CN115128820A - 啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体提供一种啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法，光谱合束装置包括激光单元阵列、半波片、偏振分光镜、啁啾反射式体布拉格光栅、变换透镜及衍射光栅；激光单元阵列的前腔面位于变换透镜的前焦平面上，衍射光栅位于变换透镜的后焦平面上；光谱合束装置的光路包括光谱合束方向和非光谱合束方向；在实现不同波长输出的同时，改善激光单元谐振的线偏振度，获得更高的光谱合束效率，也提升了整个光谱合束光源的可靠性；作为后腔面的体布拉格光栅与激光单元后腔面距离大大缩短，可以降低谐振腔的结构稳定性和装调精度要求。

Description

啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法。

背景技术

光谱合束技术是当前实现高功率、高光束质量合束激光的最为可行技术之一。从1999年报道至今，该技术已经成功应用在全固态激光器、光纤激光器以及半导体激光器上面，大幅度提升了激光器性能。光谱合束的基本原理和方法：基于具有色散能力的光学元件，如光栅、棱镜等，将激射波长互不相同的多个单元激光束按照一定规律排列，通过色散元件的色散作用，将这些单元激光束以近场和远场均重合的方式输出合束激光，所得的合束激光束具有功率为所有单元光束之和，光束质量与单元光束的光束质量相近，从而实现高功率、高光束质量的合束激光输出。

目前文献报道的光谱合束结构主要基于高线偏振度的高效率衍射光栅，如一级或者负一级衍射效率能够达到95%以上，光栅衍射效率越高，对应的光谱合束效率越高。因此，在光谱合束过程中，要求激光单元输出光束也必须具有高线偏振度，并要求激光单元的偏振方向与衍射光栅的高衍射效率振动方向必须匹配，如不匹配，通过插入波片改变激光束的偏振态，以实现高效率衍射，从而实现高的光谱合束效率。

采用高线偏振度的高效率衍射光栅进行光谱合束的优势在于：从合束角度来讲，经过光谱合束的光也具有高的线偏振度，可以进一步结合偏振合束，实现功率的倍增，如采用对偏振度要求不敏感的光栅进行光谱合束，可能在衍射效率上获得一个高的效率，但是最后合束的激光偏振度不好，不能高效偏振合束，同样也损失功率。从光栅设计制造难度来讲，对偏振方向不敏感的光栅设计制备难度大，目前市场主流的一级或者负一级高效率衍射光栅主要是针对线偏振光的。因此目前研究或者产品中光谱合束的谐振腔具有高线偏振度。

这就要求用于光谱合束的激光单元具有高的线偏振度，如半导体激光器偏振度高于95%，线偏振度越高，光谱合束的效率相对越高。尽管通过结构设计、封装工艺等改进或者器件筛选，可以使激光单元具有高的线偏振度，这无疑大大增加了成本和工序。即使选用高线偏振度的激光单元用于合束，但是仍存在部分与光栅不匹配的激射光，在与光栅上发生衍射时直接被损失掉，降低整体的合束效率。如果能够将该部分偏振不匹配的这部分光也能够应用起来，可以提升光谱合束效率。

同时也存在因材料结构等原因导致线偏振度不好的激光单元，如线偏振度为80%，若仍采用当前主流的光谱合方法，在光栅衍射时偏振度不匹配的光束直接被损耗掉，如何能实现偏振度要求不高的激光单元的高效率光谱合束，对于提升光谱合束光源性能、降低光谱合束光源成本、推广光谱合束光源应用具有重要意义。

另外，当前光谱合束结构中的输出激光和反馈激光光路相同，均打到外腔镜的同一位置，使得该器件倍受高功率、高功率密度激光影响，易出现面型变化和位置变化等问题，影响光谱合束光源的整体性能。且随着合束功率的增加，外腔镜问题变得更加严重。

现有光谱合束结构主要基于高线偏振度的激光单元结合高线偏振度的衍射光栅，实现光谱合束输出，当激光单元线偏振度不高时，直接影响光谱合束效率。如果通过筛选或者特殊工艺来保证激光单元的线偏振度，这无疑增加了光谱合束光源的技术难度和成本等，不便于光谱合束光源的市场推广，即使采用高线偏振度的激光单元，仍存在部分与光栅偏振度不匹配的光束，在光谱合束中直接被损耗掉，降低光谱合束效率。更重要的是，作为整个光谱合束谐振腔后腔镜的外腔镜，饱受合束高功率、高功率密度影响，易发生形变或者结构不稳，降低整个光谱合束光源性能。同时外腔镜距离激光芯片后腔面非常远，对整个谐振腔的结构稳定性和装调精度要求非常高。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于偏振分离的啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法，通过将合束激光单元输出的激光光束进行偏振分离，低功率线偏振光入射到啁啾反射式体布拉格光栅进行外腔反馈锁定波长，同时将该波长锁定腔中的大部分光转换成振动方向与之垂直的光束输出，融合到另一束高功率线偏振光中；高功率的线偏振光直接通过变换透镜和光栅，实现光谱合束输出。

