大功率半导体激光阵列的光纤相干耦合方法及光纤整形器

摘要

本发明为大功率半导体激光阵列的光纤相干耦合方法及光纤整形器，属于激光技术领域。特征在于：将光纤引入到半导体激光阵列和外腔镜之间，通过微透镜压缩每个发光单元的快轴发散角，使N个发光单元一对一耦合进N根光纤中，利用光纤的柔韧性，在光纤另一端把光纤重排为具有二维周期的光纤阵列。所设计的光纤整形器放置在半导体激光阵列(1)和外腔镜(6)之间，包括有对准固定套(3)、光纤(4)和重排固定套(5)；经微透镜(2)压缩的光束一对一耦合进对准固定套固定的光纤中，重排固定套将二维排列的光纤另一端重新排列并固定。本发明实现了发光光束重排，提高了大功率半导体激光阵列相干耦合度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种通过光纤对大功率半导体激光阵列进行光束整形，实现外腔锁相、改善光束质量的方法及装置，属于激光技术领域。

背景技术

半导体激光阵列(这里包括一维半导体激光阵列和二维半导体激光阵列即半导体激光叠层阵列(stack)，叠层阵列是由一维阵列叠放在一起构成的)是实现高功率输出的有效技术途径。由于半导体激光阵列(DLA)各发光单元是非相干的，所以激光器的输出在空间上也是非相干的，光束质量差。外腔锁相相干耦合技术在半导体激光阵列外形成新的谐振腔来锁定每个激光单元的位相，可以获得相干耦合的输出，从而改善了输出光的光束质量。

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，利用光线在外腔中传播时发生的衍射以及外腔镜的反馈作用，人们成功地实现了阵列发光单元间的相互耦合。同时在外腔中插入可调相位元件、空间滤波器，或使外腔镜位于整数、分数倍TALBOT距离处实现外腔锁相。但外腔锁相相干耦合技术只能保证相邻发光单元之间有很强的耦合，并不能形成真正意义上的“并联耦合”，这是造成不能获得大功率激光输出的一个主要原因。只有当每个半导体发光单元相等的耦合到其它单元时，整个DLA才能会有强耦合，这种耦合称为“并联耦合”。其次，DLA封装在冷却热沉上时，不可避免地出现变形，从而使DLA发光单元不再在水平线上，即所谓的“Smile”现象。受“Smile”的影响，半导体激光器阵列的周期结构被打断，外腔反馈回的光束不能有效地耦合到半导体发光单元中。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的方法及装置，加大半导体激光阵列外腔锁相过程的“并联耦合”程度：提出引入光纤到半导体激光器外腔内(即半导体激光阵列和外腔镜之间)，实现半导体激光阵列外腔锁相相干耦合。通过引入光纤到半导体激光器外腔内，起到：

(一)利用光纤柔韧、传输能量低衰减的特点，

1、实现一维半导体激光阵列发光单元一维周期排列到二维周期排列的转变；

2、实现二维半导体激光阵列(叠层阵列)发光单元二维周期排列到另一种不同的二维周期的转变，可从根本改变了半导体激光叠层阵列发光单元在两个维度上周期尺度的差别。

(二)另一方面光纤端面输出的光，由外腔镜反馈回光纤中再到DLA中实现外腔锁相相干耦合，光纤在整个过程中是双向传输光的。

本发明的大功率半导体激光阵列的光纤相干耦合方法，具体为：将光纤引入到半导体激光器外腔内的半导体激光阵列和外腔镜之间，通过设置在半导体激光阵列后端的微透镜压缩半导体激光阵列(一维半导体激光阵列，N个发光单元位于一条水平线上；二维半导体激光阵列，N个发光单元则位于多条水平线上)的每个发光单元的快轴放散角，使半导体激光阵列的N个发光单元发射的光一对一耦合进N根光纤中，利用光纤的柔韧性，在光纤另一端把光纤重排为具有二维周期的光纤阵列，则一维半导体激光阵列的N个光束从一维排列整形为二维周期排列；同时二维半导体激光阵列的N个光束从新具有另一种周期和排列形状。光再从外腔镜反馈回光纤束，再到DLA中从而实现了外腔锁相相干耦合。

