一种外腔调制的半导体激光器

摘要

本发明公开了一种外腔调制的半导体激光器，沿着光路方向依次设置含至少两个发光单元的半导体芯片、快轴准直元件以及与所述发光单元对应的光学组件；所述发光单元发出的光束中，与所述光束发散角法线方向一致的光线进入光学组件，在发光单元之间形成光束的振荡反馈，并通过光学组件直接耦合出射一束激光。采用本发明所示的半导体激光器，仅出射一束激光形成一个光斑，且发光单元之间形成振荡反馈的光束垂直于前端面，可以提高半导体芯片的交叠效率，提高输出功率并保持高光束质量。

权利要求

1.一种外腔调制的半导体激光器，其特征在于，沿着光路方向依次设置含至少两个发光单元的半导体芯片、快轴准直元件以及与所述发光单元对应的光学组件；

所述发光单元发出的光束中，与所述光束发散角法线方向一致的光线进入光学组件，在发光单元之间形成光束的振荡反馈，并通过光学组件直接耦合出射一束激光，所述光学组件为分立的，包括三角棱镜和高反镜；

其中，所述三角棱镜的底面朝向快轴准直元件，两侧面成预定的夹角，其中朝向高反镜的侧面镀有预定透反比的透反膜，用于将所述发光单元发出的光束通过所述朝向高反镜的侧面直接耦合出射一束激光；

所述高反镜镀有高反膜，设置于三角棱镜一侧，用于将接收的三角棱镜的出射光束原路反射。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述三角棱镜两侧面形成的夹角为120度。

3.根据权利要求1或2所述的半导体激光器，其特征在于，所述发光单元第一发光单元和第二发光单元之间的距离为L1，三角棱镜底面长度为L2，L2=2L1。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述光学组件还可以为一体的，为一个多边棱镜，所述多边棱镜包含至少四个侧面，分别为第一侧面、第二侧面、高反面和透射面，其中，所述第一侧面和第二侧面朝向快轴准直元件，且所述第一侧面和第二侧面形成的夹角为凹向所述多边棱镜内部的角；

所述高反面用于将接收的所述第二侧面的光束原路反射至第二侧面，发生反射和折射，所述反射的光束经由所述透射面形成激光，所述折射的光束直接到达所述第一侧面；

所述透射面用于将经由第二侧面入射其上的光透射成激光。

5.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一侧面和所述第二侧面形成90度夹角。

6.根据权利要求4或5所述的半导体激光器，其特征在于，所述第一侧面和第二侧面的长度大于所述第一发光单元和第二发光单元之间的距离L1。

7.根据权利要求4或5所述的半导体激光器，其特征在于，所述高反面上镀有高反膜，所述透射面上镀有增透膜。

8.根据权利要求4所述的半导体激光器，其特征在于，所述高反面或高反镜的面型为平面或凹面。

9.根据权利要求1所述的半导体激光器，其特征在于，所述半导体芯片的前端面上镀有增透膜。

说明书

一种外腔调制的半导体激光器

技术领域

[0001] 本发明涉及激光装置技术领域，尤其是涉及一种外腔调制的半导体激光器。

背景技术

[0002] 半导体激光器是以半导体材料作为增益介质，利用电子在能级间跃迁发光，直接以半导体晶体解理面形成的平行反射镜构成谐振腔，在电注入下形成光振荡反馈，产生光的辐射放大，实现激光输出。半导体激光器在目前的激光器中是电光转换效率最高的，电转光效率可达70％。并且半导体激光器也是波长范围最宽、适应性和可靠性最强、也是批量化生产费用最低的激光器。但是，由于半导体激光器的谐振腔的尺寸较小，激光腔内及出光口功率密度高、增益介质区极短等限制，导致单个半导体发光单元的输出功率比较小，很难直接输出百瓦及以上功率。并且现有的半导体激光器在慢轴方向的光束质量差，因此，如何获得具有高功率、高光束质量和高功率密度的半导体激光输出已成为国际激光领域的重大瓶颈技术。

