CN105244752A - 一种复合式光谱合成装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种复合式光谱合成装置的技术方案，该方案包括有激光子束发射器、组束棱镜组、偏振分光镜、多层介质膜光栅和偏振合束镜；激光子束发射器发出的激光子束经过组束棱镜组排列后由偏振分光镜分为P光和S光；P光和S光分别通过在光路上设置多层介质膜光栅进行光谱合成后汇聚在偏振合束镜处输出。该方案采用利用两组多层介质膜光栅光谱组束单元分别实现p偏振光和s偏振光的光谱合成，最后通过偏振合束镜完成复合式功率合成，实现高亮度激光输出，能够克服现有光谱合成装置对光源要求高、光栅难以获得等不足,提高光谱合成装置的实用性，降低制造成本。

Description

一种复合式光谱合成装置

技术领域

本发明涉及激光技术应用领域，尤其是一种复合式光谱合成装置。

背景技术

使用光谱合成技术能够把多束不同波长的激光合为一束，在提高输出总功率的同时保持较好的光束质量，从而提高激光的亮度。目前，公知的光谱合成装置有两类：第一类基于偏振相关的多层介质膜光栅，由保偏激光器和偏振相关多层介质膜光栅组成，多束激光由不同角度入射光栅，利用光栅的高色散能力将多束激光合成为一束。该类装置的缺点是只能实现保偏窄线宽激光器的光谱合成，而此类激光器的功率较低，系统复杂，成本高昂；第二类基于偏转无关的多层介质膜光栅，由非激光器和偏振无关多层介质膜光栅组成，原理与第一类装置类似。该类装置可以实现非保偏激光器的光谱合成，但仍需要复杂而昂贵的窄线宽激光器，且偏振无关多层介质膜光栅设计和制备难度高，目前仅在极少数实验室应用，尚无商业化产品。

发明内容

本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种复合式光谱合成装置的技术方案，该方案采用利用两组多层介质膜光栅光谱组束单元分别实现p偏振光和s偏振光的光谱合成，最后通过偏振合束镜完成复合式功率合成，实现高亮度激光输出，能够克服现有光谱合成装置对光源要求高、光栅难以获得等不足,提高光谱合成装置的实用性，降低制造成本。

本方案是通过如下技术措施来实现的：

一种复合式光谱合成装置，包括有激光子束发射器、组束棱镜组、偏振分光镜、多层介质膜光栅和偏振合束镜；激光子束发射器发出的激光子束经过组束棱镜组排列后由偏振分光镜分为P光和S光；P光和S光分别通过在光路上设置多层介质膜光栅进行光谱合成后汇聚在偏振合束镜处输出。

作为本方案的优选：P光光路上设置有一对石英旋光片，且分别设置于P光经过多层介质膜光栅进行光谱合成前的光路上以及P光经过多层介质膜光栅进行光谱合成后的光路上。

作为本方案的优选：S光的光路上设置有将S光导入偏振合束镜的反射镜。

作为本方案的优选：P光及S光的光路上的多层介质膜光栅数量为一对，且两块多层介质膜光栅的参数完全相同且相互平行。

作为本方案的优选：光路中各激光器子束的波长、组束后各激光子束之间的间隔、多层介质膜光栅的周期、两块光栅之间的间距、光束入射角和衍射角等参数均相互匹配，使各激光子束合成并由偏振合束镜处输出后的光斑位置和指向都完全重合。

本方案的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，由于在该方案中首先利用组束棱镜组将不同中心波长的多个子束激光拼接组束为间隔合适、指向平行的阵列光束，再利用偏振分光镜将激光分为偏振态分别为p和s的两束线偏振阵列激光，利用两组多层介质膜光栅光谱组束单元分别实现p偏振光和s偏振光的光谱合成，最后通过偏振合束完成复合式功率合成，实现高亮度激光输出。由于两块光栅的参数完全相同且相互平行，双光栅结构可对色散进行有效补偿，从而降低了对子束激光的窄线宽要求(与单光栅方案相比，线宽要求降低了一个量级)。阵列光束的p光部分由石英旋光片转变为s光，光谱合成后再用另一块石英旋光片转变为p光。由于采用了偏振加光谱复合式功率合成方案，该装置采用偏振相关多层介质膜光栅，此类产品技术成熟，且具有衍射效率高、耐强光能力好、口径大的优点。该发明还具有较好的扩展能力，增加子束数量并增大第一块光栅的尺寸即可提高合成激光的功率。

