CN104201565A - 一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置的技术方案，该方案包括有能够实现二极管激光的光谱合成的二极管激光叠阵、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列、反射式平面光栅、外腔镜，二极管激光叠阵包括有多个二极管激光线阵；二极管激光线阵的出光面的光路上设置有快轴准直微透镜；二极管激光线阵发出的激光束依次穿过快轴准直微透镜、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列和反射式平面光栅后射入外腔镜，能够消除二极管激光线阵“smile”效应及二极管激光叠阵快轴指向性误差对光谱合成效率及光束质量的影响。

Description

一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置
技术领域
本发明涉及的是激光器技术领域，尤其是一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置。
背景技术
在现有技术中，公知的技术是，二极管激光器是目前最高效的激光源，具有波长覆盖范围广、体积小、重量轻、价格低、可靠性高等一系列优点，但目前高功率二极管激光器光束质量较差，发散角大，限制了它的应用领域。光谱合成技术直接利用二极管激光器组成高效率、紧凑的激光系统而不通过中间泵浦的转换过程，是最有希望实现高效率、高亮度二极管激光输出的技术方向之一。光谱合成技术可以使合成激光的光束质量与参与合成的子发光单元相当，弥补了二极管激光器光束质量较差的缺点，大大提高了二极管激光器的发光亮度，名为《高亮度波长合成半导体激光线阵》（High-Brightness Wavelength Beam Combined Semiconductor Laser Diode Arrays，Robin K. Huang etal. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,2007,19(4),209-211.）的文章对光栅外腔法二极管激光光谱合成的原理进行了详细说明。二极管激光器的“smile”效应影响光谱合成效率，严重时会导致发光单元无法参与合成，名为《用光谱合成二极管激光叠阵作为泵浦源的1kw全光纤激光器》（1-kilowatt CW all-fiber laser oscillator pumped with wavelength-beam-combined diode stacks,Y. Xiao, F. Brunet,etal. OPTICS EXPRESS,2012, 20,(3),3296-3301）介绍了二级管激光线阵“smile”效应对光谱合成的影响。为了实现更高的激光输出功率，需要采用二极管激光叠阵作为光谱合成光源，光谱合成对叠阵中各个二极管激光线阵在快轴方向的指向性误差要求非常严格，这对二极管激光叠阵的封装提出了极高的要求，工程实现难度较大，这是现有技术所存在的不足之处。
发明内容
本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，为了减小二极管激光线阵“smile”效应及叠阵在快轴方向指向性误差对光谱合成效率及光束质量的影响，降低二极管激光叠阵的封装技术难度，而提供一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置的技术方案，该方案能够消除二极管激光线阵“smile”效应及二极管激光叠阵快轴指向性误差对光谱合成效率及光束质量的影响。
本方案是通过如下技术措施来实现的：
一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，包括有能够实现二极管激光的光谱合成的二极管激光叠阵、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列、反射式平面光栅、外腔镜，二极管激光叠阵包括有多个二极管激光线阵；二极管激光线阵的出光面的光路上设置有快轴准直微透镜；二极管激光线阵发出的激光束依次穿过快轴准直微透镜、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列和反射式平面光栅后射入外腔镜。
作为本方案的优选：二极管激光线阵的出光面设置在快轴准直微透镜的前焦平面上。
作为本方案的优选：快轴准直微透镜与快轴透镜阵列的间距为两者的焦距之和。
作为本方案的优选：外腔镜设置在快轴柱透镜阵列的后焦平面上
作为本方案的优选：快轴柱透镜阵列的子透镜数目不少于二极管激光线阵的数目，且每一片二极管激光线阵都与快轴柱透镜阵列的一个子透镜对应并且两者共光轴。
作为本方案的优选：快轴柱透镜阵列的材料为光学玻璃或光学晶体，表面镀耐强光增透膜。
作为本方案的优选：二极管激光线阵出光面与外腔镜构成物像共轭关系。
本方案的其基本原理是：利用慢轴转换柱透镜、光栅、外腔镜等光学元件在二极管激光的慢轴方向上进行光谱合成，二极管激光线阵出光面和光栅中心分别置于慢轴转换柱透镜的前后焦平面上，慢轴转换柱透镜将二极管激光线阵不同位置发光单元发射的激光以不同角度投射在光栅上，同时确保各光束在光栅面上重叠。从二极管激光线阵发出的激光经过慢轴透镜，聚焦到衍射光栅上，由于每束到达光栅的激光具有不同的入射角和波长，经过光栅衍射后可以同轴传输到外腔镜，外腔镜的作用是提供反馈激光并实现激光的输出。在二极管激光叠阵的快轴方向上，二极管激光线阵的出光面置于快轴准直透镜的前焦面上，快轴柱透镜阵列的子透镜与二级管激光线阵的快轴准直透镜共实焦点，外腔镜置于快轴柱透镜阵列的后焦面上。每片二极管激光线阵的快轴准直透镜分别与快轴柱透镜阵列的一个子透镜对应，两者构成成像系统，二极管激光叠阵中各个二极管激光线阵的出光面与外腔镜互为物和像，构成共轭成像关系，即使二极管激光线阵存在“smile”和快轴指向误差，外腔镜反馈回光也能完全返回到二极管激光线阵内。
