基于小角度V形腔光谱合束的半导体激光器和频.pdf

强激光物理与技术基于小角度 V 形腔光谱合束的半导体激光器和频*赵宇飞1,2，佟存柱2，魏志鹏1（1.长春理工大学高功率半导体激光国家重点实验室，长春130022；2.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，发光学及应用国家重点实验室，长春130033）摘要：通过小角度 V 形腔外腔光谱合束将两个 808nm 半导体激光器合束，提高半导体激光器的输出功率及光束质量。两个合束单元分别工作在 795.8nm 和 800.5nm，将所获光束通过非线性光学方法进行频率转换。外腔光谱合束实现输出功率为 6.5W 快慢轴光束质量 M2=2.218.5 的光束输出，所获光束慢轴 M2因子相较于自由运转单管激光器提高了 30%，外腔光谱合束效率为 83%。基于所获光源，实现了半导体激光器小角度 V 形腔外腔光谱合束和频，获得输出功率为 18.3mW 波长为 401.0nm 的蓝光输出，和频效率为 0.28%。关 键 词：半导体激光器；外腔光谱合束；高功率；高光束质量；和频中图分类号：TN24文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230127SumfrequencygenerationofsemiconductorlaserbasedonV-shapedspectralbeamcombiningZhaoYufei1,2，TongCunzhu2，WeiZhipeng1（1.Key Laboratory of High Power Semiconductor Lasers,School of Physics,Changchun University of Science and Technology,Changchun 130022,China;2.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China）Abstract：Two808nmsemiconductorlaserswerecombinedbyV-shapedspectralbeamcombiningandlockedat 795.8 nm and 800.5 nm respectively.The output power and beam quality in the slow axis were improvedsignificantly.Thesumfrequencyofsemiconductorlaserswasrealizedbasedonthelasersource.Alaserwithanoutputpowerof6.5WandbeamqualityofM2=2.218.5wasobtainedbythespectralbeamcombining.TheM2inslowaxiswasimprovedby30%andthecombiningefficiencywas83%.Thesumfrequencylaserwith401.0nmatapowerof18.3mWwasobtainedandtheefficiencyofsumfrequencygenerationwas0.28%.Key words：diode laser,external cavity beam combining,high power,high beam quality,sum frequencygeneration半导体激光器具有体积小、质量轻、光电转换效率高等优点，近年来在光存储、医疗、显示和泵浦等领域中取得了重要应用1-3。半导体激光器能够产生的激光频率覆盖范围广，但是由于材料以及工艺等方面的限制，其在短波长波段的效率较低，极短波长的激光甚至不能直接产生，这限制了半导体激光器的进一步发展和应用。非线性光学的方法可以实现激光频率转换，将半导体激光器所产生的激光通过非线性晶体转换到特定的频率可以获取短波长激光。频率转换可以分为倍频（SHG）与和频（SFG）两种方式。1961 年，Franken 等利用红宝石激光器和石英作用，首次观测到激光的倍频现象，实现了频率转换。1970 年，EdmondsH.D.等通过倍频方式，实现了半导体激光器的频率变换，获得 15W 倍频光输出。1991 年，YamamotoK.等通过和频方法实现半导体激光器作为基频光的频率转换4-6。