CN104767116A - 一种多波长合束系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多波长合束系统和方法，沿光线传播方向，该系统依次包括：激光器阵列，包括多个激光器，用于输出多束不同波长的激光；透镜组，包括一个或多个透镜，用于聚合所述多束不同波长的激光；色散元件，用于将所述多束不同波长的激光合为一束。本发明提供的技术方案通过激光器阵列、透镜组和色散元件的相互配合，实现对多束不同波长的激光的合束。该方案原理简单、各部分配置合理、可实施性强，克服了现有技术中多波长合束系统结构复杂、可实施性的问题。

Description

一种多波长合束系统和方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种多波长合束系统和方法。

背景技术

激光合束技术是一个改善光束质量、增加输出功率、提高功率密度的过程。常用的激光合束方法有偏振合束和波长合束。偏振合束系统对两种偏振态进行合束，功率扩展到两倍。大多数波长合束系统将两个波长的光束合束，功率扩展到两倍；对三个或三个以上波长的光束进行合束的多波长合束系统结构通常更为复杂。

因此，如何进一步简化多波长合束系统的结构，提高多波长合束方案的有效性和可实施性、是当前激光合束技术领域中亟待解决的问题。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种多波长合束系统和方法。

依据本发明的一个方面，提供了一种多波长合束系统，沿光线传播方向，该系统依次包括：激光器阵列、透镜组和色散元件；

所述激光器阵列包括多个激光器，用于输出多束不同波长的激光；

所述透镜组包括一个或多个透镜，用于聚合所述多束不同波长的激光；

所述色散元件，用于将所述多束不同波长的激光合为一束。

可选地，在所述激光器阵列和所述透镜组之间，该系统进一步包括：扩束装置或缩束装置。

可选地，所述色散元件包括：色散棱镜或光栅。

可选地，所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的一束激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；

所述透镜组的中心与所述色散棱镜的前表面之间的距离为f-h/n；

其中，f为所述透镜组的焦距，h为所述色散棱镜在光轴方向上的厚度。

可选地，所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；

除输出波长为λ₀的激光的激光器以外，其余多个激光器中的任一激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方，将该束激光的波长记为λ₀-Δλ，所述色散棱镜对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn；

该束波长为λ₀-Δλ的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方且距离中心Δn·α·f处；

其中，f为所述透镜组的焦距，α为所述色散棱镜的顶角。

依据本发明的另一个方面，提供了一种多波长合束方法，该方法包括：

利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光；

利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光；其中，所述透镜组包括一个或多个透镜；

利用色散元件将所述多束不同波长的激光合为一束。

可选地，该方法进一步包括：在所述激光器阵列和所述透镜组之间，设置扩束装置或缩束装置。

可选地，所述利用色散元件将所述多束不同波长的激光合为一束包括：利用色散棱镜或光栅将所述多束不同波长的激光合为一束。

可选地，所述利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的一束激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀；

所述利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合所述多束不同波长的激光；

所述利用色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束包括：将光轴方向上厚度为h的色散棱镜设置在所述透镜组的后焦面之前，使得所述色散棱镜的前表面与所述透镜组的中心之间的距离为f-h/n；

其中，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n。

可选地，所述利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀；令其余多个激光器中的任一激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方，将该束激光的波长记为λ₀-Δλ，令该束波长为λ₀-Δλ的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方且距离中心Δn·α·f处；

所述利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合所述多束不同波长的激光；

所述利用色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束包括：利用顶角为α的色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束；

其中，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；所述色散棱镜对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn。

由上述可知，本发明提供的技术方案通过激光器阵列、透镜组和色散元件的相互配合，激光器阵列作为多束不同波长的激光的光源，通过调节激光入射到透镜组上的位置，使得经过透镜组聚合后的每束激光的传输方向发生相应的改变，使得每束激光以适配的角度入射到色散棱镜上，经过色散棱镜的折射，两束不同波长的激光从色散棱镜的后表面的同一位置以相同的角度出射，从而实现对多束不同波长的激光的合束。该方案原理简单、各部分配置合理、可实施性强，克服了现有技术中多波长合束系统结构复杂、实施效果差的问题。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种多波长合束系统的示意图；

图2示出了根据本发明另一个实施例的一种多波长合束系统的示意图；

图3示出了根据本发明又一个实施例的一种多波长合束系统的示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的一种多波长合束方法的流程图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图1示出了根据本发明的一个实施例的一种多波长合束系统的示意图。如图1所示，沿光线传播方向，该系统依次包括：

