CN110337763B - 激光装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种激光装置(100-1),其与产生波长彼此不同的激光束的多个激光介质(11),使从多个激光介质(11)各自射出的激光束通过重叠透镜(2)在分散元件(3)上重叠为1个而进行耦合,在该激光装置(100-1)中,分散元件(3)配置在通过重叠透镜(2)将多个激光束重叠为1个的位置,并且使多个激光束的一部分作为第1激光束而向激光介质(11)侧返回,使多个激光束的一部分作为具有1个光轴的第2激光束而输出。
Description
技术领域
本发明涉及通过将波长不同的多个激光束进行耦合而得到高功率的激光束的波长光束耦合型的激光装置。
背景技术
在专利文献1中公开的现有的激光装置,将波长不同的多个激光束重叠于作为衍射光栅的分散元件上,通过分散作用而生成耦合为1根的激光束,使用部分反射镜对该耦合后的激光束的一部分进行反射,使其向激光介质返回而构成共振器,并且构成为将耦合后的激光束透过部分反射镜的成分作为输出而取出。
专利文献1:美国专利申请公开第2011/0216417号说明书
发明内容
但是,在专利文献1所公开的现有的激光装置中,存在下述课题,即,在耦合后的激光束的一部分进行反射而向激光介质侧返回时激光束经由分散元件,因此由于分散元件的损耗而光束功率降低,并且能效降低。
本发明就是鉴于上述而提出的,其目的在于得到一种激光装置,该激光装置能够抑制光束功率及能效的降低。
为了解决上述的课题,并达到目的,本发明的激光装置与产生波长彼此不同的激光束的多个激光介质,将从多个激光介质各自射出的激光束通过重叠单元在分散元件上重叠为1个而进行耦合,该激光装置的特征在于,分散元件设置于通过重叠单元将多个激光束重叠为1个的位置,并且使多个激光束的一部分作为第1激光束向激光介质侧返回,使多个激光束的一部分作为具有1个光轴的第2激光束而输出。
发明的效果
本发明所涉及的激光装置实现下述效果,即,能够抑制光束功率及能效的降低。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光装置的结构的图。
图2是表示在本发明的实施方式1所涉及的激光装置中,2级衍射光向激光介质返回时的各激光束的波长的图。
图3是表示在针对2级衍射光进行了利特罗配置的衍射光栅处产生的1级衍射光的衍射角的图。
图4是表示在专利文献1公开的激光装置的结构的图。
图5是表示半导体激光的寿命相对于反馈率的关系的图。
图6是表示本发明的实施方式2所涉及的激光装置的结构的图。
图7是表示对比例所涉及的激光装置的结构的图。
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的激光装置的结构的图。
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的激光装置的结构的图。
图10是表示本发明的实施方式5所涉及的激光装置的结构的图。
图11是表示本发明的实施方式6所涉及的激光装置的结构的图。
具体实施方式
下面,基于附图,对本发明的实施方式所涉及的激光装置详细地进行说明。此外,本发明并不限定于本实施方式。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的激光装置的结构的图。实施方式1所涉及的激光装置100-1具有激光单元1、在激光单元1的出射侧配置的分散元件3、以及在激光单元1及分散元件3之间配置的作为重叠单元的重叠透镜2。分散元件3设置在通过重叠透镜2将多个激光束重叠为1个的位置,并且将多个激光束的一部分作为第1激光束而使其向激光介质11侧返回,将多个激光束的一部分作为具有1个光轴的第2激光束而输出。
作为激光单元1能够例示出半导体激光阵列或者半导体激光条。作为激光介质11能够例示出半导体激光阵列。半导体激光条是由形成有多个发光点的一片半导体芯片形成的器件,半导体激光阵列是将多个半导体芯片组装至一个器件而成的。有时半导体激光条包含于半导体激光阵列。多个激光介质11各自产生的激光束通过重叠透镜2被偏转,对各自赋予不同的出射角度而在分散元件3上重叠。
