CN113206436A - 一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置，属于蓝光半导体激光技术领域，包括：沿光路方向依次放置的光束压缩元件、慢轴准直镜组、光束偏转元件、衍射光栅、反射镜和输出耦合镜；其中，光束压缩元件包括垂直堆叠的多层棱镜；棱镜的层数与待合束的蓝光的层数相同，每一层蓝光分别入射到对应的一层棱镜中；通过光束压缩元件透射第一类各层蓝光，同时压缩第二类各层蓝光中各蓝光光束之间的间距，在减小了远离光轴的蓝光光线的像差以及光束之间的反馈串扰的同时，使其他元件在同样尺寸的前提下能够允许更多的蓝光光束通过，进而增加了用于光谱合束的蓝光光束的数量，能够以较小的体积在保证光束质量的前提下大大提高蓝光激光的输出功率。

Description

一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置

技术领域

本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置。

背景技术

由于铜等金属反射率较高的材料对于蓝光的吸收远远大于红光，因此蓝光激光将会被广泛应用于Cu的3D打印以及金属焊接等领域。蓝光半导体激光器是当前重要发展趋势，激光功率能够达到百瓦甚至千瓦输出。日本的岛津公司在2015年研发出的BLUE IMPACT蓝光冲击二极管激光器能够输出100W的蓝光激光，可以应用于3D打印，并且可以使用纯铜粉末来代替目前已有的铜合金达到更好的加工效果；美国的Nuburu公司在2019年使用由输出功率为4W的256个蓝光半导体发光单元通过光纤空间合束制成输出功率为500W的蓝光模块，并将连个蓝光发光模块通过偏振合束最终研发出输出功率为1000W的高功率蓝光半导体激光器。

目前，提高激光器输出功率的主要办法有三种：空间合束、偏振合束以及光谱合束。前两者在工艺上较为容易，能够较快地输出高功率激光，但是这种方法仅是将光在空间上进行叠加，光的发散角和光斑的半径较大，光谱在一个较大的范围内，输出激光的光束质量较差，不利于后续的应用。光谱合束虽然在工艺上较难实现，但能够在保证较高光束质量的同时提高激光的输出功率。因为在光谱合束过程中需要把大部分衍射光强都集中到零级衍射光以外的衍射级次上，从而达到稳定的波长锁定并提高合数效率的目的。因此目前能够同时获得较高的光束质量以及较高的输出功率的最佳方法是光谱合束。

但是现有的蓝光光谱合束方法主要通过单衍射光栅对一层或多层蓝光半导体激光器阵列进行光谱合束，若是要提高输出功率，则需要继续增加蓝光半导体激光器的数量，而为了不增大装置的体积，常用的做法是进一步缩小蓝光半导体激光器阵列中激光器之间的间距来增加激光器的数量使得装置能够对更多的蓝光进行合束，但是间距减小会使得光束之间发生反馈串扰，光束质量下降。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供多层蓝光半导体激光光谱合束装置，用以解决现有技术无法以较小的体积在保证光束质量的前提下提高蓝光激光的输出功率的技术问题。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置，包括：沿光路方向依次放置的光束压缩元件、慢轴准直镜组、光束偏转元件、衍射光栅、反射镜和输出耦合镜；光束压缩元件、慢轴准直镜组和光束偏转元件的中轴线重合；

待合束的各层蓝光分为两类，第一类各层蓝光沿着与光束压缩元件的中轴线平行的方向入射到光束压缩元件中，第二类各层蓝光沿着与光束压缩元件的中轴线垂直的方向入射到光束压缩元件中；每一层蓝光均包括处于同一水平面上的多束平行且间距相等的蓝光光束，为由蓝光半导体激光器阵列发射并在快轴方向准直后的光束；每一层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到慢轴准直镜组之间的光程均相等；

光束压缩元件包括垂直堆叠的多层棱镜；棱镜的层数与待合束的蓝光的层数相同，均为N，N为大于或等于3的正整数；每一层蓝光分别入射到对应的一层棱镜中；其中，第一类各层蓝光所对应的棱镜类型为A类棱镜；第二类各层蓝光所对应的棱镜类型为B类棱镜；A类棱镜的入射面与出射面平行；B类棱镜的入射面呈锯齿形斜面，并镀有全反射膜；且各锯齿的角度均相同；

