[发明专利]具有角度选择性反馈的垂直腔表面发射激光器件

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器件，该激光器件包括至少一个大面积垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以及至少一个光学反馈元件，所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈。本发明还涉及一种通过角度选择性光学反馈稳定化大面积垂直腔表面发射激光器的激光发射的方法。

背景技术

高功率二极管激光器表现出越来越多地应用于像切割、熔接（weld）或焊接（solder）那样的材料处理中以及应用于医学中。此外，垂直腔表面反射激光器现在每器件达到更高的输出功率并且以2维阵列形式提供容易的可扩展性。

激光器的发射通常在高斯模式方面进行描述，并且大多数激光器被设计成具有基本的高斯强度分布。然而，对于许多激光应用而言，尤其是在材料处理或医疗应用中，在工作平面中需要不同的强度分布，例如顶帽圆形或矩形形状或者环形结构。可以应用包括一个或若干个透镜阵列以及至少一个傅立叶透镜的光束均化器以便将激光束定形为希望的强度分布，但是在光束中必须小心对准。此外，由于激光束的相干性的原因，可能出现不希望的伪像。此外，环形剖面（profile）只能由光束均化器以显著的功率损耗实现。特别地，这样的环形形状的强度剖面在材料处理和医疗应用中可能是有利的。例如，环形剖面可以用在塑料熔接中以便避免在圆形熔接缝上扫描激光束。另一个实例是具有高热导率的材料的加热。如果使用的激光束具有顶帽强度分布，那么由于边缘更佳的冷却的原因，工件表面上的温度分布的峰值在中间。利用匹配环形形状的激光束，可以避免中间的峰，从而均匀地加热圆形区域。

已知发射高斯模式的小面积VCSEL。更高的输出功率可以通过更大的有源区域实现，然而发射改变为由傅立叶模式最佳地描述的分布。利用这样的大面积VCSEL，激光辐射的发射角度依赖于腔谐振的去谐和光学增益峰，也依赖于若干标准具效应。大面积VCSEL倾向于主要在一个或多个截然不同的角度内发射，这些角度非常灵敏地依赖于温度、驱动电流和激光器的设计。然而，这种依赖性导致远场随着电流或温度的变化而移动，因为去谐会改变。

发明内容

本发明的目的是提供一种可以容易地被设计成发射在远场中具有希望的和稳定化的强度分布的激光辐射的激光器件，以及一种用于将垂直腔表面发射激光器的激光发射稳定在希望的角度分布下的方法。

这个目的是利用依照权利要求1和14的激光器件和方法来实现的。激光器件和方法的有利实施例是从属权利要求的主题，或者在说明书的后续部分中加以描述。

所提出的激光器件包括至少一个具有光轴的大面积垂直腔表面发射激光器（VCSEL）以及至少一个光学反馈元件，所述光学反馈元件对于从所述激光器发射的激光辐射提供角度选择性反馈。对于以相对于所述光轴的角度θ>0发射的激光辐射的至少一部分而言，与针对在所述光轴上发射的激光辐射相比，反馈元件提供的角度选择性反馈更高。

因此，本发明建议使用一个或若干个大面积VCSEL并且通过应用角度选择性反馈将这些VCSEL的发射稳定在希望的角度分布下。大面积VCSEL是其中激光发射由傅立叶模式主导的VCSEL。这样的大面积VCSEL典型地具有≥80μm²、优选地≥300μm²的发射面积。尽管对于光轴上发射的激光辐射稳定化小面积VCSEL的单一基模是已知的，本发明的发明人惊奇地发现，对于大范围的驱动电流和温度，发射角度>0处的角度选择性反馈为大面积VCSEL产生稳定的发射型式。利用该角度选择性反馈，激光器的远场中的角度强度分布可以容易地适于相应的应用。因此，有可能设计这样的激光器件以便例如发射具有在若干应用中优选的环形形状的强度分布或强度剖面的激光束。这样的激光器件的远场对于整个范围的驱动电流和不同温度表现出出色的稳定性。

所述光学反馈元件可以由元件的组合（例如透镜和镜的组合）形成，其中镜必须对于发射的激光辐射部分地透明。反馈元件也可以由一个单一元件组成，该单一元件对于激光辐射提供角度选择性光学反馈。该角度选择性光学反馈可以通过具有空间调制反射率的反射表面或者通过其他效应，尤其是针对不同角度的激光发射的不同成像条件来实现。这样的不同成像条件可以例如使用具有至少一个自由形状表面的光学元件实现，该表面被定形为仅仅将部分激光辐射向后反射到内激光腔中，对于该内激光腔而言，反馈是所希望的。