2012 年，AndrMller 等将两个单模锥形激光器利用 VBG 进行合束，利用所获光源进行和频研究，最终实现输出功率为 3.9W 波长为 531.5nm 绿光输出；2015 年，该课题组在锥形激光器 VBG 合束和频的基础上增加*收稿日期：2023-05-11；修订日期：2023-08-18基金项目：国家自然科学基金项目（62025506）联系方式：赵宇飞，。通信作者：佟存柱，；魏志鹏，。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35，No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.，2023091008-1了一个晶体进行和频，实现了功率为 5W 波长为 532nm 光束输出7-8。2016 年，Zhuzhanda 等将一个宽区半导体激光器阵列进行外腔光谱合束后将倍频晶体插入外腔中进行和频，最终得到输出功率为 93mW 的蓝光光束输出，但由于基频光谱宽较宽，合束单元慢轴光束较差，系统的和频效率较低9。高功率高光束质量的基频光是实现频率转换的关键，合束技术可以有效提高半导体激光器光源的输出功率和亮度。根据合束单元之间是否相干，合束技术可以分为相干合束和非相干合束10-11。相干合束技术需要控制合束单元之间的相位，系统复杂稳定性差，在实际应用中并不常见。非相干合束是目前获得大功率激光源的主要方法12-19。美国麻省理工学院林肯实验室在 2000 年提出的外腔反馈光谱合束（SBC）可获得光束质量接近合束单元、输出功率数倍至百倍于合束单元的激光输出，是目前最佳的非相干合束方法20-22。外腔光谱合束通常由前腔面镀增透膜的半导体激光器阵列、傅里叶传输透镜、衍射光学元件和输出耦合镜构成。半导体激光器阵列工作在由后腔面和输出耦合镜构成的外腔中，各个合束单元被锁定在邻近的波长上。通过外腔光谱合束所获光束的光谱由合束单元的波长构成。外腔光谱合束所获具有优秀的光束质量，但由于输出耦合镜将所有模式全部反馈至激光器，外腔光谱合束的光束质量受限于合束单元。离轴外腔光谱合束通过模式选择反馈的方法实现了突破合束单元光束质量的光束输出，小角度 V 形腔外腔光谱合束通过一个条形反射镜同时实现了激光器横向模式的选择和反馈，保证较高的合束效率的同时，所获得光束质量突破单管23-26。本文基于半导体激光器的小角度 V 形腔光谱合束将两个宽发射区边发射半导体激光器合束，进而利用所获的高光束质量高功率的光源进行和频研究。分析了基于半导体激光器小角度 V 形腔外腔光谱合束和频的输出功率、光束质量、合束效率和频效率等特性。1小角度 V 形腔光谱合束和频原理及实验如图 1 所示，小角度 V 形腔半导体激光器光谱合束和频装置由外腔光谱合束（VSBC）、和频（SFG）两部分组成。外腔光谱合束部分由两个边发射半导体激光器（laser1、laser2）、两个快轴准直镜（FAC）、两个慢轴准直镜（SAC）、一个傅里叶变换透镜（L1）、一个透射光栅（TG）和一个边缘锐利的高反射镜（L2）组成。两个激光器发出的光束经过快慢轴准直后进行空间合束，空间合束后的光束通过傅里叶透镜按照不同的角度汇聚至光栅上，激光器的腔面和光栅分别放置于 L1的两个焦平面上。调整 L2与光束角度的和反馈量，使经过光栅衍射后的光束部分地反馈回至激光器中，合束单元 laser1 和 laser2 的后腔面与反馈镜 L2形成谐振腔，两个激光器锁定在特定波长，角度 根据实际情况调整至反射激光恰好反馈至激光器中，数值约为几度，根据 Lang-Kobayashi 理论27计算最小反馈量为 13.5%可实现外腔锁定。为实现稳定的锁定，反馈至激光器光功率约为自由运转光束功率的 15%。根据光栅方程和激光器空间位置，每个激光器的工作波长可表达为28i=dsin(littrow)+sinlittrow+arctan(ipf)（1）i=1,2式中：；p 为空间合束后两个激光器的距离；f 为傅里叶透镜的焦距；d 为光栅周期。符合光栅方程并按衍射角度入射的两束激光汇聚于光栅，经衍射后按照相同的出射角出射，合成一束。和频部分由聚焦透镜 L3、非线性晶体和双色镜 L4构成，合束后的光束经过聚焦镜 L3汇聚于非线性晶体进行和频。根据非线性光学，所获和频光谱可表达为SFG=1/(1/1+1/2)（2）：SFG、1、2式中分别为和频光束波长、第一个激光器和第二个激光器的工作波长。所获得的和频光束和基频光束通过双色镜 L4分离。实验中所采用的激光器为 COS 独立封装，详细参数如表 1 所示。所采用的快轴准直透镜为焦距为 0.034mm的柱透镜，慢轴准直镜为焦距为 8mm 的柱透镜，傅里叶透镜为平凸透镜，焦距为 350mm。