CN110676691A - 基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光技术领域，公开了一种基于准直‑偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，该装置包括半导体激光阵列(1)，依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直‑偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中准直‑偏转元件(4)用于使不同发射单元发出的光束折射并使它们入射到衍射光栅(5)的同一区域，利用衍射光栅(5)将重叠在同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出。本发明通过对合束装置中各个组件的构成及它们的设置方式、内部构造等进行改进，能够有效解决传统半导体激光阵列光谱合束方式中存在的诸如偏离中心的发射单元所发出光束反馈、合束效率低下等问题。

Description

基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法

技术领域

本发明属于半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，是一种新型的半导体激光阵列光谱合束系统及合束方法。

背景技术

随着激光科学领域突飞猛进的发展，其中一个重要的课题是实现高功率、高亮度的激光输出。

半导体激光器由于波长选择范围广泛、尺寸小、电-光能量转换率高以及工作寿命长等优势，在通信、生物、医疗以及材料加工等方面广泛使用。但其缺点也是显而易见的：单个发光单元的功率低、慢轴方向光束质量差导致光束能量密度低等等，这些缺点阻碍了半导体激光器目前阶段作为高功率、高亮度光源而直接使用。

用半导体激光器实现高功率、高亮度输出的一种有效途径为光束合束。过去的多年里诞生了多种合束方法，主要有：空间合束、偏振合束和波长合束。其中空间合束是将半导体激光光束从空间上堆砌式叠加，但与此同时使得光束质量变差，因此无法实现光束亮度的最优化；偏振合束是利用光的偏振特性，将两束偏振方向垂直的光束叠加在一起，因而在光束质量不变的前提下提升了功率，但仅为两倍；波长合束亦仅为两倍功率。

2000年MIT/LL提出了一种基于光栅外腔模型、用变换透镜将半导体激光阵列发出的多束光束汇聚到光栅同一区域并以相同角度衍射的方法。该方法实现了多光束的空间重合，并保持了较好的光束质量(近20倍衍射极限)(V.Daneu,A.Sanchez,T.Y.Fan,H.K.Choi,G.W.Turner,and C.C.Cook,“Spectral beam combining of a broad-stripe diodelaser array in an external cavity”,Opt.Lett.,vol.25,pp.405–407,2000)。2016年TeraDiode公司在此基础上更是实现了功率4-KW，光束质量3.5mm·rad的输出(R.K.Huang,B.Chann,J.Burgess,B.Lochman,W.Zhou,M.Cruz,R.Cook,D.Dugmore,J.Shattuck,andP.Tayebati,“Teradiode’s high brightness semiconductor lasers”,Proc.SPIE 9730,97300C(2016).)。该合束系统及方法发展至今已成为典型的光谱合束系统及方法，但这种系统及方法采用的平-凸球面变换透镜对非主光轴上的光束产生的离轴像差不容忽视，很大程度上降低了离轴光束的反馈、合束效率，进而降低了整个系统的能量转换效率，这种情况在大尺寸、多发射单元的水平激光阵列合束中尤为突出；在高占空比的半导体激光阵列合束中，离轴像差甚至可能造成相邻发射单元的模式混乱。因此这种典型的光谱合束系统及方法难以适用于大尺寸水平半导体激光阵列或发射单元密集分布的半导体激光阵列。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，其中通过对半导体激光光谱合束装置中各个组件的构成及它们的设置方式、内部构造等进行改进，同时对对应的合束方法其整体处理工艺进行控制，与现有技术相比能够有效解决传统半导体激光阵列光谱合束方式中存在的诸如偏离中心的发射单元所发出光束反馈、合束效率低下等问题，本发明在保持输出光束较好光束质量的前提下，允许更多数目的发射单元所发出光束参与光谱合束，并显著提升了半导体激光线阵中偏离中心的发射单元的反馈、合束效率，从而提升了半导体激光阵列的整体的输出功率和亮度；并且，该新型的半导体激光阵列光谱合束装置及方法，能够减小主光轴外光束的离轴像差，从而提升光谱合束的效率，并使各发射单元光场模式更加稳定。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光阵列(1)，以及依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直-偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中，

