CN110323672B - 一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置及合束方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置及合束方法。其中，合束装置包括多个并排设置的发光模块，采用布拉格光栅进行波长锁定；输出光经聚焦光学元件后入射至合束元件进行合束，合束光经分光元件作用后一部分反射，一部分透射，一部分以色散元件的衍射角入射到色散元件上，并在变换光学元件作用下形成平行光；最后在图像采集机构上形成与发光模块对应波长的光束的图块；通过图像采集机构上的发光模块形成的图块与预设图块之间是否存在偏差来判断该对应的发光模块的波长是否锁定，有效解决现有的多发光模块的合束装置无法进行锁定波长的判断和检测造成的合束装置光束质量较低的问题，合束装置结构简单，判断检测快速，调整方便。

Description

一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置及合束方法
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，具体涉及一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置及合束方法。
背景技术
大功率激光器芯片常被用作固体激光器(如薄片，光纤和板条激光器)的泵浦源，因此其效率、激光发射的空间和光谱特性决定了固体激光器的性能。大功率激光器芯片也被直接用材料加工(如表面处理，焊接，增材制造，切割)等工业领域，并且显示了替代固体和光纤激光器的潜力。输出功率和亮度的增加是直接大功率激光器芯片应用范围扩大的主要驱动力。通常通过合束技术获得高功率、高亮度的激光输出。
激光合束技术是获得高亮度、高功率半导体激光输出的有效方法之一。光谱合束是通过外腔反馈，将不同激光器芯片波长锁定在一定波长，利用色散元件将不同波长光束合成一束，但是外腔光谱合束由于存在串扰问题，将导致光束质量的恶化，另外多个激光器芯片在同一外腔中，需严格控制各激光器芯片的指向性一致以保证能够全部起振，否则部分激光器芯片部分锁定也将导致光束质量和效率下降。
近年来，采用布拉格光栅(VBG光栅)的反馈方式来实现高功率激光器芯片的波长锁定和光谱线宽的窄化，以增强对环境的适应性，扩大其应用范围。
现有技术中VBG光栅外腔激光器模块合束装置包括若干个并排且间隔所需间距布置的发光模块、傅里叶变换透镜及光栅。其中每个发光模块包括可发射激光的激光单元，及接收激光单元发射出不同波长的布拉格光栅,布拉格光栅具有预设锁定波长，从而实现将每个激光单元发射出的不同激光锁定在预设波长的激光上并发射出去；每个发光模块锁定不同波长的激光形成平行光，之后平行光均入射至傅里叶变换透镜上，经傅里叶变换透镜聚焦在光栅上，再经光栅衍射后形成合束光照射出去。
但是，上述的VBG光栅外腔激光器模块合束装置，在实际使用过程中，由于每个发光模块的布拉格光栅实际锁定的激光波长与预设锁定的激光波长存在偏差，导致透射式光栅输出的合束光中包含的激光波长与理论的合束光包含的激光波长存在偏差，造成合束光的质量和功率的下降，可现有技术中的VBG光栅外腔激光器模块合束装置难以检测或判断出，合束光中的哪些波长的激光与理论的波长激光存在偏差。
发明内容
因此，本发明所要解决的技术问题在于现有的VBG光栅外腔激光器模块合束装置难以检测或判断出，合束光中的哪些波长的激光与理论的波长激光存在偏差。
本发明的目的在于提供一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，包括至少两个间隔且并排布置的发光模块，任一所述发光模块包括可发射激光的激光单元，及用于接收所述激光单元发射出的激光的布拉格光栅；其中，一个所述发光模块作为基准发光模块；设在所有所述发光模块的输出光路上的聚焦光学元件；设在所述聚焦光学元件的输出光路的聚焦位置处的合束元件；还包括
分光元件，设在所述合束元件的输出光路上；
色散元件，设在所述分光元件的任一输出光路上，用于将合束光分散为与所述聚焦光学元件和所述合束元件之间的各个波长的激光相对位置关系一致的分散光；
变换光学元件，设在所述色散元件的输出光路上，用于将所述分散光透射为平行光；
图像采集机构，设在所述变换光学元件的输出光路上，用于采集所述变换光学元件的输出光路上的平行光照射的图块。
优选地，所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，所述发光模块为至少三个，所有所述发光模块等间距并列排布。
优选地，所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，所述合束元件和所述色散元件均为光栅。
优选地，所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，所述合束元件和所述色散元件均为透射式光栅或反射式光栅，所述合束光经所述合束元件的衍射角为所述合束元件的光栅闪耀角，所述合束光入射至所述色散元件的入射角为所述色散元件的光栅闪耀角。