所采用光栅为透射式光栅，衍射效率为 98%，L2为 K9 基底的镀金反射镜，反射率为 99.5%。为了更好地将合束光束汇聚至非线性晶体中，所采用的汇聚透镜 L3为非球面透镜，焦距为 50mm。所采用的非线性晶体为偏硼酸钡晶体（BBO），尺寸为 3mm3mm10mm，晶体两端面镀中央波长 808nm 和 400nm 的增透膜，在中央波长15nm 处，透射率均大于 98.5%。本文中采取第一类相位匹配进行和频，室温下通过计算29，最佳方位角为 29.2，晶体允许角为 0.71mrad，允许线宽为1.12nm。所采用的双色镜 L4在 808nm 处反射率大于 98.5%，在 400nm 处透射率大于 96.8%。强激光与粒子束091008-22实验结果及分析在 20 水冷主动散热下，我们分别测量了两个半导体激光器自由运转的功率、光谱合束后的功率、合束后光谱以及光束质量。图 2（a）为两个激光器在自由运转和小角度 V 形腔外腔光谱合束的功率随注入电流变化曲线。当驱动电流由 2A 增加至 10A 时，两个激光器自由运转功率、合束后功率随注入电流增加而逐渐增大，分别达到8.3W 和 6.5W，外腔光谱合束的合束效率为 83%，外腔光谱合束的功率降低主要原因是光栅处的功率损失和反馈至激光器的光束。图 2（a）插图为电流为 10A 时合束后的两个激光器的光谱，由图可见，合束后的光谱由两个尖峰组成，分别位于 795.8nm 和 800.5nm 处，两个尖峰分别对应两个激光器波长取决于所用的傅里叶透镜焦距、光栅的光栅方程以及激光器位置。光谱特性说明两个激光器在外腔的作用下锁定在特定波长上。图 2（b）为单管半导体激光器自由运转和合束后的快慢轴光束质量 M2随电流变化曲线，由图可见，单管半导体激光器自由运转（singleemitterfast）和小角度 V 形腔光谱合束后（VSBCfast）的快轴方向光束质量因子 M2随电流增加缓缓增大，并分别在10A 时达到最大。光谱合束后快轴光束质量略大于单管运行，但数值上接近 2，原因是傅里叶透镜的像差导致两个激光器在光栅处未完全重合，小角度 V 形腔外腔光谱合束所得光束快轴光束质量与传统外腔光谱合束接近。自由运转时的单管慢轴方向光束质量 M2（singleemitterslow）和合束后的慢轴光束质量（VSBCslow）随着电流增加数值上迅速变大，但合束后的慢轴光束质量始终优于单管激光器自由运转的慢轴光束质量，在注入电流为 10A时，单管激光器自由运转的慢轴方向光束质量 M2和合束后的慢轴光束质量 M2分别达到 26 和 18.5。由于慢轴方向光模式被部分反馈至激光器，小角度 V 形腔可实现模式选择，经过模式选择后的输出光光束质量得到提升，相较单管半导体激光器小角度 V 形腔外腔光谱合束慢轴光束质量提高了 30%。表1所采用半导体激光器的参数Table1Structureparametersofthediodelasersusedcentralwavelength/nmcavitylength/mmemitterwidth/mfast95%powercontent/()slow95%powercontent/()frontfacetreflectivityrearfacetreflectivity/%degreeofTEpolarization/%808312075152.5%9595VSBCSFGL1laser1L3gratingslow axisD mirror(L2)BBOSACFAClaser2L4FACfast-axiscollimatinglens,SACslow-axiscollimatinglens,BBO-BaB2O4Fig.1ExperimentalsetupdiagramofsumfrequencygenerationofsemiconductorlaserbasedonV-shapedspectralbeamcombining图1半导体激光器小角度 V 形腔外腔光谱合束和频实验装置246810123456789free runningVSBCcurrent/Apower/W796 797 798 799 800 801 802 80300.080.150.230.310.380.460.540.620.690.770.850.921.00intensity/a.u.wavelength/nm246810051015202530M2single emitter fastsingle emitter solwVSBC fastVSBC slowcurrent/A(a)power characteristics of the two lasers under free running andcombined by V-shaped external cavity spectral beam combining(VSBC)(b)beam quality characteristics of thelaser and the combined laserFig.2Experimentalresult图2实验结果赵宇飞，等：基于小角度 V 形腔光谱合束的半导体激光器和频091008-3基于小角度 V 形腔外腔光谱合束所获得的激光，我们进行了和频实验。