半导体激光器装置

本发明涉及一种半导体激光器装置，它包括一个具有至少一个出 光面的半导体激光器元件，由出光面中可以发出激光射线，该激光射 线在一个第一方向上具有比在与其垂直的第二方向上更大的发散度， 还包括至少一个与出光面间隔地设置在半导体激光器元件外部的具有 一个反射面的反射装置，该反射面可以将至少一部分由半导体激光器 元件通过出光面发出的激光射线这样反射回半导体激光器中，使得由 此影响半导体激光器的波模光谱，该装置还包括一个设置在反射装置 与半导体激光器元件之间的透镜装置，它至少在第一方向可以至少部 分地使激光射线的发散度减小。

由OPTICS LETTERS 2002年27卷第3期第167至169页已知 一种上述形式的半导体激光器装置。在其中所述的半导体激光器装置 中使用一个激光二极管作为半导体激光器元件，它由所谓的宽带发射 器构成。在这种宽带发射器中具有例如用于激光射线的出光面，它们 具有约100μm的宽度和约1μm的高度。在这个宽度上可以在内部的、 由激光二极管的端面构成的谐振器内部构成激光射线的全序列不同横 向波模。同时也可以发出全序列的纵向波模，即不同的激光射线波长。 尤其是多个不同的横向波模有损于由这种宽带发射器发出的激光射线 的射线质量。这种激光射线不能最佳地聚焦。纵向波模导致对于各种 应用所不期望的光谱传输。

因此在上述文献中建议一个外部地谐振器，它包括一个高反射的 平面镜。在平面镜与面对外部谐振器的半导体激光器元件出光面之间 一方面设置了一个快轴准直镜(Fast-Axis-Kollimationslinse)，另一 方面在快轴准直镜与平面镜之间设置了一个球形凸透镜。所述快轴准 直镜用于对在第一方向上更加强烈发散的宽带发射器的激光进行校 准。所述球形凸透镜用于使从平面镜反射回来的激光这样聚焦，使得 激光基本上返回到出光面上成像。此外在外部谐振器中具有一个孔径 光阑。不仅孔径光阑而且平面镜都设置在外部谐振器的光轴外部或者 设置在出光面的法线或中心垂直线外部。已经证实，在宽带发射器中 较强的波模通常以一个相对于出光面法线的小角度从出光面中发出。 因此通过位于轴线外部的孔径光阑只能将这种以一个角度从出光面中 发出的波模的一部分入射到镜面；并从该镜面通过孔径光阑和球形透 镜反射回出光面中。因此只有一个或多个这样的波模的射线通过出光 面反射到激光二极管中。通过这种方式可以使激光二极管基本上在这 个波模上振荡，由此使半导体激光器元件的波模光谱基本上减小到一 个横向波模。

按照现有技术所述激光射线从外部谐振器中这样耦出，使得以相 互反向的相同角度从出光面发出的相应优选的横向波模的分射线可以 在孔径光阑和平面镜处从半导体激光器元件中发出。

已经证实在上述装置中有缺陷的是，在外部谐振器中具有相对大 量的不同光学元件。除了快轴准直镜以外还包括球形透镜、孔径光阑 和平面端镜。由于在外部谐振器中存在多个不同的光学元件，一方面 产生更多的成像误差，另一方面产生较大的损耗，因为这些元件位于 激光器谐振器内部。由此使这种半导体激光器元件所能达到的输出功 率受到严重限制。同时使通过这种半导体激光器装置所能达到的输出 功率只能以较高的成本费用实现。另外这种半导体激光器装置还非常 难以调整。

按照现有技术还尝试通过对半导体激光器元件的有效区进行构 造来影响半导体激光器元件的波模光谱。这种构造可以包括例如在不 同的方向上改变折射率，由此通过在不同方向上变化的折射率优先传 播各优选的横向激光波模。此外例如可以通过不同的掺杂率影响用于 重新结合的电极空穴对数量，由此在有效区的不同位置实现不同强度 的激光。上述两种优选各横向波模的方法需要可观的加工费用，并且 同样不能得到真正令人满意的半导体激光器装置射线质量以及输出功 率。