优选地，所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，任一所述发光模块还包括设在所述布拉格光栅的输出光路上的光纤。
优选地，所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，还包括温控装置，所述温控装置包括
调温元件，设在所述布拉格光栅上；
温度检测元件，用于检测所述布拉格光栅的温度；
控制器，与所述调温元件和所述温度检测元件均电连接，所述控制器根据所述温度检测元件的检测信号，控制所述调温元件的升温或降温。
本发明的目的还在于提供上述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，包括以下步骤：
获取图像，所述图像包括参考图块及若干个待比较图块，其中所述参考图块对应于所述基准发光模块的输出波长的激光，所述待比较图块与其他的所述发光模块的输出波长的激光一一对应；
基于所述参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围；
将任一所述待比较图块与各自对应的预设图块范围比较；
判断所述待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内；
若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的锁定波长，以使该所述待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
优选地，所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，在判断所述待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内的步骤中，
待比较图块与各自对应的预设图块的偏差不大于2个像素点，则表明所述待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
优选地，所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，
在所述若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的锁定波长的步骤中，
通过调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的温度，以调整该所述布拉格光栅的锁定波长。
优选地，所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，在基于所述参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围的步骤中，所述参考图块与其相邻的预设图块之间的间距，与任意相邻的预设图块之间的间距相等。
本发明技术方案，具有如下优点：
1.本发明提供的一种VBG光栅外腔激光器模块合束装置，包括多个并排设置的发光模块，发光模块采用布拉格光栅进行波长锁定；输出光经聚焦光学元件后入射至合束元件，在合束元件的作用下进行合束，合束光经分光元件作用后一部分反射至色散元件上分散成不同出射角度的子束，并在变换光学元件作用下形成平行光，并在图像采集机构上形成与发光模块对应波长的光束的图块；通过图像采集机构上的发光模块形成的图块与预设图块之间是否存在偏差来判断该对应的发光模块的波长是否锁定，有效解决现有的发光模块无法进行波长锁定的判断和检测造成的合束装置光束质量较低的问题，合束装置结构简单，判断检测快速，调整方便。
2.本发明提供的一种VBG光栅外腔激光器模块合束装置，每个发光模块包括多个激光器芯片，多个激光器芯片呈台阶排布实现空间合束，每个模块的多个激光器芯片发射的激光被锁定在同一波长，不存在串扰，同时也解决了空间合束中合束单元受限的问题，可以在较小的空间内集成多路激光，使得整个激光器芯片模块尺寸较小；也可以将更多数量的单管的光束耦合进光纤，从而具有更大的输出功率，合束输出光束亮度高。
3.本发明提供的一种VBG光栅外腔激光器模块合束装置，包括温控装置，与布拉格光栅连接，温控装置包括加热元件、温度检测元件和控制器，在图像采集机构采集到的发光模块对应的图块产生偏差时，控制器根据温度检测元件的检测信号，控制加热元件的开启或关闭，通过温控装置对发生偏差的发光模块的布拉格光栅进行温度调节，使得该发光模块的输出光达到预设锁定波长。
