CN106338836B - 光纤激光非对称补偿光谱合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种光纤激光非对称补偿光谱合成装置，该装置包括光纤激光阵列、会聚透镜和两块衍射光栅。光纤激光阵列平行排布，使用会聚透镜对出射激光进行准直，依靠两块刻线密度不一样的衍射光栅补偿会聚透镜对不同波长激光束的角度偏转。本发明具有对激光器线宽和衍射光栅损伤阈值要求低，路数扩展能力强，光束质量好等优点，能够大幅提升光谱合成系统输出激光的亮度。

Description

光纤激光非对称补偿光谱合成装置
技术领域
本发明激光合成技术领域，具体涉及一种光谱合成装置，主要用于将多个光纤激光器输出的不同波长激光合成为一束激光，提高系统输出激光的亮度，适合在高功率激光领域应用。
背景技术
随着科技发展和经济增长，在工业制造和国防领域，对激光系统的亮度、可靠性、效率和体积重量提出越来越高的要求。光纤激光器具有结构紧凑、光束质量好、电光效率高、散热能力强等特点，在高亮度激光应用领域逐渐取代其他类型激光器。
但是高亮度光纤激光器的亮度提升依然面临着诸如热效应、非线性效应、光学损伤等因素的限制，单根光纤输出亮度有限。因此，研究人员采用合成方式将多个光纤激光器输出激光合成为一束激光，达到激光亮度提升的效果。光谱合成技术是利用合成元件的色散原理将多束波长不同的激光在空间上合为一束高功率激光，合成后的激光可保持良好的光束质量，并且无需复杂的调控和探测装置。最常用的光谱合成元件是衍射光栅，基于衍射光栅主要有两种光谱合成方案。第一种是单光栅光谱合成方案，其主要缺点是合成激光的光束质量会随着激光线宽的展宽而劣化，因此对高功率光纤激光器的线宽要求过高，难以实现高功率高光束质量合成。第二种是双光栅光谱合成方案，其主要缺点是各束激光必须准直后平行入射到第一块光栅上，激光束半径过大就会导致系统体积庞大，激光束半径过小就会导致第二块光栅上功率密度过高，难以实现高功率高光束质量合成。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其目的在于，通过会聚透镜和衍射光栅的组合，将多束不同波长的激光合成为一束激光，降低对激光的线宽要求，同时降低衍射光栅上的功率密度，提升激光系统的输出亮度，具有结构简单，路数扩展能力强，光束质量好的优点。
光纤激光非对称补偿光谱合成装置，包括光纤激光器阵列、会聚透镜、第一块衍射光栅、第二块衍射光栅；光纤激光器阵列放置在会聚透镜的焦平面上，光纤激光器阵列的输出激光平行地入射到会聚透镜实现光束准直，再依次经过第一块衍射光栅和第二块衍射光栅衍射合成为一束激光。
进一步地，所述会聚透镜、第一块衍射光栅和第二块衍射光栅引起的不同激光束角度偏移量互为补偿，满足关系式：式中，Δx表示光纤激光阵列中相邻光纤之间的间距，f表示会聚透镜焦距，δλ表示相邻光束间中心波长的间隔，d1和d2分别表示第一块衍射光栅和第二块衍射光栅的刻线周期，α1表示光束在第一块衍射光栅上的入射角，β2表示光束在第二块衍射光栅上的出射角，式中正负号表示会聚与发散。
进一步地，所述的光纤激光器阵列输出激光波长范围在1040nm-1100nm，3dB线宽小于2nm。
进一步地，所述的会聚透镜尺寸大于所述的光纤激光器阵列的输出激光在所述的会聚透镜入射面上的尺寸。
进一步地，所述的会聚透镜对1040nm-1100nm范围内的激光透过率大于98％。
进一步地，所述的第一块衍射光栅和所述的第二块衍射光栅是透射式衍射光栅(见图1)或反射式衍射光栅(见图2)，衍射效率大于95％。
进一步地，所述的第一块衍射光栅的刻线密度与第二块衍射光栅的刻线密度之差大于每毫米10刻线。
本发明的技术效果：