因此本发明的目的是实现上述形式的半导体激光器装置，它以简 单的装置保证实现一个相对较高的射线质量和高的输出功率。

按照本发明这个目的通过权利要求1或6的特征得以实现。

按照权利要求1规定，所述反射装置的至少一个反射面凹下地弯 曲。通过这种方法与上述现有技术相比可以省去外部谐振器内的附加 球面透镜，因为所述凹下弯曲的反射面可以同时作为成像元件。此外 可以省去上述的半导体激光器元件有效区的费事的构造，由此可以使 半导体激光器元件相对未经构造地实现。

所述反射面可以例如球形地弯曲。在此主要作为快轴准直镜的透 镜装置可以这样设计，使从出光面发出的和穿过棱镜装置发出的激光 的发散度不仅在第一方向上而且在与其垂直的第二方向上对于各横向 波模都是基本相同的。在这种情况下所述反射面可以在第一方向上并 在与其垂直的第二方向上都具有一个基本相同大小的曲率。

作为替代，也可以使所述反射面在第一方向上和在与其垂直的第 二方向上具有不同程度的曲率。在这种情况下作为快轴准直器的透镜 装置应该这样设计，使得在从出光面发出并穿过棱镜装置之后所述发 散度在第一和第二方向上是不同的，使得不同程度的曲率与反射面的 不同程度的曲率一起在两个相互垂直的方向上这样共同起作用，由此 保证所期望的分射线在出光面上实现一个相对最佳的反射。

按照本发明的一个优选实施例，在所述半导体激光器元件的反射 面与出光面之间的光距基本等于反射面在至少一个方向上的焦距。通 过这种方式实现反射面与出光面的一个共焦结构。在此对应于各横向 波模的分射线在出光面平面中的直径可以最小(射线腰)，由此可以 有助于选择特定的波模。

按照权利要求6规定，所述半导体激光器元件的面对反射装置的 出光面具有大于200μm的宽度并且所述反射面不弯曲或只略微弯曲。 有利的是，所述出光面具有大于500μm的宽度，尤其是大于1mm。 这种非常宽的发射器一方面产生非常高的功率，另一方面在慢轴方向、 即发射器延伸例如超过1mm的方向上的发散度是非常小的，尤其是 几乎小到折射边界。因此在这种宽发射器中所述反射面具有略微的弯 曲或者甚至没有弯曲都是可以的，因为微小的附加损耗由于在慢轴方 向上尚存的剩余发散相对来说可以忽略。一个平面反射面可以更方便 地加工且更简单地调整。

有利的是，在此所述反射面或至少一个反射面可以由波长选择元 件、尤其是光栅构成。通过由平面构成反射面可以在这个平面中毫无 问题地将一个光栅组合成波长选择器。由此可以省去附加的波长选择 元件。

此外最好这样选择反射面的光距和/或曲率，使得被反射回半导 体激光器元件的光线的对应于各横向波模的分射线在出光面中的直径 基本对应于由该出光面构成的孔径。通过这种方式可以省去在外部谐 振器内的由现有技术已知的附加孔径光阑。最后这样选择反射面的拓 扑、取向和距离，使得在出光面平面中自动产生出光面反射的一个傅 立叶图形。一个特定的横向波模的选择在此可以由此实现，即使得所 述反射面例如以一个在轴线外部、即在法线或中心垂直线外部的小角 度设置在出光面上。但是也可以选择沿着法线传输的具有一个垂直于 法线取向的反射面的波模。此外所述反射面可以分别这样旋转，使得 以所期望的角度从出光面发出的、对应于一个特定横向波模的分射线 精确地反射回出光面。因此通过相应地选择反射面的位置和取向可以 选择一个所期望的横向波模，它最好被反射回半导体激光器元件中。 通过这种方式以简单的措施使所述半导体激光器装置发出基本上只具 有一个横向波模或几个横向波模的激光射线。