激光器阵列1，包括两个激光器，用于输出两束不同波长的激光。

透镜组2，包括一个透镜，用于聚合两束不同波长的激光。

色散棱镜3，用于将两束不同波长的激光合为一束，即使得两束不同波长的激光在该色散棱镜3的后表面的同一位置处以相同的角度出射。

在本实施例中，激光器阵列1中的一个激光器输出一束波长为λ₀的激光，激光器阵列2中的另一个激光器输出一束波长为λ₀-Δλ的激光，两束激光的传播方向均平行于光轴，波长为λ₀的激光入射到透镜组2的中心，波长为λ₀-Δλ的激光入射到透镜组2的中心的下方。透镜组2的焦距为f。

色散棱镜3具有线性的色散曲线，该色散曲线的斜率为：-dn/dλ，即色散棱镜3对波长为λ₀的激光的折射率为n，对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn＝n+(dn/dλ)Δλ。色散棱镜3的顶角是一个很小的角度α，色散棱镜3在光轴方向上的厚度为h。色散棱镜3设置在透镜组2的后焦面之前，透镜组2的中心与色散棱镜3的前表面之间的距离为f-h/n。

本发明所提供的多波长合束系统的各部分的设置原理具体如下：

如图1所示，波长为λ₀的激光垂直入射到色散棱镜3的前表面后再入射到色散棱镜3的后表面，入射角等于色散棱镜3的顶角α，假设出射角为β，根据斯涅尔定律可知，n·sinα＝sinβ，由此可以确定，本实施例中的多波长合束系统的输出光束的出射角为β。

基于上述说明，波长为λ₀-Δλ的激光经过色散棱镜3的折射后的出射角也为β，根据斯涅尔定律可以确定该激光在色散棱镜3的后表面的入射角，进而可以确定该激光在色散棱镜3中的传输光路，进而可以确定该激光在色散棱镜3的前表面的入射角，由该入射角确定波长为λ₀-Δλ的激光经过透镜组2之后的传输路径，该激光入射在透镜组2上的位置就可以通过该传输路径确定。以下两个条件满足上述完整的推理过程：

1、色散棱镜3设置在透镜组2的后焦面之前，透镜组2的中心与色散棱镜3的前表面之间的距离为f-h/n。

2、波长为λ₀-Δλ的激光入射到所述透镜组的中心的下方、且与所述透镜组的中心的距离为Δn·α·f＝(dn/dλ)Δλ·α·f处。

因此，基于以上条件，在本实施例中，激光器阵列1作为两束不同波长的激光的光源，其输出的激光可以直接入射到透镜组2上，也可以由反射镜、棱镜等光学元件反射或折射后再入射到透镜组2上，激光器阵列1通过调节激光入射到透镜组2上的位置，使得经过透镜组2聚合后的每束激光的传输方向发生相应的改变，使得每束激光以适配的角度入射到色散棱镜3上，经过色散棱镜3的折射，两束不同波长的激光从色散棱镜3的后表面的同一位置以相同的角度出射，从而实现对多束不同波长的激光的合束。

同理可知，本发明提供的多波长合束系统，对于其他波长的激光来说，只需要选取不同的Δλ，并根据Δλ相应地调整激光入射到透镜组2上的位置，就可以保证多束激光在从色散棱镜3中出射时，出射角和出射位置均相同，从而实现多波长合束。

在本发明的一个实施例中，在所述激光器阵列和所述透镜组之间，该系统进一步包括：扩束装置或缩束装置。

在本发明的一个实施例中，多波长合束系统中的透镜组2、色散棱镜3等用于投射激光的光学元件，可以根据需要镀膜，如覆盖设涉及到所有输出激光的波长范围的宽带增透膜。

在本发明的一个实施例中，将多波长合束系统中的色散棱镜3替换为光栅。

需要注意的是，在本发明的各实施例中，激光器阵列1中的激光器出射的光束的光谱宽度明显小于激光器阵列1中不同激光器出射的光束的波长的差别。激光器阵列1中的激光器出射的光束的发射角很小，且光束的直径明显小于不同激光器出射的光束照射在透镜组2上的位置间的距离。

图2示出了根据本发明另一个实施例的一种多波长合束系统的示意图。如图2所示，沿光线传播方向，该系统依次包括：激光器阵列1、透镜组2、色散棱镜3、棱镜组4和缩束装置5。

激光器阵列1，包括五个激光器，用于输出五束不同波长的激光，每个激光器出射光束的光谱宽度都小于0.2nm。不同激光器出射光束的波长从左到右依次为810nm、809nm、808nm、807nm、806nm。由图2可知，λ₀＝808nm，对于波长为810nm的激光，Δλ＝–2nm；对于波长为809nm的激光，Δλ＝–1nm；对于波长为808nm的激光，Δλ＝0nm；对于波长为807nm的激光，Δλ＝1nm；对于波长为806nm的激光，Δλ＝2nm。相邻激光器间的位置差d1＝0.5mm。

