CN106684702A - 一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，包括：半导体激光器光源、变换透镜、第一衍射光栅、第二衍射光栅和输出耦合镜；半导体激光器光源发出多束平行光，利用双光栅的衍射效应对光束进行二次色散，经过输出耦合镜的反馈后各单元的激光分别锁定在不同的波长，使各光束重叠，实现高功率高亮度的单束激光输出。本发明利用两个光栅作为衍射元件，将色散能力提高了一倍，应用于半导体激光器的光谱合束时，可以减小光谱展宽，在半导体激光器增益材料的增益曲线内加入更多合束单元，提高输出功率，同时压缩谐振腔长度，使激光器结构紧凑，提高稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种利用双光栅，通过外腔反馈，实现多个半导体激光单元合束成高功率高亮度的激光输出的一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置。
背景技术
半导体激光器有着成本低，寿命长，体积小，可靠性高等优点，在工业加工，泵浦，医疗，通信等方面都有广泛的应用前景。能否进一步提高半导体激光器的亮度是制约半导体激光器未来发展的一个重要因素。激光光束的亮度由输出功率的大小和光束质量决定，功率越大，光束质量越好，亮度就越高，半导体激光器的应用领域也更加广泛。
合束技术是当前实现高亮度半导体激光器的常用手段，常规合束技术包括光束整形、偏振合束和波长合束等。光束整形通过平衡快慢轴方向的光参数积来提高光束质量，但激光亮度并没有提升；偏振合束通过将两个偏振方向的光合为一束，亮度只能提高到两倍；波长合束受到镀膜技术的限制，合束单元数一般不超过5个，对功率和亮度的提高也有限。
光谱合束是一种新颖的合束技术，Daneu V等人提出这种方法并对其原理进行了详细论述(Daneu V,Sanchez A,Fan T Y,et al.Spectral beam combining of a broad-stripe diode laser array in an external cavity.[J].Optics Letters,2000,25(6):405-7.)。通过外腔反馈作用和光栅的色散作用将各个发光单元锁定在不同的波长，从而获得相同的衍射角实现合束。光谱合束的优点在于：其一，将多个单管半导体激光器的输出光合束，实现了功率的叠加，同时光束质量能保持为单个发光单元的高光束质量，极大地提高了半导体激光器的亮度；其二，若干个发光单元可以共用合束元件，不限制合束单元数量的特点能够大幅降低成本，在应用时有更大的优势。因此，光谱合束技术已经成为大功率半导体激光器领域的一个重要课题。
目前的光谱合束技术都采用单个光栅作为衍射元件，例如公告号为CN102868089A、名称为“利用单光栅外腔反馈实现多半导体激光合束的装置及方法”的国内专利；此外在公告号为CN204156286U、名称为“一种基于双光栅外腔反馈的二极管激光光谱合成装置”的国内专利中，虽然采用了两个光栅，但是第一个光栅的作用和变换透镜类似，用于汇聚多光束于一点，起到衍射合束作用的只有第二个光栅，该方法并不具备压缩光谱展宽的作用。单个光栅的衍射能力有限，使得合束后的光谱展宽较大，而尽可能地压缩合束后激光的光谱展宽，从而在一定的增益带宽内加入更多的合束单元是提高光谱合束功率和亮度的关键。传统的光谱合束技术中，有两种途径压缩光谱展宽：其一，减小光栅的周期，但是为保证光栅的衍射作用，光栅周期最小需大于二分之一光波长，对压缩光谱的提升有限；其二，增加正透镜的焦距，但增加正透镜的焦距会使得合束系统的腔长增加，调节精度和难度成倍增加，同时结构尺寸太大并降低系统的稳定性。目前两种方法在实际应用中均受到限制，而本发明提出的双光栅结构可以有效解决这一问题。
发明内容
为了解决光谱合束的过程中，光谱被展宽后使得光谱展宽超出激光器最佳的增益范围，从而限制合束单元的数量的问题，本发明提出了一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，通过两个光栅较之于单光栅双倍的色散能力来压缩输出光束的光谱展宽。
本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：
一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其包括：半导体激光器光源，变换透镜,第一衍射光栅，第二衍射光栅和输出耦合镜；
半导体激光器光源位于所述的变换透镜的前焦点上，所述的第一衍射光栅位于所述的变换透镜的后焦点之前，所述的半导体激光器光源为多个发光点的平行光束，该平行光束经变换透镜汇聚后，其中心光束以利特罗角入射到所述的第一衍射光栅，并经该第一衍射光栅衍射，其衍射光束的中心光束以利特罗角入射到所述的第二衍射光栅，调整第二衍射光栅的位置，使第二衍射光栅上的光斑最小；经该第二衍射光栅衍射后的光束垂直入射到所述的输出耦合镜合束后输出。
在第一衍射光栅上衍射后各光束的角度差减小一半，在第二衍射光栅上重叠为一个小光斑，经过第二衍射光栅的衍射后各光束的角度差减小至零，即有相同的衍射角，垂直入射输出耦合镜后得到激光输出，各光束在近场和远场叠加，实现合束。
