基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵

摘要

本发明公开了基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵，包括半导体激光线阵，所述半导体激光线阵由增益波导、快轴准直镜和波导光栅组成，沿半导体激光线阵激光输出方向依次设有小透镜、半波片、大透镜、衍射光栅列阵，小透镜距离半导体激光线阵的距离为小透镜的焦距f1，小透镜和大透镜共焦点放置组成倒置望远系统，大透镜距离衍射光栅列阵为大透镜的焦距f2，半波片位于小透镜与大透镜焦点处，衍射光栅列阵由不同旋转角度的衍射光栅单元胶合而成，每个衍射光栅单元均为利特罗结构放置，本发明减小整体光谱线宽，同时简化光路结构，提高器件稳定性。

说明书

技术领域

本发明涉及基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵。

背景技术

激光线阵条与热沉键合的制作过程存在内在热应力，使线阵条中各个发光单元不在一条直线上，发生弯曲。利用整个衍射光栅外腔反馈进行光谱压缩时，如图1所示，光轴(z轴)上发光单元a与离轴发光单元b不同角度入射到光栅上，衍射光栅为利特罗结构时，导致由原路返回的反馈光中心波长不同，这样轴上和离轴发光单元输出的光谱中心波长不同，而半导体激光线阵整体光谱是每个发光单元光谱的叠加，故整体谱线加宽。通常1μm的弯曲引起40GHz的光谱展宽[Appl.Opt.44(15)，3101(2005)]。

CN1960093A方案中光栅外腔采用利特曼结构，光栅的一阶衍射光入射到反馈镜上，经反馈镜反射后光束再入射到光栅上，其一阶衍射光沿原路返回激光二极管列阵各个发光单元，从而振荡、放大。光栅的零阶衍射光作为激光输出。方案中反馈镜由多块反射镜组成，通过调节反馈镜角度来减小半导体激光线阵条弯曲引起的线宽变窄。此方案的缺点是，由于采用光栅利特曼结构，光线经反馈镜反射再次入射到光栅时，其一阶衍射光反馈回激光器，而零阶衍射光损失掉了，故输出功率较低。另外，由于反馈镜的引入，光学元件增多，故光路调节复杂，调节较难。专利号2007200944437的衍射光栅列阵外腔半导体激光线阵存在衍射光栅列阵外腔半导体激光线阵结构复杂、光路元件多，以及线阵光谱展宽的问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵。

为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵，包括半导体激光线阵，所述半导体激光线阵由增益波导、快轴准直镜和波导光栅组成，沿半导体激光线阵激光输出方向依次设有小透镜、半波片、大透镜、衍射光栅列阵，所述小透镜距离半导体激光线阵的距离为小透镜的焦距f1，所述小透镜和大透镜共焦点放置组成倒置望远系统，所述大透镜距离衍射光栅列阵为大透镜的焦距f2，所述半波片位于小透镜与大透镜焦点处，所述衍射光栅列阵由不同旋转角度的衍射光栅单元胶合而成，每个衍射光栅单元均为利特罗结构放置，所述半导体激光线阵的一个或多个发光单元入射到对应的一个衍射光栅单元上，调节每个衍射光栅单元，使光轴和离轴发光单元的光束a、b入射到衍射光栅单元的入射角θ、Φ相等或很相近。

作为优选，小透镜和大透镜都为凸透镜，所述大透镜的焦距是小透镜的焦距的3-10倍。

作为优选，小透镜、半波片、大透镜都镀有工作波长的增透膜，所述衍射光栅列阵中每个衍射光栅单元均镀有工作波长的高反膜。

作为优选，快轴准直镜是采用等离子耦合干法刻蚀和高质量光学介质膜沉积技术制备，通过合理选取刻蚀工艺参数制备出曲面侧壁沟槽，在沟槽中沉积光学介质材料制备而成。

作为优选，波导光栅是采用高精度掩膜制备和等离子耦合干法刻蚀技术制备，通过合理选取刻蚀工艺参数制备而成。

本发明的有益效果如下：本发明通过半导体激光线阵集成增益波导、快轴准直镜和波导光栅，从而将窄线宽半导体激光线阵代替分立的无光栅半导体激光线阵和快轴准直镜，结合后端透镜组和衍射光栅，使半导体激光线阵一个或多个发光单元入射到一个衍射光栅单元上，通过调节每个衍射光栅单元，使不同弯曲程度的发光单元经衍射单元后沿原路返回的反馈光中心波长很相近，并通过调节角度使利特罗一级衍射反馈光的中心波长出现一定的偏移，这样不同弯曲程度的发光单元输出光的中心波长很接近，同时由于波导光栅光谱和外腔光栅反馈光谱中心波长有一定偏差，形成类似游标效应的光谱叠加，达到减小整体光谱线宽的目的，同时简化光路结构，提高器件稳定性。

附图说明

图1为利用整个衍射光栅进行外腔反馈时，光轴(z轴)上发光单元a与离轴发光单元b不同角度入射到光栅上的光路图。a为轴上发光单元发出的光输，b为轴上发光单元发出的光束，θ为光束a与衍射光栅法线的夹角，

