CN110112651A - 一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,包括：可绕球心旋转的凹球面反射镜和位置固定的凸球面反射镜；所述凹球面反射镜用于将入射的平行光束反射汇聚至所述凸球面反射镜；所述凸球面反射镜用于将所述凹球面反射镜反射汇聚入射的光束反射准直形成平行光输出；所述凹球面反射镜和所述凸球面反射镜的焦点重合，所述凹球面反射镜的曲率半径R大于所述凸球面反射镜曲率半径r，所述凹球面反射镜和所述凸球面反射镜的球心间隔为(R‑r)/2。本发明克服了传统透镜和棱镜整形对不同频率光束具有一定发散作用的局限性。

Description

一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置

技术领域

本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置。

背景技术

高功率半导体激光器具有轻量化、免维护和可靠性高等优点，在智能装备制造、医疗以及通信等领域具有广泛的应用前景。然而，半导体激光器的特殊原理和结构使其输出功率和光束质量存在此消彼长的问题，即追求高功率的同时光束质量会劣化。

将半导体激光器封装为阵列或叠阵结构，再采用光谱合束技术实现单光束输出是解决该问题的关键技术。谱合束技术常采用光栅作为色散元件，各个子单元的振荡波长与光栅外腔反馈匹配，使得不同波长和不同入射角的光束以同方向出射进而实现高功率单光束输出。谱合成光束的光束质量可保持与子光束一直，且强度为各子光束的强度叠加。若要获得更高功率的激光输出，增加合束单元数目是获得高功率单光束输出的关键。但是，在谱合成过程中，提高半导体激光器的功率和亮度是以牺牲光谱宽度为代价的。由于光栅衍射带宽和半导体材料增益带宽的限制，合束单元数目不可能无节制地增加。因此，压缩合成光束谱宽成为增加合束单元数目的一个主要途径。

目前，压缩谱合成光束谱宽的方式主要有：1、增加变换透镜焦距，但此方式会增加光束在光栅外腔中的传输光程，致使子单元间易发生光束串扰；2、增加光栅线密度，然而光栅作为谱合束系统的主要色散元件，改变其线密度会影响其衍射效率，且线密度受到激光波长的限制；3、减小子单元间距离，但由于半导体激光器封装工艺限制，通过减小子单元间隔压缩谱宽能力有限。在封装工艺有限制的情况下，采用外部光学系统压缩光束间距，现有技术有使用4f光学成像系统和棱镜对压缩光束间距，但是光学系统中的透镜和棱镜对具有不同波长的光束具有色散作用，易引起光束发散角增大，降低合束效率。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置。

一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,包括：

可调节式缩束球面反射镜对，用于将入射在其上的平行光束经过若干次光束宽度压缩操作后进行输出；

所述调节式缩束球面反射镜对包括：可绕球心旋转的凹球面反射镜和位置固定的凸球面反射镜；

所述凹球面反射镜用于将入射的平行光束反射汇聚至所述凸球面反射镜；

所述凸球面反射镜用于将所述凹球面反射镜反射汇聚入射的光束反射准直形成平行光输出；

所述凹球面反射镜和所述凸球面反射镜的焦点重合，所述凹球面反射镜的曲率半径R大于所述凸球面反射镜曲率半径r，所述凹球面反射镜和所述凸球面反射镜的球心间隔为(R-r)/2。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,所述可调节式缩束球面反射镜对压缩后的输出光束依次经过变换透镜和衍射光栅,到达输出耦合镜；

所述输出耦合镜于所述衍射光栅的最大级次衍射方向且与衍射方向垂直放置；

所述凸球面反射镜的准直光束的中心轴与变换透镜的主轴重合。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,包括半导体激光阵列光源，所述半导体激光阵列光源用于发出阵列光束并入射至凹球面反射镜上；

所述半导体激光阵列光源后腔面与输出耦合镜形成激光谐振外腔。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,在半导体激光阵列光源与可调节式缩束球面反射镜对之间设置有快轴准直镜、慢轴准直镜；

所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜用于将半导体激光源发出的阵列光束分别在快轴和慢轴方向上进行准直，然后将准直后的平行光束入射至所述凹球面反射镜上。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,当所述凹球面反射镜和凸球面反射镜对入射平行光束进行一次汇聚和一次准直后，光束宽度压缩r/R倍；当所述凹球面反射镜和凸球面反射镜对入射平行光束进行二次汇聚和二次准直后光束宽度压缩(r/R)²倍；继续同方向旋转凹球面反射镜，当所述凹球面反射镜和凸球面反射镜对入射平行光束进行n次汇聚和n次准直后，光束宽度压缩(r/R)ⁿ倍。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,在所述凹球面反射镜、凸球面反射镜的非反射面设置有散热装置。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,所述变换透镜置于可调节高度的支架上。