图 3（a）为和频后光束功率随着电流变化曲线，从图中可知，和频光束功率随注入电流增加逐渐增加，在注入电流为 10A 时达到最大，数值为 18.3mW，和频效率为 0.28%。图 3（a）插图为所获得的和频光束的远场分布。图 3（b）为所获光束的光谱图，所获和频光束光谱由一个尖峰构成，中央波长为 401.0nm，符合前文理论计算值。56789101120025030035040045050055060068101214161820SFG power/Wcurrent/A(a)SFG power(b)spectrum00.10.30.40.60.70.91.0wavelength/nmintensity/a.u.Fig.3PoweroftheblueoutputbeamgeneratedbySFGandcharacteristicsspectralofthesumfrequencygeneration图3和频光束功率特性和光谱特性3结论通过小角度 V 形腔外腔光谱合束的方法提高半导体激光器光源的输出功率、改善合束后光束质量，将所获光束进行和频。实现输出功率 6.5W，光束质量 M2=2.218.5 的基频光。将所得基频光和频后，实现 401.0nm 输出功率为 18.3mW 蓝光输出，和频效率 0.28%。由于基频光束频率被外腔锁定，因此所获和频光束的频率受环境等因素影响较小。和频效率较低的原因是基频光输出功率不足，慢轴光束质量不够理想，所采用非线性晶体为体材料晶体。在和频允许线宽范围内增加光谱合成的单元数量，提高基频光功率、进一步改善基频光慢轴光束质量、级联多个非线性晶体、将体材料晶体替换为效率更高的周期性掺杂晶体等方法将进一步提高和频光输出功率。小角度 V 形腔外腔光谱合束和频为半导体激光器频率转换提供了一种新的思路。参考文献：WitteU,SchneiderF,TraubM,etal.kW-classdirectdiodelaserforsheetmetalcuttingbasedonDWDMofpumpmodulesbyuseofultra-steepdielectricfiltersJ.OpticsExpress,2016,24（20）:22917-22929.1PietrzakA,ZornM,HuelsewedeR,etal.Developmentofhighlyefficientlaserdiodesemittingaround1060nmformedicalandindustrialapplicationsC/ProceedingsofSPIE10900,High-PowerDiodeLaserTechnologyXVII.2019:109000K.2ShimadaN,YukawaM,ShibataK,etal.640-nmlaserdiodeforsmalllaserdisplayC/ProceedingsofSPIE7198,High-PowerDiodeLaserTechnologyandApplicationsVII.2009:719806.3FrankenPA,HillAE,PetersCW,etal.GenerationofopticalharmonicsJ.PhysicalReviewLetters,1961,7（4）:118-119.4EdmondsH,SmithA.Second-harmonicgenerationwiththeGaAslaserJ.IEEEJournalofQuantumElectronics,1970,6（6）:356-360.5Yamamoto K,Yamamoto H,Taniuchi T.Simultaneous sum-frequency and second-harmonic generation from a proton-exchanged MgO-doped 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