图2为衍射光栅列阵外腔窄线宽半导体激光线阵结构示意图。增益波导101，快轴准直镜102，波导光栅103，半导体激光线阵1，小透镜2，半波片3，大透镜4，衍射光栅列阵5，衍射光栅单元501。

图3为利用衍射光栅列阵进行外腔反馈时，光轴z轴上发光单元a与离轴发光单元b不同角度入射到光栅上的光路图，a为轴上发光单元发出的光束，b为轴上发光单元发出的光束，θ为光束a与衍射光栅单元法线的夹角，Φ为光束b与衍射光栅单元法线的夹角。

图4为改进后快轴准直镜集成窄线宽半导体激光线阵单元示意图，101为增益波导，102为集成光学介质快轴准直镜，103为波导光栅。

图5为激光器光谱的游标效应示意图。实线波形图为波导光栅选频光谱，虚线为衍射光栅反馈光谱。

具体实施方式

下面结合说明书附图对本发明的技术方案作进一步说明：

结合图2、图3、图4、图5和实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实施例。

实施例：

如图2、图3、图4所示，基于衍射光栅列阵的窄线宽外腔半导体激光线阵，包括半导体激光线阵1，所述半导体激光线阵1由增益波导101、快轴准直镜102和波导光栅103组成，沿半导体激光线阵激光输出方向依次设有小透镜2、半波片3、大透镜4、衍射光栅列阵5，所述小透镜2距离半导体激光线阵1的距离为小透镜2的焦距f1，所述小透镜2和大透镜4共焦点放置组成倒置望远系统，用来压缩慢轴x方向发散角，如倒置望远系统放大倍率为n，故慢轴发散角会被压缩n倍。所述大透镜4距离衍射光栅列阵5为大透镜4的焦距f2，所述半波片3位于小透镜2与大透镜4焦点处，旋转半波片4可以调节激光的输出功率。所述衍射光栅列阵5由不同旋转角度的衍射光栅单元501胶合而成，每个衍射光栅单元501均为利特罗结构放置，即零阶衍射光为输出光，一阶衍射光沿原路返回透镜集成半导体激光线阵1的每个发光单元。所述半导体激光线阵1的一个或多个发光单元入射到对应的一个衍射光栅单元501上，调节每个衍射光栅单元501，使光轴和离轴发光单元的光束a、b入射到衍射光栅单元501的入射角θ、Φ相等或很相近，即θ＝Φ。这样一阶利特罗公式：2dsinθ＝λ可知，沿原路反馈回光轴和离轴发光单元的中心波长相近，并通过调节角度使利特罗一级衍射反馈光的中心波长出现一定的偏移，这样不同弯曲程度的发光单元输出光的中心波长很接近，同时由于波导光栅光谱和外腔光栅反馈光谱中心波长有一定偏差，形成类似游标效应的光谱叠加，达到减小整体线宽的目的，同时简化光路结构，提高器件稳定性。这样轴上和离轴发光单元输出的光谱中心波长相等，从而半导体激光线阵整体的光谱线宽减小。

如图2所示，小透镜2和大透镜4都为凸透镜，所述大透镜4的焦距是小透镜2的焦距的3-10倍。

如图2所示，小透镜2、半波片3、大透镜4都镀有工作波长的增透膜，所述衍射光栅列阵5中每个衍射光栅单元501均镀有工作波长的高反膜。

如图2所示，快轴准直镜102是采用等离子耦合干法刻蚀和高质量光学介质膜沉积技术制备，通过合理选取刻蚀工艺参数制备出曲面侧壁沟槽，在沟槽中沉积光学介质材料制备出快轴准直透镜102，实现片上集成的快轴准直激光线阵。

如图2所示，波导光栅103是采用高精度掩膜制备和等离子耦合干法刻蚀技术制备，通过合理选取刻蚀工艺参数制备出波导光栅103，实现激光线阵的频率选择和光谱窄化。

图5为激光器光谱的游标效应示意图。实线波形图为波导光栅选频光谱，虚线波形图为衍射光栅反馈光谱。实线波形图与虚线波形图之间的重叠区为激光单元最终光谱，即箭头指出的波形图，从图5可以看出本发明的光谱线宽小。

本发明通过衍射光栅列阵外腔反馈，使激光线阵一个或多个发光单元入射到一个衍射光栅单元上，通过调节每个衍射光栅单元，使不同弯曲程度的发光单元经衍射单元后沿原路返回的反馈光中心波长很接近，并通过调节角度使利特罗一级衍射反馈光的中心波长出现一定的偏移，这样不同弯曲程度的发光单元输出光的中心波长很接近，同时由于波导光栅光谱和外腔光栅反馈光谱中心波长有一定偏差，形成类似游标效应的光谱叠加，从而有效降低激光单元和整个线阵的光谱线宽。

需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一种具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形，总之，本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。