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高功率半导体激光器外腔合束技术及白激光研究

田景玉  
【摘要】:半导体激光器具备寿命长、电光转换效率高、功率体积比大、调制性能优异、可选波长宽、易于集成等诸多性能优势,随着功率、亮度、光束质量、频谱稳定性等性能的不断提升,半导体激光器已直接或间接应用在空间通信、激光加工、激光照明与显示、激光测量与监测、国防安全等领域,在全球范围内半导体激光器市场规模也在不断扩大。作为间接光源,半导体激光泵浦固体、光纤及碱金属等多种类型激光器,要求泵浦光谱与吸收光谱严格匹配,而半导体激光器存在光谱较宽、频谱稳定性较差的问题,导致泵浦效率较低。作为直接能量光源,半导体激光器单元器件功率较低,光束质量差等问题都亟待解决。另外,基于红、绿、蓝(RGB)三基色半导体激光器的合成光源应用在激光显示及照明领域,具有显色性好、亮度高等优势,但由于处于起步阶段,存在激光功率低的问题,不能满足高功率、高亮度激光显示的使用要求。本论文基于半导体激光外腔反馈波长锁定及合束技术,研制出高功率、高光束质量的直接光源和适用于碱金属蒸汽激光器泵浦的高功率、窄线宽泵浦光源;基于RGB三基色半导体激光器研制出高功率白激光显示光源。具体的研究内容和成果如下:(1)基于RGB三基色半导体激光器件,通过空间合束、波长合束等,三基色光耦合进单光纤,光纤输出合束光功率超过100W。根据色度学原理进行颜色功率配比,获得了功率达63W,色温为5710K的白光输出,比标准白光D_(65)的色温低12.2%。在此基础上,进行调温、调色实验,获得了功率达58.4W,色温为6480K的白光输出,比标准白光D_(65)的色温低3.08%。基于该光源,通过调整激光功率配比,可实现不同色温的合束激光输出。(2)针对Rb碱金属蒸汽激光器泵浦光需求,提出了快轴准直镜-光束变换器-慢轴准直镜-反射式体布拉格光栅(FAC+BTS+SAC+RVBG)的结构,通过压缩入射到RVBG的激光发散角,提高RVBG有效反馈率的方式,研制出780nm窄线宽半导体激光器,光谱宽度为0.064nm(FWHM),进一步精确温控RVBG,可将中心波长稳定在780.00nm,温漂系数为0.0012nm/℃,电流漂移系数为0.0013nm/A,连续功率达到47.2W。基于该结构,合束四个波长可控的激光线阵,输出功率达到173.8W,电光转换效率为46.6%。(3)基于单线阵800nm半导体激光器,实现了19个激光单元的光谱合束输出,合束后的光谱宽度为3.94nm,相邻峰之间的间隔约为0.22nm,输出功率为31W,电光转换效率达到51.5%。在此基础上,实现了四个800nm半导体激光线阵的光谱合束。(4)提出了一种双谐振腔共用单光栅实现多激光单元光谱合束的结构,基于透射式衍射光栅,搭建了外腔反馈光谱合束双谐振腔原理样机,并结合偏振合束,实现8个800nm半导体激光线阵的激光合束,连续输出功率超过200W,光束质量M~2为2.2×16.7,可以被耦合到50μm/0.22NA光纤中,其亮度高于商用的的光纤(100μm/0.22NA,800nm,100W)亮度数十倍。


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