[0003] 为解决上述问题，申请号为201811197771.9的发明专利，提供了一种宽脊条半导体激光器。如图1所示，包括半导体增益模块1、该半导体增益模块1包括1个半导体芯片1‑1、半导体芯片1‑1包括M个发光单元1‑11、设置在激光谐振腔内的快轴准直元件(FAC)3以及设置在FAC之前的屋脊棱镜4。采用这种结构的半导体激光器可以提高功率，改善光束质量，且多个发光单元串联的方式会减小自发辐射放大(ASE)，但是，申请人经过研究发现，光束在串联的发光单元之间以一定角度出射或入射，会导致增益区和光束之间的交叠效率相对较低，没有百分之百的交叠，光束质量和功率还有进一步提升的空间。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种外腔调制的半导体激光器，通过外置光学组件实现多个发光单元之间的光耦合振荡，提高输出功率并保持高光束质量。

[0005] 为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种外腔调制的半导体激光器，其特征在于，沿着光路方向依次设置含至少两个发光单元的半导体芯片、快轴准直元件以及与所述发光单元对应的光学组件；所述发光单元发出的光束中，与所述光束发散角法线方向一致的光线进入光学组件，在发光单元之间形成光束的振荡反馈，并通过光学组件直接耦合出射一束激光。

[0006] 进一步的，所述光学组件包括三角棱镜和高反镜；其中，所述三角棱镜的底面朝向快轴准直元件，两侧面成预定的夹角，其中朝向高反镜的侧面镀有预定透反比的透反膜，用于将所述发光单元发出的光束通过一侧面直接耦合出射一束激光；所述镀有高反膜的高反镜设置于三角棱镜一侧，用于将接收的三角棱镜的出射光束原路反射。

[0007] 进一步的，所述三角棱镜两侧面形成的夹角为120度。

[0008] 进一步的，所述发光单元中第一发光单元和第二发光单元之间的距离为L1，三角棱镜底面长度为L2，L2＝2L1。

[0009] 进一步的，所述光学组件为多边棱镜，所述多边棱镜包含至少四个侧面，分别为第一侧面、第二侧面、高反面和透射面，其中，所述第一侧面和第二侧面朝向快轴准直元件，且所述第一侧面和第二侧面形成的夹角为凹向所述多边棱镜的角；所述高反面用于将接收的第二侧面依据光路一出射的光束原路反射；所述透射面用于将经由第二侧面入射其上的光透射成激光。

[0010] 进一步的，所述第一侧面和所述第二侧面形成90度夹角。

[0011] 进一步的，所述第一侧面和第二侧面的长度大于所述第一发光单元和第二发光单元之间的距离L1。

[0012] 进一步的，所述高反面上镀有高反膜，所述透射面上镀有增透膜。

[0013] 进一步的，所述高反面为平面或凹面。

[0014] 进一步的，所述半导体芯片的前端面上镀有增透膜。

[0015] 本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

[0016] 本发明上述实施方式提供的半导体激光器，通过光学组件直接耦合出射一束激光，形成一个光斑，大大提高了光束质量，另外，通过光学组件实现半导体芯片中发光单元之间光的振荡反馈，产生光的辐射放大，同时，发光单元之间形成振荡反馈时，光束是以垂直于前端面的角度从发光单元入射或者出射，光束在振荡时与发光单元所对应的增益区接触面较大，大大提高了交叠效率，进一步提高了光电转换率，从而可以使出射的激光光束质量更高。

附图说明

[0017] 图1是现有技术中半导体激光器的结构示意图；

[0018] 图2为本发明实施例中半导体激光器的结构示意图；

[0019] 图3为三角棱镜的实现形式示意图；

[0020] 图4为本发明又一实施例中半导体激光器的结构示意图。

具体实施方式

[0021] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

[0022] 在附图中示出了本发明实施例的半导体激光器的结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

[0023] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0024] 本发明提供一种外腔调制的半导体激光器，包括半导体芯片，FAC准直镜以及外置光学组件，其中所述半导体芯片包括至少两个发光单元，为详细描述本发明的技术方案，本发明实施例以一个外置光学组件和两个发光单元为例对本发明方案进行说明，所述两个发光单元分别为第一发光单元和第二发光单元。

[0025] 图2是本发明第一实施例所述的外腔调制的半导体激光器的结构示意图。

[0026] 沿着光路方向依次设置半导体芯片21、FAC 23以及外置光学组件22，其中，所述半导体芯片21包括至少两个发光单元，为便于描述，本实施方案中以第一发光单元211和第二发光单元212为例进行说明。本发明中的半导体芯片21前端面上镀有增透膜，使得发光单元的光束可以透过增透膜出射，进而通过光学组件22也就是外腔实现对发光单元光束的调制，增大基模，避免发光单元的光束在自身内部振荡。半导体芯片21中沿着发光单元的光路方向，靠近光学组件22的面为前端面，远离光学组件22的面为后端面。