所述半导体激光阵列(1)包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，用于发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；

所述快轴准直镜(2)用于减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；

所述光束旋转元件(3)用于使每束光束以传播方向为轴旋转90°；

所述准直-偏转元件(4)用于在慢轴方向对半导体激光阵列(1)发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到所述衍射光栅(5)的同一区域，进而利用该衍射光栅(5)的配合作用，将重叠在该衍射光栅(5)同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，这一束输出的光束即合束光束；

所述输出耦合镜(6)用于接受所述衍射光栅(5)出射的合束光束，使其一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列(1)内对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。

进一步的，所述准直-偏转元件(4)的前表面为柱面，用于减小光束慢轴方向的远场发散角；后表面为柱状锯齿形透镜，并且记所述半导体激光阵列(1)其阵列的总宽度为W_激光阵列，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，10×W_激光阵列仍不超过D；

并且，当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足(2N+1)时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；除了其中的第0级外，其它全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向第0级偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θ_i，则θ_i满足：

其中，W_pitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n_{准直-偏转元件}为该准直-偏转元件(4)的折射率；

从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域；

而当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足2N时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向光轴偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的非零整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θ_i，则θ_i满足：

其中，W_pitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n_{准直-偏转元件}为该准直-偏转元件(4)的折射率；

从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域。

进一步的，所述半导体激光阵列(1)中，每一个半导体激光发射单元的前腔面镀上增透膜，使反射率<0.2％。

进一步的，所述快轴准直镜(2)等效焦距为286μm～1500μm，在快轴方向的数值孔径为0.7，剩余发散角0.45mrad～5.14mrad。

进一步的，所述半导体激光阵列(1)与所述快轴准直镜(2)的后焦面距离等于(99％～101％)×激光器出射光的瑞利长度。

进一步的，所述光束旋转元件(3)在慢轴方向的数值孔径为0.1。

进一步的，所述衍射光栅(5)为透射型或反射型衍射光栅，其线数满足1000l/mm～2000l/mm；

优选的，所述衍射光栅(5)两侧表面均镀有激光对应波段的增透膜，使反射率<1％。

进一步的，所述输出耦合镜(6)前表面镀部分反射膜，使反射率为4％-5％。

按照本发明的另一方面，本发明提供了一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束方法，其特征在于，该方法是针对半导体激光阵列，该半导体激光阵列包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；

具体的，该方法是先利用快轴准直镜，减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；接着，再利用光束旋转元件使每束光束以传播方向为轴旋转90°；然后，再利用准直-偏转元件在慢轴方向对半导体激光阵列发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到衍射光栅的同一区域，进而利用该衍射光栅的配合作用，将重叠在该衍射光栅同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，该输出光束即合束光束；最后，再利用输出耦合镜使该合束光束一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。

通过本发明所构思的以上技术方案，是将半导体激光阵列多个发射单元发出的光束经过快轴准直镜、光束旋转元件、准直-偏转元件后以不同的角度入射到衍射光栅的同一区域；空间和角度分离的多束光经衍射光栅的作用合束成单束光，并入射到输出耦合镜上；一部分光沿原路反射回到半导体激光线阵对应的发光单元中形成反馈，另一部分光形成输出。本发明正是利用各个组件之间的整体配合，得到的半导体激光阵列光谱合束装置及方法，既允许更多数目的发射单元所发出光束参与光谱合束，提高整体的输出功率和亮度，又能够减小主光轴外光束的离轴像差，从而提升光谱合束的效率，并使各发射单元光场模式更加稳定。

本发明将常规的快轴准直镜、光束旋转元件、衍射光栅、输出耦合镜与特定作用的准直-偏转元件相组合，准直-偏转元件能够使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到衍射光栅的同一区域，进而利用衍射光栅的作用将空间和角度分离的多束光合束成单束光，完成合束。本发明还对准直-偏转元件的细节结构进行了优选设计，进一步给出的具有特定锯齿形后表面法线方向角度设计的准直-偏转元件，有效确保了经过准直-偏转元件后，不同发射单元发出的光束能够入射到衍射光栅的同一区域。

