后发光面积，Ｑ为光束空间角，５为合束后亮度，可见空间合束中亮度不逡逑随合束单元数量增加而增大［１８］。逡逑（ａ）空间合束逦（ｂ）波分复用合束逡逑图１．１合束原理示意图逡逑如图１．１（ｂ）所示，波分复用将两个或更多半导体激光器出射光束合成一束，其中每逡逑束光束具有不同波长，能够同时使功率和亮度成倍增加，而保持光参数积不变［￥。从合逡逑束的波长间隔来看

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逑Ｏ．ｌｍｎ？ｌｎｍ范围内，这样才能够在总线宽不变的情况下，将更多束不同波长的光进行合逡逑束，达到提高亮度的目的，如图１．２所示逡逑ｉｔ邋，邋ａ＞．邋＾逦ｊ邋ｙ邋ｊ逡逑ｉｉｉｉｉ邋ｉｎ逡逑Ｙ逦逦逦逡逑人逦Ｓｌｏｗ邋ａｘｉｓ逡逑图１．２密集波长合束原理示意图逦图１．３啁啾波长锁定示意图逡逑半导体激光器波分复用技术中常用啁啾波长锁定，使每一个发光单元在不同的波长逡逑下激射，如图１．３所示每种颜色代表一种波长这类波长锁定可以用啁啾体布拉格光逡逑栅、平面衍射光栅和陷波滤波器等器件来实现。逡逑在一个半导体激光器波分复用系统中，波长锁定和波分复用是两个必不可少的部分，逡逑从实现途径来看通常有两种方式。一种是波长锁定和波分复用分开进行，用来波长锁定逡逑的色散元件通常置于外腔中或集成在半导体激光器内部来提供反馈，例如分布反馈半导逡逑体激光器、分布布拉格反馈半导体激光器，之后再用滤波器或色散光栅将不同波长的子逡逑束进行合束［２（）－２４］

耦合镜,外腔,光谱,结构示意图

■邋一逦＾逡逑ｇｒａｔｉｎｇ逡逑ｏｕｔｐｕｔ邋ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑图１．４邋ＴｅｒａＤｉｏｄｅ公司波长合束结构示意图逡逑该合束结构中衍射光栅同时作为波长选择元件和合束元件，存在严重的互锁问题。逡逑互锁是同时进行波长锁定和复用的外腔结构的寄生效应，是指从一个发光点反馈回腔面逡逑的光，会对另一个发光点产生干扰，这种光反馈会导致额外的纵模并大大降低复用效率。逡逑ｍｉｒｒｏｒ／ｏｕｔｐｕｔ逡逑ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑ｆ逡逑ｏｐｔｉｃｓ逦／逦ｏｐｔｉｃｓ逡逑ｂａｒ／ｓｔａｃｋ邋１逦／ｆ逦＊＊＾＊？＾＾！邋邋＾逡逑ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ邋Ｉ逦ｍｉｒｒｏｒ逡逑ｅｌｅｍｅｎｔ邋Ｉ逡逑／邋ｏｕｔｐｕｔ逡逑？邋ｂｅａｍ逡逑图１．５无输出耦合镜外腔光谱合束结构示意图逡逑为进一步提高输出功率和转换效率，ＴｅｒａＤｉｏｄｅ还提出了一种无输出z1合镜外腔逡逑（Ｃｏｕｐｌｅｒ－Ｆｒｅｅ邋Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）波长合束结构，如图１．５所示［３７’３８］。传统ＷＢＣ结构中利用输出逡逑＿合镜反射一部分输出光作为反馈来对发光单元进行波长锁定，在Ｃｏｕｐｌｅｒ－Ｆｒｅｅ逡逑Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ结构中，利用两个０°全反镜将衍射光栅透射光的一部分反馈回发光单元进行逡逑波长锁定

【参考文献】