作为分散元件3,能够例示出衍射光栅,在激光装置100-1中分散元件3进行了所谓的利特罗(Littrow)配置。利特罗配置是指下述配置,即,以在设想的波长下使多个激光束各自的2级衍射光的衍射角和多个激光束各自的入射角一致的方式,设定有衍射光栅的槽数量及设置角度。在具有进行了利特罗配置的衍射光栅的激光装置100-1中,构成共振器50,该共振器50在衍射光栅处产生的2级衍射光成为沿着入射光束返回至各自的激光介质11的反馈光,在各自的激光介质11和衍射光栅之间针对每个光束以各自不同的波长进行动作。
衍射光栅的入射角θ、衍射光栅的衍射角φ和激光束的波长λ的关系通过式(1)的光栅方程式被赋予。在式(1)中,d表示衍射光栅的槽的间隔,m表示衍射次数。
【式1】
d(sinφ+sinθ)=mλ …(1)
在利特罗动作时的2级衍射光(衍射次数m=2)中,将2级衍射光的衍射角设为φ2、将衍射光栅的入射角设为θin时,式(2)成立。利特罗动作是指下述动作,即,在针对2级衍射光进行了利特罗配置的衍射光栅处产生的2级衍射光向激光介质11返回的动作。
【式2】
d(sinφ2+sinθin)=2λ …(2)
另外,如式(3)所示,在2级衍射光的衍射角φ2与衍射光栅的入射角θin相等时,2级衍射光的衍射角φ2通过(4)式表示。
【式3】
sinφ2=sinθin …(3)
【式4】
此时,与2级衍射光同时产生的1级衍射光的衍射角φ1通过(5)式表示。即,1级衍射光的衍射角φ1不依赖于激光束的波长λ而成为φ1=0。
【式5】
根据上述的解析结果,在实施方式1所涉及的激光装置100-1的动作时,波长不同的多个激光束的所有1级衍射光不依赖于波长,而是相对于衍射光栅面向垂直方向输出。由此,能够得到在同轴上方向对齐的耦合为1根的输出光束。
接下来,对激光装置100-1的动作进行说明。图2是在表示在本发明的实施方式1所涉及的激光装置中,2级衍射光向激光介质返回时的各激光束的波长的图。图2的横轴表示向分散元件3射入的多个激光束各自的入射角,图2的纵轴表示向分散元件3射入的多个激光束各自的波长。在图2中,示出从以使向衍射光栅的入射角成为64.0[deg]~66.0[deg]的方式配置的多个激光介质11输出的激光束在925[line/mm]的衍射光栅重叠时,在针对2级衍射光进行了利特罗配置的衍射光栅处产生的2级衍射光向激光介质11返回时的各激光束的波长。
图3是表示在针对2级衍射光进行了利特罗配置的衍射光栅处产生的1级衍射光的衍射角的图。图3的横轴表示向分散元件3射入的多个激光束各自的入射角[deg],图3的纵轴表示1级衍射光的衍射角φ1。在图3中,示出从以使向衍射光栅的入射角成为64.0[deg]~66.0[deg]的方式配置的多个激光介质11输出的激光束在925[line/mm]的衍射光栅重叠时,在针对2级衍射光进行了利特罗配置的衍射光栅处产生的1级衍射光的衍射角φ1。实线表示针对1级衍射光的衍射角,虚线表示针对2级衍射光的衍射角。
在激光装置100-1的共振器50中,在多个激光介质11各自产生的激光束的2级衍射光各自向多个激光介质11反馈。由此,多个激光介质11各自在图2所示的接近980[nm]的波长下振荡。此时,如图3所示,1级衍射光的衍射角φ1相对于以64~66[deg]配置的所有激光介质11成为0[deg],得到耦合为1根的输出光束。
下面,对在专利文献1公开的激光装置与实施方式1所涉及的激光装置100-1进行比较,说明激光装置100-1的效果。
图4是表示在专利文献1公开的激光装置的结构的图。在专利文献1中公开的激光装置100A具有激光单元1、重叠透镜2、分散元件31及部分反射镜40。激光单元1、重叠透镜2、分散元件31及部分反射镜40构成共振器51。
在激光装置100A中,从激光单元1所具有的多个激光介质各自产生的激光束集束为1根耦合光束而输出。另外,在激光装置100A中,分散元件31对多个激光束的各个进行分配而反馈,由此得到与为了使共振器51正常地动作的波长相关的信息。由此,决定多个激光束各自的波长。