4.本发明提供的一种VBG光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，通过图像采集装置获取图像，以基准发光模块在图像采集机构上形成的图块作为参考图块，其他图块作为待比较图块，每个图块对应一个发光模块的输出波长的激光；以参考图块作为参照，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围；将待比较图块与各自对应的预设图块范围比较；判断待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内；若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该待比较图块对应的发光模块中布拉格的锁定波长，以使该待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。以参考模块在图像采集机构上的图块来计算出待比较模块在图像采集机构上的图块的预设图块范围，再比较图像采集到的待比较模块的图块与预设图块范围，判断是否存在偏差也即是否落入预设图块范围，利用偏差与经色散元件后的衍射角之间的关系，再根据光栅方程转化为波长，利用波长与布拉格光栅温度的关系，转化为温差，通过调整布拉格光栅的温度来调整锁定波长；合束方法简单，调整快速有效。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的发光模块直接输出激光且合束元件为透射式光栅的结构图；
图2为本发明的发光模块直接输出激光且合束元件为反射式光栅的结构图；
图3为本发明的发光模块的激光耦合进光纤实现尾纤输出且合束元件为透射式光栅的结构图；
图4为本发明的发光模块的激光耦合进光纤实现尾纤输出且合束元件为反射式光栅的结构图；
图5为本发明的发光模块结构图；
图6为本发明的发光模块光路原理图；
图7为本发明的温控元件结构图；
图8为本发明的发光模块在图像采集机构上的图块的理论位置范围结构示意图；
图9为本发明的发光模块在图像采集机构上的待比较图块发生左偏时的结构示意图；
图10为本发明的发光模块在图像采集机构上的待比较图块发生右偏时的结构示意图。
附图标记说明：
1-发光模块；100-基准发光模块；101-10N-发光模块；101’-10N’-发光模块；11-激光单元；111-11n-激光器单管芯片；12-快轴准直透镜；121-12n-快轴准直透镜；13-慢轴准直透镜；131-13n-慢轴准直透镜；14-反射镜；141-14n-反射镜；15-出光孔；16-布拉格光栅；17-温控装置；18-导热玻璃；19-导线；
2-聚焦光学元件；
3-合束元件；
4-分光元件；
5-色散元件；
6-变换光学元件；
7-图像采集机构；
8-光纤。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明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做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。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例的VBG光栅外腔激光器模块合束装置，如图1至图4所示，包括多个发光模块1、一个聚焦光学元件2、一个合束元件3、一个分光元件4、一个色散元件5、一个变换光学元件6、一个图像采集机构7和温控装置17，其中多个发光模块1阵列间隔布置用于发射不同波长的激光，激光入射至布拉格光栅16上实现波长锁定，其中位于最中间的发光模块(图中对应地波长为λ0的发光模块)作为基准发光模块100，发射的激光的波长为λ0，其他发光模块1对称设置在该基准发光模块100的上下两侧，各发光模块1之间的间隔相等，基准发光模块100的输出光水平入射至聚焦光学元件2的中心位置并水平入射至合束元件3上；发光模块1的输出光经布拉格光栅16锁定后以锁定波长λn(n＝±1,±2,±3,...,±N)输出；一个聚焦光学元件2设置在所有发光模块1的输出光路上，用于对所有发光模块1发射的不同锁定波长的激光进行聚焦；一个合束元件3设置在聚焦光学元件2的聚焦位置处，将不同发光模块1发射的不同波长的输出光进行合束形成合束光后以相同的衍射角αn输出；分光元件4设置在合束元件3的衍射光路上，分光元件4将合束光分为反射光和透射光，其中一部分合束光透过分光元件4进行输出，另一部分合束光反射至反射光光路上的色散元件5，色散元件5将合束光分散为与聚焦光学元件2和合束元件3之间的各个波长的激光相对位置关系一致的分散光，也即各发光模块1的输出光经色散元件5后的出射角βn与其在合束元件3上的入射角αn构成一一对应关系，比如，第1个发光模块以入射角α1入射至合束元件3上，以出射角β1从色散元件出射，第N个发光模块以入射角αN入射至合束元件3上，以出射角βN从色散元件出射；各发光模块1的输出光经合束元件3后再经色散元件5的色散作用后的光束在变换光学元件6的变换作用下形成平行间隔光，并在变换光学元件6出射面的图像采集机构7上形成与各个发光模块1的输出光波长对应的图块。本发明的发光模块为两个、三个、四个、五个等等，具体数量不做限定，其中一个作为基准模块，其他的发光模块以基准模块为参照，对称设置在基准模块的上下两侧，也可以为其他发光模块全部设置在基准模块的上侧或全部在下侧，具体不做限定，只要保证基准模块的输出光正对聚焦光学元件的中心即可；为了便于描述区分，分别被分别标记为100,101-10N，101’-10N’，每个发光模块1经布拉格光栅16进行波长锁定后的中心波长不同；比如，基准发光模块100的输出光经布拉格光栅16进行波长锁定后的中心波长为λ0，发光模块101的输出光中心波长为λ1，发光模块101’的输出光中心波长为λ-1，发光模块10N的输出光中心波长为λN，发光模块10N’的输出光中心波长为λ-N，其他发光模块的中心波长依次类推。