在这个实施例中已经证实特别有利的是所述射线腰与出光面具 有近似大小，因为一方面产生微小的损耗，另一方面在反射层的整个 宽度或者说出光面的整个宽度上实现一个强反馈。在整个宽度上并由 此在激光二极管的整个宽度上的强反馈有意义的是，在有助于激光发 射的激光二极管体积的一个尽可能大的部分中均匀地激励优选的波 模。

所述出光面在慢轴上的延伸通常远大于快轴上的延伸，由于这一 事实，已经证实按照本发明的半导体激光器元件的实施例是特别有利 的，它具有一个透镜装置和一个反射装置。尤其是应该使用一个非常 短焦距的、用来作为快轴准直器的透镜装置和一个相对特别长焦距的 反射装置。其根据还在于，在短焦距的反射装置中可能在慢轴方向上 在出光面上造成一个过小的射线腰。尽管通过反射装置的散焦或者距 离变化可实现一个较大的射线腰，但是在一个短焦距的反射装置中将 有非常多的波模反馈到半导体激光器元件中，因为各波模在傅立叶平 面中的距离在一个非常短的焦距情况下是非常小的。因此最好应该使 用一个长焦距的反射装置反射面。

按照本发明可以使所述半导体激光器元件由宽带发射器构成。但 是同样可以使所述半导体激光器元件由宽带发射器条或堆构成。

最好规定，所述半导体激光器元件的面对反射面的出光面是减反 射的，其中这种减反射尤其可以通过一个适当的涂层实现。通过这种 减反射可以加强从外部谐振器到半导体激光器元件的反馈并显著减小 内部谐振器的反馈。由此提高外部谐振器对波模光谱的影响。

按照本发明的一个优选实施例，所述半导体激光器元件包括两个 具有两个反射面的反射装置，其中这两个反射面分别以与出光面的法 线呈相互反向的相同角度倾斜。

其中这两个反射装置的两个反射面可以与半导体激光器元件的 出光面具有相同的光距。通过这种方式可以使对应于一个横向波模的、 以与出光面的法线呈相互反向的相同角度从出光面发出的分射线本身 分别通过两个反射装置反射回出光面上，由此提高了光线通过外部谐 振器耦入到内部谐振器中的效应。

按照本发明的一个实施例，可以使所述反射装置的至少一个反射 面由局部反射面构成，由此使至少一个设计为局部反射面的反射装置 作为耦出器。作为替代，也可以使所述反射装置的两个反射面设计为 高反射，其中一个背离反射面的半导体激光器元件的出光面设计为局 部反射，并以这种方式作为耦出器。

按照本发明的另一可选择的优选实施例，在半导体激光器元件与 反射装置之间设置一个偏转装置，它可以将以与出光面的法线呈一定 角度从出光面发出的分射线偏转到反射装置上。在此所述偏转装置尤 其可以这样构成：以与出光面的法线呈相互反向的相同角度从出光面 发出的分射线入射到反射装置反射面上的相同位置上，由此可以使分 射线相互交叉并反射回出光面上。因此这种具有附加偏转装置的实施 例省去了第二个反射装置。

在此尤其可以规定，所述偏转装置和反射装置设置在通过出光面 上的中心垂直线给出的轴线上。通过这种方式得到外部谐振器的一个 轴对称结构。

按照本发明所述偏转装置可以由棱镜元件构成。在此所述棱镜元 件可以这样设置，使直角边平面面对半导体激光器元件的出光面。在 此也可以通过适当地选择棱镜元件的斜边平面与直角边平面之间的角 度和/或通过适当地选择偏转装置与出光面的距离，使相对于出光面的 法线呈一定角度发出的分射线通过反射装置的反射面相互交叉。因此 通过使用在斜边平面与直角边平面之间具有不同角度和/或在偏转装 置与出光面之间具有不同距离的棱镜元件，尤其可以选择不同的横向 波模。

也可以在上述具有一个偏转装置的结构中使反射装置的反射面 设计为局部反射，由此使反射装置可以作为耦出器。作为替代，也可 以使所述反射装置的反射面在这种结构中设计为高反射，其中所述半 导体激光器元件的背离反射面的出光面设计为局部反射，并以这种方 式可以作为耦出器。