进一步地，如上所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,所述衍射光栅的衍射效率大于80％。

本发明有益效果如下：

由于凹球面反射镜和凸球面反射镜采用镜面反射原理，与光束频率无关，利于保证具有一定光谱分布的阵列光束的整形一致性，克服了传统透镜和棱镜整形对不同频率光束具有一定发散作用的局限性；

凹球面反射镜和凸球面反射镜的焦点重合，仅需简单地绕球心旋转凹球面反射镜即可多次压缩束宽，实现合成光束谱宽的可调节性，操作简单；

在多种压缩谱宽的方式中，相比4f光学成像系统压缩谱宽、棱镜对压缩谱宽、双光栅二次衍射压缩谱宽，采用本发明的压缩谱宽装置的成本更加低廉；

可以在球面反射镜的非反射面设置散热结构，减弱高功率激光的热效应影响，实现高功率高光束质量的合成光束输出。

本发明提供的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,所述调节式缩束球面反射镜的凹球面反射镜的曲率半径R与所述凸球面反射镜曲率半径r，凹球面反射镜和凸球面反射镜的焦点重合即球心间隔为(R-r)/2,保证平行光束经过凹球面反射镜反射汇聚后的汇聚光束经过凸球面反射镜后变为平行光束。所述调节式缩束球面反射镜的光束变化过程为：平行光束→汇聚光束→平行光束，即该条件“凹球面反射镜和凸球面反射镜的焦点重合即球心间隔(R-r)/2”是为了保证入射的是平行光，最终出射的也是平行光,只是出射平行光相对入射平行光宽度变窄。

本发明提供的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,所述凹球面镜相对其球心同方向旋转时，所述凹球面反射镜和所述凸球面反射镜对入射平行光束进行的反射汇聚作用和反射准直作用的次数会发生改变，因此，可以有的多种选择，可以一次压缩、也可以二次压缩、也可以n次压缩，从而可以让使用者自由调节。本发明通过减小光束相对衍射光栅的入射角，进而使得半导体激光阵列光源的子单元后腔面与输出耦合镜形成的外腔反馈锁定阵列光源具有更窄的谱宽。

所述可调节式缩束球面反射镜对多次压缩光束宽度，进而改变半导体激光光束通过变换透镜后相对衍射光栅的入射角。半导体激光阵列光源后腔面与输出耦合镜形成激光谐振外腔，外腔反馈实现合成光束的窄谱宽输出。解决了光谱合束过程中合束子单元数目和输出功率受限的问题。所述半导体激光阵列光源的后腔面与输出耦合镜形成激光谐振外腔，谐振外腔的反馈作用使得所述半导体激光阵列光源的发出的各子单元锁定在不同的波长。

所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦面，所述输出耦合镜与所述衍射光栅的最大级次衍射方向且与衍射方向垂直放置，所述衍射光栅的衍射效率大于80％，光栅衍射光束垂直入射到所述输出耦合镜上实现高功率合束输出。所述输出耦合镜位于反射光栅的主级次衍射方向，垂直于所述主级次衍射方向，用于将谱合成光束耦合输出。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置；

图2是现有的半导体激光阵列光源的结构示意图；

图3是本发明实施例的阵列光束经过可调节式缩束球面反射镜对的一次反射汇聚作用和一次反射准直作用的光路示意图；

图4是本发明实施例的阵列光束经过可调节式缩束球面反射镜对的二次反射汇聚作用和二次反射准直作用的光路示意图；

图5是本发明实施例的阵列光束经过可调节式缩束球面反射镜对的三次反射汇聚作用和三次反射准直作用的光路示意图；

图6是采用传统光谱合束结构输出光束的光谱分布图与采用本发明实施例的输出光束的光谱分布图；其中，图(a)是采用传统光谱合束结构输出光束的光谱分布图，图(b)、(c)和(d)是本发明实施例的输出光束的光谱分布图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明的一种实施方式，利用可旋转的凹球面反射镜和凸球面反射镜实现多次反射压缩谱宽的光谱合束装置，其可克服现有压缩谱宽装置对不同频率的光束缩束倍率不一致的问题，装置包括半导体激光阵列光源1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、可调节式缩束球面反射镜对4、变换透镜5、衍射光栅6、输出耦合镜7和可上下调节高度的支架9。变换透镜5置于支架9上，衍射光栅6位于变换透镜5的后焦面。如图3所示，可调节式缩束球面反射镜对4包括：凹球面反射镜405、凸球面反射镜406和位于凹球面反射镜405球心处的旋钮407。凹球面反射镜405和凸球面反射镜406的焦点409重合，凹球面反射镜球心407与凸球面反射镜球心408间隔为(凹球面反射镜405曲率半径R-凸球面反射镜曲率半径r)/2,其中R>r。调节旋钮407，可实现凹球面反射镜405绕垂直于直面过球心的轴旋转。

