CN113488843A - 一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法 - Google Patents

一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法 Download PDF

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Abstract

一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法，光谱组束系统包括依次在光路中设置的反射光栅、传输透镜、透镜阵列、光纤阵列以及输出耦合透镜；所述的反射光栅能够将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；所述的传输透镜采用平凸透镜，能够将多束激光向后耦合进透镜阵列中或者向前聚焦到反射光栅上；所述的透镜阵列与光纤阵列相配合，能够对多束激光进行准直与耦合；所述的输出耦合透镜采用平面反射镜，能够对光纤阵列传输的各波段激光进行反射，使其沿原光路返回。本发明还提出一种采用所述光谱组束系统的超大功率激光的输出方法，能够分别进行分光和激光合束输出。本发明提出的光谱组束系统的整体结构较小，而且光路原路返回输出时损耗较低。

Description

一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法
技术领域
本发明属于半导体激光器领域，具体涉及一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法。
背景技术
半导体激光器具有体积小、寿命长、效率高以及结构紧凑等优点。这些优异的特性使得它在医疗、材料处理、固体激光器泵浦、工业及航空、航天等诸多领域具有广泛的应用。
各种不同的激光器架构都促进了具有高光束质量的高功率激光光源的发展，然而这些方法都有其局限性。例如，一些设想中的激光器应用需要的高功率和高亮度，是现有技术无法满足的。对于这一问题，一个可行的解决方案就是利用合束来实现，其原理本质上就是将多个激光源的输出合成一个单一的输出光束。合束的目的不仅仅是单纯成倍的增加输出功率，还要使得输出光束保持光束质量，并且在增加功率的同时(几乎完全)同步的增加亮度。
在非相干合束中，光谱组束被证明是提高整体光束质量的有效方法，可以实现与单个发光单元光束质量相近的激光输出，同时可以实现大功率输出。光谱组束的方法比相干合束的方法装置结构简单、调制方便、更容易实现，但仍存在结构较大，传输损耗较高的问题。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中光谱组束装置结构较大以及传输损耗高，难以保证光束质量的问题，提供一种光谱组束系统及超大功率激光的输出方法，该光谱组束系统的结构简单紧凑，合束时光路按原路返回，能够减少损耗，并且提高光束质量，安全可靠。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种光谱组束系统，包括依次在光路中设置的反射光栅、传输透镜、透镜阵列、光纤阵列以及输出耦合透镜；所述的反射光栅能够将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；所述的传输透镜采用平凸透镜，能够将多束激光向后耦合进透镜阵列中或者向前聚焦到反射光栅上；所述的透镜阵列与光纤阵列相配合，能够对多束激光进行准直与耦合；所述的输出耦合透镜采用平面反射镜，能够对光纤阵列传输的各波段激光进行反射，使其沿原光路返回。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述的反射光栅为布拉格光栅，光栅周期为1700Lines/mm，衍射成的多束激光当中，相邻两束激光之间的保持特定角度。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述平凸透镜与反射光栅之间的距离能够满足平凸透镜的焦点落在反射光栅上，平凸透镜的各端面都镀有增透膜。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述的光纤阵列与透镜阵列之间设有间距，间距满足由光纤阵列注入的激光经过透镜阵列之后的光斑直径为105μm。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述透镜阵列的透镜数目设置50个，透镜阵列的透镜间距为127μm；所述光纤阵列的光纤数目为64根，光纤阵列的光纤间距为127μm。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述透镜阵列的透镜各端面都镀有增透膜，透镜阵列的反射率≤0.1％；所述光纤阵列的光纤上都镀有增透膜，光纤阵列的反射率≤0.1％。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，所述光纤阵列的端面法线与出射光夹角为
Figure BDA0003165324350000021