本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，抑制了二极管激光线阵“smile”效应及二极管激光叠阵快轴指向性误差对合成效率、光束质量的影响，解决了二极管激光叠阵难以实现光谱锁定的问题，提高了二极管激光光谱合成的效率和光束质量，并增强了系统的可靠性；降低了对二极管激光线阵“smile”和二极管激光叠阵快轴指向性误差的技术要求，减小了二极管激光叠阵的封装难度，易于生产，成本低。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1是本发明的光路结构示意图。
图2是本发明的成像光学原理图。
图3是本发明的实施例2的结构示意图。
图4是本发明的实施例3的结构示意图。
图中，1、14、17为二极管激光叠阵，2为慢轴转换柱透镜，3为快轴柱透镜阵列，4为反射式平面光栅，5为外腔镜，6为快轴柱透镜阵列，7、8、9为二极管激光线阵，10、11、12为快轴准直微透镜，13为透射式平面光栅，15、16为拼接反射镜。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书（包括任何附加权利要求、摘要和附图）中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
实施例1
图1是本发明的阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学系统结构示意图。
图2是本发明的阵列式共轭成像光学原理图。
在图1中，本发明的阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学系统包括二极管激光线阵叠阵1、慢轴转换柱透镜2、快轴柱透镜阵列3、反射式平面光栅4、外腔镜5、.快轴柱透镜阵列6。
在图2中，本发明使用的二极管激光叠阵包括二极管激光线阵(7、8、9)、快轴准直微透镜（10、11、12）。本实施例中，二极管激光叠阵由3片二极管激光线阵在快轴方向上叠加组成，3片二极管激光线阵之间的中心间隔都是3mm，每一片二极管激光线阵各装配有一个快轴准直微透镜，二极管激光线阵的出光面在快轴准直微透镜的前焦平面上。
所述的二级激光线阵叠阵1的出光面在慢轴转换柱透镜2的前焦平面上，反射式平面光栅4的中心在慢轴转换柱透镜2的后焦点上。外腔镜5在快轴柱透镜阵列3的后焦平面上。
在图2中，快轴准直微透镜（10、11、12）与快轴柱透镜阵列3的子透镜共焦，两者的间距是快轴准直微透镜的焦距和快轴柱透镜阵列的焦距之和，快轴准直微透镜（10、11、12）分别与快轴柱透镜阵列的3个子透镜构成成像光学系统，二极管激光线阵（7、8、9）的出光面和外腔镜5互为物和像。
实施例2
图3所示实施例与本实施例1的基本结构相同，不同之处是：实施例1中平面光栅采用反射式平面光栅4，本实施例中采用透射式平面光栅13。
实施例3
图4所示实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处是：实施例1中仅使用1个二极管激光叠阵1参与光谱合成，本实施例采用拼接反射镜（15、16）把二极管激光叠阵（14、17）在慢轴方向上拼接成同一方向出射的激光。
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。 

Claims (7)

1.一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，包括有能够实现二极管激光的光谱合成的二极管激光叠阵、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列、反射式平面光栅、外腔镜，其特征是：所述二极管激光叠阵包括有多个二极管激光线阵；所述二极管激光线阵的出光面的光路上设置有快轴准直微透镜；所述二极管激光线阵发出的激光束依次穿过快轴准直微透镜、慢轴转换柱透镜、快轴柱透镜阵列和反射式平面光栅后射入外腔镜。
2. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：所述二极管激光线阵的出光面设置在快轴准直微透镜的前焦平面上。
3. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：所述快轴准直微透镜与快轴透镜阵列的间距为两者的焦距之和。
4. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：所述外腔镜设置在快轴柱透镜阵列的后焦平面上。
5. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：所述的快轴柱透镜阵列的子透镜数目不少于二极管激光线阵的数目，且每一片二极管激光线阵都与快轴柱透镜阵列的一个子透镜对应并且两者共光轴。
6. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：所述的快轴柱透镜阵列的材料为光学玻璃或光学晶体，表面镀耐强光增透膜。
7. 根据权利要求1所述的一种阵列式共轭成像二极管激光光谱合成光学装置，其特征是：二极管激光线阵出光面与外腔镜构成物像共轭关系。
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