CN103904557A - 激光器合束装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光器合束装置和方法，用于对多个激光器进行合束后进行输出，装置包括多个激光器、光束整形装置、衍射光栅和输出耦合器，各激光器均具有增益区和后腔面，增益区为激光的产生提供增益，后腔面与输出耦合器形成谐振腔；光束整形装置用于接收多个激光器发出的激光，并将其以不同的角度入射到衍射光栅的同一位置；衍射光栅用于将入射到其上的激光进行色散后合为一束输出到输出耦合器；输出耦合器接收由衍射光栅出射的激光，将部分入射的激光进行反射后使其原路返回，与各激光器的后腔面形成谐振腔，以将衍射光栅选择的模式进行锁定；同时该输出耦合器还用于进行耦合输出。本发明可以将激光器的输出功率和亮度提高数十倍甚至上百倍。

Description

激光器合束装置和方法

技术领域

本发明涉及激光器(Laser Diode，LD)技术领域，尤其是一种利用衍射光栅对多个激光器进行合束的装置和方法。

背景技术

在各种激光器中，LD(半导体激光器)单管(单个LD)具有体积小、重量轻、电光转换效率高、输出光束质量相对较好等优点，目前其输出功率可以达到了二三十瓦，10W器件已经商用化，在激光测距、激光雷达、泵浦等很多领域都有着广泛的应用。但其输出功率和亮度还是偏低，严重限制了其在远程测距、工业加工、大功率泵浦等很多领域的应用。

为了提高LD的输出功率，通常是将多个LD周期排列组成半导体激光器列阵(LDA)，或进行空间合束。

目前LDA的输出功率达到了百瓦量级，但是LDA输出功率的增加是以牺牲光束质量为代价的，其输出亮度比LD还低，且需要复杂而昂贵的光束整形过程才能应用。

空间合束也同样是以牺牲光束质量为代价来提高输出功率的，这样的大功率LD通常只能用做泵浦源或表面处理之类对亮度要求不高的场合。另外，波长合束技术虽然可以在不改变激光器输出光束质量的情况下，提高其输出功率，但由于LD输出光谱宽(约为3nm，如图1所示)，采用这样的单管进行波长合束只能选择两三个波长，对输出亮度的提升很有限，且会影响光束整形的效率和作为泵浦源使用时的泵浦效率。所以研制大功率、高亮度LD具有重要的意义。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明主要解决的是现有的LD输出亮度低的问题。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种激光器合束装置，用于对多个激光器合束后进行输出，包括多个激光器、光束整形装置、衍射光栅和输出耦合器，其中，所述多个激光器均具有增益区和后腔面，增益区为激光的产生提供必要的增益，后腔面与输出耦合器形成谐振腔产生激光震荡；所述光束整形装置用于接收所述多个激光器发出的激光，并将其以不同的角度入射到衍射光栅的同一位置；所述衍射光栅用于将入射到其上的激光进行色散后合为一束输出到一个输出耦合器；所述输出耦合器用于接收由所述衍射光栅出射的激光，将部分入射的激光进行反射后使其原路返回，与所述各激光器的后腔面形成谐振腔，以将衍射光栅选择的模式进行锁定；同时该输出耦合器还用于进行耦合输出。

根据本发明的具体实施方式，所述多个激光器平行地排列，或成角度地排列。

根据本发明的具体实施方式，所述后腔面具有90％以上的反射率。

根据本发明的具体实施方式，所述各激光器为半导体激光器。。

根据本发明的具体实施方式，所述多个激光器的锁定波长各不相同。

本发明还提出一种激光器合束方法，用于对多个激光器进行合束后进行输出，包括如下步骤：使所述多个激光器发射的激光通过一个光束整形装置后以不同的角度将其入射到所述衍射光栅的同一位置；利用所述衍射光栅将所述入射到其上的激光进行色散后合为一束，并输出到一个输出耦合器；利用所述输出耦合器将部分入射的激光进行反射后使其原路返回，与所述各激光器的后腔面形成谐振腔，以将衍射光栅选择的模式进行锁定，同时进行耦合输出。

