提高大功率半导体激光列阵光束质量的实验和理论研究

摘要

本文以促进大功率半导体激光器在材料加工中的直接应用为背景，以提高大功率半导体激光列阵光束质量为主要研究对象，针对目前大功率半导体激光列阵的发光单元数目多，互相之间无直接光电联系，列阵整体光束质量差的问题，采用了光纤相干耦合外腔、体全息光栅外腔和激光束偏振耦合这三种方法提高半导体激光列阵的光束质量。对各种方法分别进行了理论和实验分析，并讨论了其在实际应用中的可行性问题。 大功率半导体激光阵列各发光单元是光电隔离的，提高光束质量的方法有相干耦合和非相干耦合两种方法。目前的外腔锁相技术，通过在半导体激光器外加入具有一定反射率的外腔镜或光栅、位相共轭镜等形成外腔，利用光辐射在外腔中传播时的衍射作用产生锁相的效果。光辐射从外腔反馈镜反射回半导体激光器有源区时，由于衍射反馈到其它单元从而实现了阵列发光单元间的相互耦合。但现有外腔锁相相干耦合技术只能保证相邻发光单元之间有耦合，并不能在所有发光单元之间形成强的耦合。本文提出引入光纤整形器实现半导体激光阵列外腔锁相，即光纤耦合半导体激光外腔锁相。在半导体激光阵列外腔中，利用光纤束的柔韧性、低损耗的特点，使发光单元呈二维排列。这样，外腔中参加锁相的相邻单元数目增多，同时因为光纤集束端面不必考虑散热问题，光纤可以紧密排列，发光单元的填充因子增加，有利于形成并联耦合，提高外腔中的相干程度。采用光纤耦合外腔的方法在半导体激光列阵发光单元间实现了锁相输出，锁相前列阵光谱宽度2．6nm，锁相后光谱宽度0．23nm，提高了列阵整体的相干性，输出光束的光强得到提高。光纤耦合外腔中，列阵作为一个整体运行于统一的超模。本文中确定了耦合系数矩阵，分析了列阵各阶超模的模式增益、近场分布和远场分布。分析了光纤外腔正向和反向功率传输情况，求得了耦合效率。根据主要功率损失原因提出了改进方案。 体全息光栅外腔不改变列阵发光单元的排列方式，发光单元之间的耦合较弱，但结构简单、能量损失小。同时，该外腔有很好的波长稳定性。本文用体全息光栅外腔来改善半导体激光阵列的光谱特性，并对其进行了理论分析和软件模拟，确定了最佳外腔长度。实验中将光谱线宽压窄到0．22nm，波长随温度的漂移减小到0．01nm/℃。相干耦合主要通过外腔反馈使单元间的光场相互耦合，为了减小外腔反馈中的自耦合系数，实验中采用了平凹柱面镜作为外腔反射镜，将腔长设为半共焦腔，并进行理论分析，通过外腔实验，阵列的谱线宽度从2．5nm压窄到了0．5nm，一定程度上改善了半导体激光器阵列的相干特性。在此基础上，将体全息光栅和平凹柱面镜构成双外腔，并且在实验中获得了双波长输出，谱线宽度达到0．2nm，随温度变化时，其波长间隔始终稳定在1．8nm。 偏振耦合属于非相干耦合，不能改变半导体激光列阵的相干特性，但可以提高输出激光光束的亮度。与波长耦合、空间耦合配合使用，能对激光光束的亮度有较大提高。本文中，使用两个半导体激光堆栈，采用偏振耦合的方法，研制了一台直接应用型的大功率半导体激光器，最大输出功率1kW。在工作电流130A时，电光转换效率约为43％。使用UFF100激光光束质量诊断仪测量，焦斑呈矩形分布，焦斑面积为0．55×5．0mm2，快轴光参积Kf=26．1mm·mrad，激光器系统工作稳定。用其做了钢轨表面硬化、铝合金焊接等试验。 提高大功率半导体激光列阵的光束质量具有重要的实用意义。高的光束质量可以产生高的聚焦功率密度，满足深熔焊接等需要高功率密度场合的需要。本文中，通过提高半导体激光列阵输出激光束的光强和亮度，从而获得更高的功率密度。列阵的输出光谱压窄，也可以在泵浦固体激光器等需要窄线宽的场合中有较多应用。同时，文中分析的并联耦合模式理论对今后的列阵或者面阵的外腔耦合具有一定的指导作用。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1半导体激光器的发展历史

1.2半导体激光器的应用现状

1.3提高大功率半导体激光器光束质量的国内外研究现状

1.3.1半导体激光器器件性能的提高

1.3.2外加光学系统提高半导体激光器的光束质量

1.4论文的研究内容

1.5本章小结

第2章 半导体激光列阵光纤相干耦合理论基础

2.1半导体激光器的光束特性

2.2相干耦合的物理意义

2.3相干光通过集束光纤传输后的远场特性分析

2.3.1光纤集束端的远场分布

2.3.2模拟与结果分析

2.4受到光学注入的半导体激光器的动力学特性

2.4.1光学注入

2.4.2光学反馈

2.4.3 Lang-Kobayashi方程

2.4.4 输出光谱变化

2.5本章小结

第3章 光纤耦合外腔锁相实验和理论研究

3.1实验装置

3.1.1半导体激光列阵

3.1.2光纤整形器

3.1.3外腔结构

3.2双向耦合方式的选择

3.3光纤柱透镜耦合方式

3.4实验结果分析

3.5系统双向耦合效率分析

3.5.1 Zemax软件介绍

3.5.2系统双向耦合效率分析

3.6光纤相干耦合列阵超模分析

3.7实验的调节

3.8减少耦合能量损失的方法

3.9本章小结

第4章 体全息光栅外腔锁相实验

4.1体全息光栅外腔

4.1.1体全息光栅的基本特性

4.1.2实验结果

4.1.3体全息光栅外腔超模分析

4.2平凹柱面镜外腔

4.2.1实验原理

4.2.2光谱特性

4.2.3实验结果分析

4.3体全息光栅和平凹柱面镜构成的双外腔实验

4.4本章小结

第5章 偏振耦合的千瓦级直接应用型半导体激光器

5.1非相干耦合的亮度理论

5.2非相干耦合技术

5.2.1空间耦合

5.2.2偏振耦合

5.2.3波长耦合

5.3使用格兰泰勒棱镜耦合的1kW直接应用型半导体激光器

5.3.1实验原理

5.3.2实验装置

5.3.3慢轴准直

5.3.4光束质量的测量

5.4 1kW半导体激光器的应用

5.4.1 U74钢轨表面硬化实验

5.4.2 6061铝合金的对接实验

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和申请的专利

致谢