一種半導(dǎo)體激光泵浦勻化耦合裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型設(shè)及的是一種激光器，尤其是一種半導(dǎo)體激光累浦勻化禪合裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光技術(shù)自上世紀(jì)六十年代至今高速發(fā)展，同時又與其他高新技術(shù)相互滲透，在 材料加工、醫(yī)療、軍事、測量及科學(xué)實驗研究等眾多領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用。固體激光 器是當(dāng)前最重要的激光光源類型之一，尤其是隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體累浦 的固體激光器值PL)具有體積小、效率高、光束質(zhì)量好等諸多優(yōu)勢。
[0003] 半導(dǎo)體激光需要W特定的方向及強度空間分布實現(xiàn)對固體激光增益介質(zhì)實現(xiàn)累 浦，最常見的累浦方式為半導(dǎo)體累浦光束從側(cè)面累浦椿狀激光增益介質(zhì)。但隨著對激光輸 出功率、激光光束質(zhì)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(zhì)運用于 固體激光器。該些固體激光增益介質(zhì)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(dǎo)體激光器又稱激光二極管，是W-定的半導(dǎo)體材料作為工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激 發(fā)射作用的器件。在半導(dǎo)體激光器件中，性能較好、應(yīng)用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)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(dǎo)體物質(zhì)的 能帶（導(dǎo)帶與價帶），或者半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡 載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當(dāng)處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復(fù)合時，產(chǎn)生受激發(fā)射作 用，并用半導(dǎo)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(chǎn)生光的福射放大，輸出激光。半導(dǎo)體激光器的效率很高，其電-光轉(zhuǎn)換效率可W超過 50%，但是單個激光二極管連續(xù)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(zhì)的需求，因此需要將多個激光二極管單管堆疊起來，構(gòu)成半導(dǎo)體激光器疊陣，該樣的半 導(dǎo)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(dǎo)體激光器BAR 條構(gòu)成，而每個半導(dǎo)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(gòu)成二維半導(dǎo)體激光器疊陣。該樣 的半導(dǎo)體激光器疊陣具有幾十瓦到幾百千瓦的連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)輸出功率。半導(dǎo)體激光器由于 其特別的發(fā)光機理，其輸出光束光束質(zhì)量（光束束腰尺寸與遠場發(fā)散角的乘積）在平行和 垂直于PN結(jié)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(zhì)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(zhì)量較差。半導(dǎo)體 激光器疊陣往往在每個BAR條上安裝快軸準(zhǔn)直微透鏡，對光束快軸方向準(zhǔn)直，輸出光束發(fā) 散半角只有1?5mrad，而慢軸方向發(fā)散半角約為5度。
[0005] 對板條狀、薄片狀固體增益介質(zhì)實現(xiàn)大面累浦，需要將半導(dǎo)體激光器疊陣輸出光 束均勻的會聚于增益介質(zhì)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(xiàn)高功率半導(dǎo)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(tǒng)采用石英勻化椿方案實現(xiàn)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(dǎo)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(cè)面產(chǎn)生多次內(nèi)全反射，不 同傳輸方向和入射位置的光線在勻化椿內(nèi)多次旋轉(zhuǎn)位移，在勻化椿出口位置可W在八邊形 輪廓范圍內(nèi)實現(xiàn)光強空間均勻分布。再由球面透鏡和拋物面反射鏡構(gòu)成關(guān)于勻化椿出口端 面與薄片晶體的轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)，W特定放大率將勻化椿出口端面光斑轉(zhuǎn)像至薄片上，W實 現(xiàn)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(nèi)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(xué)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(gòu)成離焦準(zhǔn)直機構(gòu)，在快軸方向構(gòu)成失調(diào)的伽利略望遠鏡 系統(tǒng)，獲得快慢軸空間角譜分布均勻且相近的準(zhǔn)直光束，該一準(zhǔn)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(zhǔn)直光束截面為長條 形，長寬尺寸比與半導(dǎo)體激光器疊陣快慢軸方向上的光束傳輸參數(shù)BPP之比接近，即準(zhǔn)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(jié)構(gòu)在慢軸方向是將半導(dǎo)體激 光器發(fā)光面直接利用透鏡與拋物面反射鏡構(gòu)成的轉(zhuǎn)像光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)像于薄片上。