按照本发明可以在半导体激光器元件与反射装置之间设置一个 波长选择元件，它尤其由标准具构成。在此所述波长选择元件可以设 置在透镜装置与反射装置之间。通过这种波长选择元件可以选择出特 定的纵向波模，尤其是使发射出的激光射线具有一个微小的光谱宽度 的纵向波模。

按照本发明还可以使所述半导体激光器元件只在对应于一个所 期望的激光射线波模的空间延伸的局部区域内施加电压或者电流，用 于产生电极空穴对。通过这种可以相对简单实现的措施可以进一步优 化所期望的激光射线波模。

本发明的其它特征和优点借助于下面结合附图对优选实施例的 描述给出。附图中：

图1a以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的 第一实施例；

图1b示出按照图1中箭头Ib的视图；

图2a以示意俯视图示出一个按照本发明的半导体激光器装置的 第二实施例；

图2b示出按照图2中箭头IIb的视图。

由图1a和图1b可以看出一个按照本发明的半导体激光器装置的 第一实施例，它包括一个半导体激光器元件1、一个尤其设计为快轴 准直镜的透镜装置2、以及至少一个由凹面镜构成的反射装置3。在此 一个面对半导体激光器元件1的反射凹面4与一个面对反射装置3的 半导体激光器元件出光面5一起构成一个外部谐振器。

所述半导体激光器元件1尤其由半导体激光二极管构成，并且在 此尤其设计为宽带发射器。在一个宽带发射器中，在图1a和图1b的 右侧上具有一个发射面，它在X方向上(见图1a)具有一个例如100μm 的延伸，而在Y方向上(见图1b)具有一个例如1μm的延伸。所以 在一个这样的宽带发射器中人们将X方向称为慢轴而将Y方向称为快 轴。如果观察各横向波模，这种宽带发射器尤其在快轴并由此在Y方 向上具有一个远大于在慢轴并因此在X方向上的发散度。在图1a和 图1b中没有实际示出这个尺寸关系，而是为了清楚起见而有所改变。

还可以使所述半导体激光器元件1由激光二极管条构成，其中多 个上述宽带发射器在X方向上相互间隔且相互对中地设置。也可以使 所述半导体激光器元件1由这种激光二极管条的堆构成，其中多个这 种激光二极管条在Y方向上上下设置。

按照本发明还可以使所述出光面5对于半导体激光器元件1的激 光射线尽可能地减反射。

如同由图1a和图1b可以看到的那样，所述透镜装置2可以由柱 面透镜构成，其圆柱轴线沿着X方向延伸，由此透镜装置2使从半导 体激光器元件中发出的激光射线在快轴方向上的发散度减小，或者也 可以完全准直。这一点在图1b中示意地表示。

所述透镜装置2例如可以由平凸柱面透镜构成。尤其是在此该圆 柱表面可以由非圆形柱面构成。所述透镜装置2最好具有一个大的孔 径，由此只产生微小的成像误差。例如折射率可以选择得非常高，例 如1.7至1.9之间，尤其是该折射率n可以等于1.82。所述焦距尤其 可以选择得非常小，例如可以选择焦距f＝1mm。

在图1a和图1b中只示例性地示出从半导体激光器元件1发出的 激光射线的以分射线6，7形式的那部分，它不包括激光射线中相对较 强发出的波模。通常在上述由宽带发射器构成的半导体激光器元件1 中最强的横向波模以一个与出光面5的法线8呈角度α、例如α＝7° 传输。该法线的方向在图1a和图1b中对应于Z方向。以一个与法线 8呈角度α从出光面5发出的例如对应于发出波模的激光射线分量分 裂成两个分射线6，7，其中第一分射线6以一个相对于Z方向的正角 度α传输，而第二分射线7以一个相对于Z方向或与法线8的负角度 α传输。因此所述分射线6在图1a中倾斜向上和向右并且入射到反射 装置3的反射凹面4上。所述分射线7在图1a中向右和下方延伸，并 且在本发明的一个实施例中可以无阻碍地从半导体激光器装置中发 出。

