專利名稱：半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)及具有其的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種半 導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)及具有其的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來半導(dǎo)體激光器泵浦的全固態(tài)激光器成為激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。一套完整的固態(tài)激光系統(tǒng)中，通常包括激光諧振腔系統(tǒng)、泵浦系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、電源和控制系統(tǒng)。半導(dǎo)體泵浦的固體激光器，激光諧振腔中使用的增益介質(zhì)是固體，泵浦源采用半導(dǎo)體激光器輸出的激光。固體激光增益介質(zhì)吸收泵浦光的光子，產(chǎn)生電子躍遷，其吸收光譜往往比較窄。使用氣體放電、閃光燈等泵浦方式產(chǎn)生的光譜線很寬，造成能量被大量浪費。半導(dǎo)體激光器譜線較窄，正好處在固體激光增益介質(zhì)吸收帶寬內(nèi)，因此泵浦光吸收效率更高，激光器發(fā)熱更小、電光效率更高。半導(dǎo)體激光器利用半導(dǎo)體技術(shù)，將電能轉(zhuǎn)化成激光輸出，輸出的激光波長跟半導(dǎo)體激光器的設(shè)計參數(shù)有關(guān)，也受到環(huán)境溫度影響。假設(shè)某種半導(dǎo)體激光器在室內(nèi)溫度恒為Ttl時輸出激光波長為\ C1，在其他條件不變的情況下，在某一溫度T時，輸出波長變?yōu)槿?入# A (T-Ttl)。A為與溫度相關(guān)的系數(shù)，在溫度變化很小的范圍內(nèi)與可認(rèn)為A值保持不變，A與T呈線性關(guān)系。在半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光增益介質(zhì)的時候，半導(dǎo)體激光器由于電能損耗會發(fā)熱，溫度會升高，由于激光介質(zhì)的吸收譜線不變，這時候需要對半導(dǎo)體激光器外面加入溫度控制裝置和冷卻裝置。溫度控制裝置用于控溫以使半導(dǎo)體激光器的輸出譜線與固體激光介質(zhì)的吸收譜線匹配，冷卻裝置用于帶走半導(dǎo)體激光器散發(fā)的熱量。實驗表明，在保證最高的吸收效率的情況下，通常需要將半導(dǎo)體激光器的溫度波動范圍控制在1°C以內(nèi)。用外置恒溫的方法需要設(shè)計專用的溫度傳感系統(tǒng)、降溫和升溫系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及相應(yīng)的電力系統(tǒng)，該方法直接增加了激光器系統(tǒng)的復(fù)雜性，也不利于系統(tǒng)的集成化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決上述技術(shù)缺陷之一。為此，本發(fā)明的目的在于提出一種半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，其具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本較低和可靠性較高的優(yōu)點。根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，包括多個半導(dǎo)體激光器，其中，每個半導(dǎo)體激光器具有不同的工作溫度，且每個半導(dǎo)體激光器輸出的激光波長相同；溫度傳感器，用于檢測當(dāng)前環(huán)境溫度；以及控制器，用于根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度選擇相應(yīng)工作溫度的半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明針對半導(dǎo)體激光器需要恒溫系統(tǒng)的問題，提出了一種半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，用多個工作溫度不同但輸出波長相同的半導(dǎo)體激光器組成堆棧，通過溫度傳感器選擇合適的半導(dǎo)體激光器發(fā)光，在不需要恒溫的條件下也可以輸出恒定譜線的激光。由于不需要外置恒溫系統(tǒng)以及相應(yīng)的電力系統(tǒng)，整個半導(dǎo)體模塊變得簡單，冷卻裝置和溫度傳感器可以直接設(shè)計在半導(dǎo)體激光器堆棧上，更容易實現(xiàn)集成化設(shè)計。在本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的一個實施例中，還包括散熱組件，用于對半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱。在本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的一個實施例中，散熱組件為風(fēng)冷散熱組件或水冷散熱組件。本發(fā)明的另一目的在于提出一種半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，包括上文敘述的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)；導(dǎo)光元件，該導(dǎo)光元件用于將多個半導(dǎo)體激光器輸出的激光耦合到一起；以及出光元件，所述出光元件與所述導(dǎo)光類元件相連，用于發(fā)射激光，包括棱鏡類元件、透鏡類元件或光纖類元件中的一種及其組合。。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明上述的和/或附加的方面和優(yōu)點從下面結(jié)合附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中圖I為根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的示意圖；和圖2為根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底” “內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對本發(fā)明的限制。在本發(fā)明的描述中，需要說明的是，除非另有規(guī)定和限定，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語的具體含義。下面參考圖I和圖2描述根據(jù)本發(fā)明實施例的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)。圖I為本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的示意圖。圖I中，多個半導(dǎo)體激光器I組成堆棧結(jié)構(gòu)，多個半導(dǎo)體激光器I輸出激光波長相同，但每個半導(dǎo)體激光器I的工作溫度不同。假設(shè)需要輸出的目標(biāo)光譜為、不同的半導(dǎo)體激光器I在不同的溫度都能輸出光譜\ gg。設(shè)計并選擇若干半導(dǎo)體激光器1，使得在溫度區(qū)間T1到T2范圍內(nèi)的任意溫度下，都能在半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)中找到某一半導(dǎo)體激光器I輸出光譜\ 半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)還包括溫度傳感器2和控制器3。溫度傳感器2負(fù)責(zé)探測環(huán)境溫度，并將環(huán)境溫度信息傳給控制器3?？刂破?選擇適合該環(huán)境溫度的半導(dǎo)體激光器I輸出激光。每個半導(dǎo)體激光器I獨立工作，并保證整個半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的輸出光譜都是、
