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CN108321677A - 一种半导体激光器合束装置 - Google Patents

一种半导体激光器合束装置 Download PDF

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CN108321677A
CN108321677A CN201810401368.7A CN201810401368A CN108321677A CN 108321677 A CN108321677 A CN 108321677A CN 201810401368 A CN201810401368 A CN 201810401368A CN 108321677 A CN108321677 A CN 108321677A
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李大汕
赵亚平
张倩
周权
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Abstract

本发明提供了一种半导体激光器合束装置，包括：至少两路模块式激光输入设备，各自包括：沿光路方向依次排列的产生光束的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜以及第一衍射光栅，半导体激光器位于变换透镜的前焦点，第一衍射光栅位于变换透镜的后焦点之前；各路光束由变换透镜汇聚后分别通过各自的第一衍射光栅衍射到达同一个第二衍射光栅，各路光束在第二衍射光栅上有相同的位置和衍射角实现合束；经过第二衍射光栅后的合束光垂直入射到输出耦合镜输出。本发明通过多路光谱合束来提高输出功率和亮度，能使得谱宽控制在半导体增益介质的增益范围和光栅的高效率衍射范围内。

Description

一种半导体激光器合束装置
技术领域
本发明涉及激光设备领域，具体地说，涉及一种半导体激光器合束装置。
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半导体激光器合束技术，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 combiningof 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。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明的目的在于提供一种半导体激光器合束装置，克服了现有技术的困难，通过多路光谱合束来提高输出功率和亮度，并使用多光栅结构来压缩光谱，减小光谱展宽。
本发明提供了一种半导体激光器合束装置，包括：至少两路模块式激光输入设备，所述模块式激光输入设备包括：沿光路方向依次排列的产生光束的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜以及第一衍射光栅，所述半导体激光器位于所述变换透镜的前焦点，所述第一衍射光栅位于所述变换透镜的后焦点之前；
第二衍射光栅，各路光束由所述变换透镜汇聚后分别通过各自的所述第一衍射光栅衍射到达同一个所述第二衍射光栅，各路光束在第二衍射光栅上有相同的位置和衍射角实现合束；以及
输出耦合镜，经过所述第二衍射光栅后的合束光垂直入射到所述输出耦合镜输出。
优选地，所述模块式激光输入设备中的半导体激光器的输出光轴相互平行。
优选地，所述半导体激光器是单个半导体激光器发光单元、一维阵列排列的半导体激光器巴条、二维阵列排列的半导体激光器叠阵中的一种。优选地，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅均为透射式光栅。
优选地，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅均为反射式光栅。
优选地，所述第一衍射光栅是透射式光栅，第二衍射光栅均为反射式光栅。
优选地，所述第一衍射光栅是反射式光栅，第二衍射光栅均为透射式光栅。
优选地，所述半导体激光器的前端面镀增透膜，反射率<1％，后腔面镀高反膜，反射率>95％。
优选地，所述光束整形元件是以下三种中的任意一种：
快轴准直镜；
快轴准直镜和慢轴准直镜的组合；
快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。
优选地，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅在1级或者-1级次的衍射效率大于90％。
优选地，所述变换透镜是以下四种中的任意一种：
单个球面柱透镜；
多个球面柱透镜组成的透镜组；
单个非球面柱透镜；
多个非球面柱透镜组成的透镜组。
优选地，所述输出耦合镜为部分反射镜，反射率为5％～30％。
综上所述，本发明的半导体激光器合束装置通过多路光谱合束来提高输出功率和亮度，并使用多光栅结构来压缩光谱，能使得谱宽控制在半导体增益介质的增益范围和光栅的高效率衍射范围内。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。
图1是本发明的第一种半导体激光器合束装置的示意图。
图2是本发明的第二种半导体激光器合束装置的示意图。以及
图3是本发明的第三种半导体激光器合束装置的示意图。
附图标记
1 半导体激光器
2 光束整形元件
3 变换透镜
4 第一透射式衍射光栅
5 第二透射式衍射光栅
6 输出耦合镜
7 第一反射式衍射光栅
8 第二反射式衍射光栅
9 半导体激光器
10 模块式激光输入设备
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。
图1是本发明的半导体激光器合束装置的示意图。如图1所示，本发明的半导体激光器合束装置，包括：两路模块式激光输入设备10、第二透射式衍射光栅5和输出耦合镜6。模块式激光输入设备10包括：沿光路方向依次排列的产生光束的半导体激光器1、光束整形元件2、变换透镜3以及第一透射式衍射光栅4，半导体激光器1位于变换透镜3的前焦点，第一透射式衍射光栅4位于变换透镜3的后焦点之前。各路光束由变换透镜3汇聚后分别通过各自的第一透射式衍射光栅4衍射到达同一个第二透射式衍射光栅5，各路光束在第二透射式衍射光栅5上有相同的位置和衍射角实现合束。经过第二衍射光栅后的合束光垂直入射到输出耦合镜6输出。模块式激光输入设备中的半导体激光器的输出光轴相互平行。半导体激光器是单个半导体激光器发光单元，但不以此为限，在其他的实施例中半导体激光器也可以是一维阵列排列的半导体激光器巴条，或者是二维阵列排列的半导体激光器叠阵。输出耦合镜6的输出光轴与半导体激光器1的输出光轴相互垂直，但不以此为限。本发明的半导体激光器合束装置不限于两路模块式激光输入设备10，可以根据实际的光学要求，增加模块式激光输入设备10的数量以提高激光强度，例如采用10路模块式激光输入设备或是30路模块式激光输入设备。