本发明的布拉格光栅16为垂直反射式布拉格光栅，反射率在10％～30％的范围内，反射带宽小于1nm，温漂系数约为0.01nm/℃，温度与波长呈线性关系，满足以下关系式：
λ(T)＝λ0+0.01*(T-T0)
其中λ(T)是在温度为T时的中心波长；λ0是在温度为T0时的中心波长；0.01是波长随温度漂移系数，单位是nm/℃；
其具体结构和工作原理在此不做详细描述和限定，可以根据实际需要进行选择。
本发明的分光元件4可以为现有的非偏振型平面分光镜，也可以为立方体型，具体不做限定，主要目的在于将发光模块发射的输出光分成反射光和透射光两路光束，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。
如图5所示，本发明的发光模块1为方形盒状的激光器模块，内设有用于发射激光的激光单元11，激光单元11为激光器单管芯片，在快轴方向上呈台阶排布设置，内设有一个凹槽口，凹槽口设有两排多级台阶，一排多级台阶上对应设有个多个激光器单元11，另一排多级台阶上对应设有多个准直系统和反射镜14，发光模块1上一侧(如图1中所示的左上角)设有用于出射激光的出光孔15，多个反射镜14的反射面朝向出光孔15设置，在反射镜14与出光孔15之间设置布拉格光栅16，布拉格光栅16通过加热元件与温控装置17连接。每个发光模块1中的多个激光器单元11在慢轴方向也即水平方向并排排列，沿快轴方向即垂直方向台阶排列；具体的，如图5所示，每个发光模块1包括多个激光器单管芯片111-11n，多个激光器单管芯片111-11n一一对应设置在多级台阶上，呈台阶阵列排布且相邻两个激光器单管芯片的高度差相等；每个激光器单管芯片的出射面依次设有准直系统和反射镜，准直系统包括沿一个激光器单管芯片的出射面依次设置的一个用于压缩激光快轴方向的发散角的快轴准直透镜和一个用于压缩激光慢轴方向的发散角的慢轴准直透镜，反射镜14设置在慢轴准直透镜的出射面，且多个反射镜14对应设置在另一排多级台阶上，也呈台阶排布设置，相邻两个反射镜14的高度差也相等；多个激光器单管芯片发出的光分别经准直系统完全准直后，在对应地反射镜的作用下于快轴方向上进行空间合束，可以在较小的空间内设置较多数量的激光器单管芯片。反射镜14为45度反射镜且垂直于水平面设置，与快轴准直透镜和慢轴准直透镜组成的准直系统的光轴成45°，多个反射镜14设置实现多个半导体激光单管芯片出射的激光在空间上合束，经过反射镜14作用后形成空间合束光束，空间合束光束入射到布拉格光栅16，一部分空间合束光透过布拉格光栅16作为输出光，另一部分作为反馈光，回到激光器单管芯片内部，用于对半导体激光单管芯片出射的激光的波长进行锁定，布拉格光栅16与激光器单管芯片构成外腔，反馈光在芯片内部形成模式竞争，实现波长选择，使得发光模块1以锁定波长输出。作为可替换实施例，本发明的激光器单管芯片的前腔面镀有减反膜芯片，但不做具体限定。
本发明的快轴准直透镜12和慢轴准直透镜13为现有市场上的准直透镜，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。作为可替换实施例，本发明的快轴准直透镜12和慢轴准直透镜13均镀有减反膜，由于减少光束反射，相对于激光器芯片的光束波长，镀膜后的透过率应在99％以上，也可以不做限定。
本发明的发光模块1的光路原理如图6所示，激光器单管芯片111发出的激光在快轴方向上被快轴准直透镜121准直，快轴方向被准直的光到达慢轴准直透镜131，快轴方向上被准直的光被慢轴准直透镜131在慢轴方向上准直，成为完全准直光，完全准直光被慢轴准直透镜131出射面的反射镜141反射后从模块中发出；与激光器单管芯片111存在台阶高度差的激光器单管芯片112发出的光经快轴准直透镜122和慢轴准直透镜132准直后到达反射镜142，反射镜142与反射镜141也存在台阶高度差，激光器单管芯片112发出的光经反射镜142发射后从反射镜141上方通过，实现与激光器单管芯片111发出的光在快轴方向的合束；依次类推，多个台阶排布设置的激光器单管芯片发出的激光在空间上进行合束形成发光模块1的输出光。每个发光模块1均包括多个激光器单管芯片，多个激光器单管芯片呈台阶高度差设置，在较小的空间内集成更多的半导体激光单管，可以将更多数量的单管的光束进行空间合束后直接输出也可以通过非球面聚焦透镜(未图示)耦合进光纤8构成尾纤发光模块，从而具有更大的输出功率。