图2为半导体激光阵列光源1示意图，半导体激光阵列光源1包含多个发光子单元，各发光子单元等间距排列，100、101和102分别为半导体激光阵列的中心子单元和两侧的末端子单元，401和402分别为子单元101和子单元102发出的光束，由光源发出的阵列光束宽度为401和402之间的垂直距离D，光束401和402经快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直后平行入射至凹球面反射镜405。凹球面反射镜405用于将准直后的平行光束401和402反射汇聚至凸球面反射镜406。凸球面反射镜406设置在凹球面反射镜405的反射光方向，将凹球面反射镜406反射汇聚的光束准直为平行光。

如图3所示，图3为可调节式缩束球面反射镜对4与各子光束之间的一级压缩过程光路示意图。通过调节旋钮407旋转凹球面反射镜405，使得凹球面反射镜405和凸球面反射镜406对平行光束401和402分别仅一次反射汇聚作用和一次反射准直作用，403和404为经过一级准直压缩后输出光束，其宽度为d，d与401和402的宽度D的关系满足式：d/D＝r/R。

如图4所示，图4为可调节式缩束球面反射镜对4与各子光束之间的二级压缩过程光路示意图。顺时针调节旋钮407使得凹球面反射镜405同方向旋转，凹球面反射镜405将遮挡光束403，继续顺时针调节旋钮直至404被遮挡。此时凹球面反射镜405和凸球面反射镜406对平行光束403和404分别再进行一次反射汇聚作用和一次反射准直作用，即403'和404'为光束401和402经过二级准直压缩后的输出光束，其宽度为d'，d'与D的关系满足式：d'/D＝(r/R)²。

如图5所示，图5为可调节式缩束球面反射镜对4与各子光束之间的三级压缩过程光路示意图。继续顺时针通过调节旋钮407旋转凹球面反射镜405，凹球面反射镜405和凸球面反射镜406对平行光束401和402分别进行三次反射汇聚作用和三次反射准直作用，403"和404"为经过三级准直压缩后的输出光束，其宽度为d"，d"与D的关系满足式：d"/D＝(r/R)³。

调节图1中的支架9上下移动变换透镜5，如图1所示，使得可调节式缩束球面反射镜对4的输出阵列光束的中心光束(403和404、403'和404'、403"和404"的中心轴)与变换透镜5的光轴重合。变换透镜5用于将不同位置入射的子光束变换为不同的角度入射至衍射光栅6，衍射光栅6将不同波长不同入射角的阵列光束以相同的+1级衍射方向输出。半导体激光阵列光源1的子单元后腔面与输出耦合镜7之间形成激光谐振外腔，半导体激光阵列光源的各子单元由于激光谐振外腔的反馈振荡锁定波长，得到具有一定谱分布的输出光束8。

本发明利用可调节式缩束球面反射镜对4实现多次缩束压缩谱宽的光谱合束装置的具体实现过程如下：

半导体激光阵列光源1的中心波长λ₀为800nm，包含19个发光单元，相邻子单元的间隔△p为500μm。各子光束经过快轴准直镜2和慢轴准直镜3后为近平行光，各子光束的线宽为0.3nm。

设变换透镜5的焦距f为12mm，凹球面反射镜405的曲率半径R为100mm，凸球面反射镜406的曲率半径r为70mm，衍射光栅6的衍射级次q为+1级，衍射效率约为80％，光栅线密度l为1000/mm，光栅周期Λ为1/l，中心子单元100发出的中心光束在衍射光栅6上的入射角为α₀，19个子光束在衍射光栅上的入射角分别为α_-9，α_-8……α_-1，α₀，α₁……α₈，α₉，满足如下关系式：

α_m＝α₀+atan(-mΔp/f),m＝-9,-8...0...8,9

由于子单元后腔面与输出耦合镜7之间形成的激光谐振外腔的反馈作用和衍射光栅的色散作用，各子单元的波长随入射角的不同被锁定在不同的波长且具有相同的衍射角。各子单元锁定后的波长分别为λ_-9，λ_-8……λ_-1，λ₀，λ₁……λ₈，λ₉，满足如下关系式：

