CN102437509A - 一种改善高功率激光二极管阵列相干性的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种改善功率激光二极管阵列相干性的装置，其包括激光二极管阵列及快轴准直镜；快轴准直镜对应于与激光二极管阵列相连的另一侧设有第一透镜，第一透镜的后上方形成反馈支路，第一透镜的后下方形成输出支路；扩束反馈支路包括第二透镜及反馈元件；输出支路包括平面反射镜及准直透镜；激光二极管阵列向上发出光线的发散角经第一透镜及第二透镜压缩后，并通过反馈元件反馈到激光二极管阵列的有源区，使得激光二极管阵列内发光单元相互耦合后输出相干光；激光二极管阵列发出的相干光通过平面反射镜反射及准直透镜准直后输出。本发明能够改善高功率激光二极管阵列相干性，扩大了激光二极管阵列的使用范围，安全可靠。

Description

一种改善高功率激光二极管阵列相干性的装置

技术领域

本发明涉及一种激光二极管阵列，尤其是一种改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，属于激光技术的技术领域。

背景技术

高功率激光二极管阵列具有效率高、结构紧凑、使用寿命长等优点，因此在许多领域得到了广泛的应用，例如工业、军事、医疗等领域(Opt.Express 12，609)。然而二极管阵列各发光单元之间是非相干，因此整个二极管阵列输出的激光的是非相干的。这将影响激光二极管阵列在很多领域的使用，如泵浦固体或光纤激光器等领域的应用。因此改善激光二极管阵列输出激光的相干性是一项非常重要的课题。目前改善光纤激光阵列的相干性研究比较多，对于激光二极管阵列的相干性技术研究报道比较少，本发明将会有效地改善激光二极管阵列的相干性。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其结构简单紧凑，能够改善高功率激光二极管阵列相干性，扩大了激光二极管阵列的使用范围，降低使用成本，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，包括激光二极管阵列及位于所述激光二极管阵列输出端的快轴准直镜；所述快轴准直镜对应于与激光二极管阵列相连的另一侧设有第一透镜，所述第一透镜的后上方形成反馈支路，第一透镜的后下方形成输出支路；所述反馈支路包括位于第一透镜后上方的第二透镜及反馈元件，所述反馈元件与第二透镜、第一透镜及激光二极管阵列后端面形成离轴外反馈腔；所述输出支路包括位于第一透镜后下方的平面反射镜及位于所述平面反射镜下方的准直透镜；激光二极管阵列各发光单元向上发出的光线经第一透镜及第二透镜扩束后，打到反馈元件上，调节反馈元件的倾角，光束将反馈到激光二极管阵列的自身单元及相邻单元，使的激光二极管阵列内发光单元相互耦合后输出相干光；激光二极管阵列发出的相干光通过平面反射镜反射及准直透镜准直后射出。

所述激光二极管阵列为一维激光二极管阵列，所述激光二极管阵列包括19或49个发光单元。

所述第一透镜的后焦面与第二透镜的前焦面相重合；所述第一透镜及第二透镜为柱面镜或球面透镜。

所述反馈元件为平面反射镜、平面闪耀光栅或体光栅。所述扩束反馈支路与输出支路对称分布于第一透镜光轴的两侧。

所述第二透镜的焦距为第一透镜焦距的2～8倍。所述快轴准直镜为焦距小于1mm的柱面镜。

所述第二透镜的后焦面上形成了一个像平面，所述反馈元件位于所述像平面后的半Talbot距离处。

所述输出支路的准直透镜为柱面镜或球面镜，准直透镜的前焦面与第一透镜的后焦面相重合。

所述平面反射镜位于第一透镜的后焦面上，且平面反射镜与第一透镜的光轴方向成45度角。

本发明的优点：激光二极管阵列与第一透镜、第二透镜及反馈元件间形成了离轴的外Talbot腔，无需空间滤波器，有效地改善激光二极管阵列内每个发光单元的输出激光的方向性，又使各发光单元之间相互耦合，使各发光单元之间的输出光具有了相干性；本发明使用的都是普通的光学元器件，价格低廉，本发明的结构简单，很容易推广到二维的激光二极管阵列(stack)；结构简单紧凑，能够改善高功率激光二极管阵列相干性，扩大了激光二极管阵列的使用范围，降低使用成本，安全可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明激光二极管阵列发出光线经反馈元件反馈后的示意图。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1～图2所示：本发明包括激光二极管阵列1、快轴准直镜2、第一透镜3、第二透镜4、反馈元件5、平面反射镜6、准直透镜7及像平面8。