在激光装置100A中,伴随有损耗的分散元件31配置在共振器51内,因此在共振器51内激光束反复传输时受到分散元件31的损耗的影响,光束功率降低,并且能效降低。另外,激光装置100A具有构成共振器51的部分反射镜40及分散元件31这样的多个光学元件,因此需要进行对准的要素增多,光束功率容易变得不稳定。
与此相对,实施方式1所涉及的激光装置100-1作为具有使从多个激光介质11各自产生的激光束向原来的激光介质11反馈的作用的重返反射器,分配分散元件3的2级衍射,从而决定多个激光束各自的波长。另外,在实施方式1所涉及的激光装置100-1中,利用此时同时地产生的1级衍射光的衍射角φ1全部成为0[deg]的性质,得到集束为1根的耦合光束输出。
通过如上所述的功能及作用,在实施方式1所涉及的激光装置100-1中,分散元件3的损耗限定于共振器50端,不存在共振器50内的损耗,将由分散元件3的损耗引起的光束功率的降低和能效的降低和抑制为最小限度。
另外,在实施方式1所涉及的激光装置100-1中,能够通过1片分散元件3同时地进行波长的决定及耦合,因此不需要图4所示的部分反射镜40,能够减少光束功率变得不稳定的原因。
此外,图4所示的激光装置100A是使用了共振器内部波长耦合方式的激光装置,与此相对,实施方式1所涉及的激光装置100-1是使用了共振器端部波长耦合方式这样的新方式的激光装置。激光装置100A存在激光束反复传输时的损耗的影响。根据实施方式1所涉及的激光装置100-1,与激光装置100A不同,没有无用的光学动作,得到高光束功率及能效。另外,不需要作为光学元件的部分反射镜40,因此能够使光束功率稳定。
另外,实施方式1所涉及的激光装置100-1能够应用于实施了与在激光单元1的射出面设置的解理面相比降低反射率的减反射涂层的半导体激光的外部共振器。在增益高的半导体激光的情况下,容易得到高斜率效率的低反馈率的半导体激光能够得到高功率。低反馈率是表示相对于1级衍射光而2级衍射光的衍射效率低。另外,存在下述报告,即,在反馈率高的情况下,半导体激光的寿命变短,优选在能够进行明确的波长决定的范围中反馈率低。就实施方式1所涉及的激光装置100-1而言,通过将作为第1激光束而向激光介质侧返回的比例设为小于或等于10%,从而能够提高能效,并且能够延长装置的寿命。
图5是表示半导体激光的寿命相对于反馈率的关系的图。图5的纵轴表示半导体激光的寿命,图5的横轴表示2级衍射光沿入射光束返回至各自的激光介质11的反馈率。半导体激光的寿命是反馈率越高则越减少,因此从激光装置的寿命的观点出发,优选反馈率低。根据图5所示的半导体激光的寿命相对于反馈率的特性,如果反馈率大于或等于10%,则半导体激光的寿命成为对半导体激光的射出端面进行部分反射涂覆而作为没有外部共振器的半导体激光使用时(通常是反馈率为几%)的一半以下。因此,为了将反馈率设为小于或等于10%,由于进行反馈的分散元件3的2级衍射效率设为小于或等于10%。
另一方面,如果将反馈率、即从外部共振器向半导体激光的返回率降低,则难以将半导体激光的振荡波长通过外部共振器进行控制。在半导体激光的射出面,如前述所示设置有减反射涂层,但存在小于或等于0.5%的残留反射率。如果来自外部共振器的返回率降低,则从外部振荡切换至由向半导体激光射出面的残留反射率引起的振荡。如上所述,半导体激光的寿命和外部共振器的有效性处于折衷的关系。需要根据上述折衷的关系,决定反馈率。作为能够兼顾半导体激光的寿命和外部共振器的有效性的反馈率,优选2%~10%。
另外,为了实现提高能效的动作,将取出的1级衍射光的输出效率设得较高是有利的。在同时地产生2级衍射光和1级衍射光的分散元件3中,产生+1级衍射光和-1级衍射光这两者。此时分散元件3是对称构造,在分散元件3的+1级衍射光及-1级衍射光的产生特性彼此相同的情况下,难以将1级衍射效率提高至大于或等于50%,作为结果,成为高效率化的妨碍。1级衍射效率是指1级衍射光功率相对于入射光功率的比例。针对如上所述的课题,在对分散元件3使用闪耀光栅或者大于或等于2层的槽构造,第2激光束为分散元件3的+1级衍射光及-1级衍射光的情况下,分散元件3构成为+1级衍射光及-1级衍射光的产生特性相互不同。由此,对分散元件3射入的激光束的向1级衍射的耦合变大,作为结果,能够实现提高能效的动作。
实施方式2.
