CN107240856B - 利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

一种利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，包括半导体激光器光源，慢轴准直柱透镜，变换透镜，透射光栅，输出耦合镜。本发明利用背面镀反射膜的透射光栅作为衍射元件，即在光栅面的背面镀反射膜，使得入射光束可以两次经过透射光栅的衍射，将光栅的色散能力提高一倍。本发明克服了传统光谱合束中衍射光栅色散能力有限的限制，可以在材料的增益线宽内以及光栅的高效率衍射波长范围内增加合束单元数，显著提高输出功率，或者在保证输出光谱宽一定时可以缩短谐振腔长度，使激光器的结构更紧凑，激光器的模式更稳定。

Description

利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置

技术领域

本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种利用镀反射膜的透射光栅，通过外腔反馈，实现窄线宽高功率的激光输出的半导体激光光谱合束的装置。

背景技术

半导体激光器有着成本低，寿命长，体积小，可靠性高等优点，已广泛应用于工业加工，泵浦，医疗，通信等领域。制约半导体激光器未来发展的一个重要因素就是亮度。激光光束的亮度由输出功率和光束质量决定，功率越大，光束质量越好，亮度就越高。

合束技术是当前实现高亮度半导体激光器的常用手段，其中光谱合束是一种新颖的合束技术，主要采用光栅作为衍射元件，C.C.Cook和T.Y.Fan【ASSL.26,163-166(1999)】第一次报道该方法并对其原理进行了详细论述。各个发光单元的振荡波长均与光栅色散和外腔反馈匹配，以保持相同的衍射角出射，实现合束。光谱合束的优点在于：将多个单管半导体激光器的输出光合束，输出功率为所有发光单元功率的总和，同时光束质量与单个发光单元保持一致，极大地提高了半导体激光器的亮度，实现近衍射极限的激光输出。因此，光谱合束技术已经成为高功率半导体激光器领域的一个重要课题。

如何压缩合束激光光谱谱宽是增加合束单元数量的主要问题，光谱谱宽由多个因素决定，主要有以下三类：1.减小相邻合束单元的间距，可以制备高密度半导体激光阵列或者利用光学成像系统压缩合束单元间距，但受限于半导体技术，增加了不同单元之间的串扰，不能完全反馈，降低合束效率；2.增加变换透镜的焦距，但合束系统的长度以及耦合腔的长度会随之增加，系统的体积会变大并且谐振腔系统的稳定性会下降，整体的光程增加，在发散角不变的情况下各合束单元间更易发生串扰；3.提高衍射光栅的线密度即降低衍射光栅的光栅周期，但光栅周期受到半导体激光器波长的限制，最小光栅周期不能小于波长的一半,假设半导体激光器波长为940nm，则理论上衍射光栅的最高线密度为2127lines/mm，无法再进一步提高线密度，可行性不高。提高光栅的线密度就是提高光栅的衍射能力，利用两个非平行光栅也可以提高光栅衍射能力，在公告号为CN106684702A，名称为“一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置”的国内专利中，提出用两个光栅非平行放置，合束单元两次经过光栅的衍射作用，虽然光谱谱宽被压缩了一半，但是用了两个光栅来提高光栅的衍射能力，系统的调节精度和难度增加，光栅成本价格高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，通过在透射光栅的背面镀反射膜，使入射光束可以两次经过光栅衍射作用，实现二次色散，光栅的衍射能力提高一倍，输出激光光谱谱宽压缩一半，解决了光谱合束过程中合束单元数量和输出功率有限的问题。

本发明解决技术问题所采取的技术方案为：

一种利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特点在于包括：半导体激光器光源、慢轴准直柱透镜、变换透镜、透射光栅和输出耦合镜，所述透射光栅的背面镀有反射膜；

所述的半导体激光器光源位于所述的慢轴准直柱透镜的前焦点和变换透镜的前焦点上，所述镀反射膜的透射光栅位于所述的变换透镜的后焦点，所述的半导体激光器光源为多个发光单元的平行光束，经慢轴准直柱透镜准直后，经变换透镜会聚的中心光束以利特罗角入射到所述的透射光栅上，经该透射光栅的光栅表面第一次衍射后的中心光束以利特罗角出射，经透射光栅的反射膜反射，中心光束再次以利特罗角入射到透射光栅的光栅表面，经该透射光栅第二次衍射后的光束垂直入射到所述的输出耦合镜，经该输出耦合镜合束后输出。

经所述的透射光栅第一次衍射后，各光束的角度差减小一半，然后经该透射光栅的反射膜反射，第二次入射到透射光栅时各光束重叠为一个小光斑，并且经该透射光栅第二次衍射后各光束的角度差减小至零，即有相同的衍射角出射，第二次衍射后的光束垂直入射到输出耦合镜后得到激光输出，各光束在近场和远场叠加，实现合束。