如图1和图2所示：所述激光二极管阵列1的输出端面上安装有快轴准直镜2，所述快轴准直镜2为焦距小于1mm的柱面镜；快轴准直镜2对激光二极管阵列1的快轴方向发出的光进行准直；其中，图1中x轴方向为慢轴方向，y轴方向为快轴方向。快轴准直镜2将快轴方向可以准直到大约为0.5度左右的发散角。激光二极管阵列1是由19或49个独立的激光光二极管单元构成的一维阵列，19或49个独立的二极管发光单元沿着x轴方向排列形成一维阵列；所述快轴准直镜2固定于激光二极管阵列1的输出端，快轴准直镜2的后面设有第一透镜3，所述第一透镜3的后上方设置形成反馈支路，第一透镜3的后下方设置形成输出支路，所述输出支路与反馈支路位于第一透镜3的光轴的两侧。反馈支路能够将激光二极管阵列1发出的光经扩束系统扩束后打到反馈元件5，并将相应光线反馈到激光二极管阵列1的有源区，并经反馈元件5反馈到激光二极管阵列的自身单元及相邻单元，使的激光二极管阵列1内发光单元相互耦合后输出相干光，输出支路能够将相干光输出，能提高激光二极管阵列1的使用范围。

具体地，所述第一透镜3的后上方设有第二透镜4，所述第一透镜3的后焦面与第二透镜4的前焦面重合，所述第一透镜3与第二透镜4间形成扩束系统，能够对激光二极管阵列1向上发出光线的发散角进行压缩。第二透镜4对应于与第一透镜3相连的另一侧设有反馈元件5，所述反馈元件5可以是平面反射镜，平面闪耀光栅或体光栅。反馈元件5将激光二极管阵列1沿特定角度向上发出的光线沿原路反馈回到激光二极管阵列1中各发光单元的有源区内；即与反馈元件5的法线有一定夹角的光线会反馈到相邻发光单元；与反馈元件5法线相平行的光线经过反馈元件5后沿原路反馈到对应发光单元的有源区。第一透镜3与第二透镜4可以均为为球面透镜，也可以均为柱面透镜，第二透镜4的焦距为第一透镜3焦距的2～8倍。激光二极管阵列1发出的光线经过第一透镜3与第二透镜4间形成的扩束系统后，使激光二极管阵列1内19或49个发光单元成像，形成像平面8。所述像平面8在第二透镜4对应于与第一透镜3相连的另一侧的焦平面上。我们可以把这19或49个发光单元成所成的像，称为像光源阵列。19或49个像光源和激光二极管阵列1内19或49个发光单元是等效的。因此整个第一透镜3后上支路的光线传播可以简化为：像光源——反馈元件——像光源。激光二极管阵列1内相邻的2个像光源之间中心距离为d，所述反馈元件5是放在第二透镜4对应于与第一透镜3相连的另一侧，且距第二透镜4的距离为f+d²/λ处，其中f是透镜4的焦距，λ是激光二极管阵列1输出激光的中心波长；也即是49个像光源形成的像平面8与反馈元件5距离为d²/λ，这个距离刚好是半Talbot(泰尔伯特)距离。当19或49个像平面8内像光源发出的光经打到反馈元件5之后，每个单元发出的光经反馈元件5反馈后，一部分光反馈到本单元，也有部分光会耦合到到其它像光源，并且反馈元件5在半Talbot距离时候，激光二极管阵列1内各发光单元相互耦合最强，如图2所示。这样像平面8内各像单元之间相互耦合，因为激光二极管阵列1与像平面8对应的像光源阵列是等效的，因此激光二极管阵列1内的二极管发光单元之间也相互耦合，就会实现了相位的锁定，使得输出光成为相干光。

第一透镜3的后上支路利用反馈元件5的反射作为一个反馈，所述反馈元件5与激光二极管阵列1后端面形成一个共振腔，即外腔；反馈元件5不在光轴上，因此形成离轴反馈腔。对于激光二极管阵列1内的每一个发光单元，在自由运转条件下，二极管的慢轴方向(y方向)一般都会有几十个侧模在振荡。每个模的远场分布都是一个双瓣结构，不同阶数的侧向空间模，其空间辐射角不同，式(1)表示第m阶模的空间辐射角，其中，x₀表示发光单元在慢轴方向上的宽度，k₀表示波数。

${\mathrm{\θ}}_m=\±\frac{\mathrm{m\π}}{2x_0{k}_0}---\left(1\right)$

由于不同阶数的空间模，辐射角不同，因此可以通过调节反馈元件5的倾角，所述反馈元件5的倾角为反馈元件5与Z轴的夹角；根据倾角来选定某个空间模的一个瓣，将其反馈到激光二极管阵列1的各发光单元的有源区内，使其继续振荡放大，另一瓣作激光输出。根据模式竞争的理论，得到反馈的模式振荡被加强了，其它的模式被有效地抑制了，这样输出激光的空间模式数量就减少了很多。由于第一透镜3的上支路利用反馈元件5作为公共的反馈镜，因此每个发光单元反馈回来模的空间辐射角的方向基本差不多，这样最后所有发光单元输出激光的方向性就变得比较好。反馈元件5除了将大部分的光反馈到自身的发光单元，使本单元的输出光具有很好的方向性，反馈元件5也能将任一个单元的光部分地反馈到与该单元相邻的其它单元，使各发光单元之间的光实现相位锁定，激光二极管阵列1发出的光线变成了相干光束。