图6是表示本发明的实施方式2所涉及的激光装置的结构的图。实施方式2所涉及的激光装置100-2在激光单元1、重叠透镜2及分散元件3的基础上,还具有波长滤波器4。波长滤波器4配置在重叠透镜2及分散元件3之间。作为波长滤波器4,能够例示标准具或者薄膜滤波器。
在通常的衍射光栅中,在以利特罗配置的使用中得到最大的反射率、即最大的衍射效率,因此容易选择与利特罗条件匹配的波长。然而仅根据该效果,将激光束不同的激光介质间横断而以没有预料到的波长进行振荡,因此存在不能抑制光束品质降低的现象、所谓串扰现象的可能性。实施方式2所涉及的激光装置100-2通过使用损耗小的波长滤波器4而抑制串扰现象,由此能够得到高光束功率及能效,并且能够得到高光束品质的输出。
下面,作为一个例子对在美国专利申请公开第2015/0146282号说明书中公开的激光装置与实施方式2所涉及的激光装置100-2进行比较,对激光装置100-2的效果进行说明。下面,有时将在美国专利申请公开第2015/0146282号说明书中公开的激光装置简称为对比例所涉及的激光装置。
图7是表示对比例所涉及的激光装置的结构的图。对比例所涉及的激光装置100B是由至少具有激光单元1、重叠透镜2及波长滤波器60的共振器部70、和至少具有分散元件32的光束耦合部80构成的。对比例所涉及的激光装置100B是使用了共振器外部波长耦合方式的激光装置,与此相对,实施方式2所涉及的激光装置100-2是使用了共振器端部波长耦合方式这样的新方式的激光装置。
在对比例所涉及的激光装置100B的共振器部70中,决定多个激光束各自的波长,得到在光束耦合部80中耦合为1根的输出光束。波长滤波器60及分散元件32各自具有角度依赖性,因此如果共振器部70或者光束耦合部80的角度变动,则波长决定特性和光束耦合特性的关系变化,作为结果,输出光束的品质变动。另外,对比例所涉及的激光装置100B具有共振器部70及光束耦合部80,因此与仅具有共振器部70的情况相比,结构变得复杂,激光装置的制造成本增加。
与此相对,实施方式2所涉及的激光装置100-2将多个激光束的波长的决定及耦合通过1片分散元件3进行,因此波长决定特性和光束耦合特性之间的关系不会发生偏差,输出光束的品质不会变动。另外,激光装置100-2与对比例所涉及的激光装置100B相比,结构简单化,能够降低激光装置的制造成本。
另外,在对比例所涉及的激光装置100B中使用的波长滤波器60中,存在选择周期性的多个波长的可能性,因此为了避免没有预想到的波长选择,需要自由光谱区域(FreeSpectral Range:FSR)宽的滤波器。在FSR宽的滤波器中存在光谱宽度扩大的倾向,因此为了在宽频带中得到窄光谱的品质高的光束,作为结果,需要精细度高的滤波器。然而,在高精细度的滤波器中损耗增加,因此难以兼顾高光束功率及能效和高光束品质。
与此相对,在实施方式2所涉及的激光装置100-2中,通过分散元件3确保了窄光谱宽度,因此使用仅抑制串扰的损耗小的波长滤波器4。通过使用损耗小的波长滤波器4抑制串扰,从而得到高光束功率及能效,并且得到高光束品质。
实施方式3.
