提高大功率半導(dǎo)體激光列陣光束質(zhì)量的實驗和理論研究.pdf

1、本文以促進(jìn)大功率半導(dǎo)體激光器在材料加工中的直接應(yīng)用為背景，以提高大功率半導(dǎo)體激光列陣光束質(zhì)量為主要研究對象，針對目前大功率半導(dǎo)體激光列陣的發(fā)光單元數(shù)目多，互相之間無直接光電聯(lián)系，列陣整體光束質(zhì)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(dǎo)體激光列陣的光束質(zhì)量。對各種方法分別進(jìn)行了理論和實驗分析，并討論了其在實際應(yīng)用中的可行性問題。 大功率半導(dǎo)體激光陣列各發(fā)光單元是光電隔離的，提高光束質(zhì)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(shù)，通過在半導(dǎo)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(chǎn)生鎖相的效果。光輻射從外腔反饋鏡反射回半導(dǎo)體激光器有源區(qū)時，由于衍射反饋到其它單元從而實現(xiàn)了陣列發(fā)光單元間的相互耦合。但現(xiàn)有外腔鎖相相干耦合技術(shù)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(qiáng)的耦合。本文提出引入光纖整形器實現(xiàn)半導(dǎo)體激光陣列外腔鎖相，即光纖耦合

3、半導(dǎo)體激光外腔鎖相。在半導(dǎo)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(shù)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(dǎo)體激光列陣發(fā)光單元間實現(xiàn)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(qiáng)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(shù)矩陣，分析了列陣各階超模的模式增益、近場分布和遠(yuǎn)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(jù)主要功率損失原因提出了改進(jìn)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(jié)構(gòu)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(dǎo)體激光陣列的光譜特性，并對其進(jìn)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(shù)，實驗中采用了平凹柱面鏡作為外腔反射鏡，將腔長設(shè)為半共焦腔，并進(jìn)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(dǎo)體激光器陣列的相干特性。在此基礎(chǔ)上，將體全息光柵和平凹柱面鏡構(gòu)成雙外腔，并且在實驗中獲得了雙波長輸出，譜線寬度達(dá)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(dǎo)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(dǎo)體激光堆棧，采用偏振耦合的方法，研制了一臺直接應(yīng)用型的大功率半導(dǎo)體激光器，最大輸出功率1kW。在工作電流130A時，電光轉(zhuǎn)換效率約為43％。使用UFF100激光光束質(zhì)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(dǎo)體激光列陣的光束質(zhì)量具有重要的實用意義。高的光束質(zhì)量可以產(chǎn)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(dǎo)體激光列陣輸出激光束的光強(qiáng)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(yīng)用。同時，文中分析的并聯(lián)耦合模式理