所述的半导体激光器光源包括半导体激光器阵列和光束准直系统，所述的半导体激光器阵列和输出耦合镜之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡。
所述的光束准直系统包括前后放置的快轴准直镜和慢轴准直镜；或者为包括前后放置的第一柱透镜、45°斜柱透镜阵列和第二柱透镜，所述的半导体激光器阵列快轴方向的光由第一柱透镜准直，经过45°斜柱透镜阵列旋转后慢轴方向的光由第二柱透镜准直。
所述的半导体激光器阵列的前端面镀增透膜，反射率<1％,后腔面镀高反膜，反射率>95％。
所述的第一衍射光栅和第二衍射光栅为透射式或反射式光栅，光栅周期相等，其最高衍射效率的波长与半导体激光器光源的波长相匹配，在1级或-1级次的衍射效率大于90％，且所述的第一衍射光栅和第二衍射光栅为偏振无关光栅或者为偏振方向与半导体激光器光源的偏振方向相同的光栅。
所述的输出耦合镜为部分反射镜，反射率为5％～30％，与第二衍射光栅的衍射光方向垂直。
本发明的优点在于：利用双光栅作为合束元件，在激光器腔长不变的条件下，可以使激光光谱展宽缩短为原来的一半，在半导体激光器的增益曲线内，以及在光栅的高衍射效率的波长范围内可以使合束单元数量提升一倍，功率和亮度提高一倍；另一方面，压缩光谱展宽可以使激光输出的单色性更好，减小色差，增加合束效率。
附图说明
图1是本发明利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置结构示意图。
图2是双光栅的光路示意图。
图3是半导体激光器阵列和快慢轴准直透镜的示意图。
图4是本发明输出光束的光谱图。
图5是采用传统光谱合束结构输出光的光谱图。
图中，1为半导体激光器光源；2为变换透镜；3为第一衍射光栅；4为第二衍射光栅；5为输出耦合镜；6为合束后的激光输出；11、12、13为各单元光束；11’、12’、13’为经过第一光栅3衍射后的光束；14为半导体激光器阵列；15为快轴准直镜；16为慢轴准直镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图1至图2所示一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置包括：半导体激光器光源1、变换透镜2、第一衍射光栅3、第二衍射光栅4、输出耦合镜5；半导体激光器光源1放置于变换透镜2前焦距处，第一衍射光栅3放置于变换透镜2的后焦点之前。半导体激光器光源1发出多束平行光，经过变换透镜2聚焦后，各发光单元的光束以不同的角度入射第一衍射光栅3，中心光束以利特罗角入射。经过第一衍射光栅3衍射后各光束的角度差减小一半，并衍射到第二衍射光栅4上，中心光束同样以利特罗角入射，前后移动第二衍射光栅4的位置，使得各发光单元的光束在第二衍射光栅4上完全重叠，光斑最小。经过第二衍射光栅4的衍射后各光束的角度差减小至零，即有相同的衍射角，垂直入射输出耦合镜5，由于输出耦合镜5的反馈作用，半导体激光器光源1的后腔面和输出耦合镜5之间形成激光腔，光束在激光腔中反馈振荡，得到激光输出。半导体激光器光源1发出的各光束以单调变化的角度入射到第一衍射光栅3和第二衍射光栅4上，同时被外腔反馈锁定在单调变化的波长，从而能够实现以不同的入射角入射时得到同样的出射角，实现合束，在保持光束质量为单个发光点光束质量的同时，功率为各单元功率之和。如图2所示入射光束11、12、13两相邻光束的夹角是入射光束11’、12’、13’中两相邻光束夹角的两倍，即原本由一个光栅完成的衍射作用被均匀分配到了两个光栅上，衍射能力倍增，光谱展宽较之传统方案压缩至一半。
如图3所示上述半导体激光器光源1包括半导体激光器阵列14、快轴准直镜15和慢轴准直镜16，半导体激光器阵列14包含若干个发光单元，各发光单元等间距排列。半导体激光器阵列14的前腔面镀增透膜，腔面反射率小于1％，后腔面镀高反膜，腔面反射率大于95％；快轴准直镜15为微柱面透镜，慢轴准直镜16为微柱面透镜阵列，二者构成光束准直系统，光束经过准直系统后发散角被压缩，快轴准直镜15与慢轴准直镜16粘合在一起，并粘合在半导体激光阵列14的发光端面上。
上述半导体激光器光源1可用多个准直过的激光器单元，或多个准直过的激光阵列，或多个准直过的激光阵列组成的激光线阵或迭阵的组合代替。
上述第一衍射光栅3和第二衍射光栅4为透射式光栅或者反射式光栅，光栅周期相等，1级或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率的波长与半导体激光器光源1的波长相匹配；光栅为偏振无关光栅，或者为偏振方向与激光偏振方向相同的光栅，并具有高损伤阈值。
上述输出耦合镜5为部分反射镜，与光束入射方向垂直，垂直入射时的反射率为5％-30％，在半导体激光器光源1的波长处损耗低。
上述合束方案中，可以将半导体激光器阵列扩展为多个半导体激光器阵列，或者多个半导体激光器模块，输出光的功率可以得到参与合束单元数倍数的提升。
实施例：
本发明基于双光栅的外腔反馈半导体光谱合束系统具体实现过程如下：
