本發(fā)明涉及激光器技術領域，尤其涉及一種量子級聯激光器。

背景技術：

量子級聯激光器是根據量子力學能級理論(如雙聲子共振、束縛到連續(xù)等)設計的半導體激光器，電子是從子帶到子帶躍遷發(fā)光。與傳統(tǒng)的半導體激光器不同，量子級聯激光器的有源區(qū)是由一系列周期性變化的薄膜構成的阱壘對構成，這些周期性變化薄膜阱壘對的厚度決定量子級聯激光器的激射波長，量子級聯激光器的激射波長已經實現了從中紅外(MIR)到太赫茲(THZ)波段的寬的波長覆蓋。自1994年誕生以來，由于其高可靠性、小體積以及高轉化效率，量子級聯激光器在氣體探測，自由空間光通信、軍事制導和生命醫(yī)療等領域具有重要的應用意義。在紅外對抗領域，目前所用的紅外導引頭探測的波長大多數3～5μm，量子級聯激光器的波長可以完全覆蓋紅外導引頭的探測器。定向紅外干擾對紅外引導頭的干擾、致眩以及毀壞取決于照射到引導頭上的激光功率。目前來說量子級聯激光器的單管輸出功率有限，為突破單管量子級聯激光器的輸出光功率極限，在實際應用中有必要采用光束合成技術提高輸出功率。國際上已經有采用合束方法包括相干合束和非相干合束兩種。相干合束的光束質量好，如邁克爾遜腔合束[Bloom，Guillaume，et al.Optics letters 35.11(2010)：1917-1919.]、達曼光柵合束[Bloom，Guillaume，et al.Optics letters 36.19(2011)：3810-3812.]，但是效率很低，不能提高光功率。非相干合束主要使用量子級聯激光器Bar條的外腔光譜合束[Lee，Benjamin G.，et al.OpticsExpress 17.18(2009)：16216-16224.]，這種方法可以保證合束后的光束質量和單管器件相同，但是不能解決Bar條本身的熱效應，畢竟量子及級聯激光器不同于普通的半導體激光器，它的電光轉化效率只有～10％，熱效應非常顯著。如果能借鑒普通半導體激光器中單管器件空間合束的方法，首先解決量子級聯激光器的散熱問題，然后在利用外腔光譜合束的形式保證光束質量，從而提供一種切實可行的高效量子級聯激光器合束方法。利用空間合束結合光柵外腔合束的方法可以使量子級聯激光器合束效率在70-80％之間，而且能保證輸出的光是同軸的，這在紅外對抗方面會有重要的應用價值。此種方法類似于單色儀分光的逆過程，多個量子級聯激光器管芯空間合束后，以不同的入射角入射到衍射光柵上，經過輸出鏡的反饋以相同的衍射角輸出，根據光路可逆原理光柵衍射的光會二次對激光芯片進行調制，形成具有一定波長間隔的、方向相同的復色紅外光。此種方法的好處是能夠保持單個管芯的光束質量，同時能夠實現較高的功率輸出。

技術實現要素：

為克服現有量子級聯激光器的單管輸出功率有限的問題，本發(fā)明提供了一種量子級聯激光器。

本發(fā)明實施例量子級聯激光器包括：階梯熱沉，其壁面上開有若干個階梯平面；單管量子級聯激光器，固定安裝在所述階梯熱沉的階梯平面上；非球面透鏡，固定安裝在所述階梯熱沉的階梯平面上，位于單管量子級聯激光器的前端；以及反射鏡，其固定安裝在所述階梯熱沉的階梯平面上，位于非球面透鏡的前端。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器還包括：外腔體，其與所述量子級聯激光器機體上的腔體連接口相互固定安裝；外腔鏡，其安裝在所述外腔體的內部，與所述外腔體內壁面的前端相互固定。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，外腔鏡為具有反射率的平行平板；所述平行平板的反射率值在30％到50％之間。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器還包括：半波片，安裝在外腔體的內部，與所述外腔體內壁面的后端相互固定；衍射光柵，安裝在外腔體的內部，其與外腔體的內壁面相互固定，其位于所述半波片與外腔鏡之間。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，所述衍射光柵為閃耀光柵。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器在工作過程中：

單管量子級聯激光器發(fā)出的光束，經過非球面透鏡的準直，入射到反射鏡后從腔體連接口射出，反射鏡射出的光束，形成平行等距的組合光束；

從腔體連接口射出的組合光束，入射到外腔體中的半波片，所述半波片使其偏振方向旋轉90度后射出；波長相同的組合光束以相近的角度入射到衍射光柵，從衍射光柵射出的組合光束，入射到外腔鏡，部分組合光束穿過外腔鏡后射出，另一部分光束被外腔鏡反饋；