[0027] 所述FAC 23位于半导体芯片和光学组件之间，用于对半导体芯片的光束进行准直。经过准直，减小光束的发散角，可以有更多的光束被耦合进入光学组件，减少发光单元之间的耦合损耗。

[0028] 所述光学组件22包括三角棱镜221和高反镜222。优选的，所述三角棱镜221为等腰三棱镜，所述三角棱镜221的底面朝向半导体芯片21，两侧面形成预设的夹角；高反镜222镀有高反膜的一面朝向三角棱镜221的一侧面，所述侧面镀有透反膜，其透反比根据需要预置。

[0029] 第一发光单元211和第二发光单元212之间的距离为L1，三角棱镜221底面的长度为L2，当L2＝2L1时，半导体芯片21与外置光学组件22更加适配，产生的激光光束质量更高，所述三角棱镜底面的长度是指沿着y轴方向的长度。优选的，第一发光单元211和第二发光单元212宽度相同，所述宽度是沿着y轴方向的长度。

[0030] 第一发光单元211发出的光束到达光学组件22，所述光束中，与光束法线方向一致的光进入三角棱镜221，然后依次在三角棱镜22的侧面A、底面B反射后，到达三角棱镜22靠近高反镜23的侧面C，如图3所示的，底面B、侧面A和侧面C既可以组成三角棱镜，也可以分别独立设置。

[0031] 为更加清楚的描述本发明中的光路情况，先对入射到侧面C的光束的折射和反射路径进行说明，所述侧面C镀有透反膜。第一种光路：从三角棱镜221内部，经由底面B反射后入射到侧面C的光束，会发生折射和反射，其中，所述反射的光束通过底面B经由FAC透射至半导体芯片21，所述折射的光束到达高反镜222；第二种光路：通过底面B直接透射到三角棱镜221内部后到达侧面C的光束，也会发生反射和折射，所述反射的光束到达底面B后再次发生反射，所述折射的光束出射形成激光；第三种光路：从高反镜222原路反射到三角棱镜221的侧面C外部的光束，同样也会发生折射和反射，其中，所述反射的光束出射形成激光，所述折射的光束，到达底面B后再次发生反射。

[0032] 由此可以理解的，第一发光单元发出的光束在侧面C发生反射后，形成所述第一种光路，其中所述第一种光路中反射的光束沿垂直于前端面的方向到达第二发光单元，被第二发光单元后端面上镀有的高反膜原路反射，进一步形成所述第二种光路，部分光束出射形成激光，部分光束依次经过侧面C、底面B、侧面A后经由FAC沿着垂直于前端面的方向到达第一发光单元，其中所述高反膜的反射率高达99.9％以上；所述第一种光路中折射的光束经由侧面C透射至高反镜222上，其透射方向与高反镜222的镜面方向垂直，到达高反镜222的光束被原路反射至三角棱镜221的侧面C的外部，形成所述第三种光路，反射光束出射形成激光，折射光束进入三角棱镜221内部，依次在底面B、侧面A发生两次反射后，经由FAC沿着垂直于前端面的方向到达第一发光单元，所述高反镜222上镀有高反膜。

[0033] 同样的，到达第一发光单元的光束被镀在半导体芯片后端面的高反膜原路反射，第一发光单元发出的光束在第一发光单元和第二发光单元之间形成振荡反馈。

[0034] 本领域技术人员可以理解的，第二发光单元发出的光束，通过光学组件22在第一发光单元和第二发光单元之间同样可以形成振荡反馈，在此不再赘述。由此，第一发光单元和第二发光单元之间形成耦合振荡，第一发光单元和第二发光单元发出的光束中，沿着光束发散角法线方向到达光学组件22的光束被耦合进光学组件22，在通过光学组件22直接耦合透射出激光束的同时，对进入光学组件的光束在第一发光单元和第二发光单元之间进行振荡反馈，振荡过程中产生光的辐射放大，通过这种方式出射的激光，将多个发光单元的光束进行耦合后出射，形成一个激光束光斑，光束质量更高。

[0035] 另外，在本发明实施例中，第一发光单元和第二发光单元之间进行耦合振荡时，光束方向都是垂直于前端面的，与本发明中发光单元所对应的增益区相适应，加大了发光单元振荡光束和发光单元所对应的增益区的接触面，所以第一发光单元和第二发光单元之间交叠效率较高，大大提高了光电转换效率。