所述的半导体激光激光器光源包括半导体激光器阵列、快轴准直柱透镜和斜45°柱透镜阵列，快轴准直柱透镜用于准直半导体激光阵列快轴方向的光束；斜45°柱透镜阵列将输出光束沿传播方向旋转90°，交换快轴和慢轴，合束方向转变为快轴，减小smile效应对合束光光束质量的影响；旋转后的慢轴方向光束由慢轴准直柱透镜准直。

所述的半导体激光器阵列的后腔面和输出耦合镜之间形成激光谐振腔，光束在谐振腔中反馈振荡。

所述半导体激光器阵列的前腔面镀增透膜，腔面反射率小于1％，后腔面镀高反膜，腔面反射率大于95％。

所述半导体激光器光源可用多个准直过的激光器单元，或多个准直过的激光阵列，或多个准直过的激光阵列组成的激光线阵或迭阵的组合代替。

所述镀反射膜的透射光栅为衍射元件，即在光栅面背面镀反射膜，光栅周期一定，在1级或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率所对应的波长与半导体激光器的波长相匹配；且所述透射光栅为偏振无关光栅，或者偏振方向与半导体激光器光源的偏振方向相同的光栅，并具有高损伤阈值。

所述输出耦合镜为部分反射镜，反射率为5％-30％，与第二次经过光栅的衍射光方向垂直，在激光发射波长处损耗低。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)通过在透射光栅背面镀反射膜，增加色散元件的衍射能力，使各发光单元光束在不需要使用其他反射元件的情况下经过两次光栅衍射作用，实现两次色散。

2)在激光器腔长不变的条件下，可以使激光光谱谱宽缩短为原来的二分之一，在半导体激光器的增益曲线内，以及在光栅的高衍射效率的波长范围内可以使合束单元数量提升一倍，功率和亮度提高一倍。

3)在激光光谱谱宽保持不变的情况下，可以将变换透镜的焦距减小一半，使得腔长缩短一半，激光器结构更紧凑和稳定。

4)压缩合束光的光谱谱宽可以提高输出激光的单色性，减小色差，增加合束效率。

附图说明

图1是利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束方案示意图。

图2是各合束光束经过镀反射膜的透射光栅作用后的光路示意图。

图3是半导体激光器光源的结构示意图。

图4是采用传统光谱合束结构的输出光的光谱分布图。

图5是本发明输出光束的光谱分布图。

图中，1为半导体激光器光源；2为慢轴准直柱透镜；3为变换透镜；4为镀反射膜的透射光栅；5为输出耦合镜；601、602、603为各发光单元光束；601＇602＇603＇为第一次经过光栅衍射作用后的各单元的衍射光束；7为第二次经过光栅衍射后的光束；8为合束后光束输出；9为半导体激光器阵列；11为快轴准直柱透镜；12为斜45°柱透镜阵列。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1所示，图1是利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，装置包括半导体激光器光源1、慢轴准直柱透镜2、变换透镜3、透射光栅4、输出耦合镜5。半导体激光器光源1位于变换透镜3的前焦点，透射光栅4位于变换透镜3的后焦点，半导体激光器光源1发出多束平行光。

如图2所示，图2为本发明各发光单元与透射光栅4的作用过程，各单元光束经过变换透镜3会聚后，入射到透射光栅4上，中心光束602以利特罗角入射，其余入射光601、603具有单调变化的波长差，并以不同角度入射到透射光栅4上，经透射光栅4的光栅表面衍射后，中心衍射光束602＇以利特罗角出射，其余相邻衍射光束角度差减小一半，经过光栅背面的反射膜反射后，中心衍射光束602＇第二次以利特罗角入射到透射光栅4上。第二次经过透射光栅4的衍射，衍射光束7的角度差为零即以相同的衍射角垂直入射到输出耦合镜5，由于输出耦合镜5的反馈作用，半导体激光器光源1的后腔面和输出耦合镜5之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡得到激光光束8输出。

如图3所示，图3为本发明半导体激光光源1，包括半导体激光器阵列9、快轴准直柱透镜11和斜45°柱透镜阵列12。半导体激光器阵列9包含多个发光单元，各发光单元等间距排列，前腔面反射率小于1％，后腔面反射率大于95％。快轴准直柱透镜11，斜45°柱透镜阵列12，慢轴准直柱透镜2，构成光束准直系统，压缩光束发散角，快轴准直柱透镜11和斜45°柱透镜阵列12粘合一起固定在半导体激光器阵列9前。

实施例：

本发明利用光栅与反射镜实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置具体实现过程如下：

半导体激光器光源1的中心波长为940nm，包含19个发光单元，单个发光点光束的快轴发散角为35°，慢轴发散角为7°，光束经过快轴准直柱透镜镜12和斜45°柱透镜阵列13后快轴发散角被压缩至约为0.5°，经过慢轴准直柱透镜2后慢轴发散角被压缩至约为4°。激光阵列的前腔面镀增透膜，腔面反射率小于0.5％，后腔面镀高反膜，腔面反射率大于99％。