被外腔鏡反饋的部分反饋光束，經過衍射光柵、半波片、反射鏡與非球面透鏡，原路返回到各自的單管量子級聯激光器的腔體內；

單管量子級聯激光器發(fā)出具有與注入反饋相同波長的光束；光束經過非球面透鏡、反射鏡、半波片與衍射光柵后入射外腔鏡，部分光束被反饋，從原路返回，另一部分穿過外腔鏡后射出。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，所述單管量子級聯激光器的管芯燒結在次級熱沉上；該次級熱沉焊接在熱沉座上，該熱沉座固定在階梯熱沉上。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，所述單管量子級聯激光器的波長為3.8～12μm。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，所述單管量子級聯激光器的前腔面上，安裝有反射率低于10％的減反膜，所述單管量子級聯激光器的橫模為基模。

優(yōu)選地，本發(fā)明實施例量子級聯激光器中，所述反射鏡為鍍了金的增反膜，所述增反膜的反射率大于95％，所述非球面透鏡的數值孔徑NA＞0.5。

從上述技術方案可以看出，本發(fā)明量子級聯激光器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)解決了量子級聯激光器散熱問題，并且利用外腔光譜合束的形式保證光束質量，從而提供了切實可行的高效量子級聯激光器合束方法；

(2)利用空間合束結合光柵外腔合束的方法，使量子級聯激光器合束效率在70-80％之間，而且能保證輸出的光是同軸的，這在紅外對抗方面會有重要的應用價值；

(3)多個量子級聯激光器管芯空間合束后，以不同的入射角入射到衍射光柵上，經過輸出鏡的反饋以相同的衍射角輸出，根據光路可逆原理光柵衍射的光會二次對激光芯片進行調制，形成具有一定波長間隔的、方向相同的復色紅外光。此種方法的好處是能夠保持單個管芯的光束質量，同時能夠實現較高的功率輸出。

附圖說明

圖1為本發(fā)明第一實施例量子級聯激光器機體的內部結構示意圖。

圖2為本發(fā)明圖1所示量子級聯激光器外腔合束工作示意圖。

圖3為本發(fā)明第二實施例量子級聯激光器進行空間合束與外腔合束工作的示意圖。

圖4為本發(fā)明第二實施例量子級聯激光器中光束外腔耦合前后的光斑相對位置隨CCD距離的變化情況圖。其中，a圖是光束經過空間合束，而沒有安裝外腔鏡和閃耀光柵時，CCD在距離量子級聯激光器0，100，200，300，400，500mm的位置測到的光斑相對情況。b圖是光束經過閃耀光柵和外腔鏡時，CCD在距離量子級聯激光器0，100，200，300，400，500mm的位置測到的光斑情況。

【本發(fā)明主要元件符號說明】

1-量子級聯激光器； 2-階梯熱沉； 3-單管量子級聯激光器；

4-非球面透鏡； 5-反射鏡； 6-階梯平面；

7-閃耀光柵； 8-熱沉座； 9-半波片；

10-外腔體； 11-腔體連接口； 12-衍射光柵；

13-外腔鏡； 14-平行平板； 15-前腔面；

16-減反膜； 17-管芯； 18-次級熱沉；

19-增反膜。

具體實施方式

本發(fā)明致力于解決單管量子級聯激光器的功率有限的問題，通過空間合束和外腔合束的方法提高量子級聯激光器功率。

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明。

一.第一實施例

在本發(fā)明量子級聯激光器及其合束方法的第一個示例性實施例中，提供了一種量子級聯激光器1。圖1為本發(fā)明第一實施例量子級聯激光器機體的內部結構示意圖。如圖1所示，本實施例量子級聯激光器1包括：若干個單管量子級聯激光器3、階梯熱沉2、非球面透鏡4與反射鏡5。

以下分別對本實施例量子級聯激光器1的各個組成部分進行詳細描述。

如圖1所示，階梯熱沉2的壁面上開有兩個階梯平面6。單管量子級聯激光器2的熱沉座8固定在階梯熱沉2的階梯平面6上，如圖2所示，單管量子級聯激光器3的前腔面15上，安裝有反射率低于10％的減反膜16，用來提高反射率；單管量子級聯激光器3的波長為3.8～12μm，。兩個單管量子級聯激光器3安裝在階梯熱沉2高度相同的階梯平面6上。如圖2所示，兩個單管量子級聯激光器3分別安裝在兩個高度不同的階梯平面6上。階梯熱沉2，解決了量子級聯激光器散熱問題。

如圖1所示，單管量子級聯激光器3通過螺栓固定在階梯熱沉2的階梯平面6上，單管量子級聯激光器3的橫模必須為基模。如圖2所示，單管量子級聯激光器3的管芯17燒結在次級熱沉18上，次級熱沉18焊接在熱沉座8上，熱沉座8與階梯熱沉2之間通過螺栓固定安裝。次級熱沉18的材質為SiC、AlN、或金剛石，熱沉座8的材質為銅或鋁。當然，根據實際需要，本發(fā)明還包含其他的結構，由于同本發(fā)明的創(chuàng)新之處無關，此處不再贅述。