根据本发明的具体实施方式，使所述多个激光器平行地排列，或成角度地排列。

根据本发明的具体实施方式，所述后腔面具有90％以上的反射率。

根据本发明的具体实施方式，所述各激光器为半导体激光器。

根据本发明的具体实施方式，所述多个激光器所发出的激光的锁定波长各不相同。

(三)有益效果

本发明提供的激光器合束装置和方法可以将半导体激光器的输出功率和亮度提高数十倍甚至上百倍，亮度接近甚至超过了固体激光器或光纤激光器的亮度，能够直接应用于远程测距、工业加工、军事等很多领域，应用前景极其广阔，并可以取代或部分取代固体激光器或光纤激光器。该合束装置和方法同样适用于固体激光器或气体激光器等具有一定谱宽的受激发射激光器。

附图说明

图1是现有的LD单管的输出光谱示意图；

图2是锁模后的LD单管的输出光谱示意图；

图3为利用5个LD单管进行合束的装置的一个实施例的示意图；

图4是本发明的实施例进行单管合束后输出的光谱示意图。

具体实施方式

为达到上述目的，本发明提供了一种新型的激光器合束装置和方法，基中利用衍射光栅的选频特性和色散特性，对多个激光器进行外腔锁模和波长合束，在保持单管输出光束质量不变的条件下，使其输出功率按单管个数成比例的增加。

图2是锁模后的激光器的输出光谱示意图，从图2中可以看出其光谱很窄，通常约为零点几个纳米，所以采用这样的单管进行波长合束可以选择很多不同波长，从而可以大幅度的提高输出亮度。

总的来说，本发明的单管合束装置主要包括光源、光束整形装置、衍射光栅和输出耦合器四大部分。

光源包含多个激光器，各激光器均具有增益区和后腔面，增益区为激光的产生提供必要的增益，后腔面与输出耦合器形成谐振腔产生激光震荡。这些激光器之间的排列可以平行的，也可以是以某种角度排列的，但要保证所有激光器的后腔面可以与输出耦合器形成谐振腔。

光束整形装置根据激光器、衍射光栅和输出耦合器的特性和排列方式进行设计，其主要功能是将多个激光器的输出光束以不同的角度入射到衍射光栅的同一位置。光整形装置可以由一个或多个光学元件构成，光学元件可以是准直透镜、聚焦透镜等。

衍射光栅是一种由密集、等间距平行刻线构成的光学器件，它利用多缝衍射和干涉作用，将射到光栅上的光束按波长的不同进行色散，即不同波长的光对应不同的衍射角。所以以不同角度入射的激光器输出光束经衍射光栅的选模波长也不同，同时不同选模波长的输出光经衍射光栅后合为一束进行输出。

输出耦合器对所有激光器发射的光束都有一定的反射率，将部分入射光原路返回，与激光器的后腔面形成谐振腔，将衍射光栅选择的模式进行锁定，即组成外腔锁模激光器；同时输出耦合器还有一定的透射率，所有激光器产生的激光通过它进行耦合输出。

总之，不同激光器发射光束入射到衍射光栅的角度不同，对应的衍射波长不同，对应谐振腔的锁定波长也就不同，反向运用衍射光栅的色散特性，以不同衍射角入射的不同波长的光合为一束，即衍射光栅同时起选模和合束的作用，合束后的光束输出光束质量不变，但输出功率和亮度随激光器的个数成比例增大。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

图3为利用5个LD单管进行合束的装置的一个实施例的示意图。如图3所示，光源由五个LD单管构成，即图中的LD1、LD2、LD3、LD4和LD5，其分别发射一束光，各LD单管发射的光束平行并入射到一个光整形装置1。经光整形装置1后，各光束分别以不同的角度入射进入衍射光栅2，经衍射光栅2反射后进入输出耦合器3。输出耦合器3具有一定的反射率，通过精确调节其方向，可使其反射的入射光沿原路返回，与各LD的后腔面形成谐振腔。

根据光栅方程：

d×sinθ=λ×k    (1)