本发明的合束元件3为光栅，朝向傅里叶变换透镜的凸面设置，合束元件3偏振应与发光模块发出的光束偏振一致；光栅的衍射效率在相应的偏振方向上应在90％以上；光栅的中心波长在λ0～λn范围内；光栅相对于光轴以闪耀角放置；可以为透射式光栅也可以为反射式光栅。
本发明的色散元件5为光栅，光栅的中心波长在λ0～λn范围内；可以为透射式光栅也可以为反射式光栅，其结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。
本发明的合束元件3和色散元件4相对于光轴以各自的闪耀角放置；比如，各发光模块1的输出光经过合束元件3合束的合束光与合束元件3以衍射角αLittrow出射，该出射光束经过分光元件4作用后的一部分光束以衍射角βLittrow入射到色散元件5上；两个衍射角可以相等，也可以不相等，主要取决于合束元件3和色散元件5是否为同一光栅，如果为同一光栅，两者的衍射角相等；如果不为同一光栅时，则不相等；对应地，合束元件3和色散元件5为同一光栅时，各发光模块1的输出光入射至合束元件3的入射角αn与从色散元件5出射的出射角βn相等；如果不为同一光栅，则不相等。
本发明的合束元件3和色散元件5可以同时为透射式光栅，也可以同时为反射式光栅，还可以其中一个透射式光栅，另外一个为反射式光栅，具体选择不做限定，只要能实现合束之后再色散即可；如图1至图4所示，位于基准模块100上方的发光模块的输出光经过合束元件3、分光元件4和色散元件5后，出射方向向右，而位于基准模块100下方的发光模块的输出光经过合束元件3、分光元件4和色散元件5后，出射方向向左。
本发明的聚焦光学元件2为傅里叶变换透镜，傅里叶变换透镜一面平一面凸的柱面透镜，平的一面朝向发光模块1设置，凸的一面背向发光模块1设置朝向合束元件3设置。其具体结构和工作原理等在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择不同焦距的傅里叶变换透镜。比如由上述公式得知，为了在相同的谱宽范围内获得更多的合束单元可以选择长焦距的傅里叶变换透镜，具体情况可以根据实际需要进行选择。可选的，本发明的聚焦光学元件2也可以为其他的普通的聚焦光学元件，只要能实现将不同的发光模块发射的不同波长的激光进行聚焦入射至合束元件即可。
本发明的变换光学元件6为现有的普通变换柱面透镜，只要能满足将经色散元件5分散后的不同出射角的子束变换为平行子束即可，具体结构和原理不做描述和限定。
本发明的温控装置17，包括调温元件，与布拉格光栅16连接；温度检测元件(未图示)，用于检测布拉格光栅16的温度；控制器(未图示)，与调温元件和温度检测元件均电连接，控制器根据温度检测元件的检测信号，控制加热元件的升温或降温；调温元件包括加热元件或制冷元件；当需要升温时，开启加热元件；当需要降温时，开启制冷元件。如图7所示，本发明的温控装置16为现有市场上的常见的TEC温度控制装置，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，通过导热玻璃18与布拉格光栅16接触连接，通过导线19与控制器电连接，控制器与图像采集机构7连接，图像采集机构7与布拉格光栅16之间形成闭环连接；通过图像采集机构7采集到发光模块1的输出光在图像采集机构上的成像图块，与预设图块范围进行比较，判断是否存在偏差，若存在偏差，控制器将偏差转化对应发光模块1发射的激光的波长偏差，再转化为对应发光模块1的布拉格光栅16的温度偏差，根据布拉格光栅16的温度与波长关系，得到该发光模块1的布拉格光栅16与预设布拉格光栅16的温度差值，进而通过温控装置17进行升降温度来调整布拉格光栅16的温度，使得对应地发光模块1发射的激光的波长达到预设波长范围，实现波长锁定。
本发明的图像采集机构7为CCD，比如线阵CCD或面阵CCD等，不做特别限定，当然也可以为其他现有技术中的图像采集装置，其具体结构和工作原理，在此不做限定和描述。
为了在合束元件3处也即光栅能够实现合束，根据光栅的色散特性，需将第n个发光模块的中心波长锁定在λn，第n个发光模块的锁定波长λn与基准参考模块100对应的锁定波长λ0之间满足以下几何关系：
Figure BDA0002110602250000141
其中，λ0为基准发光模块的中心波长，λn为第n个发光模块中心波长，d为光栅的光栅周期，p为发光模块的间隔，fTL为聚焦光学元件的焦距，αLtirrow为光栅闪耀角；
上述公式的推导过程如下：
根据光栅方程，波长和入射角满足以下几何关系
λn＝d(sinαn+sinαLittrow),n＝±1,±2,±3,...,±N (1)
式中λn为第n个发光模块的输出光的中心波长，αn为第n个发光模块的输出光的入射至合束元件3的入射角，αLittrow为合束元件3的光栅闪耀角。
设p为相邻发光模块间的间距，fTL为聚焦光学元件的有效焦距，则根据透镜变换的几何关系，第n个发光模块的输出光入射至合束元件3的入射角为
Figure BDA0002110602250000155