因此，如果 采用多組半導(dǎo)體激光器垂直疊陣延慢軸堆疊的二維半導(dǎo)體激光器疊陣作為累浦光源，因為 光源發(fā)光面上，各組垂直疊陣直接具有間隙，上述累浦系統(tǒng)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(shù)BPP進一步增 大，準(zhǔn)直光束慢軸方向尺寸也將進一步增大，將對之后聚焦系統(tǒng)提出更高要求，累浦系統(tǒng)的 體積將非常龐大。
[0009] 除此之外，還可W將半導(dǎo)體激光器輸出光束禪合進入光纖或光纖束內(nèi)，將光纖出 口端面光斑成像與固體增益介質(zhì)表面獲得均勻累浦光斑。但是該一方式目前受半導(dǎo)體激光 器光束質(zhì)量限制，很難使用簡單的光學(xué)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(dǎo)體激光器慢軸準(zhǔn)直、光束空間搬移等手段，系統(tǒng)復(fù)雜，成本高昂。使用微透 鏡陣列等新型光學(xué)元件也能實現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器輸出光束的勻化和準(zhǔn)直，再將準(zhǔn)直光束聚 焦可W實現(xiàn)均勻累浦，但受微透鏡陣列生產(chǎn)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(nèi)容】
[0010] 本實用新型的目的，就是針對現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，而提供一種半導(dǎo)體激光累 浦勻化禪合裝置的技術(shù)方案，該方案可W將多個半導(dǎo)體激光器垂直疊陣組成的二維半導(dǎo)體 激光器疊陣輸出光束均勻的會聚在固體激光增益介質(zhì)表面上，介質(zhì)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(jié)構(gòu)簡單，禪合效率高、成 本低、調(diào)試方便。
[0011] 本方案是通過如下技術(shù)措施來實現(xiàn)的；一種半導(dǎo)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(zhì)；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(shè)置在累浦源快軸方向上的發(fā)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(shè)置在累浦源慢軸方向上的發(fā)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(zhì)分別設(shè)置在累浦源發(fā)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(yōu)選；慢軸柱面鏡組由多個柱面鏡組成，并且每個柱面鏡對應(yīng)一個 垂直疊陣；柱面鏡的數(shù)量與累浦源在慢軸方向上發(fā)光的垂直疊陣的數(shù)量相同；每個慢軸柱 面鏡的快軸方向尺寸大于累浦源的發(fā)光區(qū)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(yōu)選；累浦源發(fā)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(fā)光面，快軸柱面鏡的光軸與發(fā)光區(qū)的中線相交。
[0014] 作為本方案的優(yōu)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(zhì)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(diào)節(jié)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(zhì)放置在該一平面上。
[0015] 其中二維半導(dǎo)體激光器疊陣（累浦源）包括沿慢軸方向排布的若干組半導(dǎo)體激光 器垂直疊陣，相鄰的兩組半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器 BAR條均按照快軸方向的微柱面透鏡準(zhǔn)直使其輸出光束快軸發(fā)散角《很小，并具有較高的 指向準(zhǔn)確性，經(jīng)過微透鏡準(zhǔn)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(fā)光區(qū)，該些發(fā)光區(qū)在BAR 條慢軸方向上具有10%-50%的占空比n。該一二維半導(dǎo)體激光器疊陣在適當(dāng)?shù)碾娏黩?qū) 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(fā)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(dǎo)體激光器垂直疊陣具有的BAR條數(shù)目， m為二維半導(dǎo)體激光器疊陣具有的半導(dǎo)體激光器垂直疊陣數(shù)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(fā)散角，其發(fā)散角分別為a和0，一般的a巧皿ad， 0 >5° (FWHM)。此外，在發(fā)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(fā)光區(qū)和非發(fā)光區(qū)構(gòu)成的基本單元交替出現(xiàn)，并構(gòu)成為一組，每個發(fā)光區(qū)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(fā)光區(qū)；沿著快軸方向，每組發(fā)光區(qū)間隔為 BAR條件間隔h。
[0016] 由此可W看出，由二維半