CN103346474A - 一种半导体激光器管芯的合束装置 - Google Patents
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Abstract
一种半导体激光器管芯的合束装置，包括多个半导体激光器的管芯（1）和设置在所述半导体激光管芯输出光路上的快轴准直透镜（2）、布拉格体光栅（VBG）（3）、快慢轴准直透镜（4）、全息光栅（5）和光束变换透镜组（6），其特征在于：所述的布拉格体光栅（3）的背面放置有快慢轴准直透镜（4），使来自各个半导体激光器管芯的激光束，在+1级衍射条纹上，衍射到同一个方向，实现多管芯（1）的半导体激光合束。本发明的合束技术提高了每个半导体激光器管芯的波长稳定性，也提高了整个系统的工作稳定性。该合束技术为实现高亮度、大功率的直接半导体激光器系统提供了新的方法和路径。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器管芯的合束装置，尤其涉及由体布拉格光栅稳频的波长线性的半导体激光器管芯的合束装置。
背景技术
随着大功率激光技术在工业、医疗和国防中的应用，越来越要求功率更大、亮度更高的激光光源。这些大功率激光光源包括第一代二氧化碳气体激光光源，第二代以YAG为代表的固体激光光源，第三代光纤激光光源和第四代直接半导体光源。直接半导体需要将很多个半导体激光器单管联合起来，产生大功率激光。因此半导体激光合束技术就显得尤为重要。现有的合束技术有空间合束，但其仅能提高功率不能提高亮度；偏振合束，可以提高亮度，但是只能合束两路激光；波长合束，可以提高功率和亮度，但是它由统一的外反射提供给各个激光器单管，外部反射的波动会直接影响各个单管激光器的工作状态和输出功率。大功率半导体激光器合束需要一种新的技术来满足大功率高亮度合束的要求。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种新型的通过外部波长线性啁啾的布拉格体光栅进行波长锁定的多管芯半导体激光器合束技术，是将多个半导体激光器管芯分别进行波长锁定，通过色散元件实现波长合束的装置。
本发明所采用的技术方案为：一种半导体激光器管芯的合束装置，包括多个半导体激光器的管芯和设置在所述半导体激光管芯输出光路上的快轴准直透镜、布拉格体光栅（VBG）、快慢轴准直透镜、全息光栅和光束变换透镜组、多个中心波长为915nm的管芯呈直线排列、安装在带微通道水循环的热沉上，在快轴准直透镜的外部，安装有布拉格体光栅，沿着管芯的排列方向，布拉格体光栅的中心反射波长呈线性啁啾排列；其特征在于：所述的布拉格体光栅背面放置有快慢轴准直透镜，使来自各个半导体激光器管芯的激光束，经过该透镜后变为平行光束，投射到全息光栅上，选择全息光栅的光栅周期、旋转方向和与管芯的空间距离，使得将来自各个管芯的不同波长的激光束，在+1级衍射条纹上，衍射到同一个方向，实现多管芯的半导体激光合束。
所述的布拉格体光栅的波长分布范围为20nm，中心波长为915-10nm，最大波长的管芯的中心波长为915+10nm，中间的各个管芯波长按照其空间位置以及线性啁啾的原则进行选择。
所述的每个半导体激光器的管芯与其对应的布拉格体光栅组成所形成的联合激光器，其输出的激光波长由其对应的布拉格体光栅的中心反射波长决定，每个管芯对应一个体布拉格光栅。
所述的多个半导体激光器的管芯可以是分离的管芯，也可以是激光器巴条（bar）。
所述的多个布拉格体光栅的中心反射波长沿着长度方向呈线性变化，中心反射波长在700～1100纳米范围内，中心反射率为5%～50%。