以半导体激光阵列是由多个半导体激光发光单元组成的水平阵列为例，当该半导体激光水平阵列有2n+1个发射单元时，可以记中心发射单元为0号发射单元，上方发射单元依次为1号，2号，···，n号；下方发射单元依次为-1号，-2号，···，-n号(n为正整数)。第i个发射极与中心发射单元的距离满足X_i＝|i|·W_pitch，其中，W_pitch为相邻发射单元之间的间距，i为-n～n的任一整数。相应的，准直-偏转元件由2n+1个“锯齿”组成：中心为0号，上方依次为1号，2号,···,n号，下方依次为-1号，-2号，···，-n号。其中任意一个“锯齿”i对应由第i个发光单元出射光束的位置，i为-n～n的任一整数。对于第i号锯齿状后表面其法线方向与第i号光束入射方向之间的夹角θ_i满足：

而当该半导体激光水平阵列有2n个发射单元时，可以记光轴上方发射单元依次为1号，2号，···，n号；光轴下方发射单元依次为-1号，-2号，···，-n号(n为正整数)。第i个发射极与中心发射单元的距离满足X_i＝(|i|-1/2)·W_pitch，其中，W_pitch为相邻发射单元之间的间距，i为-n～n的任一非零整数。相应的，准直-偏转元件由2n个“锯齿”组成：以光轴为分界线，光轴上方沿靠近光轴到远离光轴的方向依次为1号，2号,···,n号；光轴下方沿靠近光轴到远离光轴的方向依次为-1号，-2号，···，-n号。其中任意一个“锯齿”i对应由第i个发光单元出射光束的位置，i为-n～n的任一非零整数。对于第i号锯齿状后表面其法线方向与第i号光束入射方向之间的夹角θ_i满足：

并且，半导体激光阵列上每一发射单元发出光束在经过衍射光栅均满足光栅方程mλ＝d(sinα+sinβ₀)，其中m为衍射级次，λ为入射光束波长，d为光栅周期长度，α为入射角，β₀为不同光束的相同衍射角(由于不同发射单元发出的光束需要入射到衍射光栅的同一区域，合束后以同一方向出射，因此各束光束具有同一衍射角)。

总体来说，本发明与传统半导体激光阵列合束装置及方法相比，具有如下的有益效果：

1.本发明提高了反馈、合束效率，并防止了相邻发光单元间的相互干扰。首先采用光束旋转元件，每束光束绕其传播方向旋转90°；随后采用准直-偏转元件，减小光束慢轴方向的远场发散角并汇聚到光栅的同一区域进行快轴方向合束。因此本发明克服了传统慢轴方向合束装置中边缘发光单元出射光束经过变换透镜后产生较大离轴像差等缺陷，进而提高了反馈、合束效率，并防止了反馈光进入其相邻发射单元以致模式混乱的不利情况发生。

2.本发明拥有较好的合束光束的光束质量。本发明在快轴方向进行光束合束，利用快轴方向上远场光斑尺寸小这一特性，提高了光斑在光栅上的重叠率。因此，本发明改善了传统慢轴方向合束中，光栅倾斜角度及光斑在合束方向上的大尺寸导致不同发光单元出射光束在光栅上位置差异大、以致光束重叠率低且重叠不均匀等不利状况，进而提高了合束光束的光束质量。

3.本发明中半导体激光阵列与准直-偏转元件的间距可由半导体激光阵列和快轴准直镜之间的间距而控制，因而装置的尺寸更小(理论上，准直-偏转元件可紧贴光束旋转元件)；更重要地，避免了过长的外腔导致纵向模式不稳定的不利情况发生。

