CN110854674A - 一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，包括：多个单管台阶排布合束模块，用于发出第一合束光束，且各单管台阶排布合束模块呈扇形排布，且旋转90°放置，使第一合束光束的快轴慢轴方向互换；各单管台阶排布合束模块包括多个台阶排布子模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束；衍射光栅，用于接收多个单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束，并以相同的衍射角衍射输出；外腔镜，用于透射一部分衍射光栅输出的光束，并原路反射另一部分衍射光栅输出的光束，生成反馈光束；各台阶排布子模块接收反馈光束，根据反馈光束确定激光波长。

Description

一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置

技术领域

本发明涉及半导体激光器技术领域，具体涉及一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置。

背景技术

半导体激光器具有效率高、结构紧凑、波长范围宽、成本低、可靠性高等优良特性，然而由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束光谱特性差、光束质量差、直接输出功率和亮度低。为了扩展半导体激光器在工业加工和激光器抽运等方面的应用，常通过光谱合束来获得高功率、高亮度、高光束质量的直接半导体激光光源。

目前半导体激光器光谱合束常用的光源为由巴条组成的叠阵，然而巴条由于封装等因素会引入“smile”效应，巴条“smile”效应使得各个合束单元接收到的反馈光强度不同，从而会造成一些合束单元的输出功率下降，此外由于叠阵中各巴条间指向性偏差，使得各个合束单元存在不能同时锁定激光波长的问题，从而导致最终电光效率下降，输出功率降低，光束质量变差，很难作为百瓦、千瓦及万瓦级直接半导体激光光源应用。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，以解决使用巴条叠阵为光源进行半导体激光器光谱合束导致最终输出功率低，光束质量差等技术问题。

本发明实施例提供了一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，包括：多个单管台阶排布合束模块，依次呈扇形排布，用于发出快轴慢轴方向互换的第一合束光束；各单管台阶排布合束模块包括多个台阶排布子模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束；衍射光栅，用于接收多个单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束，并以相同的衍射角衍射输出；外腔镜，用于透射一部分衍射光栅输出的光束，并原路反射另一部分衍射光栅输出的光束，生成反馈光束；各台阶排布子模块接收反馈光束，根据反馈光束确定激光波长。

可选地，台阶排布子模块包括：半导体激光器单管芯片，用于发出初始光束；快轴准直镜，用于调整初始光束在快轴方向的发散角，输出第一调整光束；慢轴准直镜，用于调整第一调整光束在慢轴方向的发散角，输出第二调整光束；反射镜，用于调整第二调整光束的输出角度，输出第三调整光束；各台阶排布子模块在同一平面中沿平行于第三调整光束的方向间隔排布，且沿第三调整光束的快轴方向呈阶梯状排布，各台阶排布子模块的输出光构成第一合束光束。

可选地，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：快轴准直透镜，设置在多个单管台阶排布合束模块和衍射光栅之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的快轴发散角。

可选地，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：慢轴准直透镜，设置在多个单管台阶排布合束模块和衍射光栅之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的慢轴发散角。

可选地，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：球面透镜，设置在多个单管台阶排布合束模块和衍射光栅之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的快轴发散角和/或慢轴发散角。

可选地，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：滤波系统，设置在衍射光栅和外腔镜之间，用于对衍射光栅输出的光束进行滤波。

