一種半導體激光泵浦勻化耦合裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型設及的是一種激光器，尤其是一種半導體激光累浦勻化禪合裝置。
【背景技術】
[0002] 激光技術自上世紀六十年代至今高速發展，同時又與其他高新技術相互滲透，在 材料加工、醫療、軍事、測量及科學實驗研究等眾多領域有著越來越廣泛的應用。固體激光 器是當前最重要的激光光源類型之一，尤其是隨著半導體激光器技術的發展，半導體累浦 的固體激光器值PL)具有體積小、效率高、光束質量好等諸多優勢。
[0003] 半導體激光需要W特定的方向及強度空間分布實現對固體激光增益介質實現累 浦，最常見的累浦方式為半導體累浦光束從側面累浦椿狀激光增益介質。但隨著對激光輸 出功率、激光光束質量要求的提高，板條狀、薄片狀等其他幾何形狀的激光增益介質運用于 固體激光器。該些固體激光增益介質可W采用大面累浦的方式獲得較大的累浦光束吸收面 積和較均勻的累浦吸收空間分布。
[0004] 半導體激光器又稱激光二極管，是W-定的半導體材料作為工作物質而產生受激 發射作用的器件。在半導體激光器件中，性能較好、應用較廣的是具有雙異質結構的電注入 式GaAs二極管激光器。其工作原理是通過正向偏壓注入電流進行激勵，在半導體物質的 能帶（導帶與價帶），或者半導體物質的能帶與雜質（受主或施主）能級之間，實現非平衡 載流子的粒子數反轉，當處于粒子數反轉狀態的大量電子與空穴復合時，產生受激發射作 用，并用半導體晶體的解理面形成兩個平行反射鏡面作為反射鏡組成諧振腔，使光振蕩、反 饋，產生光的福射放大，輸出激光。半導體激光器的效率很高，其電-光轉換效率可W超過 50%，但是單個激光二極管連續輸出功率只有1W左右，無法滿足高功率累浦固體激光增益 介質的需求，因此需要將多個激光二極管單管堆疊起來，構成半導體激光器疊陣，該樣的半 導體激光器疊陣一般由2?60個垂直（沿激光二極管快軸方向）排布的半導體激光器BAR 條構成，而每個半導體BAR條上通常排布有10?50個激光二極管單管。為了獲得更高的 累浦功率，還可W將多個上述垂直疊陣沿慢軸水平排布構成二維半導體激光器疊陣。該樣 的半導體激光器疊陣具有幾十瓦到幾百千瓦的連續或準連續輸出功率。半導體激光器由于 其特別的發光機理，其輸出光束光束質量（光束束腰尺寸與遠場發散角的乘積）在平行和 垂直于PN結的兩個方向（即快軸方向、慢軸方向）上有顯著差別。激光二極管單管在快軸 方向光束質量很好，可W接近衍射極限，但在慢軸方向為多模輸出，光束質量較差。半導體 激光器疊陣往往在每個BAR條上安裝快軸準直微透鏡，對光束快軸方向準直，輸出光束發 散半角只有1?5mrad，而慢軸方向發散半角約為5度。
[0005] 對板條狀、薄片狀固體增益介質實現大面累浦，需要將半導體激光器疊陣輸出光 束均勻的會聚于增益介質表面上，該一會聚光斑的尺寸為幾毫米到幾十毫米量級。
[0006] 目前實現高功率半導體激光累浦禪合的方式的典型方案如下：
[0007] 1、德國Trumpf公司的Trudisc Laser系統采用石英勻化椿方案實現對薄片晶體 的累浦禪合，即先使用分立的柱面透鏡分布對半導體激光器聚焦，聚焦光斑位于八邊形石 英勻化椿獨有增透膜的端面，累浦光束進入勻化椿后，在其八個側面產生多次內全反射，不 同傳輸方向和入射位置的光線在勻化椿內多次旋轉位移，在勻化椿出口位置可W在八邊形 輪廓范圍內實現光強空間均勻分布。再由球面透鏡和拋物面反射鏡構成關于勻化椿出口端 面與薄片晶體的轉像光學系統，W特定放大率將勻化椿出口端面光斑轉像至薄片上，W實 現均勻累浦。該一方法存在的問題是，為了滿足全反射條件，若要將更高功率的累浦光束注 入勻化椿，必須增大勻化椿徑向尺寸，而勻化椿徑向尺寸增大后若要保證勻化效果，其長度 也必須進一步增大。因此該種勻化方式不適合用于更高功率級別的累浦禪合勻化；此外，因 為勻化椿內累浦光束具有極高的功率密度，因材料吸收和表面散射引起的生熱，勻化椿工 作過程中溫度很高，對冷卻、裝夾提出較高要求。
[000引2、華中科技大學提出一種基于柱面鏡和拋物面反射鏡的累浦禪合勻化方法，其采 用分離的柱面透鏡組在慢軸方向構成離焦準直機構，在快軸方向構成失調的伽利略望遠鏡 系統，獲得快慢軸空間角譜分布均勻且相近的準直光束，該一準直光束再由拋物面反射鏡 反射聚焦于位于拋物面角度處的薄片上。該種累浦禪合方法獲得的準直光束截面為長條 形，長寬尺寸比與半導體激光器疊陣快慢軸方向上的光束傳輸參數BPP之比接近，即準直 光束慢軸方向截面尺寸遠大于快軸方向。因此必須使用焦距、口徑較大的拋物面反射鏡完 成聚焦W避免顯著的曽差對累浦均勻性的劣化。該一累浦結構在慢軸方向是將半導體激 光器發光面直接利用透鏡與拋物面反射鏡構成的轉像光學系統轉像于薄片上。因此，如果 采用多組半導體激光器垂直疊陣延慢軸堆疊的二維半導體激光器疊陣作為累浦光源，因為 光源發光面上，各組垂直疊陣直接具有間隙，上述累浦系統獲得的累浦光斑上也會有明顯 的暗帶，累浦均勻性將大幅劣化，此外，因為二維疊陣慢軸方向光束傳輸參數BPP進一步增 大，準直光束慢軸方向尺寸也將進一步增大，將對之后聚焦系統提出更高要求，累浦系統的 體積將非常龐大。