激光器阵列1出射的多束激光通过棱镜组4反射后，相邻光束间的位置差变为d2＝0.2618mm。然后5个光束经过5:1的缩束装置5缩束后照射在焦距为f＝1×10⁴mm的透镜组2上。

色散棱镜3对波长分别为810nm、809nm、808nm、807nm、806nm的五束激光的折射率分别为1.51058、1.5106、1.51062、1.51064、1.51066。即对于λ₀＝808nm，n＝1.51062；(dn/dλ)＝2×10^–5/nm。

色散棱镜3的顶角为15°，色散棱镜3在光轴方向上的厚度为h＝10mm。

色散棱镜3设置在透镜组2的后焦面之前，透镜组2的中心与色散棱镜3的前表面之间的距离为f–h/n＝10000mm–10mm/1.51062＝9993.3802mm。

基于上述条件的多波长合束系统，能够将波长分别为810nm、809nm、808nm、807nm、806nm的五束激光合为一条光束，如图2所示。

图3示出了根据本发明又一个实施例的一种多波长合束系统的示意图。如图3所示，沿光线传播方向，该系统依次包括：激光器阵列1、透镜组2、色散棱镜3、棱镜组4和缩束装置5。

激光器阵列1，包括五个激光器，用于输出五束不同波长的激光，每个激光器出射光束的光谱宽度都小于2nm。不同激光器出射光束的波长从左到右依次为976nm、940nm、915nm、880nm、808nm。由图3可知，λ₀＝915nm，对于波长为976nm的激光，Δλ＝-61nm；对于波长为940nm的激光，Δλ＝-25nm；对于波长为915nm的激光，Δλ＝0nm；对于波长为880nm的激光，Δλ＝35nm；对于波长为808nm的激光，Δλ＝107nm。相邻激光器间的位置差d1＝0.5mm。

激光器阵列1出射的多束激光通过棱镜组4反射后，相邻光束间的位置差变为d2_1＝0.68mm、d2_2＝0.293mm、d2_3＝0.204mm、d2_4＝0.2775mm。然后5个光束经过5:1的缩束装置5缩束后照射在焦距为f＝200mm的透镜组2上。

色散棱镜3对波长分别为976nm、940nm、915nm、880nm、808nm的五束激光的折射率分别为1.50784、1.50837、1.50876、1.50932、1.51062。即对于λ₀＝915nm，n＝1.50876，(dn/dλ)＝1.65476×10^–5/nm。

色散棱镜3的顶角为30°，色散棱镜3在光轴方向上的厚度为h＝20mm。

色散棱镜3设置在透镜组2的后焦面之前，透镜组2的中心与色散棱镜3的前表面之间的距离为f–h/n＝200mm–20mm/1.51062＝187mm。

基于上述条件的多波长合束系统，能够将波长分别为976nm、940nm、915nm、880nm、808nm的五束激光合为一条光束，如图3所示。

图4示出了根据本发明一个实施例的一种多波长合束方法的流程图。如图4所示，该方法包括：

步骤S410，利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光。

步骤S420，利用透镜组聚合多束不同波长的激光。

本步骤中，透镜组包括一个或多个透镜。

步骤S430，利用色散元件将多束不同波长的激光合为一束。

在本发明的一个实施例中，该方法进一步包括：步骤S440，在所述激光器阵列和所述透镜组之间，设置扩束装置或缩束装置。

在本发明的一个实施例中，图4所示方法的步骤S430利用色散元件将多束不同波长的激光合为一束包括：利用色散棱镜或光栅将多束不同波长的激光合为一束。

在本发明的一个实施例中，图4所示方法的步骤S410利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到透镜组上，其中一个激光器输出的一束激光入射到透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀。

在本实施例中，步骤S420利用透镜组聚合多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合多束不同波长的激光；

在本实施例中，步骤S430利用色散棱镜将多束不同波长的激光合为一束包括：将光轴方向上厚度为h的色散棱镜设置在透镜组的后焦面之前，使得色散棱镜的前表面与透镜组的中心之间的距离为f-h/n；其中，色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n。

在本发明的另一个实施例中，图4所示方法的步骤S410利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到透镜组上，其中一个激光器输出的激光入射到透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀；令其余多个激光器中的任一激光器输出的激光入射到透镜组的中心的上方或下方，将该束激光的波长记为λ₀-Δλ，令该束波长为λ₀-Δλ的激光入射到透镜组的中心的上方或下方且距离中心Δn·α·f处。