其中，d是光栅常数，θ是衍射角，λ是光波波长，k是光谱级数。

当衍射光栅2的光栅常数d一定时，除零级外，在确定的光谱级中，波长越长的光，光栅衍射角θ就越大，这样，不同波长的同一级主最大，从零级开始向左右两侧，按波长次序由短波长向长波长散开。而由于衍射光栅的总的刻线数目很大，所以主最大对应的角度很小，在光栅后面的透镜焦平面上就形成了明锐的细线—谱线。

对公式(1)进行微分得到：

d×cosθ×△θ=λ×k×△λ    (2)

其中△θ为入射角变化，△λ为波长变化，对于具有不同光栅常数d的光栅，光栅常数越小，同样入射角变化对应的波长变化越小。而对于相同的光栅，入射角变化越小对应的波长变化越小。而入射角的变化可以通过调节各个激光器间的距离和整形镜的焦距来调节。

在本发明中，多个LD单管的输出光以很小的角度差入射到衍射光栅2，并通过衍射光栅2进行选模，因为每个LD的锁定光谱都很窄(如图2所示)，所以可以将很多LD的输出光束通过衍射光栅进行合束。图4该实施例的是单管合束后输出的光谱示意图，实际光谱排列很密集，可以将几十个、上百个LD的输出光束进行合束。

因为每个LD之间是通过波长不同进行合束的，多个LD的输出光束质量和单个LD相同，所以可以将LD的输出功率和亮度按LD个数成比例的提高，即可以在保障输出光束质量的情况下，将其输出功率扩展到几百瓦，甚至上千瓦，这样的合束后的LD不仅可以提高泵浦效率，更可以直接应用于工业加工、激光测距、军事等众多领域，结合LD体积小、重量轻、电光转换效率高等优点，有望取代或部分取代固体激光器或光纤激光器。

但是，应当注意的是，本发明也可以应用于其它类型的激光器，都可以在原有输出光束质量的基础上将输出功率和亮度大幅度提高。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器合束装置，用于对多个激光器进行合束后进行输出，其特征在于，包括多个激光器、光束整形装置、衍射光栅和输出耦合器，其中，

所述多个激光器均具有增益区和后腔面，增益区为激光的产生提供必要的增益，后腔面与输出耦合器形成谐振腔产生激光震荡；

所述光束整形装置用于接收所述多个激光器发出的激光，并将其以不同的角度入射到衍射光栅的同一位置；

所述衍射光栅用于将入射到其上的激光进行色散后合为一束输出到一个输出耦合器；

所述输出耦合器用于接收由所述衍射光栅出射的激光，将部分入射的激光进行反射后使其原路返回，与所述各激光器的后腔面形成谐振腔，以将衍射光栅选择的模式进行锁定；同时该输出耦合器还用于进行耦合输出。

2.如权利要求1所述的激光器合束装置，其特征在于，所述多个激光器平行地排列，或成角度地排列。

3.如权利要求1所述的激光器合束装置，其特征在于，所述后腔面具有90％以上的反射率。

4.如权利要求1所述的激光器合束装置，其特征在于，所述各激光器为半导体激光器。

5.如权利要求1所述的激光器合束装置，其特征在于，所述多个激光器锁定波长各不相同。

6.一种激光器合束方法，用于对多个激光器进行合束后进行输出，其特征在于，包括如下步骤：

使所述多个激光器发射的激光通过一个光整形装置后以不同的角度入射到所述衍射光栅的同一位置；

利用所述衍射光栅将所述入射到其上的激光进行色散后合为一束，并输出到一个输出耦合器；

利用所述输出耦合器将部分入射的激光进行反射后使其原路返回，与所述各激光器的后腔面形成谐振腔，以将衍射光栅选择的模式进行锁定，同时进行耦合输出。

7.如权利要求6所述的激光器合束方法，其特征在于，使所述多个激光器平行地排列，或成角度地排列。

8.如权利要求6所述的激光器合束方法，其特征在于，所述后腔面具有90％以上的反射率。

9.如权利要求6所述的激光器合束方法，其特征在于，所述各激光器为半导体激光器。

10.如权利要求6所述的激光器合束方法，其特征在于，所述多个激光器锁定波长各不相同。

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