[0036] 对于一个优选的实施例，所述三角棱镜两侧面之间的夹角为120度时，半导体芯片和外置光学组件之间的光束耦合效果更优，获得的激光的光束质量更好。

[0037] 优选的，所述高反镜可以为平面或曲面，高反镜的曲率半径为R，当R<‑1000mm时，对入射到其上的光束的反射效果更好。

[0038] 本发明另一实施例如图4所示，沿着光路方向依次设置半导体芯片41、FAC 43以及光学组件42，与前述实施例不同的是，所述外置光学组件为多边棱镜42，所述多边棱镜42包含至少4个侧面，分别为第一侧面421、第二侧面422、高反面423以及透射面424，其中所述第一侧面421和第二侧面422朝向半导体芯片一侧，且两者成预定的夹角，所述夹角为凹向所述多边棱镜内部的角，优选的，当夹角为90度时，通过对光束的耦合振荡，形成的激光的光束质量更好。

[0039] 为清楚的描述本发明的实施方案，现对到达第二侧面422的光束的光路情况进行说明。光路一：由第一侧面421反射至第二侧面422的光束，会发生反射和折射，所述反射的光束经由FAC被直接耦合进第二发光单元，所述折射的光束经由多边棱镜内部垂直入射至高反面423；光路二：由第二发光单元经由FAC之后出射至第二侧面422的光束，同样会发生反射和折射，所述反射的光束，直接反射至第一侧面421，所述折射的光束，经由多边棱镜42的透射面424透射形成激光；光路三：由高反面423原路反射至第二侧面422，也会产生反射和折射，所述反射的光束经由透射面424形成激光，所述折射的光束直接到达第一侧面421。其中，所述第一侧面421上镀有全反射膜，所述第二侧面422上镀有透反膜，所述透反膜的透反比根据需要设置，所述高反面423上镀有高反膜，所述高反膜的反射率达99.9％以上，所述透射面424上镀有增透膜，所述增透膜的透过率达到99.5％以上，以便激光的透射。

[0040] 本发明实施例半导体芯片中的第一发光单元发出的光束经由FAC到达第一侧面421，沿着所述光束发散角法线方向到达第一侧面421的光束进入多边棱镜42。经过第一侧面421反射后，到达第二侧面422，产生光路一，所述光路一的反射光束，到达第二发光单元，所述第二发光单元的后端面上镀有高反膜，经由所述后端面原路反射后再次到达第二侧面
422，产生光路二，所述光路二中的反射光束，经由第一侧面421再次反射至第一发光单元，所述光路二中的折射光束出射成激光；所述光路一中的折射光束到达高反面423，产生光路三，所述光路三中的折射光束经由第一侧面421反射到达第一发光单元。被第一发光单元的后端面原路反射，经由第一发光单元再次出射，所述光路三中的反射光束经由透射面出射形成激光，由此，第一发光单元发出的光束在第一发光单元和第二发光单元之间形成光束耦合振荡。本领域技术人员可以理解的，第二发光单元发出的光束，在通过多面棱镜耦合出射形成激光的同时，在第一发光单元和第二发光单元之间形成光束振荡，至此，第一发光单元和第二发光单元发出的光束，在第一发光单元和第二发光单元之间形成振荡反馈并耦合出射成激光，在本发明实施例中，第一发光单元和第二发光单元发出的光束中，沿着光束发散角法线方向到达多边棱镜42的被耦合进入多边棱镜42，在第一发光单元和第二发光单元之间振荡的光束，从发光单元入射和出射的光束角度也与前端面垂直，采用这种实现方式，交叠效率较高，激光的光束质量更好。

[0041] 作为一个优选的实施例，所述多边棱镜42朝向半导体芯片的第一侧面和第二侧面的长度大于所述第一发光单元和第二发光单元之间的距离L，优选的，第一发光单元和第二发光单元的宽度相同，为500‑1500微米。

[0042] 作为一个优选的实施例，所述高反面可以为平面或曲面，高反面的曲率半径为R，当R<‑1000mm时，对入射到其上的光束的反射效果更好。

[0043] 本发明中光学组件分别采用了两种实现方式，一种是独立设置三角棱镜和高反镜，采用这种方式便于装配时对于光学组件的微调，一种是采用一体成型的多边棱镜的实现方式，多边棱镜因为是一个整体，更加便于装配。

[0044] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。