高功率光谱合束半导体激光技术实验研究

 共1页  1 

半导体激光器光栅-外腔光谱合束技术(SBC)是混合了外腔半导体激光器与波分复用技术优点的一种新型半导体激光合束技术，其优势在于实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的共轴合束输出，合束后的光束质量理论上将等同于单个发光单元(emitter)在外腔注入锁定时的光束质量。SBC技术具有很好的定标放大能力，是一种有希望实现高亮度直接应用半导体激光光源的有效方式。

基于SBC技术设计了半导体激光器的外腔光谱合成实验装置，得到了功率710 W的合束输出，光束质量约7.3 mm·mrad，电光效率约38.2%，合束光谱宽度(FWHM)约17.3 nm，综合指标处于国内领先水平；设计了一种用于压缩光谱合束输出光光谱宽度的方法，可在不对合束效率造成明显影响的前提下实现有效的谱宽压缩，从而提升整体合束能力；初步研究并分析了SBC中普遍存在的半导体激光芯片极易失效的问题。

1  高功率半导体激光外腔光谱合束技术

设计并完成了高功率的半导体激光外腔光谱合束实验装置。实现了输出功率约710 W@70 A的半导体激光合束输出，电光效率约38.2%@70 A，合束光谱宽度(FWHM)约17.3 nm，合束方向光束质量为7.3 mm·mrad。分析了合束后电光效率下降的原因，认为是芯片前腔面膜系透射率不足以在高工作电流下抑制自由运转输出，造成整体输出P-I特性随电流升高呈现较明显的非线性增长趋势(见图1)。为高效、高功率的半导体激光外腔光谱合成奠定了基础。

2  光谱压缩技术

SBC技术的合束能力受限于总体合束激光的光谱宽度。考虑到合束光谱宽度正比于合束单元个数(合束光源尺寸)，反比于转换透镜焦距、光栅刻线数，而光栅刻线数提升能力有限，转换透镜焦距增加不利于系统的小型化。因此采用在合束光源前加入缩束的方式，实现合束激光光谱宽度的压缩。实验结果表明，这种谱宽压缩技术切实有效，且对合束输出特性的影响仅为2%~3%。

3  SBC合束中的芯片失效分析

基于单个半导体激光器发光单元(emitter)开展了老化与测试实验。分别针对自由运转状态、无光栅的外腔结构、光栅-外腔光谱合束结构开展了初步实验(见图2)。前期实验结果如下：

(a) 外腔反馈对半导体激光器的丝状发光有一定的增强作用，但是这种增强不足以导致激光器快速失效；

(b) 加入光栅组成SBC结构会对丝状发光产生影响：丝状发光情况与锁定光谱状态相关，锁定光谱状态不断跳动，丝状发光(横向模式)也会随之跳动，且很不稳定，跳动范围较大。跳动至极强时可能具备破坏芯片前腔面的能力，进而导致芯片失效。

前期的实验结果表明SBC结构中芯片的失效可能与丝状发光的状态有较大的关系，定性结果与可能存在的解决方法有待实验的进一步开展。