在实现不同波长输出的同时，改善激光单元谐振的线偏振度，获得更高的光谱合束效率。同时，用于反馈的体布拉格光栅仅接收到少部分光完全用于反馈，极大地减小该器件的失效几率，也提升了整个光谱合束光源的可靠性；作为后腔面的体布拉格光栅与激光单元后腔面距离大大缩短，可以降低谐振腔的结构稳定性和装调精度要求。

本发明提供一种啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置，所述光谱合束装置包括激光单元阵列、半波片、偏振分光镜、啁啾反射式体布拉格光栅、变换透镜及衍射光栅；所述激光单元阵列的前腔面位于所述变换透镜的前焦平面上，所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦平面上；

所述光谱合束装置的光路包括光谱合束方向和非光谱合束方向；

在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

优选的，所述啁啾反射式体布拉格光栅的衍射效率大于95%。

优选的，所述啁啾反射式体布拉格光栅在所述光谱合束方向上具有不同的光栅周期。

优选的，所述偏振分光镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱，所述偏振分光镜的偏振分光比≥（500：1），所述偏振分光镜对偏振光的反射和透射的整体效率≥98%。

优选的，所述衍射光栅为一级衍射光栅或者负一级衍射光栅，所述一级衍射光栅或者所述负一级衍射光栅的衍射效率均大于90%；所述衍射光栅的高效衍射偏振方向为光谱合束方向或者非光谱合束方向。

优选的，所述激光光束包括主光束，在所述光谱合束方向上，所述主光束在所述衍射光栅的入射角度为所述衍射光栅的利特罗角，且所述激光光束在所述衍射光栅上发生重合。

优选的，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元包括中心激光单元和边缘激光单元，每个所述激光单元经过外腔反馈作用后分别输出不同波长的激光光束。

优选的，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元的线偏振度＞70%，两个方向的振动方向相互垂直，且分别与光谱合束方向和非光谱合束方向重合。

优选的，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元包括激光器件和光学元件，所述光学元件对所述激光器件输出的激光光束进行准直、整形或偏振方向调整中的至少一种，所述激光器件在输出激光光束的端面镀有增透膜；所述激光器件为半导体激光器、光纤激光器或者全固态激光器。

本发明还提供一种光谱合束方法，所述光谱合束方法通过上述的光谱合束装置实现，所述光谱合束方法包括步骤：

S1、在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

S2、在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

具体的，本发明提供的基于偏振分离的啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法具有以下的突出效果：

（1）更高的光谱合束效率；通过偏振分离，一是将能够高效率衍射的激光束用于光谱合束，实现高的合束效率；一是通过将不能高效率衍射和光谱合束的激光束用作外腔反馈调节波长，进一步谐振转化输出能够高效率衍射的激光束，该光束能够进一步高效率光谱合束。从而整体上获得更高的光谱合束效率；

（2）可承受更高的光谱合束功率；通过偏振分离，使啁啾反射式体布拉格光栅上承受的激光功率和功率密度大幅度降低，减小热效应形变，特别是高功率密度激光损伤的影响，一是可以提升光谱合束结构的稳定性和可靠性，二是可以用于超高功率激光的光谱合束；

（3）更稳定的光谱合束结构；啁啾反射式体布拉格光栅作为外腔反馈谐振腔的后腔镜，相对于常规光谱合束，距离大幅度缩短，对装调精度和谐振腔稳定性要求降低，提升抗振动冲击能力，同时啁啾反射式体布拉格光栅承受的功率和功率密度大幅度下降，热形变及损伤几率大幅度下降，使得整体结构更加稳定可靠；

（4）降低合束激光单元要求；由于偏振分离降低了对激光单元线偏振度的要求，从原来要求的95%以上，可以下调到70%，一般的半导体激光器均能够满足使用要求。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置的立体结构示意图；

图2是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置中光谱合束方向的结构示意图；

图3是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图；

图4是现有技术中基于衍射光栅的常规光谱合束装置结构示意图；

图5是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置中激光单元在光谱合束方向位置与谐振中心波长的第一种关系示意图；

图6是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置中激光单元在光谱合束方向位置与谐振中心波长的第二种关系示意图；

图7是本发明具体实施方式中第二种光谱合束装置的结构示意图；

图8是本发明具体实施方式中第二种光谱合束装置中激光单元阵列位置与啁啾反射式体布拉格光栅反馈波长的关系示意图；

图9是本发明具体实施方式中第三种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图；

图10是本发明具体实施方式中第四种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图；

图11是本发明具体实施方式中第五种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图。

附图标记

10、激光单元阵列，100、第一激光单元，101、第二激光单元，102、第三激光单元，001、主光束，002、光谱合束光束，103、激光单元后腔面，104、激光单元前腔面，1001、激光单元阵列的输出光束，1002、透射激光束，1003、反射激光束，20、半波片，30、偏振分光镜，40、啁啾反射式体布拉格光栅，50、变换透镜，60、衍射光栅，80、外腔镜，90、光栅损耗光。