联立(1)和(2)得到
Figure BDA0002110602250000151
应用中一般满足fTL＞＞n·p，因此可取近似
Figure BDA0002110602250000152
则(3)式化简为
Figure BDA0002110602250000153
两边分别对λn和n求一阶导数，得到相邻发光模块的输出光的中心波长的波长间隔
Figure BDA0002110602250000154
一般光栅的闪耀角较大，应用中不仅满足fTL＞＞n·p，且同时满足
Figure BDA0002110602250000161
此时公式(5)可化简为
Figure BDA0002110602250000162
由式(5)和(6)得需将第n个发光模块的输出光的中心波长锁定在λn处，锁定波长的计算为
λn＝λ0+n·Δλ (7)
即
Figure BDA0002110602250000163
由上述公式得知，合束波长间隔与光栅周期、发光模块间隔成正比，与聚焦光学元件的焦距成反比；因此，可以通过选择长焦距聚焦光学元件方法来降低合束波长间隔，从而可以在相同的谱宽范围内容纳更多的合束单元，从而提供系统功率，增加系统的输出光束亮度。
参见图1和图3，此系统的合束元件3为透射式光栅，透射式光栅相对于光轴以闪耀角αLittrow放置，n个发光模块的n个激光器芯片11发射的激光经准直系统完全准直后经反射镜反射在快轴方向上进行空间合束后到达布拉格光栅16，经布拉格光栅16锁定波长后从出光孔15输出到傅里叶变换透镜，经变换后将不同发光模块1发射的不同波长的激光的位置信息转化为角度信息后以不同的入射角αn聚焦入射到透射式光栅表面，在透射式光栅的作用下，不同子束以相同的衍射角αLittrow(合束元件3的光栅闪耀角)输出，形成合束光，合束光照射到分光元件4表面，在分光元件4的作用下分成反射光和透射光，透射光透过分光元件4输出，反射光经分光元件4反射后以入射角βLittrow(色散元件5的光栅闪耀角)入射至光栅表面；在光栅的色散作用下重新分散成不同角度的子束，各子束以βn输出，入射至变换光学元件6，在变换光学元件6的作用下将各子束形成平行光输出并垂直成像到CCD上，在CCD上形成等间隔的图块。本发明的透射式光栅为现有市场上的透射式光栅，其具体结构和工作原理在此不做限定和描述，可以根据实际需要进行选择。
参见图2和图4，此系统的合束元件3为反射式光栅，反射式光栅相对于光轴以闪耀角αLittrow放置，n个发光模块1的n个激光器芯片11发出的激光经准直系统完全准直后经反射镜反射在快轴方向上进行空间合束后到达布拉格光栅16，经布拉格光栅16锁定波长后从出光孔15输出到傅里叶变换透镜，经傅里叶变换将不同发光模块发射的不同波长的激光的位置信息转化为角度信息后，以不同的入射角αn聚焦入射到反射式光栅表面，在反射式光栅的作用下，各光束以相同的反射角αLittrow(合束元件的光栅闪耀角)输出，形成合束光，合束光反射到分光元件4表面，在分光元件4的作用下分成反射光和透射光，透射光透过分光元件输出，反射光经分光元件4反射后同样以βLittrow(色散元件的光栅闪耀角)入射至光栅表面，在光栅的色散作用下重新分散成不同角度的子束，各子束以βn输出，入射至变换光学元件6，在变换光学元件6的作用下将各子束形成平行光输出并垂直成像到CCD上，在CCD上形成等间隔的图块。本发明的反射式光栅为现有市场上的反射式光栅，其具体结构和工作原理在此不做限定和描述，可以根据实际需要进行选择。
上述的βLittrow与αLittrow在合束元件3和色散元件5为同一光栅时相等，在不为同一光栅时不等；同理，上述的βn与αn合束元件3和色散元件5为同一光栅时相等，在不为同一光栅时不等。
实施例2
本实施的合束方法，基于实施例1中的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，如图1至图10所示，包括以下步骤：
获取图像，图像包括参考图块及若干个待比较图块，其中参考图块对应于基准发光模块100(如图1中标示λ0的发光模块)的输出波长(λ0)的激光，待比较图块与其他的发光模块(如图1中标示λ1-λN和λ-1-λ-N的发光模块)的输出波长的激光一一对应；
基于参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围；
将任一待比较图块与各自对应的预设图块范围比较；
判断待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内；
若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该待比较图块对应的发光模块中布拉格光栅的锁定波长，以使该待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
在判断待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内的步骤中，
