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CN105811245A - 一种激光阵列合束装置 - Google Patents

一种激光阵列合束装置 Download PDF

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CN105811245A CN201610329813.4A CN201610329813A CN105811245A CN 105811245 A CN105811245 A CN 105811245A CN 201610329813 A CN201610329813 A CN 201610329813A CN 105811245 A CN105811245 A CN 105811245A
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张哨峰
李大汕
杨金涛
沈渊
孙晓斌
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Abstract

本发明阐述了一种激光阵列合束装置，所述激光阵列合束装置包括：激光增益介质阵列，所述激光增益介质阵列包括至少两个激光增益元件，每个所述激光增益元件均能产生具有一定光谱宽度的激光束；整形光学系统，对所述激光增益介质阵列产生的每一束激光束进行准直，得到一组相互平行的准直激光光束阵列；色散光学组件，对入射的所述准直激光光束阵列进行至少二次衍射或折射后合束输出；部分反射光学元件，接收所述合束后的激光束并将其射出。

Description

一种激光阵列合束装置
技术领域
本发明涉及激光器领域，尤其是一种光谱交叠外腔激光阵列合束装置。
背景技术
半导体激光器具有效率高、体积小、波长范围广，低成本、可靠性高等特点，相比对其他激光器来说是很吸引人的。但是，半导体激光器的输出光束质量较差，且单个激光器功率水平受限，阻碍了其应用范围的拓展。
近年来，随着半导体激光器技术的发展，且在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展。同时，激光合束技术使得激光功率在过去的几年中有了成倍的增长。目前，利用合束技术的光纤激光器和直接半导体激光器的功率水平都达到了千瓦量级。
目前，在直接半导体激光器领域采用较多的是非相干合束技术。其方法是使得多个激光器的输出激光沿着相同的方向传播，使得激光的功率可以得到成倍的增加，功率水平和激光器的数目成正比。非相干合束技术包括空间合束，偏振合束以及波长合束等。
空间合束技术，例如KemingDu等人在美国专利No.6,124,973中所介绍的，是通过将多个半导体激光器在空间上按照一定的次序进行排列堆叠，形成一组沿着相同方向传播的激光束，从而得到高功率的激光输出。由于空间堆叠无法改善光束质量，由此得来的高功率激光输出一般直接应用于对光束质量要求不高的场合，如作为光纤激光器的泵浦源等。
偏振合束技术，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的两路激光组合在一起沿相同方向传播，例如JihuaDu等人在美国专利No.8,427,749中所介绍的。通常偏振合束技术是将两路偏振方向相互垂直的激光束或激光束组合相互合并，且总是于其它合束技术配合使用。
波长合束技术，将不同波长的激光束通过二向色镜、光栅等光学元件组合在一起，能有效提高功率与亮度，是目前高功率直接半导体激光器发展的主要方向。例如ArmenSevian等人在Efficientpowerscalingoflaserradiationbyspectralbeamcombining(OPTICSLETTERS/Vol.33，No.4/February15，2008)中所介绍的利用VBG体布拉格光栅将多路具有不同波长的激光器合成一束。AntonioSanchez-Rubio等人在美国专利No.6,192,062上介绍了一种基于衍射光栅的外腔半导体激光阵列合束方案，开发出了具有高功率、高光束质量、高亮度的直接半导体激光器，推动了在激光加工领域的应用。
目前的波长合束技术，无论是采用二向色镜、体布拉格光栅还是衍射光栅，总是要受到光谱的限制，不同波长之间要求相互独立，要保持足够的波长间隔。
而基于美国专利No.6,192,062及其类似技术的外腔半导体激光阵列光谱合束，单个激光器的光谱狭窄；且由于整体光路较长调节难度较高，对稳定性要求高；这类合束激光器的最终输出光谱一般都比较宽，以实现较高的输出功率，这对于直接输出半导体激光器功率的继续扩展带来一定的不便。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提出一种激光阵列合束装置，改善激光束的质量，并且使各激光增益元件的光谱可以交叠。
根据本发明的一个方面提供一种激光阵列合束装置，所述激光阵列合束装置包括：激光增益介质阵列，所述激光增益介质阵列包括至少两个激光增益元件，每个所述激光增益元件均能产生一激光束；整形光学系统，对所述激光增益介质阵列产生的每一束激光束进行准直，得到一组相互平行的准直激光光束阵列；色散光学组件，对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出；部分反射光学元件，接收所述合束后的激光束并将其射出。
