提高大功率半導體激光列陣光束質量的實驗和理論研究.pdf

1、本文以促進大功率半導體激光器在材料加工中的直接應用為背景，以提高大功率半導體激光列陣光束質量為主要研究對象，針對目前大功率半導體激光列陣的發(fā)光單元數目多，互相之間無直接光電聯(lián)系，列陣整體光束質量差的問題，采用了光纖相干耦合外腔、體全息光柵外腔和激光束偏振耦合這三種方法提高半導體激光列陣的光束質量。對各種方法分別進行了理論和實驗分析，并討論了其在實際應用中的可行性問題。 大功率半導體激光陣列各發(fā)光單元是光電隔離的，提高光束質量的方

2、法有相干耦合和非相干耦合兩種方法。目前的外腔鎖相技術，通過在半導體激光器外加入具有一定反射率的外腔鏡或光柵、位相共軛鏡等形成外腔，利用光輻射在外腔中傳播時的衍射作用產生鎖相的效果。光輻射從外腔反饋鏡反射回半導體激光器有源區(qū)時，由于衍射反饋到其它單元從而實現了陣列發(fā)光單元間的相互耦合。但現有外腔鎖相相干耦合技術只能保證相鄰發(fā)光單元之間有耦合，并不能在所有發(fā)光單元之間形成強的耦合。本文提出引入光纖整形器實現半導體激光陣列外腔鎖相，即光纖耦合

3、半導體激光外腔鎖相。在半導體激光陣列外腔中，利用光纖束的柔韌性、低損耗的特點，使發(fā)光單元呈二維排列。這樣，外腔中參加鎖相的相鄰單元數目增多，同時因為光纖集束端面不必考慮散熱問題，光纖可以緊密排列，發(fā)光單元的填充因子增加，有利于形成并聯(lián)耦合，提高外腔中的相干程度。采用光纖耦合外腔的方法在半導體激光列陣發(fā)光單元間實現了鎖相輸出，鎖相前列陣光譜寬度2．6nm，鎖相后光譜寬度0．23nm，提高了列陣整體的相干性，輸出光束的光強得到提高。光纖耦合

4、外腔中，列陣作為一個整體運行于統(tǒng)一的超模。本文中確定了耦合系數矩陣，分析了列陣各階超模的模式增益、近場分布和遠場分布。分析了光纖外腔正向和反向功率傳輸情況，求得了耦合效率。根據主要功率損失原因提出了改進方案。 體全息光柵外腔不改變列陣發(fā)光單元的排列方式，發(fā)光單元之間的耦合較弱，但結構簡單、能量損失小。同時，該外腔有很好的波長穩(wěn)定性。本文用體全息光柵外腔來改善半導體激光陣列的光譜特性，并對其進行了理論分析和軟件模擬，確定了最佳外腔

5、長度。實驗中將光譜線寬壓窄到0．22nm，波長隨溫度的漂移減小到0．01nm/℃。相干耦合主要通過外腔反饋使單元間的光場相互耦合，為了減小外腔反饋中的自耦合系數，實驗中采用了平凹柱面鏡作為外腔反射鏡，將腔長設為半共焦腔，并進行理論分析，通過外腔實驗，陣列的譜線寬度從2．5nm壓窄到了0．5nm，一定程度上改善了半導體激光器陣列的相干特性。在此基礎上，將體全息光柵和平凹柱面鏡構成雙外腔，并且在實驗中獲得了雙波長輸出，譜線寬度達到0．2nm

6、，隨溫度變化時，其波長間隔始終穩(wěn)定在1．8nm。 偏振耦合屬于非相干耦合，不能改變半導體激光列陣的相干特性，但可以提高輸出激光光束的亮度。與波長耦合、空間耦合配合使用，能對激光光束的亮度有較大提高。本文中，使用兩個半導體激光堆棧，采用偏振耦合的方法，研制了一臺直接應用型的大功率半導體激光器，最大輸出功率1kW。在工作電流130A時，電光轉換效率約為43％。使用UFF100激光光束質量診斷儀測量，焦斑呈矩形分布，焦斑面積為0．55

7、×5．0mm2，快軸光參積Kf=26．1mm·mrad，激光器系統(tǒng)工作穩(wěn)定。用其做了鋼軌表面硬化、鋁合金焊接等試驗。 提高大功率半導體激光列陣的光束質量具有重要的實用意義。高的光束質量可以產生高的聚焦功率密度，滿足深熔焊接等需要高功率密度場合的需要。本文中，通過提高半導體激光列陣輸出激光束的光強和亮度，從而獲得更高的功率密度。列陣的輸出光譜壓窄，也可以在泵浦固體激光器等需要窄線寬的場合中有較多應用。同時，文中分析的并聯(lián)耦合模式理