附图说明

图1为本发明整体装置图。

图2为本发明中快轴准直镜结构示意图。

图3为本发明中快轴准直镜与半导体激光阵列位置关系示意图。

图4为本发明设计的光束旋转元件的结构示意图。

图5为本发明设计的准直-偏转元件的结构示意图。

图6为本发明设计的准直-偏转元件的原理示意图。

图7为本发明中输出耦合镜的结构示意图。

图中各附图标记的含义如下：1为半导体激光阵列，2为快轴准直镜，3为光束旋转元件，4为准直-偏转元件，5为衍射光栅，6为输出耦合镜。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1

本发明的实施例如图1所示，该装置包括：半导体激光阵列1、快轴准直镜2、光束旋转元件3、准直-偏转元件4、衍射光栅5、输出耦合镜6。

首先对本发明的原理进行阐述：

从整体上看，半导体激光阵列1上的每一个发光单元均可视为中心发光单元沿x方向进行一定距离的平移。当中心发光单元被平移时，光束满足光栅方程mλ＝d(sinα+sinβ)。衍射光束必须在垂直于输出耦合镜时，才能反馈并形成稳定单纵模振荡，即平移过程中衍射角β为定值。因此，在平移过程中α变化，λ也会随之变化。如果在平移位置上放置若干个发光单元形成激光阵列，那么激光阵列上不同发光单元将以不同波长工作，并在经过衍射光栅后以相同的衍射角出射。

具体地，半导体激光阵列上中心发光单元出射的光束，满足光栅方程mλ₀＝d(sinα₀+sinβ₀)。其中λ₀为光束的波长，m为衍射级次，α₀为入射角，β₀为衍射角。光束经过衍射光栅后垂直入射至输出耦合镜上，一部分光束得以沿原路返回形成反馈，从而该发光单元保持稳定的单纵模振荡。

半导体激光阵列上第i个发光单元出射光束，满足光栅方程mλ_i＝d(sinα_i+sinβ₀)，其中入射角α_i满足

其中W_pitch为相邻发射单元的中心间距，D为准直-偏转元件与光栅的间距(这一间距与本领域常规定义相符，即指的是准直-偏转元件后方主面到光栅上光束聚焦的点的距离)。在W_激光阵列＜＜D的条件下(W_激光阵列远小于D，可理解为10×W_激光阵列仍不超过D)，

将上式带入光栅方程中，忽略

的高次项，得到λ_i满足：

因此，半导体激光阵列出射光束在经过衍射光栅后形成密集多波长的合束光束。

下面结合一具体的合束装置进行更加详细的描述：

如图1所示，该实施例的装置包括：

①半导体激光阵列1，包含7个发射单元，分别发出7条出射方向相同的光束(各个激光单元发射出的激光可以是同一波段)。其中中心发射单元为0号发射单元，上方发射单元依次为1号，2号，3号；下方发射单元依次为-1号，-2号，-3号。第i个发射极与中心发射单元的距离满足X_i＝|i|·W_pitch，其中W_pitch为相邻发射单元的中心间距，W_pitch＝500μm，i为-3～3的任一整数。半导体激光阵列前腔面(即激光器发射单元的发光面)镀上增透膜，反射率<0.2％。

半导体激光阵列出射光束特性例如如下：

光束的标准中心波长为808nm，谱宽约3nm，中心波长范围为780～830nm。光束快轴方向平行于y轴，快轴方向上发光尺寸约为1μm，远场发散角为31°(FWHM)。光束慢轴方向平行于x轴，慢轴方向上发光尺寸为90μm，远场发散角为10°(FWHM)。

②快轴准直镜2，旨在减小光束快轴方向的远场发散角。其几何形状如图2所示，前表面(即光的入射面)为平面，后表面(即光的出射面)为柱面，透镜等效焦距为549.86μm，y方向数值孔径约为0.7，光束经过准直透镜后快轴方向的远场发散角约为2.57mrad(FWHM)。