待比较图块与各自对应的预设图块的偏差不大于2个像素点，则表明该待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
在若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该待比较图块对应的发光模块中布拉格光栅的锁定波长的步骤中，
通过调整该待比较图块对应的发光模块中布拉格光栅的温度，以调整该布拉格光栅的锁定波长。
在基于参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围的步骤中，参考图块与其相邻的预设图块之间的间距，与任意相邻的预设图块之间的间距相等。
由于各发光模块的输出光在图像采集机构上的成像的图块不是一个点，是一个区域，反应到处理图像上，上述的预设图块范围可以用各待比较图块与参考图块的位置间隔来描述。
由上述波长锁定公式可知，第n个发光模块1的输出光入射到合束元件3上的入射角为
Figure BDA0002110602250000191
经过合束元件3合束的合束光与合束元件以衍射角αLittrow出射，该出射光束经过分光元件4作用后的一部分光束以βLittrow入射到色散元件5上，根据光栅衍射特性，波长为λn(n＝±1,±2,±3,...,±N)的光束，假设变换光学元件6的焦距为f,在图像采集机构7上的图块的间隔为p0，则根据几何关系
Figure BDA0002110602250000192
计算得到
Figure BDA0002110602250000193
待比较发光模块(如图中标示输出波长为λ1-λN和λ-1-λ-N的发光模块)相对于基准发光模块100(如图中标示输出波长为λ0的发光模块)上下对称排列，待比较模块的输出光在图像采集机构7上形成的待比较图块相对于基准参考模块100的输出光在图像采集机构7上的参考图块是左右对称的；由上述公式(7)得知发光模块1的输出光的锁定波长从上往下以Δλ递减，对应地在图像采集机构7上的对应图块的对应波长从左到右也以Δλ逐渐递减，由于相邻图块的对应波长是等间隔的，因此，相邻图块之间的间隔也是相等的；
由上述公式(10)可以计算得到相邻图块之间的理论间隔值p0，由此，可以得到每个待发光模块在图像采集机构7上的待比较图块的预设图块范围；为了减小误差，我们以锁定波长为λ0的发光模块作为参考，其在图像采集机构7上的图块作为参考图块，待比较图块与参考图块之间的理论间隔预存在于控制器内。
如图8所示为发光模块的输出光在图像采集机构上成像的图块均在理论位置，即每个发光模块的输出光在图像采集机构上成像的图块均在预设图块范围内。
图像采集机构7采集到各发光模块1的图块的实际图像信息，图像采集机构对实际图像信息进行处理，将图像信息转化为位置信息，得到处理图像，图像采集机构7将采集到的各发光模块1的图块的实际位置信息反馈给控制器，控制器分析得到各待比较发光模块的待比较图块相对于参考图块之间的实际间隔；由采集到的参考图块的实际图块范围，控制器进行计算分析得到各待比较模块的预设图块范围，控制器将各待比较发光模块的待比较图块的实际图块与其对应的预设图块范围进行比较，判断实际图块是否落入预设图块范围内，即与预设图块范围是否存在偏差，控制器再将图块偏差转化为图块对应的发光模块的输出光的波长偏差，再根据布拉格光栅16的温漂特性将波长偏差转换成温度偏差，继而得到温度该升高还是该降低以及升高和降低的具体值，然后控制器再控制温控装置17调节布拉格光栅16的温度实现调整实现多发光模块的合束。
假设控制器读取出的第n个发光模块的待比较图块与其预设图块范围存在偏差，假设此偏差为L(左偏为负值，如图9所示；右偏为正值，如图10所示)，由光栅的特性可知，该待比较发光模块1的输出光在色散元件5处的衍射角设为βn’，根据几何关系
Figure BDA0002110602250000201
根据光栅方程，其锁定波长为
λn＝d(sinβLittrow+sinβn') (13)
此时计算得到的是该待比较图块对应的发光模块的实际锁定波长，控制器再比较实际锁定波长和理论计算的该发光模块的锁定波长(由上述公式(8)计算得到)；最后根据上述实施例1中的布拉格光栅16的温度和波长的几何关系，由波长偏差转化为温度偏差，根据计算得到的发生偏差的待比较图块对应的发光模块1的实际锁定波长，得到该发光模块1的布拉格光栅16的实际温度，继而与预设温度进行比较，得到温度该升高还是该降低以及升高和降低的具体值；