可选地，外腔镜的反射率大于或等于1％。

本发明实施例具有如下有益效果：

(1)本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过将多个单管台阶排布合束模块作为半导体激光器光谱合束的光源，使得外腔镜反馈光束可以注入单管台阶排布合束模块，从而激发单管台阶排布合束模块谐振腔内的谐振模式，由此谐振模式将压窄单管台阶排布合束模块光谱带宽并且使得单管台阶排布合束模块谐振腔内的运转波长集中在反馈光束中心波长附近，且由于衍射光栅的色散，不同单管台阶排布合束模块接收到不同波长的反馈光束，因此不同单管台阶排布合束模块将被锁定在不同的中心波长，实现各单管台阶排布合束模块激光波长的锁定；通过将各单管台阶排布合束模块呈扇形排布，可以代替傅里叶透镜，使得各单管台阶排布合束模块发出第一合束光束形成有角度入射到衍射光栅，且光斑重叠，节省了成本；通过使各单管台阶排布合束模块发出快轴慢轴互换的第一合束光束，由于半导体激光器本身在快轴方向拥有近衍射极限的光束质量，而慢轴光束质量差，典型束参积的值约是快轴方向的10倍，这导致慢轴光束质量劣化的空间非常有限，各单管台阶排布合束模块发出快轴慢轴方向互换的第一合束光束，从而使得光谱合束变成在快轴方向进行，能够提高最终光束质量；通过将多个台阶排布子模块构成一个单管台阶排布合束模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束，使得单管台阶排布合束模块本身进行了一次空间合束，从而发出第一合束光束，能够大幅度提高最终光谱合束的输出功率。

(2)本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过在各单管台阶排布合束模块中进行常规快轴准直镜准直后，在单管台阶排布合束模块的输出光路上又设置了快轴准直镜，进行了一次快轴再准直，进一步压缩了快轴剩余发散角，对最终光谱合束有较大的改善。

(3)本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过在各单管台阶排布合束模块中进行常规慢轴准直镜准直后，在单管台阶排布合束模块的输出光路上又设置了慢轴准直镜，进行了一次慢轴再准直，进一步压缩了慢轴剩余发散角，不仅对最终光谱合束有较大的改善，也可以使单管台阶排布合束模块使用更短焦距的慢轴准直镜以减小单管台阶排布合束模块体积(焦距越长，准直效果越好，剩余发散角越小)。

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示出了本发明实施例中半导体激光器光栅外腔光谱合束装置结构示意图；

图2示出了本发明实施例的单管台阶排布合束模块结构示意图；

图3示出了本发明实施例中另一半导体激光器光栅外腔光谱合束装置结构示意图；

图4示出了本发明实施例中另一半导体激光器光栅外腔光谱合束装置结构示意图；

图5示出了本发明实施例中另一半导体激光器光栅外腔光谱合束装置结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例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。

在本发明实施例的描述中，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。

在本发明实施例的描述中，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，还可以是两个元件内部的连通，可以是无线连接，也可以是有线连接。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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，包括：多个单管台阶排布合束模块1，依次呈扇形排布，用于发出快轴慢轴互换的第一合束光束；各单管台阶排布合束模块1包括多个台阶排布子模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束；衍射光栅2，用于接收多个单管台阶排布合束模块1发出的第一合束光束，并以相同的衍射角衍射输出；外腔镜3，用于透射一部分衍射光栅2输出的光束，并原路反射另一部分衍射光栅2输出的光束，生成反馈光束；各台阶排布子模块接收反馈光束，根据反馈光束确定激光波长。

具体的，单管台阶排布合束模块1包括多个台阶排布子模块，多个台阶排布子模块呈台阶状排布，每个台阶排布子模块都是一个发光单元，多个台阶排布子模块发出的初始光束沿出射光的快轴方向进行了一次光束合束，从而构成第一合束光束。多个单管台阶排布合束模块1均旋转90°放置，使得各单管台阶排布合束模块发出快慢轴方向互换的第一合束光束，且多个单管台阶排布合束模块1圆弧排布，使单管台阶排布合束模块发出第一合束光束以一定角度呈扇形，分别以各自特定角度入射到衍射光栅2上，并且光斑重叠，由衍射光栅2的色散作用，不同波长不同角度入射光束，以相同衍射角衍射输出，从衍射光栅2衍射输出的光束达到外腔镜，外腔镜3为部分反射部分透射镜，到达外腔镜3的光束，一部分被外腔镜3反射，外腔镜3的反射率大于或等于1％，该反射光束沿原路返回到台阶排布子模块，为台阶排布子模块提供特定波长的反馈，反馈光注入台阶排布子模块将激发谐振腔内的谐振模式，该模式对应于期望的波长输出，向台阶排布子模块提供反馈将使谐振腔的运转波长集中在反馈光中心波长附近，由此谐振反馈将压窄台阶排布子模块光谱带宽并且使得发射光束的光谱围绕在反馈光谱中心波长左右，由于衍射光栅2的色散，不同单管台阶排布合束模块1的台阶排布子模块接收到不同波长的反馈光，因此被锁定在不同的中心波长。到达外腔镜3的光束，另一部分透射，作为输出光束。