由此可见，本发明与现有技术相比，可实现多束激光的高效优质功率合成，提高激光输出功率和亮度；大幅放宽了对合成用激光偏振和线宽的要求，降低激光器成本，同时可采用商业光栅器件，有利于功率合成装置的应用和推广，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为本发明具体实施方式的结构示意图。

图中，1为激光子束发射器，2为组束棱镜组，3为偏振分光镜，4为反射镜，5为多层介质膜光栅，6为石英旋光片，7为偏振合束镜。

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

在图1中，激光子束(1-1～1-4)为自由偏振，波长分别为1055.3nm、1057.4nm、1059.4nm、1061.2nm，光斑直径6mm；组束棱镜(2-1～2-3)为镀高反膜的直角棱镜，对子束激光(1-1～1-4)反射率高于99.5％；偏振分光镜(3)和偏振合束镜(7)对p光的透过率高于97.5％,对s光的反射率高于99％；反射镜(4-1～4-2)对s光的反射率高于99％；偏振相关多层介质膜光栅(5-1～5-4)对不同波长激光子束(1-1～1-4)的平均衍射效率大于95％，光栅周期为575nm(1740线对/mm)；石英旋光片(6-1～6-2)对对子束激光(1-1～1-4)的透过率高于99％，旋偏角度为90°；所有光学元件的面型误差不大于0.2μm，且可耐受强光长时间辐照。

组束棱镜(2-1～2-3)将各激光子束(1-1～1-4)拼接为紧密一维排布的阵列光束，束间间隔均为8mm；偏振分光镜(3)将阵列光束分为s光和p光，其中s光由反射镜(4-1)反射后由两块偏振相关多层介质膜光栅(5-1～5-2)光谱合成为一束，其中阵列光束在第一块光栅(5-1)上的入射角为65°，两块光栅中心距为796mm；p光先由石英旋光片(6-1)转变为s光，再由两块偏振相关多层介质膜光栅(5-3～5-4)光谱合成为一束，再由另一块石英旋光片(6-2)转变为p光，最后与另一块反射镜(4-2)反射的s光通过偏振合束镜(7)偏振合成为一束合成激光束(8)。

光路中各激光器子束(1-1～1-4)的波长λ_n、组束后各激光子束(1-1～1-4)之间的间隔d_n、偏振相关多层介质膜光栅的周期Λ、两块光栅之间的间距L、光束入射角α和衍射角β_n等参数相互匹配，使各激光子束(1-1～1-4)合成为合成激光器(8)后光斑位置和指向都完全重合。各参数之间的关系可由以下两个方程描述：

Λ(sinα+sinβ_n)＝λ_n(1)

$d_n=\frac{({\mathrm{\β}}_n-{\mathrm{\β}}_1)Lcos\mathrm{\α}}{cos\left({\mathrm{\β}}_n\right)}---\left(2\right)$

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 (5)

1.一种复合式光谱合成装置，其特征是：包括有激光子束发射器、组束棱镜组、偏振分光镜、多层介质膜光栅和偏振合束镜；所述激光子束发射器发出的激光子束经过组束棱镜组排列后由偏振分光镜分为P光和S光；所述P光和S光分别通过在光路上设置多层介质膜光栅进行光谱合成后汇聚在偏振合束镜处输出。

2.根据权利要求1所述的一种复合式光谱合成装置，其特征是：所述P光光路上设置有一对石英旋光片，且分别设置于P光经过多层介质膜光栅进行光谱合成前的光路上以及P光经过多层介质膜光栅进行光谱合成后的光路上。

3.根据权利要求1所述的一种复合式光谱合成装置，其特征是：所述S光的光路上设置有将S光导入偏振合束镜的反射镜。

4.根据权利要求1所述的一种复合式光谱合成装置，其特征是：所述P光及S光的光路上的多层介质膜光栅数量为一对，且两块多层介质膜光栅的参数完全相同且相互平行。

5.根据权利要求1至4之一所述的一种复合式光谱合成装置，其特征是：光路中各激光器子束的波长、组束后各激光子束之间的间隔、多层介质膜光栅的周期、两块光栅之间的间距、光束入射角和衍射角等参数均相互匹配，使各激光子束合成并由偏振合束镜处输出后的光斑位置和指向都完全重合。