光纤可被重排为圆形或者多边形或者椭圆形等两维形状，具有不同的排列周期、顺序。

根据本发明的大功率半导体激光阵列的光纤相干耦合方法所设计的光纤整形器，具体结构参见图1-5，光纤整形器放置在半导体激光阵列和外腔镜之间，包括有对准固定套3、光纤4和重排固定套5；其中，对准固定套3靠近半导体激光阵列1，经微透镜压缩的光束一对一耦合进对准固定套3固定的光纤4中，重排固定套5将二维排列的光纤4另一端重新排列并固定。

所述的对准固定套包括底板、盖板，底板上设置用来卡住光纤的V型槽，对准固定套3与半导体激光列阵1相对应的端面抛光，参见图3。

所述的重排固定套5的套管材料可为玻璃或金属或陶瓷，重排固定套5与光纤4相连的端面抛光，参见图5、6。

本发明引入光纤即光纤整形器使DLA发光单元转为二维周期排列的原理为：DLA的N个发光单元发射的光一对一耦合进光纤(即光纤整形器的对准固定套固定的N根光纤)中，光传输过光纤整形器，再从光纤另一端(即重排固定套中的N根光纤)发射出来，再经外腔镜反射回(重排固定套端的)光纤中，那么从每根光纤传向外腔镜的光相当于DLA上的一个发光单元，所以(重排固定套端的N根)光纤的不同排列形状和周期对应着具有不同发光单元排列形状和周期的DLA；发光单元(指重排固定套端N根光纤)的填充因子(即发光单元的面积与单元数量乘积占整个发光区域的百分比)相应下降，减小了从外腔镜反馈回光纤束的衍射损耗，进而较少了反馈回半导体激光阵列的损耗；发光单元(指重排固定套端N根光纤)呈二维周期排列，相邻单元的个数增加将有利于实现并联耦合、提高外腔锁相相干程度；另一方面，受到“Smile”效应影响造成DLA的周期结构被打断现象，可以通过光纤重排即光束重排得到解决。通过本发明的光纤整形器的对准固定套3上设置的V型槽固定光纤，从而使光纤与DLA发光单元精密对准。

本发明实现了发光光束重排，提高了大功率半导体激光阵列相干耦合度。

附图说明

图1.本发明大功率半导体激光阵列的光纤相干耦合方法及装置示意图；

图2.光纤整形器示意图；

图3.光纤整形器的对准固定套3的端面，光纤固定于V型槽上；

图4.光纤整形器重排固定套5的端面，光纤呈正四边形排列(集束端面光纤呈m×m排列)；

图5.光纤整形器重排固定套5的端面，光纤呈圆形；

图中，1、DLA  2、微透镜  3、对准固定套  4、光纤  5、重排固定套6、外腔镜  7、底板  8、盖板

具体实施方式

下面结合附图，具体说明本发明的应用：

光纤整形器的制作：对准固定套3，首先把一端光纤去除涂覆层成为裸纤，把裸纤排列在V型槽底板上，盖上盖板(盖板形状可以是平板盖板、V型槽形盖板)，再涂上固化胶固定光纤(对于二维半导体激光阵列，则需把固定好的光纤一层层叠放固定在一起)；重排固定套5一端，同样除去涂覆层成裸纤，光纤呈二维排列利用胶固定在重排固定套中，重排固定套5的端面可做成正四边形，参见图4，也可做成圆形，参见图5。光纤整形器对准固定套3、重排固定套5端面再抛光。之后，光纤整形器插入大功率半导体激光阵列与外腔镜之间，利用调节装置及能量、光谱、显微监测实现精密对准耦合，最终实现外腔锁相相干耦合，达到改善光束质量的目的。