半导体激光器光源1的中心波长为945nm，包含19个发光单元，单个发光点光束的快轴发散角为35°，慢轴发散角为7°，光束经过45°斜柱透镜阵列和柱透镜准直光束后，快轴发散角被压缩为0.5°，慢轴发散角被压缩为4°。激光阵列的前腔面镀增透膜，反射率小于0.5％，后腔面镀高反膜，反射率大于99％。
设第一衍射光栅3和第二衍射光栅4的衍射级次为1级，衍射效率均大于90％，光栅周期均为d，单元光束在第一衍射光栅3上的入射角分别为θ1，θ2……θ19，衍射角分别为θd1，θd2……θd19,由于双光栅的色散作用和外腔的反馈，各单元波长随着入射角的不同而单调变化，分别为λ1，λ2……λ19，有如下关系式：
λ1＝d(sinθ1+sinθd1)；
λ2＝d(sinθ2+sinθd2)；
……
λ19＝d(sinθ19+sinθd19)。
其中，任意两相邻单元光束的入射角之差可视为定值Δθ。
第二衍射光栅4放置于第一衍射光栅3之后，并使得第二衍射光栅上的光斑最小。各单元光束在第二衍射光栅4上的入射角分别为θi1，θi2……θi19，出射角为θdi1，θdi2……θdi19，任意两相邻光束的入射角之差可视为定值Δθ1，且Δθ1＝Δθ/2，有如下关系式：
λ1＝d(sinθi1+sinθdi1)；
λ2＝d(sinθi2+sinθdi2)；
……
λ19＝d(sinθi19+sinθdi19)。
由于发光点被锁定在不同的波长，因此θdi1＝θdi2＝…＝θdi19。合束后的输出激光的光谱图如图4所示，光谱展宽约为7.0nm，如果采用单光栅光谱合束的结构，输出激光的光谱图如图5所示，光谱展宽为13.7nm。较之于单光栅合束的结构，采用本发明中的双光栅合束可以将输出光光谱压缩至近似为原来的一半。
Claims (8)
1.一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于包括：半导体激光器光源(1)，变换透镜(2),第一衍射光栅(3)，第二衍射光栅(4)和输出耦合镜(5)；
所述的半导体激光器光源(1)位于所述的变换透镜(2)的前焦点上，所述的第一衍射光栅(3)位于所述的变换透镜(2)的后焦点之前，所述的半导体激光器光源(1)为多个发光点的平行光束，该平行光束经变换透镜(2)汇聚后，其中心光束以利特罗角入射到所述的第一衍射光栅(3)，并经该第一衍射光栅(3)衍射，其衍射光束的中心光束以利特罗角入射到所述的第二衍射光栅(4)，调整第二衍射光栅(4)的位置，使第二衍射光栅(4)上的光斑最小；经该第二衍射光栅(4)衍射后的光束垂直入射到所述的输出耦合镜(5)合束后输出。
2.根据权利要求1所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于，在第一衍射光栅(3)上衍射后各光束的角度差减小一半，在第二衍射光栅(4)上重叠为一个小光斑，经过第二衍射光栅(4)的衍射后各光束的角度差减小至零，即有相同的衍射角，垂直入射输出耦合镜(5)后得到激光输出，各光束在近场和远场叠加，实现合束。
3.根据权利要求1所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于，所述的半导体激光器光源(1)包括半导体激光器阵列(14)和光束准直系统，所述的半导体激光器阵列(14)和输出耦合镜(5)之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡。
4.根据权利要求3所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于，所述的光束准直系统包括前后放置的快轴准直镜(15)和慢轴准直镜(16)。
5.根据权利要求3所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于，所述的光束准直系统包括前后放置的第一柱透镜、45°斜柱透镜阵列和第二柱透镜，所述的半导体激光器阵列(14)快轴方向的光由第一柱透镜准直，经过45°斜柱透镜阵列旋转后慢轴方向的光由第二柱透镜准直。
6.根据权利要求3所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于：所述的半导体激光器阵列(14)的前端面镀增透膜，反射率<1％,后腔面镀高反膜，反射率>95％。
7.根据权利要求1-6任一所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于：所述的第一衍射光栅(3)和第二衍射光栅(4)为透射式或反射式光栅，光栅周期相等，其最高衍射效率的波长与半导体激光器光源(1)的波长相匹配，在1级或-1级次的衍射效率大于90％，且所述的第一衍射光栅(3)和第二衍射光栅(4)为偏振无关光栅或者为偏振方向与半导体激光器光源(1)的偏振方向相同的光栅。
8.根据权利要求1-6任一所述的利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，其特征在于：所述的输出耦合镜(5)为部分反射镜，反射率为5％～30％，与第二衍射光栅(4)的衍射光方向垂直。
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