[0009] 除此之外，還可W將半導體激光器輸出光束禪合進入光纖或光纖束內，將光纖出 口端面光斑成像與固體增益介質表面獲得均勻累浦光斑。但是該一方式目前受半導體激光 器光束質量限制，很難使用簡單的光學元件將千瓦級W上的單色累浦光束高效禪合，同時 還需要采用半導體激光器慢軸準直、光束空間搬移等手段，系統復雜，成本高昂。使用微透 鏡陣列等新型光學元件也能實現對半導體激光器輸出光束的勻化和準直，再將準直光束聚 焦可W實現均勻累浦，但受微透鏡陣列生產工藝限制，可W用于高功率累浦禪合的大尺寸 微透鏡陣列增量及其陣列組目前無法加工。 【實用新型內容】
[0010] 本實用新型的目的，就是針對現有技術所存在的不足，而提供一種半導體激光累 浦勻化禪合裝置的技術方案，該方案可W將多個半導體激光器垂直疊陣組成的二維半導體 激光器疊陣輸出光束均勻的會聚在固體激光增益介質表面上，介質表面上的累浦光斑尺寸 為幾毫米至幾十毫米量級。該方案可禪合注入累浦功率高，并且結構簡單，禪合效率高、成 本低、調試方便。
[0011] 本方案是通過如下技術措施來實現的；一種半導體激光累浦勻化禪合裝置，包括 有累浦源、快軸柱面鏡、慢軸柱面鏡組、激光增益介質；累浦源包括有多個沿慢軸方向排列 的BAR條組成的多個垂直疊陣；BAR條的寬度為a ;每個垂直疊陣的中線為Li、L2、…… Lw，Li到L w的距離為b，3a > b > a ;快軸柱面鏡設置在累浦源快軸方向上的發光路徑上； 快軸柱面鏡在快軸方向上具有屈光度；慢軸柱面鏡組設置在累浦源慢軸方向上的發光路徑 上；慢軸柱面鏡組在慢軸方向上具有屈光度；激光增益介質分別設置在累浦源發出的激光 在快軸方向上或慢軸方向上均勻性最佳的界面上。
[0012] 作為本方案的優選；慢軸柱面鏡組由多個柱面鏡組成，并且每個柱面鏡對應一個 垂直疊陣；柱面鏡的數量與累浦源在慢軸方向上發光的垂直疊陣的數量相同；每個慢軸柱 面鏡的快軸方向尺寸大于累浦源的發光區快軸方向尺寸；每個慢軸柱面鏡的慢軸方向尺寸 等于或小于b。
[0013] 作為本方案的優選；累浦源發出激光均通過同一塊快軸柱面鏡；快軸柱面鏡的光 軸垂直于累浦源的發光面，快軸柱面鏡的光軸與發光區的中線相交。
[0014] 作為本方案的優選；快軸柱面鏡在快軸焦平面前后特定位置S P具有快軸方向均 勻性最佳平面；慢軸柱面鏡組在慢軸方向增益介質多透鏡成像像面前后特定位置SS具有 慢軸方向均勻性最佳平面；調節快軸柱面鏡和慢軸柱面鏡組之間的間距，能使快軸方向均 勻性最佳平面和慢軸方向均勻性最佳平面重合，并將激光增益介質放置在該一平面上。
[0015] 其中二維半導體激光器疊陣（累浦源）包括沿慢軸方向排布的若干組半導體激光 器垂直疊陣，相鄰的兩組半導體激光器垂直疊陣中屯、線間距為b，該些垂直疊陣由若干個半 導體激光器BAR條沿快軸方向堆疊而成，相鄰BAR條快軸方向間距為h，每個半導體激光器 BAR條均按照快軸方向的微柱面透鏡準直使其輸出光束快軸發散角《很小，并具有較高的 指向準確性，經過微透鏡準直后，各BAR條輸出光束快軸方向尺寸為A P。該些BAR條的寬 度為a。在每個激光器BAR條上，沿慢軸方向均勻間隔分布著k個發光區，該些發光區在BAR 條慢軸方向上具有10%-50%的占空比n。該一二維半導體激光器疊陣在適當的電流驅 動和冷卻條件下即可W輸出累浦激光光束，該一光束的特征是，光束在發光面上的快慢軸 方向尺寸分別為nh和（m-1) b+a，該里n為每個半導體激光器垂直疊陣具有的BAR條數目， m為二維半導體激光器疊陣具有的半導體激光器垂直疊陣數目，一般的n為5-60, m〉2 ;該 一輸出光束在快慢軸方向具有不同的發散角，其發散角分別為a和0，一般的a巧皿ad， 0 >5° (FWHM)。此外，在發光面上，光束截面光強分布是不均勻和間隔的，沿著慢軸方向， k個由發光區和非發光區構成的基本單元交替出現，并構成為一組，每個發光區慢軸方向尺 寸為na/k，而每組之間另具有寬度為b-a的非發光區；沿著快軸方向，每組發光區間隔為 BAR條件間隔h。
[0016] 由此可W看出，由二維半