本发明的主要原理是：各路光束由变换透镜3汇聚后分别通过各自的第一透射式衍射光栅4衍射到达同一个第二透射式衍射光栅5，各路光束在第二透射式衍射光栅5上有相同的位置和衍射角实现合束(即通过第二透射式衍射光栅5的衍射多路光束合为一束光束)，经过第二透射式衍射光栅5后的合束光垂直入射到输出耦合镜6输出。两路模块式激光输入设备10的半导体激光器1的输出光轴相互平行。本发明利用第一透射式衍射光栅4和第二透射式衍射光栅5作为衍射元件，最高可将色散能力提高一倍，应用于多路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范围和光栅的高效率衍射范围内加入更多合束单元，提高输出功率。第一衍射光栅和第二衍射光栅均为透射式光栅，以满足不同光路结构的要求，但不以此为限。
在一个优选方案中，第一衍射光栅和第二衍射光栅均为反射式光栅，以满足不同光路结构的要求，但不以此为限。在一个优选方案中，第一衍射光栅是透射式光栅，第二衍射光栅均为反射式光栅，以满足不同光路结构的要求，但不以此为限。在一个优选方案中，第一衍射光栅是反射式光栅，第二衍射光栅均为透射式光栅，以满足不同光路结构的要求，但不以此为限。
在一个优选方案中，半导体激光器1的前端面镀增透膜，反射率<1％，后腔面镀高反膜，反射率>95％，以满足不同光学要求，但不以此为限。
在一个优选方案中，光束整形元件2是以下三种中的任意一种：
快轴准直镜；
快轴准直镜和慢轴准直镜的组合；
快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合，以满足不同光学要求，但不以此为限。
在一个优选方案中，第一衍射光栅和第二衍射光栅在1级或者-1级次的衍射效率大于90％。
在一个优选方案中，变换透镜3是以下四种中的任意一种：
单个球面柱透镜；
多个球面柱透镜组成的透镜组；
单个非球面柱透镜；
多个非球面柱透镜组成的透镜组，以满足不同光学要求，但不以此为限。
在一个优选方案中，输出耦合镜6为部分反射镜，反射率为5％～30％，以满足不同光学要求，但不以此为限。
本发明与现有技术的明显区别在于，现有技术中虽然也有双光栅的合束装置，但是通常其中一个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，无法可能地压缩合束后激光的光谱展宽。而本发明的第一透射式衍射光栅4和第二透射式衍射光栅5两个衍射光栅都起到衍射合束作用，两个衍射光栅都具备压缩光谱展宽的作用。从而能够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。
以下附图2和3是在图1基础上本发明的两种变形结构。
图2是本发明的第二种半导体激光器合束装置的示意图。如图2所示，本发明的半导体激光器合束装置包括：两路模块式激光输入设备10、一个第二反射式衍射光栅8和一个输出耦合镜6，但不以此为限。每一路模块式激光输入设备10包括半导体激光器1，光束整形元件2，变换透镜3，第一反射式衍射光栅7。每一路半导体激光器1对应各自的光束整形元件2，变换透镜3以及第一反射式衍射光栅7，但不以此为限，本发明的半导体激光器合束装置也可以包括多路半导体激光器。半导体激光器位于变换透镜3的前焦点，第一反射式衍射光栅7位于变换透镜3的后焦点之前。半导体激光器1是一半导体单管激光器。半导体激光器1的前端面镀增透膜，反射率<1％，后腔面镀高反膜，反射率>95％。各路光束由变换透镜3汇聚后分别通过各自的第一反射式衍射光栅7衍射到达同一个第二反射式衍射光栅8，各路光束在个第二反射式衍射光栅8上有相同的位置和衍射角实现合束(即通过个第二反射式衍射光栅8的衍射多路光束合为一束光束)，经过个第二反射式衍射光栅8后的合束光垂直入射到输出耦合镜6输出。两路模块式激光输入设备10的半导体激光器1的输出光轴相互平行。输出耦合镜6的输出光轴与半导体激光器1的输出光轴相互平行，但不以此为限。
本实施例中利用第一反射式衍射光栅7和第二反射式衍射光栅8作为衍射元件，最高可将色散能力提高一倍，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范围和光栅的高效率衍射范围内加入更多合束单元，提高输出功率。
图3是本发明的第三种半导体激光器合束装置的示意图。如图3所示，本发明的半导体激光器合束装置，包括：两路模块式激光输入设备10、第二透射式衍射光栅5和输出耦合镜6。模块式激光输入设备10包括：沿光路方向依次排列的产生光束的半导体激光器9、光束整形元件2、变换透镜3以及第一透射式衍射光栅4，半导体激光器9位于变换透镜3的前焦点，第一透射式衍射光栅4位于变换透镜3的后焦点之前。本实施例中的每个半导体激光器9是二维阵列排列的半导体单管激光器叠阵，但不以此为限。两路模块式激光输入设备10的半导体激光器9的输出光轴相互平行。输出耦合镜6的输出光轴与半导体激光器9的输出光轴相互垂直，但不以此为限。半导体激光器9的各路光束由变换透镜3汇聚后分别通过各自的第一透射式衍射光栅4衍射到达同一个第二透射式衍射光栅5，各路光束在第二透射式衍射光栅5上有相同的位置和衍射角实现合束。经过第二衍射光栅后的合束光垂直入射到输出耦合镜6输出。模块式激光输入设备中的半导体激光器的输出光轴相互平行。同样地，本实施例中利用第一透射式衍射光栅和第二透射式衍射光栅作为衍射元件，最高可将色散能力提高一倍，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范围和光栅的高效率衍射范围内加入更多合束单元，提高输出功率。
综上，本发明的半导体激光器合束装置通过多路光谱合束来提高输出功率和亮度，并使用多光栅结构来压缩光谱，能使得谱宽控制在半导体增益介质的增益范围和光栅的高效率衍射范围内。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (12)