在本發(fā)明的一個實施例中，整個半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)在工作的時候會由于電能損耗產(chǎn)生熱量，因此需要增設(shè)散熱組件4(圖I中未示出)對半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)散熱。散熱組件4可以使用簡單的風(fēng)冷散熱組件或水冷散熱組件。在散熱組件4的輔助下，該半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)可以適應(yīng)更寬的溫度環(huán)境，有利于提高激光器輸出激光的穩(wěn)定性、降低激光器系統(tǒng)的復(fù)雜性。需要注意的是，半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)可以由單獨的半導(dǎo)體激光器元件組成，也可以將堆棧結(jié)構(gòu)設(shè)計在一個半導(dǎo)體激光器上，并把控制器和堆棧集成到一個半導(dǎo)體激光器上封裝在一起應(yīng)用，這樣就實現(xiàn)了半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的集成化，集成后的半導(dǎo)體激光器可以在溫度差較大的環(huán)境下實現(xiàn)穩(wěn)定的輸出而且不需要恒溫環(huán)境。綜上，本發(fā)明針對半導(dǎo)體激光器需要恒溫系統(tǒng)的問題，提出了一種半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，用多個工作溫度不同但輸出波長相同的半導(dǎo)體激光器組成堆棧，通過溫度傳感器選擇合適的半導(dǎo)體激光器發(fā)光，在不需要恒溫的條件下也可以輸出恒定譜線的激光。由于不需要外置恒溫系統(tǒng)以及相應(yīng)的電力系統(tǒng)，整個半導(dǎo)體模塊變得簡單，冷卻裝置和溫度傳感器可以直接設(shè)計在半導(dǎo)體激光器堆棧上，更容易實現(xiàn)集成化設(shè)計。圖2為本發(fā)明提出的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2中，該半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)包括上文敘述的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)、導(dǎo)光元件5以及出光元件6。其中，導(dǎo)光元件5的導(dǎo)光面與多個半導(dǎo)體激光器I相對應(yīng)，用于將多個半導(dǎo)體激光器I輸出的激光耦合到一起。出光元件6與導(dǎo)光元件5相連，用于發(fā)射激光，包括棱鏡類元件、透鏡類元件或光纖類元件中的一種及其組合。在本發(fā)明的一個優(yōu)選實施例中，導(dǎo)光元件5為導(dǎo)光錐，出光元件6為光纖。該實施例的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)適用于如下情況半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)中的多個半導(dǎo)體激光器輸出的激光光路和方向可能略有差異，這時候可以使用光纖耦合技術(shù)將堆棧發(fā)出的激光通過導(dǎo)光錐耦合到同一光纖中，這樣從光纖末端輸出的激光具有相同傳播參數(shù)，便于對輸出激光的應(yīng)用。在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結(jié)合。盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等同限定。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括 多個半導(dǎo)體激光器，其中，每個所述半導(dǎo)體激光器具有不同的工作溫度，且每個所述半導(dǎo)體激光器輸出的激光波長相同； 溫度傳感器，用于檢測當(dāng)前環(huán)境溫度；以及 控制器，用于根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度選擇相應(yīng)工作溫度的半導(dǎo)體激光器。
2.如權(quán)利要求I所述的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，其特征在于，還包括 散熱組件，用于對所述半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)進(jìn)行散熱。
3.如權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述散熱組件為風(fēng)冷散熱組件或水冷散熱組件。
4.一種半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其特征在于，包括 如權(quán)利要求1-3任一項所述的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)； 導(dǎo)光元件，所述導(dǎo)光類元件用于將多個半導(dǎo)體激光器輸出的激光耦合到一起；以及出光元件，所述出光元件與所述導(dǎo)光元件相連，用于發(fā)射激光，包括棱鏡類元件、透鏡類元件或光纖類元件中的一種及其組合。
全文摘要
本發(fā)明提出一種半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)及具有其的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，其中，該半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)包括多個半導(dǎo)體激光器，其中，每個半導(dǎo)體激光器具有不同的工作溫度，且每個半導(dǎo)體激光器輸出的激光波長相同；溫度傳感器，用于檢測當(dāng)前環(huán)境溫度；以及控制器，用于根據(jù)當(dāng)前環(huán)境溫度選擇相應(yīng)工作溫度的半導(dǎo)體激光器。本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器堆棧結(jié)構(gòu)用多個不同工作溫度下輸出相同波長的半導(dǎo)體激光器組成堆棧，通過溫度傳感器選擇合適的半導(dǎo)體激光器發(fā)光，在不需要恒溫的條件下也可以輸出恒定譜線的激光，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性較高的優(yōu)點。
文檔編號H01S5/40GK102637998SQ201210123669
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月24日
發(fā)明者劉建輝, 劉歡, 鞏馬理, 張海濤, 柳強, 閆平, 黃磊 申請人:清華大學(xué)