图8是表示本发明的实施方式3所涉及的激光装置的结构的图。实施方式3所涉及的激光装置100-3在激光单元1、重叠透镜2及分散元件3的基础上,还具有波长滤波器4、作为对多个激光束进行准直的光学元件的准直器5、以及作为使光束轴旋转的光学元件的光束旋转元件6。波长滤波器4配置在重叠透镜2及分散元件3之间。光束旋转元件6配置在激光单元1和重叠透镜2之间,准直器5配置在激光单元1和光束旋转元件6之间。
在实施方式3所涉及的激光装置100-3中能够实现高能效,但为了使2级衍射光及1级衍射光同时地产生,在分散元件3的分散能力上产生限制,在使多个激光束重叠的情况下产生将从激光介质11至分散元件3为止的光学长度加长的需求,产生分散元件3上的光束直径变大这样的课题。
对于该课题,有效的做法是使用在光束重叠方向上发散角尽可能小的光束。在大面积的高功率半导体激光的情况下快轴方向的发散角小,因此作为光束重叠方向使用快轴方向是有效的。作为用于以使快轴方向成为光束重叠方向的方式使激光束旋转的光学要素,作为一个例子在美国专利第5513201号说明书中公开有多个实施例,使用任一个即可。根据该结构,能够减小光束重叠方向的各光束的发散角,因此能够减小重叠透镜之后的光学元件,能够实现小型且低成本的装置。该结构针对由于使用同时地产生2级衍射光及1级衍射光的分散元件而在分散元件的分散能力上产生限制,从激光介质至分散元件的光学长度变长,光束变大这样的课题,具有显著的效果。
进一步详细说明实施方式3所涉及的激光装置100-3的动作。在本实施方式中,在激光介质11产生的多个激光束在分散元件3上的1点重叠为平行光束。该光学动作相当于将处于空间上的不同的位置的激光束的位置信息转换为光束轴的角度信息的所谓傅里叶变换动作。此时,从激光介质11至分散元件3位置的光学系统的光线矩阵如式(6)所示,通常B成为被称为光学距离的参数。如果将分散元件3的分散能力由D表示,则能够配置激光介质11的空间范围由“D×B×Δλ”求出。如果将可利用的波长宽度Δλ设为共通,则如果分散能力D小,则为了确保配置多个激光介质11的空间范围,需要长的光学距离B。
【式6】
在这里,在实施方式3所涉及的激光装置100-3中,分散元件3与1级衍射光一起产生2级衍射光,因此需要将2级衍射光的衍射角设为小于180°,分散能力被限制为2级衍射光的衍射角小于180°的范围。如果作为分散元件3而考虑衍射光栅,则在不使用2级衍射光而能够使用至1800根衍射光栅的情况下,在使用2级衍射光的激光装置100-3中,被限制为900根衍射光栅的使用。因此,为了配置相同的激光介质11,需要更长的光学距离,分散元件3上的光束的大小变大。此外,为了配置相同激光介质11是表示相对于使用2级衍射光的本实施方式所涉及的激光装置,为了配置为与现有的不使用2级衍射光的激光装置相同的尺寸、相同的光束发散角以及相同数量的激光介质的含义。此外,分散元件3上的光束的大小通过“光束的发散角×光学距离B”求出。
针对如上所述的课题,有效的做法是将光束重叠方向的光束发散角设得较小,将光束发散角小的方向与光束重叠方向对齐的光束旋转元件6,在实施方式3中具有显著的效果。此外,在实施方式3中作为放宽成为课题的分散能力的限制的结构,能够例示出使用在高折射率介质中发挥分散作用的浸没光栅或者棱栅的结构。
实施方式4.
图9是表示本发明的实施方式4所涉及的激光装置的结构的图。实施方式4所涉及的激光装置100-4在实施方式3所涉及的激光装置100-3的结构的基础上,还具有将多个激光束的重叠面向分散元件3上进行中继的中继光学系统7。中继光学系统7配置在波长滤波器4和分散元件3之间。根据激光装置100-4,能够对实施方式3中的波长滤波器4的特性和分散元件3的特性的关系进行调整,因此使用低成本的标准件,设计的自由度扩大,因此降低激光装置的制造成本。
实施方式5.