光束压缩元件用于基于A类棱镜透射第一类各层蓝光，同时基于B类棱镜压缩第二类各层蓝光中各蓝光光束之间的间距，并出射到光束偏转元件上；

慢轴准直镜组用于在慢轴方向对入射的各层蓝光进行准直，并出射到光束偏转元件上；

光束偏转元件用于分别对入射的各层蓝光，将其中的各蓝光光束汇聚到衍射光栅上，各蓝光光束经过衍射光栅后以相同的衍射角入射到反射镜上，经过反射镜反射后以相应的角度重新经过衍射光栅，并以相同的衍射角入射到输出耦合镜上；

输出耦合镜用于分别对入射的各层蓝光，反射其中的一部分蓝光光束，以与其对应的蓝光半导体激光器的输出镜外表面形成反馈；并输出未被反射的蓝光光束，即为该层蓝光的蓝光合束光束；最终得到N束蓝光合束光束，N束蓝光合束光束经过光纤进行耦合后完成光谱合束。

进一步优选地，用于发射第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量与用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量相等。

进一步优选地，用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器在同一个平面上呈阶梯状排列，离慢轴准直镜组越远的蓝光半导体激光器离光束压缩元件的距离越近，使第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到慢轴准直镜组之间的光程均相等。

进一步优选地，设置B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使第一类各层蓝光和第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器阵列到慢轴准直镜组之间的光程均相等。

进一步优选地，用于发射第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距小于用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距；设置B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使由光束压缩元件出射的任意两层蓝光之间，其蓝光光束的间距均相等。

进一步优选地，A类棱镜为长方体棱镜。

进一步优选地，光束压缩元件中，A类棱镜位于B类棱镜的下方，以使光束压缩元件的结构更加稳定。

进一步优选地，慢轴准直镜为柱面镜；光束偏转元件为凸透镜。

进一步优选地，衍射光栅与入射到衍射光栅的中心蓝光光束之间呈Littrow角。

进一步优选地，输出耦合镜为输入面镀有预设反射率的反射膜的平面镜。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

1、本发明提供了一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置，通过光束压缩元件透射第一类各层蓝光，同时压缩第二类各层蓝光中各蓝光光束之间的间距，在减小了远离光轴的蓝光光线的像差以及光束之间的反馈串扰的同时，使其他元件在同样尺寸的前提下能够允许更多的蓝光光束通过，进而增加了用于光谱合束的蓝光光束的数量，能够以较小的体积在保证光束质量的前提下大大提高蓝光激光的输出功率，相比于其他的单层以及双层的光谱合束装置，能够以较小的体积在保证光束质量的前提下大大提高蓝光激光的输出功率。

2、本发明所提供的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，用于发射第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量与用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量相等，从而使最终的合束光斑在快轴方向上的尺寸与慢轴方向上的各层光斑尺寸之和近似相等；各层光斑一起组成近似于正方形的蓝光光斑，相较于单层的椭圆形光斑或快轴尺寸大于慢轴尺寸的椭圆形光斑，更加容易耦合进合适数值孔径的光纤，方便后续的进一步应用。

3、本发明所提供的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，本发明通过反射镜的反射作用使若干蓝光光束前后两次通过衍射光栅，其中第二次通过衍射光栅能够有效补偿第一次通过衍射光栅所产生的光束质量退化，最终的合束光束光谱的间隔仅为单光栅合束的二分之一，并且两次通过光栅还能够进一步有效的减小光束之间的反馈串扰，进而使整个光谱合束的效率更高，输出的光束质量更高。

4、本发明所提供的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，通过对蓝光光束的压缩以及多层的设计，在蓝光半导体激光器数量相同的情况下，相较于普通单层以及双层的光谱合数装置体积更小；其次，本装置通过对每一个蓝光半导体激光器进行等光程设计，使慢轴准直镜组、光束偏转元件以及衍射光栅—反射镜组均不用单独在不同位置摆放，进一步减小了整个装置的体积。