在本实施例中，步骤S420利用透镜组聚合多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合多束不同波长的激光。

在本实施例中，步骤S430利用色散棱镜将多束不同波长的激光合为一束包括：利用顶角为α的色散棱镜将多束不同波长的激光合为一束。

其中，色散棱镜具有线性的色散曲线，色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；色散棱镜对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn。

同理可知，本发明提供的多波长合束方案，对于其他波长的激光来说，只需要选取不同的Δλ，并根据Δλ相应地调整激光入射到透镜组上的位置，就可以保证多束激光在从色散棱镜中出射时，出射角和出射位置均相同，从而实现多波长合束。

图4所示方法与上文中的多波长合束系统的技术特征相对应，其具体的实施例在上文中已详细说明，在此不再赘述。

需要注意的是，在本发明的各实施例中，激光器阵列中的激光器出射的光束的光谱宽度明显小于激光器阵列中不同激光器出射的光束的波长的差别。激光器阵列中的激光器出射的光束的发射角很小，且光束的直径明显小于不同激光器出射的光束照射在透镜组上的位置间的距离。

综上所述，本发明提供的技术方案通过激光器阵列、透镜组和色散元件的相互配合，激光器阵列作为多束不同波长的激光的光源，通过调节激光入射到透镜组上的位置，使得经过透镜组聚合后的每束激光的传输方向发生相应的改变，使得每束激光以适配的角度入射到色散棱镜上，经过色散棱镜的折射，两束不同波长的激光从色散棱镜的后表面的同一位置以相同的角度出射，从而实现对多束不同波长的激光的合束。该方案原理简单、各部分配置合理、可实施性强，克服了现有技术中多波长合束系统结构复杂、实施效果差的问题。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种多波长合束系统，其特征在于，沿光线传播方向，该系统依次包括：激光器阵列、透镜组和色散元件；

所述激光器阵列包括多个激光器，用于输出多束不同波长的激光；

所述透镜组包括一个或多个透镜，用于聚合所述多束不同波长的激光；

所述色散元件，用于将所述多束不同波长的激光合为一束。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，

在所述激光器阵列和所述透镜组之间，该系统进一步包括：扩束装置或缩束装置。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述色散元件包括：色散棱镜或光栅。

4.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的一束激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；

所述透镜组的中心与所述色散棱镜的前表面之间的距离为f-h/n；

其中，f为所述透镜组的焦距，h为所述色散棱镜在光轴方向上的厚度。

5.如权利要求3所述的系统，其特征在于，

所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；

除输出波长为λ₀的激光的激光器以外，其余多个激光器中的任一激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方，将该束激光的波长记为λ₀-Δλ，所述色散棱镜对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn；

该束波长为λ₀-Δλ的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方且距离中心Δn·α·f处；

其中，f为所述透镜组的焦距，α为所述色散棱镜的顶角。

6.一种多波长合束方法，其特征在于，该方法包括：

利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光；

利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光；其中，所述透镜组包括一个或多个透镜；

利用色散元件将所述多束不同波长的激光合为一束。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，该方法进一步包括：在所述激光器阵列和所述透镜组之间，设置扩束装置或缩束装置。

8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述利用色散元件将所述多束不同波长的激光合为一束包括：利用色散棱镜或光栅将所述多束不同波长的激光合为一束。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的一束激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀；

所述利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合所述多束不同波长的激光；

所述利用色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束包括：将光轴方向上厚度为h的色散棱镜设置在所述透镜组的后焦面之前，使得所述色散棱镜的前表面与所述透镜组的中心之间的距离为f-h/n；

其中，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n。

10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，

所述利用激光器阵列中的多个激光器输出多束不同波长的激光包括：令所述激光器阵列的多个激光器所输出的多束不同波长的激光均沿平行于光轴的方向入射到所述透镜组上，其中一个激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心，将该束激光的波长记为λ₀；令其余多个激光器中的任一激光器输出的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方，将该束激光的波长记为λ₀-Δλ，令该束波长为λ₀-Δλ的激光入射到所述透镜组的中心的上方或下方且距离中心Δn·α·f处；

所述利用透镜组聚合所述多束不同波长的激光包括：利用焦距为f的透镜组聚合所述多束不同波长的激光；

所述利用色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束包括：利用顶角为α的色散棱镜将所述多束不同波长的激光合为一束；

其中，所述色散棱镜对波长为λ₀的激光的折射率为n；所述色散棱镜对波长为λ₀-Δλ的激光的折射率为n+Δn。