快轴准直镜的前焦面与半导体激光阵列前端间距ΔL满足：

ΔL≈f≈1μm

其中，f为半导体激光阵列出射光的瑞利长度，允许±1％的差异。

快轴准直镜与半导体激光阵列的放置如图3所示。

利用快轴准直镜，可以使每束光均以同一较小的快轴方向远场发散角出射至光束旋转元件上对应的区域。

③光束旋转元件3，旨在使光束以传播方向为轴旋转90°。其几何形状以及横截面如图4所示。该元件为7个柱状透镜呈45°倾斜并紧贴，并且每一个柱状透镜的中心对应相应的发射单元，使每束光束正射入对应的柱状透镜前表面的中心。元件后表面、前表面为相同柱面，等效焦距均约为0.95mm，元件厚度约为1.90mm，前后面共焦点位于元件中心，即该元件为无焦元件，因此光束经过该元件发散角变化可忽略。该元件在x方向上的数值孔径约为0.1。

④准直-偏转元件4，旨在减小光束在慢轴方向的远场发散角，然后使不同发光单元出射的光束经过元件后表面发生折射并偏转不同角度，再入射到光栅的同一区域。其中准直-偏转元件的前表面为柱面，其母线平行于x方向，准线为二次曲线，等效焦距约为155.52mm，经过准直透镜后，慢轴方向发散角小于0.002mrad(FWHM)。

准直-偏转元件的后表面为柱状锯齿形透镜，如图5所示，由7个“锯齿”组成：中心为0号，上方依次为1号，2号，3号，下方以此为-1号，-2号，-3号。其中第i“锯齿”对应由第i个发光单元出射光束的位置，i为-3～3的任一整数。

如图6所示，第i个发光单元出射光束经过第i个“锯齿”发生折射的偏转角度Δα_i、“锯齿”的倾斜角度θ_i以及元件材料的折射率n_{准直-偏转元件}满足：

n_{准直-偏转元件}·sinθ_i＝sin(θ_i+|Δα_i|)

其中，

在W_激光阵列＜＜D的条件下，

其中，W_pitch＝500μm，D＝100mm。

⑤衍射光栅5，旨在接受准直-偏转元件出射的、以不同角度入射的光束，并将重叠于光栅同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出。半导体激光阵列任一发射单元出射光束均满足光栅方程mλ＝d(sinα+sinβ₀)，其中m为衍射级次，λ为入射光束波长，d为光栅周期长度，α为入射角，β₀为各束光束的同一衍射角。光栅为透射型或反射型。

具体地，该实施方案中光栅为透射型矩形光栅，光栅线数中心发光单元出射的光束，满足mλ₀＝d(sinα₀+sinβ₀)，其中入射光束波长λ₀＝808nm，在衍射级次入射角α₀≈61°且衍射级次m＝-1时，衍射光栅有最大的衍射效率，此时衍射效率大于90％。

第i个发光单元出射光束，满足光栅方程mλ_i＝d(sinα_i+sinβ₀)，其中入射角满足：

其中W_pitch为相邻发射单元的中心间距，W_pitch＝500μm，D为准直-偏转元件与光栅的间距，D＝100mm。在W_激光阵列＜＜D的条件下，

将上式带入光栅方程中，忽略

的高次项，得到λ_i满足：

其中，m＝-1，α₀≈61°，W_pitch＝500μm，d＝0.5μm，D＝100mm。

⑥输出耦合镜6，旨在接受衍射光栅出射的合束光束，一部分反射回到半导体激光阵列对应的发光单元中形成反馈，另一部分透射形成输出。如图7所示，输出耦合镜为平面薄透镜，直径可以为4cm，合束光束垂直射向输出耦合镜。输出耦合镜的前表面镀上部分反射膜，使透镜的反射率约为4％。

结合实施例对本发明的合束方法进行阐述：

半导体激光阵列(含7个发光单元)发出的7条光束先经过快轴准直镜，每束光均以同一较小的快轴方向远场发散角(2.57mrad(FWHM))出射至光束旋转元件上对应的区域；光束旋转元件使每束光束均以传播方向为轴旋转90°，并使光束射向准直-偏转元件；准直-偏转元件对光束进行慢轴方向准直，减小其慢轴方向远场发散角(小于0.002mrad(FWHM))；并使不同发射单元发出的光束折射不同角度，使其入射到衍射光栅的同一区域；衍射光栅使重叠于同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为合束光入射至输出耦合镜；一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列对应的发光单元中形成反馈，另一部分光输出。