附图说明

图1为本发明所提供的多层蓝光半导体激光光谱合束装置结构示意图；

图2为本发明实施例1所提供的三层蓝光半导体激光光谱合束装置结构俯视图；

图3为本发明实施例1所提供的第一层蓝光半导体激光器阵列的蓝光光束经第一层快轴准直镜组准直的结构与光路示意图；

图4为本发明实施例1所提供的第二层蓝光半导体激光器阵列的蓝光光束经第二层快轴准直镜组准直的结构与光路示意图；

图5为本发明实施例1所提供的三层光束压缩元件结构示意图；

图6为本发明实施例1所提供的慢轴准直镜组结构示意图；

图7为本发明实施例1所提供的光束偏转元件结构示意图；

图8为本发明实施例1所提供的衍射光栅—反射镜组与输出耦合镜结构以及蓝光光路示意图。

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。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置，如图1所示，包括：沿光路方向依次放置的光束压缩元件、慢轴准直镜组、光束偏转元件、衍射光栅、反射镜和输出耦合镜；光束压缩元件、慢轴准直镜组和光束偏转元件的中轴线重合；

待合束的各层蓝光分为两类，第一类各层蓝光沿着与光束压缩元件的中轴线平行的方向入射到光束压缩元件中，第二类各层蓝光沿着与光束压缩元件的中轴线垂直的方向入射到光束压缩元件中；每一层蓝光均包括处于同一水平面上的多束平行且间距相等的蓝光光束，为由蓝光半导体激光器阵列发射并在快轴方向准直后的光束；每一层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到慢轴准直镜组之间的光程均相等；

光束压缩元件包括垂直堆叠的多层棱镜；棱镜的层数与待合束的蓝光的层数相同，均为N，N为大于或等于3的正整数；每一层蓝光分别入射到对应的一层棱镜中；其中，第一类各层蓝光所对应的棱镜类型为A类棱镜；第二类各层蓝光所对应的棱镜类型为B类棱镜；A类棱镜的入射面与出射面平行；B类棱镜的入射面呈锯齿形斜面，并镀有全反射膜；且各锯齿的角度均相同；优选地，A类棱镜位于B类棱镜的下方，以使光束压缩元件的结构更加稳定；其中，B类棱镜优选为长方体棱镜；

光束压缩元件用于基于A类棱镜透射第一类各层蓝光，同时基于B类棱镜压缩第二类各层蓝光中各蓝光光束之间的间距，并出射到光束偏转元件上；

慢轴准直镜组用于在慢轴方向对入射的各层蓝光进行准直，并出射到光束偏转元件上；其中，慢轴准直镜优选为柱面镜；慢轴准直镜组为N个位于同一平面的柱面镜。

光束偏转元件用于分别对入射的各层蓝光，将其中的各蓝光光束汇聚到衍射光栅上，各蓝光光束经过衍射光栅后以相同的衍射角入射到反射镜上，经过反射镜反射后以相应的角度重新经过衍射光栅，并以相同的衍射角入射到输出耦合镜上；其中，光束偏转元件优选为凸透镜；衍射光栅与入射到衍射光栅的中心蓝光光束之间的角度优选为Littrow角。

输出耦合镜的输入面镀有反射膜；输出耦合镜用于分别对入射的各层蓝光，反射其中的一部分蓝光光束，以与其对应的蓝光半导体激光器的输出镜外表面形成反馈；并输出未被反射的蓝光光束，即为该层蓝光的蓝光合束光束；最终得到N束蓝光合束光束，N束蓝光合束光束经过光纤进行耦合后完成光谱合束；其中，输出耦合镜优选为输入面镀有预设反射率的反射膜的平面镜。

需要说明的是，用于发射第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量与用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量相等。因为蓝光半导体激光器数量不相等的话，会导致每层的合束光斑尺寸不同，且功率也不同，从而对后续的应用产生影响。具体地，本实施例中，快轴方向就是水平方向，理论上快轴方向发光单元越多合束光班快轴方向尺寸越大，反之亦然；慢轴方向就是垂直方向，层数越多慢轴方向的尺寸越大，故通过改变快轴方向上蓝光半导体激光器的个数来达到使最终的合束光斑在快轴方向上的尺寸与慢轴方向上的各层光斑尺寸之和近似相等，各层光斑一起组成近似于正方形的蓝光光斑，相较于单层的椭圆形光斑或快轴尺寸大于慢轴尺寸的椭圆形光斑，更加容易耦合进合适数值孔径的光纤。以方便后续的进一步应用。