优选地，所述色散光学组件对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出，所述色散光学组件包括：第一色散光学元件，对入射的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射；第二色散光学元件，接收经所述第一色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列，并所述准直激光光束阵列进行再次衍射或折射；其中，经所述第一色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列在所述第二色散光学元件处重合；所述部分反射光学元件接收被所述第二色散光学元件衍射或折射后的激光束。
优选地，所述第一色散光学元件为第一棱镜，所述第二色散光学元件为第二棱镜，所述第一棱镜和所述第二棱镜为两个相同的棱镜。
优选地，沿所述激光束的出射方向上，所述第一棱镜的出射面平行于所述第二棱镜的入射面。
优选地，所述第一色散光学元件和所述第二色散光学元件为一对衍射光栅。
优选地，所述一对衍射光栅的光栅面相互平行且具有相同的光栅周期。
优选地，所述衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅。
优选地，所述色散光学组件对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出，所述色散光学组件包括：第三色散光学元件，对入射的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射；反射棱镜，具有多个反射面，所述反射棱镜将所述第三色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列反射回所述第三色散光学元件，使所述准直激光光束阵列被所述第三色散光学元件再次衍射或折射；其中，经所述反射棱镜反射后的所述准直激光光束阵列在所述第三色散光学元件处重合；所述部分反射光学元件接收被所述第三色散光学元件再次衍射或折射后的激光束。
优选地，所述第三色散光学元件为一衍射光栅或一棱镜。
优选地，所述第三色散光学元件为一透射式光栅或一反射式光栅。
优选地，所述整形光学系统包括：第一准直镜，接收所述激光增益元件产生的激光束后将其射出；第二准直镜，接收所述第一准直镜射出的激光束后，将其射向所述色散光学组件。
优选地，所述第一准直镜为快轴准直镜，所述第二准直镜为慢轴准直镜。
优选地，所述激光增益介质阵列为半导体激光器阵列。
优选地，所述激光增益介质阵列中，相邻的两个所述激光增益元件产生的激光束的光谱部分重叠。
优选地，所述部分反射光学元件为镀有介质膜的反射镜。
优选地，所述部分反射光学元件的出射方向与所述整形光学系统的出射方向相互平行。
本发明实施例揭示了一种激光阵列合束装置，该激光阵列合束装置的色散光学组件采用两个色散光学元件或者一个色散光学元件与一个反射棱镜的方式使激光光束阵列在色散光学组件经两次衍射或折射，以此实现各激光增益元件产生的激光束的合束，该色散光学组件一方面可以有效改善激光束质量，另一方面各激光增益元件的光谱可以交叠，使合束后的光谱变窄。此外，各激光增益元件的激光束在通过色散光学组件之前经整形光学系统准直，因此，所述激光阵列合束装置还可降低对色散光学组件尺寸的要求。
附图说明
图1为本发明的第一实施例的激光阵列合束装置结构示意图；
图2为本发明的第二实施例的激光阵列合束装置的结构示意图；以及
图3为本发明的第三实施例的激光阵列合束装置的结构示意图。
具体实施方式
依据本发明主旨构思，所述激光阵列合束装置包括：激光增益介质阵列，所述激光增益介质阵列包括至少两个激光增益元件，每个所述激光增益元件均能产生具有一定光谱宽度的激光束；整形光学系统，对所述激光增益介质阵列产生的每一束激光束进行准直，得到一组相互平行的准直激光光束阵列；色散光学组件，对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出；部分反射光学元件，接收所述合束后的激光束并将其射出。
下面结合附图和实施例对本发明的技术内容进行进一步地说明。
第一实施例
请参见图1，其示出了本发明的第一实施例的激光阵列合束装置的结构示意图。在图1所示的优选实施例中，所述激光阵列合束装置包括：激光增益介质阵列1、整形光学系统2、色散光学组件以及部分反射光学元件4。
激光增益介质阵列1包括至少两个激光增益元件，每个所述激光增益元件均能产生具有一定光谱宽度的激光束。在图1所示实施例中，激光增益介质阵列1优选地为半导体激光器阵列。激光增益介质阵列1包括多个激光增益元件，需要说明的是，图1中示意性仅示出了第一激光增益元件11、第二激光增益元件12以及第三激光增益元件13，其中，第三激光增益元件13为与第二激光增益元件12间隔n个激光增益元件的一个激光增益元件，图1中省略了第二激光增益元件12与第三激光增益元件13之间的n个激光增益元件。在激光增益介质阵列1中，相邻的两个所述激光增益元件产生的激光束的光谱部分重叠。例如，图1所示实施例中，第一激光增益元件11与第二激光增益元件12产生的激光束的光谱部分重叠。