Figure BDA0003165324350000022
其夹角计算公式为：
Figure BDA0003165324350000023
式中，n0为大气折射率，n1为光纤内折射率，
Figure BDA0003165324350000024
为光纤阵列与其平面板之间的夹角。
作为本发明光谱组束系统的一种优选方案，光路中还设置有光纤放大器，所述的光纤放大器设置在光纤阵列与输出耦合透镜之间。
本发明还提出一种采用所述光谱组束系统的超大功率激光的输出方法，能够分别进行分光和激光合束输出，包括以下步骤：
-分光输出：
通过反射光栅将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；
通过传输透镜将多束激光耦合进透镜阵列中；
通过透镜阵列对多束激光进行准直与耦合；
通过光纤阵列对透镜阵列输出的多束激光进行耦合输出；
-激光合束输出：
通过输出耦合透镜对光纤阵列传输的各波段激光进行反射；
光纤阵列将输出耦合透镜反射的各波段激光耦合进透镜阵列中；
透镜阵列对反射的各波段激光进行准直与耦合；
通过传输透镜将透镜阵列传输的各波段激光聚焦到反射光栅上；
通过反射光栅对聚焦后的激光进行输出。
相较于现有技术，本发明有如下的技术方案：该光谱组束系统仅通过依次在光路中设置的反射光栅、传输透镜、透镜阵列、光纤阵列以及输出耦合透镜即能够组成外腔，实现对输入激光进行光谱组束。输出耦合透镜采用平面反射镜，能够对光纤阵列传输的各波段激光进行反射，使其沿原光路返回。传输透镜采用平凸透镜，不仅能够将多束激光向后耦合进透镜阵列中，还能够向前聚焦到反射光栅上，既可以分光又可以进行激光合束。相对于传统结构，本发明提出的光谱组束系统的整体结构较小，而且光路原路返回输出时损耗较低。
进一步的，本发明的反射光栅为布拉格光栅，光栅周期为1700Lines/mm，即等于588nm，衍射成的多束激光当中，相邻两束激光之间的保持特定角度，光栅的精度最佳。
进一步的，本发明光纤阵列采用光纤阵列板，光纤阵列的光纤数目为64根，即8根8通道带线设计，选择50个参数最佳的光纤与透镜阵列的50个透镜对光，保证最佳光学参数。
进一步的，本发明光路中还设置有光纤放大器，光纤放大器设置在光纤阵列与输出耦合透镜之间，光纤放大器能够实现正反双向放大，将输出激光的能量放大至一定倍数。
附图说明
图1本发明实施例光谱组束系统的结构示意图；
附图中：1-反射光栅；2-传输透镜；3-透镜阵列；4-光纤阵列；5-输出耦合透镜。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
参见图1，本发明提出一种光谱组束系统，包括依次在光路中设置的反射光栅1、传输透镜2、透镜阵列3、光纤阵列4以及输出耦合透镜5。反射光栅1能够将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；传输透镜2采用平凸透镜，能够将多束激光向后耦合进透镜阵列3中或者向前聚焦到反射光栅1上；透镜阵列3与光纤阵列4相配合，能够对多束激光进行准直与耦合；输出耦合透镜5采用平面反射镜，能够对光纤阵列4传输的各波段激光进行反射，使其沿原光路返回。由反射光栅1、传输透镜2、透镜阵列3、光纤阵列4以及输出耦合透镜5构成外腔，对输入激光进行光谱组束。此系统可以分光又可以进行激光合束。
本发明的光栅采用反射光栅1，该光栅的周期为1700Lines/mm，用于将入射激光衍射为多束激光，且每相邻两束激光之间的角度为Δθrad；
传输透镜2采用平凸透镜，其焦距为f mm，作用是将衍射光束投入光纤阵列中或是将光束聚焦于光栅中，实现对发光单元的光束进行准直或者聚焦的作用，各端面都镀有增透膜；
透镜阵列3的透镜数目为50个，透镜阵列3的透镜间距为127μm，且镀增透膜，使其反射率≤0.1％，在其后固定光纤阵列4；光纤阵列4位于透镜阵列3之后，其与透镜阵列3之间的间距为L mm，从光纤阵列4的光纤中注入激光，调整透镜阵列3与光纤阵列4的位置，使经过透镜阵列3后的光斑直径为105μm，此时透镜阵列3与光线阵列4的距离即为最佳距离。光纤阵列4的光纤数目为64根，光纤阵列4的光纤间距为127μm，且镀增透膜，使得其反射率≤0.1％。光纤阵列4的端面法线与出射光夹角为
Figure BDA0003165324350000041
其夹角计算公式为：
Figure BDA0003165324350000042
式中，n0为大气折射率，n1为光纤内折射率，
Figure BDA0003165324350000051
为光纤阵列4与其平面板之间的夹角。
优选的，n0为1，n1为1.45，
Figure BDA0003165324350000052
为8°。
本发明光谱组束系统的整体结构较小，而且光路原路返回输出时损耗较低，可提高光束质量，安全可靠，测得作为分光模块时损耗≤1.5dB，作为激光合束模块时损耗≤2dB。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用于对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于本发明权利要求书涵盖的保护范围。