优选地，用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器在同一个平面上呈阶梯状排列，离慢轴准直镜组越远的蓝光半导体激光器离光束压缩元件的距离越近，使第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到慢轴准直镜组之间的光程均相等。进一步地，可以设置B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使第一类各层蓝光和第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器阵列到慢轴准直镜组之间的光程均相等；此时，用于准直由光束压缩元件出射的各层蓝光的慢轴准直镜组完全相同，即可以采用一个具有一定尺寸的慢轴准直镜组使得其能够处理各层蓝光入射光，工艺更加简单。而若各层蓝光之间，蓝光光束的光程不相等，则需要多个参数不同的慢轴准直镜组对应处理不同层的蓝光，工艺更加复杂。

进一步地，用于发射第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距小于用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距；可以设置B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使由光束压缩元件出射的任意两层蓝光之间，其蓝光光束的间距均相等，从而可以使得在压缩蓝光光束之间的间距的同时使光束平行出射，使更多的蓝光半导体激光器能够参与到合束中，进而提高输出功率。

本发明通过对蓝光半导体激光阵列进行光束压缩以及利用衍射光栅—反射镜组光谱合束，能够使更多的发光单元参与到光谱合束，在保证与发光单元输出激光光束质量相近的前提下提高最终的输出功率，还能够使波长锁定更加稳定；并且，本发明通过慢轴方向上多层蓝光半导体激光器阵列以及快轴方向上多个蓝光半导体激光器的叠加设计，使最终的合束光束快轴与慢轴方向上尺寸近似相等，更有利于耦合进光纤等后续利用。

为了进一步说明本发明所提供的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，下面结合一可选实施例1进行详述：

本实施例中，待合束的各层蓝光的层数为3，即N＝3；具体地，如图2所示，多层蓝光半导体激光光谱合束装置包括：第一层蓝光半导体激光器阵列1、第一层快轴准直镜组2、第二层蓝光半导体激光器阵列3、第二层快轴准直镜组4、第三层蓝光半导体激光器阵列5、第三层快轴准直镜组6、光束压缩元件7、慢轴准直镜组8、光束偏转元件9、衍射光栅10、反射镜11和输出耦合镜12；

其中，第一层蓝光半导体激光器阵列1由若干个蓝光半导体激光器构成，用于发射等间距的蓝光光束；第二层蓝光半导体激光器阵列3与第三层蓝光半导体激光器阵列5由与第一层蓝光半导体激光器阵列1数量相同的若干蓝光半导体发光单元构成，用于输出等间距的蓝光光束；其中，第一层蓝光半导体激光器阵列1包含n₁个蓝光半导体激光器，整个激光阵列呈水平排列；第二层蓝光半导体激光器阵列3包含n₂个蓝光半导体激光器，且第二层蓝光半导体激光器阵列3呈阶梯状排列；第三层蓝光半导体激光器阵列5包含n₃个蓝光半导体激光器，且第三层蓝光半导体激光器阵列5呈阶梯状排列；其中，n₁、n₂、n₃均为自然数且n₁＝n₂＝n₃。

具体地，本实施例中，第一层蓝光半导体激光器阵列1、第二层蓝光半导体激光器阵列5以及第三层蓝光半导体激光器阵列5均包含5(即n₁＝n₂＝n₃＝5)个输出功率为5W的蓝光半导体激光器，且输出波长为450nm。其中，第一层蓝光半导体激光器阵列1的蓝光发光单元排列较为紧密。

第一层快轴准直镜组2、第二层快轴准直镜组4和第三层快轴准直镜组6分别用于在快轴方向上准直第一层蓝光半导体激光器阵列1、第二层蓝光半导体激光器阵列3和第三层蓝光半导体激光器阵列5发射的若干蓝光光束，减小快轴发散角。具体地，如图3所示为第一层蓝光半导体激光器阵列的蓝光光束经第一层快轴准直镜组准直的结构与光路示意图，第一层蓝光半导体激光器阵列中的5个蓝光发光单元排列在一条线上，输出的5条蓝光光束经过第一层快轴准直镜组后在快轴方向上被准直，快轴发散角减小。如图4所示为第二层蓝光半导体激光器阵列的蓝光光束经第二层快轴准直镜组准直的结构与光路示意图，第二层蓝光半导体激光器阵列中的5个蓝光发光单元呈阶梯状排列，因此每个蓝光半导体激光器需要使用第二层快轴准直镜组中单独的快轴准直镜对光束分别进行准直，减小快轴发散角。第三层蓝光半导体激光器阵列及第三层快轴准直镜组与第二层蓝光半导体激光器阵列及第二层快轴准直镜组的结构完全相同，只是角度相差180°，呈镜像放置。