与现有技术相比，本发明将光纤激光阵列的输出光纤平行排列，放置于会聚透镜的焦平面处，各光束的光轴平行输出，发散的激光经过会聚透镜后准直。第一块衍射光栅和第二块衍射光栅的刻线密度不同，会聚透镜、第一块衍射光栅和第二块衍射光栅引起的不同激光束角度偏移量互为补偿。对激光线宽要求较低，无需使用大面积衍射光栅即可实现高功率高光束质量的光谱合成。各光束准直后半径较大，在衍射光栅上功率密度较低，不易引起衍射光栅损伤；同时光纤激光阵列的输出光纤可以排布得相对紧密，无需使用大面积衍射光栅就可实现光谱合成，减小了系统体积，降低了衍射光栅制备难度。该方案有两块衍射光栅，能够补偿色散带来的激光光束质量下降，合成后光束质量优异。
附图说明
图1为本发明使用透射式衍射光栅的结构示意图。
图2为本发明使用反射式衍射光栅的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图1及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
先请参阅图1和2，实施例采用四束光纤激光器组成光纤激光器阵列101，每个激光器输出功率为10W，输出激光波长分别为1060nm、1064nm、1068nm和1072nm，3dB线宽为0.3nm。输出光纤采用10/125μm无源光纤，互相之间以250μm平行放置。会聚透镜202的焦距为110mm，光纤激光器阵列101就放置在会聚透镜202的焦平面上。会聚透镜102后方400mm处放置第一块衍射光栅203，大小为30×30mm，刻线密度每毫米1200刻线，法线方向与入射光束中心光轴的平均夹角为43.5°。第二块衍射光栅104的中心与第一块衍射光栅103的中心间隔170mm，刻线密度为每毫米960线，法线方向与入射光束中心光轴的平均夹角为34°。合成后激光总功率为37W，光束质量M2＝1.8。
该实施例试验结果表明，本发明能够实现高效率光谱合成，激光线宽较宽时仍然可以保持较好的光束质量，并且仅需使用一块会聚透镜就可对整个光纤激光阵列进行准直，即缩小了系统的体积和重量，又减小了光栅上激光功率密度。本发明具有对激光器线宽和衍射光栅损伤阈值要求低，路数扩展能力强，光束质量好等优点，能够大幅提升光谱合成系统输出激光的亮度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：包括N个光纤激光器阵列、会聚透镜、第一块衍射光栅、第二块衍射光栅；光纤激光器阵列放置在会聚透镜的焦平面上，光纤激光器阵列的输出激光平行地入射到会聚透镜实现光束准直，再依次经过第一块衍射光栅和第二块衍射光栅衍射合成为一束激光；
所述会聚透镜、第一块衍射光栅和第二块衍射光栅引起的不同激光束角度偏移量互为补偿，满足关系式：式中，Δx表示光纤激光阵列中相邻光纤之间的间距，f表示会聚透镜焦距，δλ表示相邻光束间中心波长的间隔，d1和d2分别表示第一块衍射光栅和第二块衍射光栅的刻线周期，α1表示光束在第一块衍射光栅上的入射角，β2表示光束在第二块衍射光栅上的出射角，式中正负号表示会聚与发散。
2.根据权利要求1所述的光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：所述的光纤激光器阵列输出激光波长范围在1040nm-1100nm，3dB线宽小于2nm。
3.根据权利要求1所述的光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：所述的会聚透镜尺寸大于所述的光纤激光器阵列的输出激光在所述的会聚透镜入射面上的尺寸。
4.根据权利要求1所述的光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：所述的会聚透镜对1040nm-1100nm范围内的激光透过率大于98％。
5.根据权利要求1所述的光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：所述的第一块衍射光栅和所述的第二块衍射光栅是透射式衍射光栅或反射式衍射光栅，衍射效率大于95％。
6.根据权利要求1所述的光纤激光非对称补偿光谱合成装置，其特征在于：所述的第一块衍射光栅的刻线密度与第二块衍射光栅的刻线密度之差大于每毫米10刻线。
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