[发明专利]用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置

说明书

技术领域

本发明属于半导体激光技术领域，尤其涉及一种用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置。

背景技术

碱金属蒸汽激光器(DPAL)是以碱金属原子饱和蒸汽作为增益介质，利用其外层价电子能级跃迁实现激光作用的典型的三能级气体激光器，具有量子效率高、气体介质可循环流动散热、近红外原子谱线大气透过性好、全电操作、结构紧凑等特点，可克服大功率气体激光器体积重量庞大、固体激光器热效应严重、半导体激光器光束质量较差等问题，近年来，DPAL受到越来越多的关注和研究，有望发展成为新一代高能激光光源。

碱金属原子吸收波长和高功率半导体激光器发射波长之间的关系如图1所示，Na、K、Rb、Cs分别对应589.3nm、671.0nm、766.3nm、780.0nm和852.2nm，目前高功率半导体激光器覆盖的波长范围为750nm～1100nm，可以满足K、Rb和Cs原子的泵浦要求，因此现阶段主要针对钾、铷和铯蒸汽激光器展开研究。

为了获得好的泵浦效果，泵浦光源的光谱与碱金属蒸汽的吸收光谱严格匹配。而根据碱金属蒸汽激光器能带跃迁原理，它的吸收谱宽非常窄(碱金属原子的多普勒线宽只有0.001nm)，即使在充入高压缓冲气体后，吸收谱宽也仅为数十GHz(0.05nm量级)，如图2所示，模拟分析不同压力下，碱金属Cs蒸汽输出功率与泵浦源线宽的关系：随着线宽的增加，输出激光功率急剧下降。因此要求泵浦光源：激光功率高、光谱线宽窄、激光波长与吸收波长匹配。而自由运转的半导体激光器线宽通常在2-4nm。因此为了将半导体泵浦源的发射谱与碱金属原子的吸收谱相匹配，必须压窄半导体激光泵浦源输出线宽，并使其中心波长稳定。

目前市场上的高功率、窄线宽半导体激光源主要采用反射式体布拉格光栅(VBG)外腔反馈实现，VBG是一种通过激光全息技术，在光热敏折变玻璃上的一个特定方向上实现折射率周期性调制的光栅,它对特定波长、特定角度入射的光束具有选择衍射作用。如反射式的VBG，当光束沿着特定方向传播并满足布拉格条件时，VBG会选择特定波长范围的光束反射，利用该种方式，将该VBG置于准直后的半导体激光芯片前方，与激光芯片构成谐振腔，在VBG选择性反馈作用下，激光器的波长就被稳定在特定波长处。

为了使各个半导体激光单元输出激光中心波长完全一致，考虑到VBG本身的差别，VBG结构对每一个VBG配备独立温控，以此调节VBG的衍射波长，从而控制每个激光器的谐振波长，达到输出波长一致的目的。但是我们也不难发现该结构中每个半导体激光器前端都需配备独立的VBG，这使得光源的成本非常高。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置，该装置利用窄带滤光片的光谱选择特性和光谱-角度调谐特性，通过外腔反馈筛选振荡激光模式，获得中心波长可调谐和光谱线宽窄的激光输出。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置，该装置包括：半导体激光器、准直组件、窄带滤光片和外腔镜；半导体激光器输出光束经过准直组件准直，然后以一定角度θ入射到窄带滤光片，经过窄带滤光片后，再入射到外腔镜，一部分光束经过外腔镜前表面反射，沿原路返回，依次经过窄带滤光片和准直组件，返回到半导体激光器内，通过半导体激光器后腔面反射，再次经过准直组件、窄带滤光片和外腔镜；另一部分光束经过外腔镜直接输出。

本发明的有益效果是：1)结构简单，本发明采用单片窄带滤光片实现多个激光单元的光谱调节和窄化，无需独立温控，无论从装调还是系统控制方面都具有明显优势；2)制造成本低，相对于需要做特殊结构的VBG，窄带滤光片直接在平面玻璃基底上镀多层介质膜即可实现，生产工艺相对简单易行；3)元件激光损伤阈值更高，相对于光栅需要进行刻蚀存在缺陷，容易被高能激光打坏，窄带滤光片的表面光洁度高，可满足高功率激光的功率应用；4)光谱调谐方便，直接旋转窄带滤光片的入射角度即可，无需另外的加热控制。基于上述优势，本专利发明技术对于高性能的碱金属蒸汽激光器的发展具有重要推动作用。

附图说明

图1碱金属原子泵浦波长和半导体激光器波长覆盖范围关系。

图2不同压力下，碱金属Cs蒸汽输出功率与泵浦源线宽的关系。

图3本发明用于碱金属蒸汽激光器泵浦的半导体激光光源输出装置结构示意图。

图4本发明窄带滤光片在入射角时的光谱曲线。