整形光学系统2对激光增益介质阵列1产生的每一束激光束进行准直，得到一组相互平行的准直激光光束阵列。具体来说，如图1所示，整形光学系统2包括第一准直镜21和第二准直镜22。第一准直镜21接收激光增益元件1的产生的激光束后将其射出。第二准直镜22接收第一准直镜21射出的激光束后，将其射向色散光学组件。在图1所示的实施例中，第一准直镜21为快轴准直镜，第二准直镜22为慢轴准直镜。
所述色散光学组件对入射的由整形光学系统2射出的准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出。在图1所示的实施例中，所述色散光学组件对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出。具体来说，所述色散光学组件包括第一色散光学元件31以及第二色散光学元件32。其中，第一色散光学元件31对入射的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射。第二色散光学元件32接收经所述第一色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列，并所述准直激光光束阵列进行再次衍射或折射。其中，由整形光学系统2射出的准直激光光束阵列经第一色散光学元件31衍射或折射后，在第二色散光学元件32处重合。在图1所示的实施例中，第一色散光学元件31为第一棱镜，第二色散光学元件32为第二棱镜，即第一色散光学元件31和第二色散光学元件32为一组棱镜对，其中，第一棱镜和第二棱镜可以是两个相同的棱镜。优选地，沿所述准直激光光束阵列的激光束的出射方向上，第一棱镜31的出射面311平行于第二棱镜32的入射面321。需要说明的是，此处第一棱镜31的出射面311是指经第一棱镜31衍射或折射后射向第二棱镜32的过程中的第一棱镜31的出射表面，可以理解的是，第一棱镜31的出射面311在整形光学系统2将准直激光光束阵列射向第一棱镜31的过程中也即为第一棱镜31的入射表面。类似地，此处第二棱镜32的入射面321是指准直激光光束阵列经第一棱镜31衍射或折射后射向第二棱镜32的过程中的第二棱镜32的入射表面，可以理解的是，第二棱镜32的入射面321在准直激光光束阵列经第二棱镜32衍射或折射后射向部分反射光学元件4的过程中也即为第二棱镜32的出射表面。
部分反射光学元件4接收由所述色散光学组件合束后的激光束并将其射出。具体来说，在图1所示的实施例中，部分反射光学元件4接收被第二色散光学元件32衍射或折射后的激光束，并将该激光束部分射出。部分反射光学元件4的出射方向与整形光学系统2的出射方向相互平行。优选地，部分反射光学元件4为镀有介质膜的反射镜。
在此实施例中，所述激光阵列合束装置的色散光学组件采用两个色散光学元件使激光光束阵列经两次衍射或折射的方式来实现各激光增益元件产生的激光束的合束，该色散光学组件一方面可以有效改善光束质量，另一方面各激光增益元件的光谱可以交叠，使合束后的光谱变窄。此外，各激光增益元件的激光束在通过色散光学组件之前经整形光学系统准直，因此，所述激光阵列合束装置还可降低对色散光学组件尺寸的要求。
第二实施例
请参见图2，其示出了本发明的第二实施例的激光阵列合束装置的结构示意图。与上述图1所示第一实施例不同的是，在此实施例中，所述第一色散光学元件和所述第二色散光学元件为一对衍射光栅。所述第一色散光学元件和所述第二色散光学元件通过使用一对衍射光栅来代替上述第一实施例中的棱镜对。具体来说，如图2所示，第一色散光学元件31’和第二色散光学元件32’为一对衍射光栅。所述衍射光栅可以为透射式光栅或反射式光栅。优选地，所述一对衍射光栅的光栅面相互平行且具有相同的光栅周期。该实施例可以实现与上述第一实施例类似的效果，在此不予赘述。
第三实施例
请参见图3，其示出了本发明的第三实施例的激光阵列合束装置的结构示意图。与上述图1和图2所示的第一实施例和第二实施例不同的是，在此实施例中，所述色散光学组件包括一第三色散光学元件和一反射棱镜。所述色散光学组件通过使用所述第三色散光学元件和所述反射棱镜来代替上述的第一色散光学元件和第二色散光学元件。具体来说，如图3所示，所述色散光学组件包括第三色散光学元件33和一反射棱镜34。第三色散光学元件33对由整形光学系统2射入的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射。在图3所示的实施例中，第三色散光学元件33为一衍射光栅或一棱镜。更优选地，第三色散光学元件33为一透射式光栅或一反射式光栅。反射棱镜34具有多个反射面，其将第三色散光学元件33衍射或折射后的所述准直激光光束阵列反射回第三色散光学元件33，使所述准直激光光束阵列被第三色散光学元件33再次衍射或折射。经反射棱镜34反射后的所述准直激光光束阵列在第三色散光学元件33处重合。部分反射光学元件4接收被第三色散光学元件33再次衍射或折射后的激光束。需要说明的是，在此实施例中，整形光学系统2射出的所述准直激光光束阵列是通过第三色散光学元件33的两次衍射或折射实现合束的，从而实现与上述第一实施例和第二实施例类似的效果，在此不予赘述。
综上所述，本发明实施例揭示了一种激光阵列合束装置，该激光阵列合束装置的色散光学组件采用两个色散光学元件或者一个色散光学元件与一个反射棱镜的方式使激光光束阵列在色散光学组件经两次衍射或折射，以此实现各激光增益元件产生的激光束的合束，该色散光学组件一方面可以有效改善激光束质量，另一方面各激光增益元件的光谱可以交叠，使合束后的光谱变窄。此外，各激光增益元件的激光束在通过色散光学组件之前经整形光学系统准直，因此，所述激光阵列合束装置还可降低对色散光学组件尺寸的要求。