Claims (9)

1.一种光谱组束系统，其特征在于：包括依次在光路中设置的反射光栅(1)、传输透镜(2)、透镜阵列(3)、光纤阵列(4)以及输出耦合透镜(5)；所述的反射光栅(1)能够将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；所述的传输透镜(2)采用平凸透镜，能够将多束激光向后耦合进透镜阵列(3)中或者向前聚焦到反射光栅(1)上；所述的透镜阵列(3)与所述的光纤阵列(4)相配合，能够对多束激光进行准直与耦合；所述的输出耦合透镜(5)采用平面反射镜，能够对光纤阵列(4)传输的各波段激光进行反射，使其沿原光路返回。
2.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：所述的反射光栅(1)为布拉格光栅，光栅周期为1700Lines/mm，衍射成的多束激光当中，相邻两束激光之间的保持特定角度。
3.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：所述平凸透镜与反射光栅(1)之间的距离能够满足平凸透镜的焦点落在反射光栅(1)上，平凸透镜的各端面都镀有增透膜。
4.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：光纤阵列(4)与透镜阵列(3)之间设有间距，间距满足由光纤阵列(4)注入的激光经过透镜阵列(3)之后的光斑直径为105μm。
5.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：
所述透镜阵列(3)的透镜数目设置50个，所述透镜阵列(3)的透镜间距为127μm；
所述光纤阵列(4)的光纤数目为64根，所述光纤阵列(4)的光纤间距为127μm。
6.根据权利要求1或5所述的光谱组束系统，其特征在于：
所述透镜阵列(3)的透镜各端面都镀有增透膜，透镜阵列(3)的反射率≤0.1％；
所述光纤阵列(4)的光纤上都镀有增透膜，光纤阵列(4)的反射率≤0.1％。
7.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：所述光纤阵列(4)的端面法线与出射光夹角为
Figure FDA0003165324340000011
其夹角计算公式为：
Figure FDA0003165324340000012
式中，n0为大气折射率，n1为光纤内折射率，
Figure FDA0003165324340000013
为光纤阵列(4)与其平面板之间的夹角。
8.根据权利要求1所述的光谱组束系统，其特征在于：光路中还设置有光纤放大器，所述的光纤放大器设置在光纤阵列(4)与输出耦合透镜(5)之间。
9.一种采用如权利要求1所述光谱组束系统的超大功率激光的输出方法，其特征在于，能够分别进行分光和激光合束输出，包括以下步骤：
-分光输出：
通过反射光栅(1)将一束入射激光衍射成不同波长的多束激光；
通过传输透镜(2)将多束激光耦合进透镜阵列(3)中；
通过透镜阵列(3)对多束激光进行准直与耦合；
通过光纤阵列(4)对透镜阵列(3)输出的多束激光进行耦合输出；
-激光合束输出：
通过输出耦合透镜(5)对光纤阵列(4)传输的各波段激光进行反射；
光纤阵列(4)将输出耦合透镜(5)反射的各波段激光耦合进透镜阵列(3)中；
透镜阵列(3)对反射的各波段激光进行准直与耦合；
通过传输透镜(2)将透镜阵列(3)传输的各波段激光聚焦到反射光栅(1)上；
通过反射光栅(1)对聚焦后的激光进行输出。
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