光束压缩元件7包含一层长方体棱镜以及两层锯齿形棱镜，分别用于透射第一层蓝光半导体激光器阵列输出的蓝光光束并压缩第二层蓝光半导体激光器阵列与第三层蓝光半导体激光器阵列输出的蓝光光束；其中，长方体棱镜置于锯齿形棱镜的下方；光束压缩元件中最下层的长方体棱镜一方面作为透镜将第一层的若干蓝光光束透射且不改变方向，另一方面作为上面两层锯齿形棱镜的基底。上面两层锯齿形棱镜的锯齿形斜边为全反射面，用于反射第二层蓝光半导体激光器阵列与第三层蓝光半导体激光器阵列所输出的蓝光光束，经过反射面的若干蓝光光束旋转90°后光束之间的间距被压缩，但仍为等间距输出，且三层棱镜之间通过用胶水粘结接触面固定；进一步的，本实施例中，第一层蓝光半导体激光器阵列中的蓝光半导体激光器输出的蓝光光束之间的间距与第二层蓝光半导体激光器阵列以及第三层蓝光半导体激光器阵列输出的蓝光光束经光束压缩元件压缩后的蓝光光束间距相等，故在实际搭建装置时，第一层蓝光半导体激光器阵列中蓝光半导体激光器的排列相较于另外两层要更加紧密，蓝光半导体激光器之间的间距更小。具体地，如图5所示为本实施例中光束压缩元件的结构图。其中，最底层棱镜是长方体棱镜，第一层蓝光半导体激光器阵列输出的5条快轴准直蓝光光束经过最底层棱镜后光束不发生偏折；中间层棱镜是锯齿形棱镜，其斜边为全反面，第二层蓝光半导体激光器阵列输出的5条快轴准直蓝光光束经过中间层棱镜后在快轴方向上光束间距被压缩，与第一层的5条蓝光光束间距相等；最上层棱镜为与中间层棱镜呈镜像放置的另一块锯齿形棱镜，其斜边为全反面，第三层蓝光半导体激光器阵列输出的5条快轴准直蓝光光束经过最上层棱镜后在快轴方向上光束间距被压缩，与第一层的5条蓝光光束间距相等。

慢轴准直镜组的结构8由三个平行排列且位于同一平面的柱面镜组成，分别用于在慢轴方向上准直经过光束压缩元件投射以及压缩的三层蓝光，减小每束蓝光光束的慢轴发散角；本实施例中，慢轴准直镜组位于光束压缩元件与光束偏转元件之间，由于所有蓝光发光单元在快轴方向上为等光程设计，到慢轴准直镜组的距离均相等，因此慢轴准直镜组可直接由三个平行摆放的柱面镜组成即可。具体地，如图6所示为本实施例中慢轴准直镜组的结构示意图，等光程设计的三层共计15条蓝光光束分别经过慢轴准直镜组中的三个慢轴准直镜准直，减小了每束蓝光光束在慢轴上的发散角。

光束偏转元件9将经过慢轴准直镜组出射的三层蓝光偏转汇聚并分别入射到衍射光栅10上(每层蓝光中的蓝光光束均入射到衍射光栅的同一片区域，不同层蓝光入射到衍射光栅的不同区域)，经过衍射光栅以相应的衍射角入射到反射镜11，经过反射镜11的反射以相应的角度重新经过衍射光栅，并最终以相同的衍射角输出。需要说明的是，在衍射光栅后的一小段距离放置一反射镜，二者构成与双衍射光栅组类似的衍射光栅—反射镜组合。由于衍射光栅在Littrow结构下具有最高的衍射效率，因此衍射光栅相对于经过所述光束偏转元件汇聚的三层若干蓝光光束以Littrow结构放置，设Littrow结构的角度设为θ_L，蓝光光束波长设为λ_蓝。由于每一层的蓝光光束间距相等，因此以第一层的蓝光光束为例，设每束蓝光光束入射到衍射光栅的入射角为θ_i1，经过衍射光栅后的衍射角为θ_d，则衍射光栅方程的微分形式为：