λ_m＝Λ(sinα_m-sinα₀+qλ₀/d)/q,m＝-9,-8...0...8,9

可调节式缩束球面反射镜对4用于改变子光束之间的间距△p，改变子光束由变换透镜3变换后入射至衍射光栅的入射角α_m，进而调节阵列光束的谱分布。图3中的可调节式缩束球面反射镜对4的输出光束403和404的间隔为18*△p*(r/R)。图4中的可调节式缩束球面反射镜对4'的输出光束403'和404'的间隔为18*△p*(r/R)²。图2中的可调节式缩束球面反射镜对4的输出光束403"和404"的间隔为18*△p*(r/R)³。

图6中，(a)为一般谱合束装置输出光束的光谱分布图，光谱宽度约为48nm。图6(b)、(c)和(d)分别为本发明实施例的一级压缩、二级压缩和三级压缩的输出光束光谱分布图，光谱宽度分别约为34nm、24nm和17nm。采用本发明可以将光谱压缩至原来的二分之一以下。

综上所述，本发明利用镜面反射元件，使入射光束经过镜面的多次反射汇聚和发射准直作用，实现压窄且可调输出光束的光谱分布。本发明为在衍射光栅高衍射效率的波长范围内，增加谱合束系统的半导体激光阵列光源的子单元数目创造条件，最终达到增加输出功率的目的。本发明为获得高功率高亮度的半导体激光输出提供了一种有效途径，具有重要应用价值。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，包括：

可调节式缩束球面反射镜对(4)，用于将入射在其上的平行光束经过若干次光束宽度压缩操作后进行输出；

所述调节式缩束球面反射镜对(4)包括：可绕球心旋转的凹球面反射镜(405)和位置固定的凸球面反射镜(406)；

所述凹球面反射镜(405)用于将入射的平行光束反射汇聚至所述凸球面反射镜(406)；

所述凸球面反射镜(406)用于将所述凹球面反射镜(405)反射汇聚入射的光束反射准直形成平行光输出；

所述凹球面反射镜(405)和所述凸球面反射镜(406)的焦点重合，所述凹球面反射镜(405)的曲率半径R大于所述凸球面反射镜(406)曲率半径r，所述凹球面反射镜(405)和所述凸球面反射镜(406)的球心间隔为(R-r)/2。

2.根据权利要求1所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，所述可调节式缩束球面反射镜对(4)压缩后的输出光束依次经过变换透镜(5)和衍射光栅(6)到达输出耦合镜(7)；

所述输出耦合镜(7)于所述衍射光栅(6)的最大级次衍射方向且与衍射方向垂直放置；

所述凸球面反射镜(406)的准直光束的中心轴与变换透镜(5)的主轴重合。

3.根据权利要求2所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，包括半导体激光阵列光源(1)，所述半导体激光阵列光源(1)用于发出阵列光束并入射至凹球面反射镜(405)上；

所述半导体激光阵列光源(1)后腔面与输出耦合镜(7)形成激光谐振外腔。

4.根据权利要求3所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，在半导体激光阵列光源(1)与可调节式缩束球面反射镜对(4)之间设置有快轴准直镜(2)、慢轴准直镜(3)；

所述快轴准直镜(2)和所述慢轴准直镜(3)用于将半导体激光源(1)发出的阵列光束分别在快轴和慢轴方向上进行准直，然后将准直后的平行光束入射至所述凹球面反射镜(405)上。

5.根据权利要求1所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，当所述凹球面反射镜(405)和凸球面反射镜(406)对入射平行光束进行一次汇聚和一次准直后，光束宽度压缩r/R倍；当所述凹球面反射镜(405)和凸球面反射镜(406)对入射平行光束进行二次汇聚和二次准直后光束宽度压缩(r/R)²倍；继续同方向旋转凹球面反射镜，当所述凹球面反射镜(405)和凸球面反射镜(406)对入射平行光束进行n次汇聚和n次准直后，光束宽度压缩(r/R)ⁿ倍。

6.根据权利要求1所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，在所述凹球面反射镜(405)、凸球面反射镜(406)的非反射面设置有散热装置。

7.根据权利要求2所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，所述变换透镜(5)置于可调节高度的支架(9)上。

8.根据权利要求2所述的可调节输出光束谱宽的外腔反馈光谱合束装置,其特征在于，所述衍射光栅(6)的衍射效率大于80％。