[发明专利]高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法

说明书

高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法，包括半导体激光阵列、光束整形系统、部分反射镜和色散光学元件。半导体激光阵列每根巴条发射的激光分别经对应的光束整形系统进行准直后平行输出。平行激光束分别入射到对应的部分反射镜，各激光束中的一部分光被各自对应部分反射镜反射后又依次经反射光路后续的其他部分反射镜反射并最终入射至色散光学元件，1其衍射光沿原路返回，经由各部分反射镜的反射分别再次入射至半导体激光阵列的每一根巴条内，各巴条以及各巴条对应的光束整形系统以及部分反光镜与色散光学元件一起形成外腔结构。该方法能够确保不同发光源出射波长的严格一致，易于实现精确波长锁定和超窄线宽光谱输出。

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种新型的高功率半导体激光阵列波长锁定与线宽压缩装置及方法。

背景技术

半导体激光器以其高电光转换效率(通常≥60％)、轻质紧凑的体积结构、宽的波段覆盖范围(0.6-2um)和可拓展的高功率输出能力(kW～100kW)，在工业、国防、科研和医疗等领域具有重要应用。

常规的半导体激光器出射激光的波长与标称具有一定的偏差(±3nm)，且中心波长会随驱动电流和温度的变化产生漂移，通常在0.2～0.3nm/A(nm/K)的范围，其典型的发射光谱线宽在3-5nm(FWHM)，上述指标一般可以满足绝大多数领域的应用需求。与此同时，诸多新兴和前沿领域的发展对半导体激光的光谱特性提出了更为苛刻的要求。在针对单发光源的毫瓦至瓦量级低功率半导体激光方面，人们已经掌握了相对较为成熟的波长锁定和线宽压缩技术，并成功应用于量子光学、激光光谱学等诸多领域。

相比之下，面向千瓦级及千瓦级以上的高功率半导体叠阵(Stack)的波长锁定和线宽压缩需求则是近年内逐步兴起，相关技术也远非成熟。如以碱金属激光为代表的高能半导体泵浦原子气体激光要求千瓦级半导体泵浦激光的发射波长精确对准原子吸收谱线(波长允许偏差±0.05nm)且具有极窄的光谱线宽(<0.1nm,FWHM)。在超极化气体肺部磁共振成像中对高功率半导体激光也提出类似的苛刻要求以实现高效的自旋极化光泵浦。即使在传统的固体和光纤激光泵浦领域，人们也希望高功率半导体激光具有尽可能小的电流和温度波长漂移系数，以确保整体激光系统具有稳定高效的运转性能。

鉴于以上需求，人们相继提出了不同的针对高功率半导体叠阵的波长锁定和线宽压缩方法，其基本原理均是利用色散光学元件与半导体增益介质形成外腔实现对光谱的有效调控。根据所采用的色散光学元件的不同，可以分为基于面光栅或者基于体光栅两类外腔结构。

对于面光栅外腔法，早期人们直接将典型的Littrow外腔结构应用于半导体阵列，虽然达到了部分预期效果，但功率损失比例过大，且仅可应用于于十至百瓦级。基于此，美国Xemed公司提出具有高外腔效率和面向高功率应用的技术方案，并计划近期实现3kW的窄线宽(<0.1nm)半导体激光应用于碱金属原子的高效泵浦，该方案虽然具有值得期待的巧妙合理的结构，但体系复杂、过于精密，且体积庞大，功率拓展性尚不明确。

对于体光栅(Volume Bragg Grating,VBG)外腔法，由于其兼具高外腔效率、结构简单紧凑以及窄的光谱(<0.1nm)输出特性而成为目前的主流方案，德国DILAS公司利用该方案在15个巴条的半导体叠阵上实现了功率1kW线宽0.08nm(FWHM)的780.2nm激光输出。然而，虽然该方案实现了良好的光谱特性，但其缺陷也是显著的：一是需要对半导体叠阵上的每一个巴条都装配一个体光栅，成本十分高昂。二是需要对每一个体光栅都进行独立的精确温控，使其具有一致的衍射波长，从而确保各个巴条以相同的中心波长发射激光。这样的结构极大的增加了体系复杂性，且严重制约了其功率拓展能力。

发明内容