d cosθ_i1dθ_i1+d cosθ_ddθ_d＝dλ_蓝

经过衍射光栅衍射的若干蓝光光束经过与衍射光栅呈一定角度摆放的反射镜的反射后的反射光重新以Littrow角度入射回衍射光栅，设每束蓝光光束的入射角为θ_i1’，且第二次经过衍射光栅的衍射后每束蓝光光束的衍射角相同，故光栅方程的微分形式为：

d cosθ_i1’dθ_i1’＝dλ_蓝

带入θ_i1与θ_i1’均等于θ_Littrow这个条件，可以推出最终的合束光束光谱间隔公式为：

Δλ_蓝＝(dp/2f_T)cosθ_i1＝(dp/2f_T)cos(θ_Littrow+(ip/f_T))

由公式可得利用衍射光栅—反射镜组进行光谱合束得到的蓝光合束光束的光谱间隔仅为单光栅光谱合束的二分之一，极大的提升了光束质量。

输出耦合镜12用于分别对入射的各层蓝光，反射其中的一部分蓝光光束，以与其对应的蓝光半导体激光器的输出镜外表面形成反馈；并输出未被反射的蓝光光束，即为该层蓝光的蓝光合束光束；最终得到3束蓝光合束光束，3束蓝光合束光束经过光纤进行耦合后完成光谱合束。具体地，输出耦合镜在朝向光束入射的方向上镀有反射膜，用于反射一部分蓝光光束沿光路返回到蓝光半导体激光器的外表面上形成反馈，另一部分则作为输出。当反射膜反射率较高时，能够形成稳定的震荡，形成良好的波长锁定，但是相应的透过率会很低，降低了最终的蓝光输出功率，而当反射膜反射率过低时则无法形成良好的反馈，无法形成稳定的波长锁定，甚至导致无法顺利完成光谱合束。由此可见，在实际搭建装置时要通过多次试验最终得到具有最佳反射率的反射膜；本实施例中，反射率设置为20％-90％，优选为30％。

具体地，如图7所示为本实施例中所采用的光束偏转元件，具体为凸透镜；如图8所示为本实施例中所采用的衍射光栅—反射镜组合。结合图2、图7、图8可以看出，等光程设计的三层共计15条蓝光光束分别经过光束偏转元件的偏转作用入射到与蓝光光束呈Littrow结构(角度约为23.9°)摆放的衍射光栅的同一个部分，经过衍射光栅的衍射作用后以相应的衍射角入射到反射镜，又通过以合适角度摆放的反射镜的反射作用以Littrow角度(约为23.9°)再一次入射到衍射光栅，经过衍射光栅的衍射作用后以相同的衍射角输出。三层蓝光通过面对光束入射面镀有一定反射率(反射率约为30％)的反射膜的输出耦合镜，一部分蓝光被反射，与各自的蓝光发光单元的输出镜外表面形成反馈，锁定波长，另一部分则输出快轴与慢轴尺寸相近的正方形光斑并进一步耦合进光纤中。需要说明的是，第一层蓝光半导体激光器阵列的n₁个蓝光半导体激光器、第二层蓝光半导体激光器阵列中的n₂个蓝光半导体激光器以及第三层蓝光半导体激光器阵列中的n₃个蓝光半导体激光器所输出的三层蓝光光束在慢轴方向上的间距应尽可能小，且发光单元的数量均可与三层光束压缩元件中的锯齿形棱镜斜边反射面数量同步调整，只要满足在快轴方向上准直之后经过光谱合束的尺寸应与三层蓝光光束在慢轴方向上的尺寸相加的最终尺寸相近，形成一个近似为正方形的输出光斑即可，便于后续耦合进光纤完成后续应用。

进一步说明的是，本实施例中的蓝光半导体激光器阵列的蓝光半导体激光器数量为5个，但只要满足最终的输出光斑近似为正方形，则具体的发光单元数量可以有所增减，并且快轴准直镜组、慢轴准直镜组以及光束压缩元件等装置中其他元件的结构与尺寸也需要随之变化。并且本装置中的所有元件无明确说明的情况下均可采用直接制造或者直接采购现有元件获得。