上述实施例1是以半导体激光发光单元的总数是奇数为例，当半导体激光发光单元的总数是偶数，同理，也能够实现光谱合束；此时，i＝0的0号中心将不再存在，而第i号光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角θ_i则满足

本发明适用于任意数量半导体激光发光单元的半导体激光阵列，不论半导体激光发光单元的总数是奇数，还是偶数；相应的，本发明所需使用到的快轴准直镜、光束旋转元件等组件，在实际应用时均可根据发射单元数量的不同，参考相关现有技术获得；准直-偏转元件其后表面的锯齿形貌也可以基于本发明中的原理进行调整，只要该准直-偏转元件能够使不同发射单元发出的光束折射后入射到衍射光栅的同一区域即可。本发明中所采用的其他各种光学器件及光学组成，除特别说明的外，均可采用市售商品，或是可基于相关现有技术构建；例如，本发明所采用的部分反射膜就可参照相关现有技术构建，此外，输出耦合镜6前表面镀部分反射膜后反射率可控制为4％-5％，技术人员可根据实际需要适当的增大或减小反射率。

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 (9)

1.一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光阵列(1)，以及依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直-偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中，

所述半导体激光阵列(1)包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，用于发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；

所述快轴准直镜(2)用于减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；

所述光束旋转元件(3)用于使每束光束以传播方向为轴旋转90°；

所述准直-偏转元件(4)用于在慢轴方向对半导体激光阵列(1)发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到所述衍射光栅(5)的同一区域，进而利用该衍射光栅(5)的配合作用，将重叠在该衍射光栅(5)同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，这一束输出的光束即合束光束；

所述输出耦合镜(6)用于接受所述衍射光栅(5)出射的合束光束，使其一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列(1)内对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。

2.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述准直-偏转元件(4)的前表面为柱面，用于减小光束慢轴方向的远场发散角；后表面为柱状锯齿形透镜，并且记所述半导体激光阵列(1)其阵列的总宽度为W_激光阵列，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，10×W_激光阵列仍不超过D；

并且，当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足(2N+1)时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；除了其中的第0级外，其它全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向第0级偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θ_i，则θ_i满足：

其中，W_pitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n_{准直-偏转元件}为该准直-偏转元件(4)的折射率；

从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域；

而当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足2N时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向光轴偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的非零整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θ_i，则θ_i满足：

其中，W_pitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n_{准直-偏转元件}为该准直-偏转元件(4)的折射率；

从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域。

3.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光阵列(1)中，每一个半导体激光发射单元的前腔面镀上增透膜，使反射率<0.2％。

4.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述快轴准直镜(2)等效焦距为286μm～1500μm，在快轴方向的数值孔径为0.7，剩余发散角0.45mrad～5.14mrad。

5.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光阵列(1)与所述快轴准直镜(2)的后焦面距离等于(99％～101％)×激光器出射光的瑞利长度。

6.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述光束旋转元件(3)在慢轴方向的数值孔径为0.1。

7.如权利要求1-6任意一项所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅(5)为透射型或反射型衍射光栅，其线数满足1000l/mm～2000l/mm；

优选的，所述衍射光栅(5)两侧表面均镀有激光对应波段的增透膜，使反射率<1％。

8.如权利要求1-7任意一项所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜(6)前表面镀部分反射膜，使反射率为4％-5％。

9.一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束方法，其特征在于，该方法是针对半导体激光阵列，该半导体激光阵列包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；

具体的，该方法是先利用快轴准直镜，减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；接着，再利用光束旋转元件使每束光束以传播方向为轴旋转90°；然后，再利用准直-偏转元件在慢轴方向对半导体激光阵列发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到衍射光栅的同一区域，进而利用该衍射光栅的配合作用，将重叠在该衍射光栅同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，该输出光束即合束光束；最后，再利用输出耦合镜使该合束光束一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。

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