设透射光栅4的衍射级次为1级，衍射效率均大于90％，光栅周期为d，单元光束在透射光栅4上的入射角分别为θ₁，θ₂……θ₁₉，衍射角分别为θ_d1，θ_d2……θ_d19,由于光栅的色散作用和外腔的反馈，各单元波长随着入射角的不同而单调变化，分别为λ₁，λ₂……λ₁₉，有如下关系式：

λ₁＝d(sinθ₁+sinθ_d1)；

λ₂＝d(sinθ₂+sinθ_d2)；

……

λ₁₉＝d(sinθ₁₉+sinθ_d19)。

其中，任意相邻单元光束的入射角之差可视为定值Δθ。各单元光束经过透射光栅4背面的反射膜反射后，再一次经过透射光栅4上，入射角分别为θ_i1，θ_i2……θ_i19，出射角为θ_di1,θ_di2......θ_di19。此时第一次经过光栅衍射后的任意相邻单元光束的角度相差可视为定值，Δθ′＝Δθ/2有如下关系式：

λ₁＝d(sinθ_i1+sinθ_di1)；

λ₂＝d(sinθ_i2+sinθ_di2)；

……

λ₁₉＝d(sinθ_i19+sinθ_di19)。

由于发光点被锁定在不同的波长，因此有相同的衍射角θ_di1＝θ_di2＝…＝θ_di19。如果采用单光栅单次衍射得到的输出光谱图如图4所示，光谱谱宽约为14nm，本发明合束后的输出激光的光谱图如图5所示，光谱谱宽约为7nm，相比于单次衍射的结果，采用本发明可以实现单个光栅的两次衍射，可以将输出光谱压缩至原来的二分之一。

综上所述，本发明利用镀反射膜的透射光栅，实现两次衍射作用，将光栅衍射能力提高一倍，输出激光光谱减半，可以在光栅的高衍射效率波长范围内，为更多发光单元的光谱合束创造条件，可以实现多个半导体激光阵列的光谱合束，因此，这种利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置是获得高功率高亮度激光输出的有效途径，具有重要应用价值。

Claims (7)

1.一种利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于包括：半导体激光器光源(1)、慢轴准直柱透镜(2)、变换透镜(3)、透射光栅(4)和输出耦合镜(5)，所述透射光栅(4)的背面镀有反射膜；

所述的半导体激光器光源(1)位于所述的慢轴准直柱透镜(2)的前焦点和变换透镜(3)的前焦点上，所述镀反射膜的透射光栅(4)位于所述的变换透镜(3)的后焦点，所述的半导体激光器光源(1)为多个发光单元的平行光束，经慢轴准直柱透镜(2)准直后，经变换透镜(3)会聚的中心光束以利特罗角入射到所述的透射光栅(4)上，经该透射光栅(4)的光栅表面第一次衍射后的中心光束以利特罗角出射，经透射光栅(4)的反射膜反射，中心光束再次以利特罗角入射到透射光栅(4)的光栅表面，经该透射光栅(4)第二次衍射后的光束垂直入射到所述的输出耦合镜(5)，经该输出耦合镜(5)合束后输出。

2.根据权利要求1所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：经所述的透射光栅(4)第一次衍射后，各光束的角度差减小一半，然后经该透射光栅(4)的反射膜反射，第二次入射到透射光栅(4)时各光束重叠为一个小光斑，并且经该透射光栅(4)第二次衍射后各光束的角度差减小至零，即有相同的衍射角出射，第二次衍射后的光束垂直入射到输出耦合镜(5)后得到激光输出，各光束在近场和远场叠加，实现合束。

3.根据权利要求1所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：所述的半导体激光器光源(1)包括半导体激光器阵列(9)、 快轴准直柱透镜(11)和斜45°柱透镜阵列(12)，所述的半导体激光器阵列(9)的快轴方向的光束由快轴准直柱透镜(11)准直，经过斜45°柱透镜阵列(12)旋转快轴和慢轴光束后，慢轴方向的光束由慢轴准直柱透镜(2)准直。

4.根据权利要求3所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：所述的半导体激光器阵列(9)的后腔面和输出耦合镜(5)之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡。

5.根据权利要求3或4所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：所述半导体激光器阵列(9)包含多个发光单元，各发光单元等间距排列，前腔面反射率小于1％，后腔面反射率大于95％。

6.根据权利要求1-4任一所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：所述的透射光栅(4)在1或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率所对应的波长与半导体激光器的波长相匹配，且所述的透射光栅(4) 为偏振无关光栅，或者偏振方向与半导体激光器光源的偏振方向相同的光栅，并具有高损伤阈值。

7.根据权利要求1-4任一所述的利用镀反射膜的透射光栅实现两次衍射的光谱合束装置，其特征在于：所述输出耦合镜(5)为部分反射镜，反射率为5％-30％，与所述的透射光栅(4)的衍射光方向垂直。