进一步地，第一层蓝光半导体激光器阵列、第二层蓝光半导体激光器阵列与第三层蓝光半导体激光器阵列和光束偏转元件的放置距离应与衍射光栅以及反射镜组成的衍射光栅—反射镜组中心位置到光束偏转元件的距离相近，以保证最佳合束效果；且由于整个光路中光学元件较多，因此可以在本发明装置中所有元件的透射表面镀增透膜以保证更高的合束效率。

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 (10)

1.一种多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括：沿光路方向依次放置的光束压缩元件、慢轴准直镜组、光束偏转元件、衍射光栅、反射镜和输出耦合镜；所述光束压缩元件、所述慢轴准直镜组和所述光束偏转元件的中轴线重合；

待合束的各层蓝光分为两类，第一类各层蓝光沿着与所述光束压缩元件的中轴线平行的方向入射到所述光束压缩元件中，第二类各层蓝光沿着与所述光束压缩元件的中轴线垂直的方向入射到所述光束压缩元件中；每一层蓝光均包括处于同一水平面上的多束平行且间距相等的蓝光光束，为由蓝光半导体激光器阵列发射并在快轴方向准直后的光束；每一层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到所述慢轴准直镜组之间的光程均相等；

所述光束压缩元件包括垂直堆叠的多层棱镜；所述棱镜的层数与待合束的蓝光的层数相同，均为N，N为大于或等于3的正整数；每一层蓝光分别入射到对应的一层棱镜中；其中，所述第一类各层蓝光所对应的棱镜类型为A类棱镜；所述第二类各层蓝光所对应的棱镜类型为B类棱镜；所述A类棱镜的入射面与出射面平行；所述B类棱镜的入射面呈锯齿形斜面，并镀有全反射膜，且各锯齿的角度均相同；

所述光束压缩元件用于基于所述A类棱镜透射所述第一类各层蓝光，同时基于所述B类棱镜压缩所述第二类各层蓝光中各蓝光光束之间的间距，并出射到所述光束偏转元件上；

所述慢轴准直镜组用于在慢轴方向对入射的各层蓝光进行准直，并出射到所述光束偏转元件上；

所述光束偏转元件用于分别对入射的各层蓝光，将其中的各蓝光光束汇聚到所述衍射光栅上，各蓝光光束经过所述衍射光栅后以相同的衍射角入射到所述反射镜上，经过所述反射镜反射后以相应的角度重新经过所述衍射光栅，并以相同的衍射角入射到所述输出耦合镜上；

所述输出耦合镜用于分别对入射的各层蓝光，反射其中的一部分蓝光光束，以与其对应的蓝光半导体激光器的输出镜外表面形成反馈；并输出未被反射的蓝光光束，即为该层蓝光的蓝光合束光束；最终得到N束蓝光合束光束，所述N束蓝光合束光束经过光纤进行耦合后完成光谱合束。

2.根据权利要求1所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，用于发射所述第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量与用于发射所述第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的数量相等。

3.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，用于发射第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器在同一个平面上呈阶梯状排列，离慢轴准直镜组越远的蓝光半导体激光器离光束压缩元件的距离越近，使所述第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器到慢轴准直镜组之间的光程均相等。

4.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，设置所述B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使所述第一类各层蓝光和所述第二类各层蓝光中的各蓝光光束从蓝光半导体激光器阵列到慢轴准直镜组之间的光程均相等。

5.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，用于发射所述第一类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距小于用于发射所述第二类各层蓝光的蓝光半导体激光器阵列中的各蓝光半导体激光器的间距；设置所述B类棱镜中锯齿形斜面斜率，使由所述光束压缩元件出射的任意两层蓝光之间，其蓝光光束的间距均相等。

6.根据权利要求1或2所所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述A类棱镜为长方体棱镜。

7.根据权利要求6所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述光束压缩元件中，所述A类棱镜位于所述B类棱镜的下方，以使所述光束压缩元件的结构更加稳定。

8.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述慢轴准直镜为柱面镜；所述光束偏转元件为凸透镜。

9.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅与入射到所述衍射光栅的中心蓝光光束之间呈Littrow角。

10.根据权利要求1或2所述的多层蓝光半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜为输入面镀有预设反射率的反射膜的平面镜。

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