本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过将多个单管台阶排布合束模块作为半导体激光器光谱合束的光源，使得外腔镜反馈光束可以注入单管台阶排布合束模块，从而激发单管台阶排布合束模块谐振腔内的谐振模式，由此谐振模式将压窄单管台阶排布合束模块光谱带宽并且使得单管台阶排布合束模块谐振腔内的运转波长集中在反馈光束中心波长附近，且由于衍射光栅的色散，不同单管台阶排布合束模块接收到不同波长的反馈光束，因此不同单管台阶排布合束模块将被锁定在不同的中心波长，实现各单管台阶排布合束模块激光波长的锁定；通过将各单管台阶排布合束模块呈扇形排布，可以代替傅里叶透镜，使得各单管台阶排布合束模块发出第一合束光束形成有角度入射到衍射光栅，且光斑重叠，节省了成本；通过将各单管台阶排布合束模块旋转90°放置，可以使各第一合束光束的快轴慢轴方向互换，由于半导体激光器本身在快轴方向拥有近衍射极限的光束质量，而慢轴光束质量差，典型束参积的值约是快轴方向的10倍，这导致慢轴光束质量劣化的空间非常有限，模块旋转90°放置，从而使得光谱合束变成在快轴方向进行，能够提高最终光束质量；通过将多个台阶排布子模块构成一个单管台阶排布合束模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束，使得单管台阶排布合束模块本身进行了一次空间合束，从而发出第一合束光束，能够大幅度提高最终光谱合束的输出功率。

在可选的实施例中，如图2所示，上述的台阶排布子模块包括：半导体激光器单管芯片111，用于发出初始光束；快轴准直镜112，用于调整初始光束在快轴方向的发散角，输出第一调整光束；慢轴准直镜113，用于调整第一调整光束在慢轴方向的发散角，输出第二调整光束；反射镜114，用于调整第二调整光束的输出角度，输出第三调整光束；各台阶排布子模块在同一平面中沿平行于第三调整光束的方向间隔排布，且沿第三调整光束的快轴方向呈阶梯状排布，各台阶排布子模块的输出光构成第一合束光束。

具体的，发单管台阶排布合束模块1包括多个台阶排布子模块，每个台阶排布子模块都包括半导体激光器单管芯片、快轴准直镜、慢轴准直镜和反射镜，第一个台阶排布子模块的半导体激光器单管芯片111发出的光在快轴方向上被快轴准直透镜112准直，在快轴方向上被准直的光到达慢轴准直透镜113，快轴方向上被准直的光被慢轴准直透镜113在慢轴方向上准直，成为完全准直光，完全准直光紧接着被反射镜114反射；第二个台阶排布子模块与第一个台阶排布子模块具有一定台阶高度差，第二个台阶排布子模块的半导体激光器单管芯片115发出的光经过快轴准直镜116和慢轴准直镜117后到达反射镜118，被反射镜118反射后从反射镜114上方通过，实现与第一个台阶排布子模块发出的光在快轴方向的合束，多台阶排布子模块合束以此类推，构成第一合束光束。

通过将多个台阶排布子模块呈台阶状设置构成一个单管台阶排布合束模块，多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成第一合束光束，使得单管台阶排布合束模块本身进行了一次空间合束。

在可选的实施例中，如图3所示，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：快轴准直透镜4，设置在多个单管台阶排布合束模块1和衍射光栅2之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块1发出的第一合束光束的快轴发散角。

本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过在各单管台阶排布合束模块中进行常规快轴准直镜准直后，在单管台阶排布合束模块的输出光路上又设置了快轴准直镜，进行了一次快轴再准直，进一步压缩了快轴剩余发散角，对最终光谱合束有较大的改善。