所述的半导体激光器的管芯一端镀了高反（HR）膜，另一端镀了增透（AR）膜，以抑制管芯F-P腔模式引起的激射，有利于布拉格体光栅通过外部光反馈而实现波长锁定。
本发明的有益效果是：1、本发明对每个半导体激光器管芯提供一个外部布拉格体光栅进行波长锁定，可以对各个激光器管芯进行单独调节，增强了工艺的可操作性。2、外部的布拉格体光栅对每个半导体激光器管芯进行了较强的波长锁定。3、少数半导体激光器管芯工作状态发生改变的情况下，不会破坏整个系统的工作。在色散元件偏离线性的情况下，仍然可以通过调节外部布拉格体光栅的中心波长，或者体布拉格光栅的水平位置，来进行矫正。4系统的可靠性和稳定性提高。
附图说明
图1是本发明半导体激光器波长合束的整体结构。
图2是各个半导体激光器管芯输出波长的分布图。
图3（a）是全息光栅正向色散的原理示意图。
图3（b）是全息光栅反向色散的原理示意图。
图中：1管芯，2快轴准直透镜（FAC），3布拉格体光栅（VBG），4快慢轴准直透镜，5全息光栅，6光束变换透镜组。
图1给出了本发明提出的合束方案的总体结构。
实施例1：
由图1知，是本发明的多半导体激光器的合束装置示意图。将多个名义中心波长为915nm的半导体激光器的管芯1安装在带微通道水循环的热沉上，多个管芯呈直线排列。对每个管芯安装快轴准直透镜2进行快轴准直。在快轴准直透镜2的外部，安装布拉格体光栅3。沿着管芯1这列的排列方向，布拉格体光栅2的中心反射波长呈线性啁啾排列。选择其波长的分布范围为20nm，也就是最小波长的管芯的中心波长为915-10nm，最大波长的管芯的中心波长为915+10nm。中间的各个管芯波长按照其空间位置以及线性啁啾的原则进行选择。在布拉格体光栅2之后放置快慢轴准直透镜4，使得来自各个半导体激光器管芯的激光束，经过该透镜后变为平行光束，投射到全息光栅5上。适当选择全息光栅5的光栅周期、旋转方向和与半导体激光器管芯的空间距离，使得它能够恰好将来自各个管芯1的不同波长的激光束，在+1级衍射条纹上，衍射到同一个方向。
快轴准直透镜2的快轴自然输出发散角为70度。快轴准直透镜2先将管芯1的输出光束发散角准直到与慢轴自然输出的光束发散角相同，在这里为15度。快慢轴准直透镜4再将光束准直为近似平行光束，投射到全息光栅5上。该全息光栅5为对+1级衍射的闪耀光栅（Blazed grating）。全息光栅输出的光束，经过光束变换透镜组6进行光束变换，成为半径更细的平行光束。将半导体激光器阵列的管芯每六个分为一组，用恒流电源进行驱动。
本发明的合束原理说明如下：先说明一下布拉格体光栅3（VBG）锁定波长的原理。半导体激光器管芯1的一端镀了高反（HR）膜，另一端镀了增透（AR）膜。HR膜和VBG联合构成了激光谐振腔，HR没有波长选择性，VBG具有波长选择性，最终激光器的输出波长由VBG确定下来。这就是外部体光栅进行波长锁定的原理。
如图2所示。是各个半导体激光器管芯输出波长的分布图。按照直线方向排列的一组体光栅（VBG）的中心反射波长，该波长是沿直线方向线性变化的，见图2中的“反射率-波长”曲线。由于波长锁定作用，按照直线方向排列的一组半导体激光器管芯的输出波长，也是沿直线方向线性变化的。见图2中的“光功率-波长”曲线。
如图3（a）所示，再说明一下正向色散和反向色散的原理。这是通常的正向色散。当一束平行光以一定角度斜入射到全息光栅5上的时候，会发生-1级、-2级、0级、+1级、+2级衍射。我们这里只使用0级衍射，可以使用对0级衍射加强的闪耀光栅，提高了0级衍射效率。当入射角度一定的时候，不同的入射波长，会产生不同的输出衍射角度。在中心角度附近一级近似的情况下，衍射角度与入射波长呈线性关系。