图10是表示本发明的实施方式5所涉及的激光装置的结构的图。在实施方式5所涉及的激光装置100-5中准直器5倾斜,通过使用倾斜的准直器5而省略重叠透镜2。根据激光装置100-5,能够省略重叠透镜2,因此能够降低激光装置的制造成本。
实施方式6.
图11是表示本发明的实施方式6所涉及的激光装置的结构的图。在实施方式6所涉及的激光装置中,使用2个激光单元1,来自多个激光单元1的激光束在分散元件3重叠。在实施方式6所涉及的激光装置中,多个激光介质配置在隔着分散元件3面的法线而以正及负的角度向分散元件3射入的位置。通过该结构,能够使更多的激光介质的光重叠,能够得到可提高功率及亮度的效果。
此外,在实施方式1~5所涉及的激光装置中,在第2激光束为分散元件3的+1级衍射光或-1级衍射光的情况下,也可以追加对在分散元件3产生的0级衍射光进行回收的光学系统。根据该结构,对成为损耗的0级衍射光进行回收,能够实现能效的提高。分散元件3中的0级衍射光不可避免地产生,通常成为损耗。关于0级衍射光的回收和利用,作为一个例子在美国专利申请公开第2015/0333485号说明书中进行了公开,但0级衍射光及其衍生光束被困在高反射面之间而不能容易耦合于输出,因此难以进行有效的动作。在本实施方式中,使用具有产生0级衍射光、1级衍射光及2级衍射光的3端口的分散元件3,分散元件3作为一种循环器进行动作,能够对耦合于输出的0级衍射光进行回收。如上所述,对0级衍射光进行回收的光学系统,在使用同时产生1级衍射光及2级衍射光的分散元件3的结构中具有显著的效果。
在以上的实施方式示出的结构表示本发明的内容的一个例子,也能够与其他公知技术进行组合,在不脱离本发明的主旨的范围也能够省略、变更结构的一部分。
标号说明
1激光单元,2重叠透镜,3、31、32分散元件,4波长滤波器,5准直器,6光束旋转元件,7中继光学系统,11激光介质,40部分反射镜,50、51共振器,60波长滤波器,70共振器部,80光束耦合部,100-1、100-2、100-3、100-4、100-5、100A、100B激光装置。
Claims (10)
1.一种激光装置,其具备产生波长彼此不同的激光束的多个激光介质,将从所述多个激光介质各自射出的激光束通过重叠单元在分散元件上重叠为1个而进行耦合,
该激光装置的特征在于,
所述分散元件设置于通过所述重叠单元将多个所述激光束重叠为1个的位置,并且使波长彼此不同的激光束的2级衍射光向各自的所述激光介质返回,将波长彼此不同的激光束的+1级衍射光及-1级衍射光作为具有1个光轴的激光束而输出。
2.根据权利要求1所述的激光装置,其特征在于,
所述分散元件进行利特罗配置,
所述利特罗配置是射出所述+1级衍射光及所述-1级衍射光,使所述2级衍射光向各自的所述激光介质返回的配置。
3.根据权利要求1所述的激光装置,其特征在于,
具有在所述激光介质和所述分散元件之间配置的波长滤波器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置,其特征在于,
具有对多个所述激光束各自进行准直的准直器。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置,其特征在于,
具有使多个所述激光束各自的光束轴旋转的光束旋转元件。
6.根据权利要求4所述的激光装置,其特征在于,
具有使多个所述激光束各自的光束轴旋转的光束旋转元件。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置,其特征在于,
具有与多个所述激光束的重叠面在所述分散元件上进行中继的中继光学系统。
8.根据权利要求4所述的激光装置,其特征在于,
相对于包含有向所述分散元件的入射光和衍射光在内的面内,使所述准直器倾斜,从而对从所述激光介质射出的主光线的朝向进行变更。
9.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置,其特征在于,
具有对在所述分散元件中产生的0级衍射光进行回收的光学系统。
10.根据权利要求1至3中任一项所述的激光装置,其特征在于,
多个所述激光介质配置在隔着所述分散元件面的法线以正及负的角度向所述分散元件射入的位置。
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