在本发明的另一实施例中，可以以反射装置3与出光面5相同的 距离设置一个第二反射装置9，它具有一个面对出光面5的反射凹面 10。这个反射装置9在必要时可以局部反射，由此使一部分激光射线 可以穿过反射装置9。在此这个反射装置按照本发明可以设置一个准 直镜11。完全可以使所述反射装置9与准直镜11组合在一个结构部 件中。在图1a中(但是没有在图1b中)用虚线示出反射装置9和准 直镜11。

按照本发明可以这样选择所述反射装置3的曲率以及反射装置9 的曲率，使分射线6，7基本自身回传，由此使它们入射到出光面5 上。在此可以这样选择反射装置3的反射面4或反射装置9的反射面 10与出光面5在分射线6方向或分射线7方向上的光距D，使由凹反 射面4或由反射面10构成的高反射镜的焦距F对应于光距D，因此 基本上有F＝D。因此，在由球面构成反射面4的实施例中，F＝R/2＝D。 对于反射面4在快轴和慢轴方向上的不同曲率，所述光距D按照上述 公式根据在慢轴方向上的半径确定。

此外通过适当地选择反射装置3的光距D或焦距，使对应于各横 向波模的分射线6，7在出光面5上的射线腰基本等于由反射装置3 和/或反射装置9反射到出光面5上的分射线6，7在由宽带发射器构 成的半导体激光器元件1的出光面5上的大小。因此所述出光面5用 来作为孔径，通过它反射回来的分射线6，7可以进入半导体激光器元 件1或被耦入半导体激光器元件。

如上所述，可以使反射装置3，9由球形凹镜构成。在这样的反 射装置3，9结构中应该这样确定作为快轴准直镜的透镜装置2的尺寸， 使对应于一个横向波模的分射线6，7的发散度从出光面5开始、穿过 透镜装置2之后、在Y方向上具有一个基本上对应于在X方向上的发 散度，由此例如在反射装置3、9的区域内在慢轴方向和快轴方向并因 此在X方向和Y方向出现分射线6，7的相对近似的射线发散度和射 线横截面。在图1a和图1b中简示出一个这样的实施方式。

如果使用一个其它结构的透镜装置2，尤其是分射线6，7几乎完 全或完全准直，可以使用凹下的柱面镜作为反射装置3、9，它具有一 个在Y方向上有圆柱轴线的明显曲率而在与其垂直的方向上完全没有 或只具有非常微小的明显曲率。在图1a和1b中未示出这种实施例。

通过结合图1a和图1b的实施例所述的各分射线6，7的回反射 过程使这个选出的横向波模的射线精确反馈到半导体激光器元件1 中，所述分射线是一个特定选出波模的一部分，由此使这个选出的横 向波模或多或少良好地被选出，即所述半导体激光器元件1基本只发 射这个波模。如果没有按照本发明的由反射装置3和必要时的反射装 置10以及出光面组成的外部谐振器，一个由宽带发射器构成的半导体 激光器元件1发射的激光射线将具有全序列的横向波模以及全序列的 纵向波模。通过上述的将一个选出的横向波模反馈到半导体激光器元 件1中，可以或多或少良好地使发射的激光射线基本只包括这一个横 向波模。为了使激光射线基本由一个波长并由此由一个纵向波模组成， 可以在外部谐振器中加入一个附加的波长选择元件12，它例如由标准 具构成。这个波长选择元件12在图1a中(但是没在图1b中)用虚线 设置在反射装置3与透镜装置2之间。作为替代，也可以选择使该波 长选择元件12与反射装置3相结合，尤其是组合到这个反射装置里面。

按照本发明，在图1b中为了更清楚起见而未示出的反射装置9 可以被设计为局部反射，由此使反射装置9同时起到耦出器的作用。 作为替代，也可以选择使反射装置9具有一个相对来说为全反射的凹 面10。在这种情况下可以使与出光面5平行的、设置在半导体激光器 元件1背对外部谐振器一侧的出光面13由仅局部反射的面构成，由此 使出光面13作为耦出器。在图1a和图1b中为了表明这种实施例，在 半导体激光器元件1的左侧示出射线14，它们能够示意地表示从出光 面13在负Z方向上发出的激光射线。