如图3（b）所示，称之为反向色散。将以上光路反过来，我们用和上述相同的多路不同波长的光束射向全息光栅，根据光路可逆性，我们会发现这时候所有这些光束经过衍射后，都会合并到一个光束上去。这个光束里面包含了所有的入射波长成分。
本发明的核心是通过线性啁啾排列的外部体布拉格光栅，分别对相应的半导体激光器管芯进行波长锁定，这些波长锁定为线性啁啾的直线排列，通过全息光栅的反向色散将这些不同波长的光束合为一束。
本发明提出用一系列的紧邻各个半导体激光器单管的布拉格体光栅（VBG），并且沿着直线方向排列，这些体光栅的中心波长呈线性变化，也称为线性啁啾。经过这些体光栅光反馈的各个半导体激光器单管输出的激光波长也是呈线性啁啾分布，然后经过全息光栅色散元件，将所有这些波长的激光合并到同一个方向上，实现多管芯的半导体激光合束。亮度和光功率都得到了大幅度地提高。
在光路上，依次为半导体激光器管芯、快轴准直透镜、布拉格体光栅、快慢轴准直透镜、全息光栅、聚焦和扩束/缩束光学透镜组。在散热方式上，每个半导体管芯都通过下面的热沉和制冷装置。在电路上，各个半导体激光器管芯可以进行单独驱动，也可以几个分成一组进行联合驱动。
上面结合对本发明所优选的实施例进行了说明，但是上述实施例并不能理解为对本发明保护范围的限制，凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，例如推广用于2维二极管叠阵等,都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种半导体激光器管芯的合束装置，包括多个半导体激光器的管芯（1）和设置在所述半导体激光管芯输出光路上的快轴准直透镜（2）、布拉格体光栅（VBG）（3）、快慢轴准直透镜（4）、全息光栅（5）和光束变换透镜组（6），多个管芯（1）呈直线排列安装在带微通道水循环的热沉上，在快轴准直透镜（2）的外部，安装有布拉格体光栅（3），沿着管芯（1）的排列方向，布拉格体光栅（3）的中心反射波长呈线性啁啾排列；其特征在于：所述的布拉格体光栅（3）的背面放置有快慢轴准直透镜（4），使来自各个半导体激光器管芯的激光束，经过该透镜后变为平行光束，投射到全息光栅（5）上，选择全息光栅（5）的光栅周期、旋转方向和与管芯（1）的空间距离，使得将来自各个管芯的不同波长的激光束，在+1级衍射条纹上，衍射到同一个方向，实现多管芯（1）的半导体激光合束。
2.根据权利要求1所述的多波长激光器的合束装置，其特征在于：所述的布拉格体光栅（2）的波长分布范围为20nm，中心波长为915-10nm，最大波长的管芯的中心波长为915+10nm，中间的各个管芯（1）波长按照其空间位置以及线性啁啾的原则进行选择。
3.根据权利要求1所述的多波长激光器的合束装置，其特征在于：所述的每个半导体激光器的管芯（1）与其对应的布拉格体光栅（2）组成联合激光器，其输出的激光波长由其对应的布拉格体光栅（2）的中心反射波长决定。
4.根据权利要求1所述的多波长激光器的合束装置，其特征在于：所述的多个半导体激光器的管芯（1）可以是分离的管芯，也可以是激光器巴条（bar）。
5.根据权利要求1所述的多波长激光器的合束装置，其特征在于：所述的多个布拉格体光栅（2）的中心反射波长沿着长度方向呈线性变化，中心反射波长在700～1100纳米范围内，中心反射率为5%～50%。
6.根据权利要求1所述的多波长激光器的合束装置，其特征在于：半导体激光器管芯（1）的一端镀了高反（HR）膜，另一端镀了增透（AR）膜。
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