第一透镜3的后下支路是输出支路，其包含了第一透镜3，平面反射镜6和准直透镜7。平面反射镜6放在透镜3的后焦面上，且平面反射镜6与第一透镜3的光轴方向成45度角。第一透镜3的后焦面与准直透镜7的前焦面重合。这样激光经过透镜7输出后就是平行的相干光束了。

如图1和图2所示：激光二极管阵列1发出的光首先经过一快轴准直镜2，对快轴方向进行准直。在激光二极管阵列1在慢轴方向被第一透镜3分成了上、下两个支路，分别形成对称分布的反馈支路与输出支路；上支路的光线经过第一透镜3与第二透镜4形成的扩束系统后打到反馈元件5上。反馈元件5放在距像平面8半Talbot距离处。通过调节反馈元件5的倾角，来选定某个空间模的一个瓣，将其反馈到激光二极管阵列1处，使其继续振荡放大，这样每个发光单元激光模式有效减少了，每个发光单元的输出激光具有很好的方向性，此外由于反馈元件5放在距像平面半Talbot距离处，每个发光单元输出的光都会有部分耦合到其它发光单元，这样各单元之间也形成了相互的相位锁定，实现相干输出。

本发明激光二极管阵列1与第一透镜3、第二透镜4及反馈元件5间形成了离轴的外Talbot腔，无需空间滤波器，有效地改善激光二极管阵列内每个发光单元的输出激光的方向性，又使各发光单元之间相互耦合，使各发光单元之间的输出光具有了相干性；本发明使用的都是普通的光学元器件，价格低廉，本发明的结构简单，很容易推广到二维的激光二极管阵列(stack)；结构简单紧凑，能够改善高功率激光二极管阵列相干性，扩大了激光二极管阵列的使用范围，降低使用成本，安全可靠。

Claims (10)

1. 一种改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，包括激光二极管阵列（1）及位于所述激光二极管阵列（1）输出端的快轴准直镜（2）；其特征是：所述快轴准直镜（2）对应于与激光二极管阵列（1）相连的另一侧设有第一透镜（3），所述第一透镜（3）的后上方形成反馈支路，第一透镜（3）的后下方形成输出支路；所述扩束反馈支路包括位于第一透镜（3）后上方的第二透镜（4）及反馈元件（5），所述反馈元件（5）与第二透镜（4）、第一透镜（3）及激光二极管阵列（1）后端面形成离轴外反馈腔；所述输出支路包括位于第一透镜（3）后下方的平面反射镜（6）及位于所述平面反射镜（6）下方的准直透镜（7）； 激光二极管阵列（1）各发光单元向上发出的光线经第一透镜（3）及第二透镜（4）扩束后，打到反馈元件（5）上，调节反馈元件（5）的倾角，光束将反馈到激光二极管阵列（1）的自身单元及相邻单元，使的激光二极管阵列（1）内发光单元相互耦合后输出相干光；激光二极管阵列（1）发出的相干光通过平面反射镜（6）反射及准直透镜（7）准直后射出。

2.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述激光二极管阵列（1）为一维激光二极管阵列，所述激光二极管阵列（1）包括19或49个发光单元。

3.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述第一透镜（3）的后焦面与第二透镜（4）的前焦面相重合；所述第一透镜（3）及第二透镜（4）为柱面镜或球面透镜。

4.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述反馈元件（5）为平面反射镜、平面闪耀光栅或体光栅。

5.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是： 所述反馈支路与输出支路对称分布于第一透镜（3）光轴的两侧。

6.根据权利要求1或3所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述第二透镜（4）的焦距为第一透镜（3）焦距的2~8倍。

7.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述快轴准直镜（2）为焦距小于1mm的柱面镜。

8.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：在所述第二透镜（4）的后焦面形成了一个像平面（8），所述反馈元件（5）位于所述像平面（8）后的半Talbot距离处。

9.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述准直透镜（7）为柱面镜或球面镜，准直透镜（7）的前焦面与第一透镜（3）的后焦面相重合。

10.根据权利要求1所述的改善高功率激光二极管阵列相干性的装置，其特征是：所述平面反射镜（6）位于第一透镜（3）的后焦面上，且平面反射镜（6）与第一透镜（3）的光轴方向成45度角。

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