最后通过温控装置17进行升温或降温来调节布拉格光栅16的温度来调节对应发光模块1的锁定波长；温度检测元件检测到布拉格光栅16的实际温度，控制器根据计算分析得到的温差值，控制加热或制冷元件开启，通过导热玻璃将热量传导给布拉格光栅16；当温度检测元件检测到布拉格光栅16的温度达到预设值时，控制器控制加热或制冷元件关闭；导热元件与布拉格光栅接触连接发生热交换，即使关闭加热或制冷元件，布拉格光栅与导热玻璃之间仍会继续发生热交换，因此布拉格光栅的锁定波长与预设值之间可能会存在误差，从而在图像采集机构7上的图块的位置也会存在偏差，但是只要该发光模块1在图像采集机构7上的图块范围与预设图块范围的偏差在两个像素范围内，即表明该发光模块的中心波长已锁定。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，包括至少两个间隔且并排布置的发光模块(1)，任一所述发光模块(1)包括激光单元(11)，及用于接收所述激光单元(11)发射出的激光的布拉格光栅(16)；其中，一个所述发光模块(1)作为基准发光模块(100)；设在所有所述发光模块(1)的输出光路上的聚焦光学元件(2)；设在所述聚焦光学元件(2)的输出光路的聚焦位置处的合束元件(3)；其特征在于，还包括
分光元件(4)，设在所述合束元件(3)的输出光路上；
色散元件(5)，设在所述分光元件(4)的任一输出光路上，用于将合束光分散为与所述聚焦光学元件(2)和所述合束元件(3)之间的各个波长的激光相对位置关系一致的分散光；
变换光学元件(6)，设在所述色散元件(5)的输出光路上，用于将所述分散光透射为平行光；
图像采集机构(7)，设在所述变换光学元件(6)的输出光路上，用于采集所述变换光学元件(6)的输出光路上的平行光照射的图块。
2.根据权利要求1所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，其特征在于，所述发光模块(1)为至少三个，所有所述发光模块(1)等间距并列排布。
3.根据权利要求1所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，其特征在于，
所述合束元件(3)和所述色散元件(5)均为光栅。
4.根据权利要求3所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，其特征在于，
所述合束元件(3)和所述色散元件(5)均为透射式光栅或反射式光栅，所述合束光经所述合束元件(3)的衍射角为所述合束元件(3)的光栅闪耀角，所述合束光入射至所述色散元件(5)的入射角为所述色散元件(5)的光栅闪耀角。
5.根据权利要求1-4任一项所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，其特征在于，任一所述发光模块还包括设在所述布拉格光栅(16)的输出光路上的光纤(8)。
6.根据权利要求1-4中任一项所述的一种布拉格光栅外腔激光器模块合束装置，其特征在于，还包括温控装置(17)，所述温控装置(17)包括
调温元件，设在所述布拉格光栅(16)上；
温度检测元件，用于检测所述布拉格光栅(16)的温度；
控制器，与所述调温元件和所述温度检测元件均电连接，所述控制器根据所述温度检测元件的检测信号，控制所述调温元件的升温或降温。
7.一种基于权利要求1-6任一项所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取图像，所述图像包括参考图块及若干个待比较图块，其中所述参考图块对应于所述基准发光模块的输出波长的激光，所述待比较图块与其他的所述发光模块的输出波长的激光一一对应；
基于所述参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围；
将任一所述待比较图块与各自对应的预设图块范围比较；
判断所述待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内；
若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的锁定波长，以使该所述待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
8.根据权利要求7所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，其特征在于，在判断所述待比较图块是否落入各自对应的预设图块范围内的步骤中，
待比较图块与各自对应的预设图块的偏差不大于2个像素点，则表明所述待比较图块落入各自对应的预设图块范围内。
9.根据权利要求7所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，其特征在于，
在所述若待比较图块超出各自对应的预设图块范围外，调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的锁定波长的步骤中，
通过调整该所述待比较图块对应的所述发光模块中布拉格光栅的温度，以调整该所述布拉格光栅的锁定波长。
10.根据权利要求7-9中任一项所述的布拉格光栅外腔激光器模块合束装置的合束方法，其特征在于，
在基于所述参考图块，获取各个待比较图块各自对应的预设图块范围的步骤中，所述参考图块与其相邻的预设图块之间的间距，与任意相邻的预设图块之间的间距相等。
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