在可选的实施例中，如图3所示，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：慢轴准直透镜5，设置在多个单管台阶排布合束模块1和衍射光栅2之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块1发出的第一合束光束的慢轴发散角。

本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过在各单管台阶排布合束模块中进行常规慢轴准直镜准直后，在单管台阶排布合束模块的输出光路上又设置了慢轴准直镜，进行了一次慢轴再准直，进一步压缩了慢轴剩余发散角，不仅对最终光谱合束有较大的改善，也可以使单管台阶排布合束模块使用更短焦距的慢轴准直镜以减小单管台阶排布合束模块体积(焦距越长，准直效果越好，剩余发散角越小)。

在可选的实施例中，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置可以既包括快轴准直镜4，又可以包括慢轴准直镜5，快轴准直镜4和慢轴准直镜5的位置可以互换，快轴准直镜4和慢轴准直镜5同时设置的情况，可以采用球面透镜代替，如图4所示，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：球面透镜6，设置在多个单管台阶排布合束模块1和衍射光栅2之间，用于调整多个单管台阶排布合束模块1发出的第一合束光束的快轴发散角和/或慢轴发散角。

本发明实施例提供的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，通过在各单管台阶排布合束模块中进行常规快轴慢轴准直镜准直后，在单管台阶排布合束模块的输出光路上又设置了球面透镜，进行了一次快轴再准直和/或一次慢轴再准直，进一步压缩了快轴和/或慢轴剩余发散角，不仅对最终光谱合束有较大的改善，也可以使单管台阶排布合束模块使用更短焦距的慢轴准直镜以减小单管台阶排布合束模块体积(焦距越长，准直效果越好，剩余发散角越小)。

在可选的实施例中，如图5所示，半导体激光器光栅外腔光谱合束装置还包括：滤波系统7，设置在衍射光栅2和外腔镜3之间，用于对衍射光栅输出的光束进行滤波。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (7)

1.一种半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，包括：

多个单管台阶排布合束模块，依次呈扇形排布，用于发出快轴慢轴方向互换的第一合束光束；各所述单管台阶排布合束模块包括多个台阶排布子模块，所述多个台阶排布子模块用于沿出射光的快轴方向进行光束合束，构成所述第一合束光束；

衍射光栅，用于接收多个所述单管台阶排布合束模块发出的所述第一合束光束，并以相同的衍射角衍射输出；

外腔镜，用于透射一部分所述衍射光栅输出的光束，并原路反射另一部分所述衍射光栅输出的光束，生成反馈光束；

各所述台阶排布子模块接收所述反馈光束，并根据所述反馈光束确定激光波长。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，所述台阶排布子模块包括：

半导体激光器单管芯片，用于发出初始光束；

快轴准直镜，用于调整所述初始光束在快轴方向的发散角，输出第一调整光束；

慢轴准直镜，用于调整所述第一调整光束在慢轴方向的发散角，输出第二调整光束；

反射镜，用于调整所述第二调整光束的输出角度，输出第三调整光束；

各所述台阶排布子模块在同一平面中沿平行于所述第三调整光束的方向间隔排布，且沿所述第三调整光束的快轴方向呈阶梯状排布，各所述台阶排布子模块的输出光构成所述第一合束光束。

3.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，还包括：

快轴准直透镜，设置在多个所述单管台阶排布合束模块和所述衍射光栅之间，用于调整多个所述单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的快轴发散角。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，还包括：

慢轴准直透镜，设置在多个所述单管台阶排布合束模块和所述衍射光栅之间，用于调整多个所述单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的慢轴发散角。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，还包括：

球面透镜，设置在多个所述单管台阶排布合束模块和所述衍射光栅之间，用于调整多个所述单管台阶排布合束模块发出的第一合束光束的快轴发散角和/或慢轴发散角。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，还包括：

滤波系统，设置在所述衍射光栅和所述外腔镜之间，用于对所述衍射光栅输出的光束进行滤波。

7.根据权利要求1所述的半导体激光器光栅外腔光谱合束装置，其特征在于，

所述外腔镜的反射率大于或等于1％。

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