虽然本发明已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (16)

1.一种激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光阵列合束装置包括：
激光增益介质阵列，所述激光增益介质阵列包括至少两个激光增益元件，每个所述激光增益元件均能产生一激光束；
整形光学系统，对所述激光增益介质阵列产生的每一束激光束进行准直，得到一组相互平行的准直激光光束阵列；
色散光学组件，对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出；
部分反射光学元件，接收所述合束后的激光束并将其射出。
2.根据权利要求1所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述色散光学组件对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出，所述色散光学组件包括：
第一色散光学元件，对入射的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射；
第二色散光学元件，接收经所述第一色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列，并所述准直激光光束阵列进行再次衍射或折射；
其中，经所述第一色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列在所述第二色散光学元件处重合；所述部分反射光学元件接收被所述第二色散光学元件衍射或折射后的激光束。
3.根据权利要求2所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一色散光学元件为第一棱镜，所述第二色散光学元件为第二棱镜，所述第一棱镜和所述第二棱镜为两个相同的棱镜。
4.根据权利要求3所述的激光阵列合束装置，其特征在于，沿所述激光束的出射方向上，所述第一棱镜的出射面平行于所述第二棱镜的入射面。
5.根据权利要求2所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一色散光学元件和所述第二色散光学元件为一对衍射光栅。
6.根据权利要求5所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述一对衍射光栅的光栅面相互平行且具有相同的光栅周期。
7.根据权利要求6所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅。
8.根据权利要求1所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述色散光学组件对入射的所述准直激光光束阵列进行二次衍射或折射后合束输出，所述色散光学组件包括：
第三色散光学元件，对入射的所述准直激光光束阵列进行衍射或折射；
反射棱镜，具有多个反射面，所述反射棱镜将所述第三色散光学元件衍射或折射后的所述准直激光光束阵列反射回所述第三色散光学元件，使所述准直激光光束阵列被所述第三色散光学元件再次衍射或折射；
其中，经所述反射棱镜反射后的所述准直激光光束阵列在所述第三色散光学元件处重合；所述部分反射光学元件接收被所述第三色散光学元件再次衍射或折射后的激光束。
9.根据权利要求8所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第三色散光学元件为一衍射光栅或一棱镜。
10.根据权利要求9所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第三色散光学元件为一透射式光栅或一反射式光栅。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述整形光学系统包括：
第一准直镜，接收所述激光增益元件产生的激光束后将其射出；
第二准直镜，接收所述第一准直镜射出的激光束后，将其射向所述色散光学组件。
12.根据权利要求11所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一准直镜为快轴准直镜，所述第二准直镜为慢轴准直镜。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光增益介质阵列为半导体激光器阵列。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光增益介质阵列中，相邻的两个所述激光增益元件产生的激光束的光谱部分重叠。
15.根据权利要求1至10中任一项所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述部分反射光学元件为镀有介质膜的反射镜。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述部分反射光学元件的出射方向与所述整形光学系统的出射方向相互平行。
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