1.一种半导体激光器合束装置，其特征在于，包括：
至少两路模块式激光输入设备，所述模块式激光输入设备包括：沿光路方向依次排列的产生光束的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜以及第一衍射光栅，所述半导体激光器位于所述变换透镜的前焦点，所述第一衍射光栅位于所述变换透镜的后焦点之前；
第二衍射光栅，各路光束由所述变换透镜汇聚后分别通过各自的所述第一衍射光栅衍射到达同一个所述第二衍射光栅，各路光束在第二衍射光栅上有相同的位置和衍射角实现合束；以及
输出耦合镜，经过所述第二衍射光栅后的合束光垂直入射到所述输出耦合镜输出。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述模块式激光输入设备中的半导体激光器的输出光轴相互平行。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述半导体激光器是单个半导体激光器发光单元、一维阵列排列的半导体激光器巴条、二维阵列排列的半导体激光器叠阵中的一种。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述第一衍射光栅和第二衍射光栅均为透射式光栅。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述第一衍射光栅和第二衍射光栅均为反射式光栅。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述第一衍射光栅是透射式光栅，第二衍射光栅均为反射式光栅。
7.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述第一衍射光栅是反射式光栅，第二衍射光栅均为透射式光栅。
8.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述半导体激光器的前端面镀增透膜，反射率<1％，后腔面镀高反膜，反射率>95％。
9.根据权利要求1所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述光束整形元件是以下三种中的任意一种：
快轴准直镜；
快轴准直镜和慢轴准直镜的组合；
快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。
10.根据权利要求1至9中任意一项所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述第一衍射光栅和第二衍射光栅在1级或者-1级次的衍射效率大于90％。
11.根据权利要求1至9中任意一项所述的半导体激光器合束装置，其特征在于，所述变换透镜是以下四种中的任意一种：
单个球面柱透镜；
多个球面柱透镜组成的透镜组；
单个非球面柱透镜；
多个非球面柱透镜组成的透镜组。
12.根据权利要求1至9中任意一项所述的半导体激光器合束装置，其特征在于：所述输出耦合镜为部分反射镜，反射率为5％～30％。
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