CN113794099A - 一种复合光谱合成装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合光谱合成装置，所述装置包括：沿一路光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅰ、大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅱ和合束组件，以及沿另一路光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅱ、大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅲ和合束组件；本发明公开的复合光谱合成装置，通过共用光栅，减小小口径光栅的功率负载，减小合成系统的成本，提高共用光栅的利用率；同时，在相同合成子束数目的条件下，减小共用光栅的口径，显著降低大口径光栅的制备难度，降低合成系统的成本，并使得小口径光栅的功率负载减小一半，显著提升合成光束的光束质量。

Description

一种复合光谱合成装置
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种复合光谱合成装置。
背景技术
高光束质量、高平均功率的激光光源在工业生产和装备制造等领域具有重要的应用前景。在激光切割领域应用时，具有更高平均功率、更优光束质量的激光光源意味着更快的切割速率和更厚的切割能力。然而受限于非线性效应及模式不稳定性等影响，单纤单模激光器的输出功率存在上限，为了实现更高功率的光源输出，通常采用光谱合成技术将多束光束进行合成。
目前，常见的光谱合成装置有两类：第一类为单光栅合束装置，该装置的多束激光由不同角度入射光栅，利用光栅的色散能力将多束不同波长的光束合成为一束光束，该类装置虽然结构简单，但其对子束线宽要求较高，只能使用超窄线宽激光器（激光器的光谱宽度约小于30GHz）的输出激光作为输入子束光源。第二类为双光栅合束装置，该装置的多束激光以相同的角度入射至第一块光栅，并利用光栅的色散特性使多束光束入射在第二块光栅实现空间重叠，多束光束经第二块光栅衍射后合成为一束光束，该类装置的优点是降低了子束线宽的要求，可使用窄线宽激光器（~0.3nm）作为子束进行合成，但其该类装置的缺点是第一块光栅所需的光学口径大，以10路子束光谱合成为例，当子束间距为30mm，入射角为65°时，所需光栅的光学口径约710mm，光栅口径的增加不仅大大增加了光栅的制备难度，而且严重增加了光谱合成系统的成本，且由于第一块光栅主要用于对各子束提供色散，所承载光功率密度低，也造成了光栅使用上的浪费，其次，各合成光束在小口径光栅上相互重叠，造成小口径光栅上的功率密度高，导致合成光束质量劣化并限制了合成功率的提升。
因此，亟需一种光谱合成装置，该装置能够提高大口径光栅的使用率，降低合成系统的成本。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种复合光谱合成装置，该装置可有效提高双光栅光谱合成中共用光栅的使用率，降低合成系统的成本，促进光谱合成装置的应用。
为达此目的，一种复合光谱合成装置，所述装置包括：沿光传播方向依次设置一维光纤光源阵列Ⅰ、大口径多层介质膜光栅Ⅰ和小口径多层介质膜光栅Ⅰ，沿另一路光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅱ、大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅱ，以及合成从小口径多层介质膜光栅Ⅰ和小口径多层介质膜光栅Ⅱ输出的两路光的合束组件；
所述一维光纤光源阵列Ⅰ和一维光纤光源阵列Ⅱ均由多个中心波长不同的子光束组成，一维光纤光源阵列Ⅰ发射的各子光束的指向相同，一维光纤光源阵列Ⅱ发射的各子光束的指向也相同；
所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ为一维光纤光源阵列Ⅰ和一维光纤光源阵列Ⅱ发射光束的共用，且一维光纤光源阵列Ⅰ发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ的方向与一维光纤光源阵列Ⅱ发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ的方向不同；
所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅰ和小口径多层介质膜光栅Ⅱ的刻线密度相同，光栅面及栅线方向相互平行。
优选的，所述一维光纤光源阵列Ⅰ和一维光纤光源阵列Ⅱ的各子光束为偏振光束，大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅰ和小口径多层介质膜光栅Ⅱ均为偏振光栅。
优选的，所述一维光纤光源阵列Ⅰ和一维光纤光源阵列Ⅱ的各子光束为非偏振光束，大口径多层介质膜光栅Ⅰ、小口径多层介质膜光栅Ⅰ和小口径多层介质膜光栅Ⅱ均为偏振无关光栅。
优选的，所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ的迎光面与一维光纤光源阵列Ⅰ和一维光纤光源阵列Ⅱ的发射光束入射面夹角为θ，θ=0°~10°。
优选的，所述合束组件包括旋光片和偏振合束镜，沿光传输的方向，旋光片设置在偏振合束镜的前面。
优选的，所述合束组件为双色镜。
本发明的有益效果是：本发明所提出的一种复合光谱合成装置中两个一维光纤光源阵列共用了一个衍射光栅，可显著降低合成系统的成本；在相同合成功率条件下，所需的共用衍射光栅的尺寸减小约1/2，避免了使用制作难度较大的大口径光栅；在共用光栅口径尺寸相同的条件下，本发明能够合成的子束数目是现有技术中的2倍，显著的提升了合成系统的功率，因此，本发明所述装置成本低，实用性和适用性强。
附图说明
图1为本发明实施例的复合光谱合成装置结构示意图；
图2为本发明另一个实施例中复合光谱合成装置的结构示意图；
图中：101. 一维光纤光源阵列Ⅰ 102. 一维光纤光源阵列Ⅱ 103. 大口径多层介质膜光栅Ⅰ 104. 小口径多层介质膜光栅Ⅰ 105. 小口径多层介质膜光栅Ⅱ 106. 旋光片107. 偏振合束镜 206. 双色镜。
具体实施方式
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1和图2所示一种复合光谱合成装置，所述装置包括：沿一路光传播方向依次设置一维光纤光源阵列Ⅰ101、大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅰ104，沿另一路光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅱ102、大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅱ105，以及合成从小口径多层介质膜光栅Ⅰ104和小口径多层介质膜光栅Ⅱ105输出的两路光的合束组件；
其中一维光纤光源阵列Ⅰ101和一维光纤光源阵列Ⅱ102均由多个中心波长不同的子光束组成，每个一维光纤光源阵列发射的各子光束的指向相同。
大口径多层介质膜光栅Ⅰ103为一维光纤光源阵列Ⅰ101和一维光纤光源阵列Ⅱ102发射的光束共用，一维光纤光源阵列Ⅰ101发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ103的方向与一维光纤光源阵列Ⅱ102发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ103的方向不同。
上述，大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅰ104和小口径多层介质膜光栅Ⅱ105的刻线密度相同，光栅面及栅线方向相互平行。
作为一个实施例若上述一维光纤光源阵列Ⅰ101和一维光纤光源阵列Ⅱ102的各子光束为偏振光束，则大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅰ104和小口径多层介质膜光栅Ⅱ105均为偏振光栅。
作为另一个实施例若上述一维光纤光源阵列Ⅰ101和一维光纤光源阵列Ⅱ102的各子光束为非偏振光束，则大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅰ104和小口径多层介质膜光栅Ⅱ105均为偏振无关光栅。
由于大口径多层介质膜光栅Ⅰ103、小口径多层介质膜光栅Ⅰ104和小口径多层介质膜光栅Ⅱ105衍射效率的限制，上述各光栅存在0级反射光，为避免一维光纤光源阵列Ⅰ101的0级反射光对一维光纤光源阵列Ⅱ102的影响，以及一维光纤光源阵列Ⅱ102的0级反射光对一维光纤光源阵列Ⅰ101的影响，大口径多层介质膜光栅Ⅰ103的迎光面与一维光纤光源阵列Ⅰ101和一维光纤光源阵列Ⅱ102的发射光束入射面夹角为θ，θ=0°~10°。
作为一个实施例上述合束组件如图1所示包括旋光片106和偏振合束镜107，沿光传输的方向，旋光片106设置在偏振合束镜107的前面，其中旋光片将一维光纤光源阵列Ⅰ101的发射光束的偏振态旋转90°，偏振合束镜107将一维光纤光源阵列Ⅰ101的透射光和一维光纤光源阵列Ⅱ102的反射光进行合束输出，即实现光谱合束。
作为另一个实施例，上述合束组件为双色镜206。
上述两个一维光纤光源阵列进行光谱合束的过程如下：一维光纤光源阵列Ⅰ101发射的所有子光束以相同的角度入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ103上，经过大口径多层介质膜光栅Ⅰ103反射后，在小口径多层介质膜光栅Ⅰ104上重叠为一个光斑，并经过小口径多层介质膜光栅Ⅰ104衍射后合成为一束光束，之后传输到合束组件，一维光纤光源阵列Ⅱ102发射的子光束也经过上述衍射传输过程后，传输至合束组件，合束组件最后将两束光合为一束。