如圖1所示，非球面透鏡4固定安裝在階梯熱沉2的階梯平面6上，位于單管量子級聯激光器3的前端；非球面透鏡4通過紫外固化膠水或者機械結構固定在階梯熱沉2上。

如圖1所示，反射鏡5固定安裝在階梯熱沉2的階梯平面6上，位于非球面透鏡4的前端，反射鏡5為鍍了金的增反膜19，該增反膜19的反射率95％以上，增加了合束效率；反射鏡5通過紫外固化膠水或者機械結構固定在階梯熱沉2上。

圖2為本發(fā)明圖1所示量子級聯激光器外腔合束工作示意圖。如圖2所示，單管量子級聯激光器3發(fā)出的光束，經過非球面透鏡4的準直，入射到反射鏡5后通過腔體連接口11射出。四面反射鏡5射出的光束，在快軸和慢軸形成平行等距的組合光束，實現空間合束。

至此，本發(fā)明第一實施例量子級聯激光器，介紹完畢。

二.第二實施例

在本發(fā)明第二示例性實施例中，提供了對第一實施例量子級聯激光器，采用空間合束加外腔合束的合束方法的技術改進措施例。

圖3為本實施例量子級聯激光器進行空間合束與外腔合束工作的示意圖。如圖3所示，外腔體10與量子級聯激光器1機體上的腔體連接口11固定安裝。外腔鏡13安裝在外腔體10的內部，其與外腔體10內壁面的前端相互固定，外腔鏡13為具有反射率的平行平板14，該平行平板14反射率值在30％到50％之間。半波片9安裝在外腔體10的內部，其與外腔體10內壁面的后端相互固定。衍射光柵12安裝在外腔體10的內部，其與外腔體10的內壁面相互固定，其位于半波片9與外腔鏡13之間；衍射光柵12為閃耀光柵7，閃耀光柵7實現了單縫衍射中央最大值的位置，從沒有色散的零級光譜轉移到其他有色散的光譜級上。

量子級聯激光器空間合束結合外腔合束的工作過程如下：

首先，如圖3所示，單管量子級聯激光器3發(fā)出的光束，經過非球面透鏡4的準直，入射到反射鏡5后通過腔體連接口11射出，四面反射鏡5射出的光束，在快軸和慢軸形成平行等距的組合光束，實現空間合束。

而后，請參照圖2與圖3所示，從腔體連接口11射出的組合光束，入射到外腔體10中的半波片9，半波片9使其偏振方向旋轉90度后射出；波長相同的組合光束以相近的角度入射到衍射光柵12，根據光路可逆原理，光柵衍射12的光會二次對激光芯片進行調制，形成具有一定波長間隔的、方向相同的復色紅外光。此種方法的好處是能夠保持單管量子級聯激光器3的光束質量，同時能夠實現較高的功率輸出。從衍射光柵12射出的組合光束，入射到外腔鏡13，部分組合光束穿過外腔鏡13后射出，另一部分光束被外腔鏡13反饋。

再后，請參照圖2與圖3所示，組合光束的部分反饋光束被外腔鏡13反饋后，經過衍射光柵12、半波片9、反射鏡5與非球面透鏡4，原路返回到各自的量子級聯激光器3的腔體內，形成一個新的外部諧振腔；單管量子級聯激光器3，發(fā)出具有與注入反饋相同波長的光束。

最后，請參照圖2與圖3所示，單管量子級聯激光器3發(fā)出具有與注入反饋相同波長的光束，光束經過非球面透鏡4、反射鏡5、半波片與衍射光柵12后入射外腔鏡13，部分光束被反饋，從原路返回，另一部分穿過外腔鏡13后射出。第一步驟實現空間合束后的組合光束，經過上述第二、第三與第四步驟后實現外腔合束。

圖4為本實施例光束外腔耦合前后的光斑相對位置隨CCD距離的變化情況圖。圖4a是光束經過空間合束，而沒有安裝外腔鏡13和閃耀光柵20時，CCD在距離量子級聯激光器0，100，200，300，400，500mm的位置測到的光斑相對情況。圖4b是光束經過閃耀光柵20和外腔鏡13實現外腔耦合后，CCD在距離激光器0，100，200，300，400，500mm的位置測到光斑的情況?？梢钥闯鰣D4a中兩個光斑的相對位置發(fā)生明顯變化，而圖4b中光斑的相對位置基本保持不變。

空間合束結合外腔合束的方法，使量子級聯激光器合束效率在70-80％之間，而且能保證輸出的光是同軸的，保證了光束的質量。

至此，本發(fā)明第二實施例量子級聯激光器空間合束與外腔合束的合束方法，介紹完畢。

還需要說明的是，本文可提供包含特定值的參數的示范，但這些參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應值。實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向，并非用來限制本發(fā)明的保護范圍。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。