按照本发明可以使半导体激光器元件1相对地不进行构造，尤其 是不必提供用于优先传播一个特定的激光波模的导向装置。

此外还可以使所述半导体激光器元件1只在一个局部区域内供电 用于产生电极空穴对，其中这个局部区域基本对应于所期望被激励的 激光射线的激光波模在半导体激光器元件1内部的空间分布。因此所 述半导体激光器元件1的其余区域不配有电极，因此在这些区域内不 输入用于产生电极空穴对的电流。通过这种有针对性的电极布置可以 进一步优化所期望的激光波模选择。

在图2a和图2b中示出的实施例中相同的部件配有与图1a和图 1b中相同的附图标记。在图2a和图2b中示出的实施例与在图1a和 图1b中示出的实施例的不同之处是在透镜装置2与反射装置3之间设 置一个棱镜元件15。另外与图1a和图1b中的实施例的不同还在于所 述反射装置3与出光面5上的法线8或中心垂直线旋转对称地设置。 所述棱镜元件15用于使以一个角度±α从出光面5发出的分射线6，7 相对于法线8或由法线8构成的光轴发生偏转。为此所述棱镜元件15 具有一个在X-Y平面中延伸的斜边平面16。这个斜边平面16设置在 棱镜元件15面对反射装置3的一侧。在棱镜元件15面对出光面5或 透镜装置2的一侧具有两个直角边平面17，它们分别与斜边平面16 形成一个夹角β，对应于α选择该夹角。例如β可以约两倍于α。所 述直角边平面17不仅与斜边平面16、而且也与X-Y平面形成一个夹 角β，由此使分射线6，7在直角边平面17上并接着在斜边平面16 上(在图2a和图2b中未示出)中断。

所述反射装置3的反射面4的曲率按照本发明最好可以这样选 择，以相同的角度α向上或向下并在正Z方向上从出光面5发出的分 射线6，7通过反射面4分别相互交叉。在图2a中通过三个发出的分 射线6表示，它们在反射面4上过渡为三个分射线7。

在图2a和2b中示出的实施例中还可以这样选择反射面4与出光 面5之间的光距D，使D等于反射面4的R/2＝F。还可以通过适当地 选择光距D或反射装置3的焦距同样按照本发明这样选择通过反射面 4反射回出光面5上的分射线6，7的射线腰，使它基本对应于由出光 面5给出的孔径。

在按照图1a和图1b中的实施例中可以由此实现各波模的选择， 使反射装置3或反射装置3，9这样旋转，使从出光面5发出的并入射 到反射装置3上的分射线本身回传。因此通过反射面4，10的旋转在 与法线8形成不同角度α的波模之间进行选择。

在按照图2a和2b的实施例中，波模选择可以通过改变棱镜元件 15的角度β并通过沿着Z方向移动棱镜元件15实现。根据角度β的 大小选择与法线8并因此与Z方向形成一个相应角度α的波模，其从 出光面向上或向下并在正Z方向上发出的分射线通过棱镜元件15基 本精确地转移到反射面4的区域内。

按照本发明在图2a和2b的实施例中可以设想两种耦出方法。一 方面，所述反射装置3可以由只局部反射的反射装置构成。由此使一 部分激光射线在图2a中向右并由此在Z方向上穿过反射装置3。作为 替代，也可以选择使所述反射装置3由基本全反射的反射装置构成， 而在图2a中的半导体激光器元件1的左出光面13局部反射地构成， 由此可以在负Z方向发出对应于所示射线14的激光射线。在这两种 情况下在图2a的半导体激光器元件1的右出光面5相对较好地减反 射，由此尽可能有效地使分射线6，7反馈到半导体激光器元件中，同 时减小内部谐振器的反馈。

在按照图2a和图2b的外部谐振器中也可以加入一个波长选择元 件12。