Claims (6)

1.一种复合光谱合成装置，其特征在于，所述装置包括：沿光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅰ（101）、大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）和小口径多层介质膜光栅Ⅰ（104），沿另一路光传播方向依次设置的一维光纤光源阵列Ⅱ（102）、大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）、小口径多层介质膜光栅Ⅱ（105），以及合成从小口径多层介质膜光栅Ⅰ（104）和小口径多层介质膜光栅Ⅱ（105）输出的两路光的合束组件；
所述一维光纤光源阵列Ⅰ（101）和一维光纤光源阵列Ⅱ（102）均由多个中心波长不同的子光束组成，一维光纤光源阵列Ⅰ（101）发射的各子光束的指向相同，一维光纤光源阵列Ⅱ（102）发射的各子光束的指向也相同；
所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）为一维光纤光源阵列Ⅰ（101）和一维光纤光源阵列Ⅱ（102）发射的各光束共用，且一维光纤光源阵列Ⅰ（101）发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）的方向与一维光纤光源阵列Ⅱ（102）发射光束入射到大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）的方向不同；
所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）、小口径多层介质膜光栅Ⅰ（104）和小口径多层介质膜光栅Ⅱ（105）的刻线密度相同，光栅面及栅线方向均相互平行。
2.根据权利要求1所述的复合光谱合成装置，其特征在于，所述一维光纤光源阵列Ⅰ（101）和一维光纤光源阵列Ⅱ（102）的各子光束为偏振光束，大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）、小口径多层介质膜光栅Ⅰ（104）和小口径多层介质膜光栅Ⅱ（105）均为偏振光栅。
3.根据权利要求1所述的复合光谱合成装置，其特征在于，所述一维光纤光源阵列Ⅰ（101）和一维光纤光源阵列Ⅱ（102）的各子光束为非偏振光束，大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）、小口径多层介质膜光栅Ⅰ（104）和小口径多层介质膜光栅Ⅱ（105）均为偏振无关光栅。
4.根据权利要求2或3所述的复合光谱合成装置，其特征在于，所述大口径多层介质膜光栅Ⅰ（103）的迎光面与一维光纤光源阵列Ⅰ（101）和一维光纤光源阵列Ⅱ（102）的发射光束入射面夹角为θ，θ=0°~10°。
5.根据权利要求4所述的复合光谱合成装置，其特征在于，所述合束组件包括旋光片（106）和偏振合束镜（107），沿光传输的方向，旋光片（106）设置在偏振合束镜（107）的前面。
6.根据权利要求4所述的复合光谱合成装置，其特征在于，所述合束组件为双色镜（206）。
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