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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

本发明具体实施方式中提供一种啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置，所述光谱合束装置包括激光单元阵列、半波片、偏振分光镜、啁啾反射式体布拉格光栅、变换透镜及衍射光栅；所述激光单元阵列的前腔面位于所述变换透镜的前焦平面上，所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦平面上；

所述光谱合束装置的光路包括光谱合束方向和非光谱合束方向；

在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

如图1-图3所示，分别是本发明具体实施方式中第一种基于偏振分的啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置的立体结构示意图、光谱合束方向的结构示意图以及非光谱合束方向的结构示意图；从图中可以看出，本发明具体实施方式提供的第一种光谱合束装置包括激光单元阵列10、半波片20、偏振分光镜30、啁啾反射式体布拉格光栅40、变换透镜50以及衍射光栅60；激光单元阵列10包括激光单元，所述激光单元包括中心激光单元和边缘激光单元，每个所述激光单元包括前腔面和后腔面，每个所述激光单元经过外腔反馈作用后分别输出不同波长的激光光束；所述激光单元的线偏振度＞70%，两个方向的振动方向相互垂直，且分别与光谱合束方向和非光谱合束方向重合；所述激光单元包括激光器件和光学元件，所述光学元件对所述激光器件输出的激光光束进行准直、整形或偏振方向调整中的至少一种，所述激光器件在输出激光光束的端面镀有增透膜；所述激光器件为半导体激光器、光纤激光器或者全固态激光器；具体的，以三个激光单元进行光谱合束为例，激光单元阵列10具体包括位于中心位置的第一激光单元100、对称分别与第一激光单元100两侧的第二激光单元101和第三激光单元102。

在该具体实施方式中，偏振分光镜30的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱，偏振分光镜30的偏振分光比≥（500：1），偏振分光镜30对偏振光的反射和透射的整体效率≥98%；在非光谱合束方向上，激光光束经过偏振分光镜30进行偏振分光，分解成反射激光束1003和透射激光束1002，反射激光束1003和透射激光束1002中的低功率光束用于打到啁啾反射式体布拉格光栅40上进行外腔反馈波长锁定，高功率光束则用于直接经过衍射光栅60通过衍射实现光谱合束输出。

在该具体实施方式中，半波片20有效带宽覆盖光谱合束装置的输出光谱，其位置要求对偏振分光后的偏振方向调整要求，满足打在啁啾反射式体布拉格光栅40上的偏振方向与衍射光栅60的高效率衍射偏振方向匹配，同时通过沿着光轴旋转半波片20，可以对激光单元输出的激光光束的线偏振度调节，配合偏振分光镜30调节反射激光束和透射激光束的功率配比。

在该具体实施方式中，所述啁啾反射式体布拉格光栅40的衍射效率大于95%；所述啁啾反射式体布拉格光栅40在所述光谱合束方向上具有不同的光栅周期，对应不同位置衍射反馈不同的波长，该反馈波长在光谱合束方向上单调递增或者单调递减，其输出波长与由变换透镜50和衍射光栅60所形成的光谱合束结构匹配，经过光谱合束后能够实现相同的衍射方向输出。

在该具体实施方式中，整个光谱合束装置的谐振腔由激光单元后腔面103与啁啾反射式体布拉格光栅40构成，每个激光单元前腔面104镀高增透膜，每个激光单元后腔面103镀高反膜。每个激光单元的激射波长由啁啾反射式体布拉格光栅40的衍射波长决定。激光单元前腔面104和衍射光栅60分别位于变换透镜50前后焦平面上；衍射光栅60可以为一级衍射光栅或者负一级衍射光栅，所述一级衍射光栅或者所述负一级衍射光栅的衍射效率均大于90%；所述衍射光栅60的高效衍射偏振方向为光谱合束方向或者非光谱合束方向。

所述光谱合束装置的光路包括光谱合束方向和非光谱合束方向；在光谱合束方向上，沿着光谱合束方向x排列的激光单元第二激光单元101、第一激光单元100以及第三激光单元102沿着相同方向z分别输出激光光束，其中，处于中心位置的第一激光单元100输出的激光光束为主光束001，第二激光单元101和第三激光单元102输出的激光光束分布在两侧。各激光单元输出的激光光束经过半波片20以及偏振分光镜30作用后，入射到变换透镜50，然后激光光束以不同角度入射到衍射光栅60，其中，主光束001在衍射光栅60的入射角度和衍射角度均为利特罗角，具体的可以是等于或者接近利特罗角，所有激光单元输出的激光光束均在衍射光栅60上重叠，形成光谱合束光束002，并沿着相同的方向衍射出去。

在非光谱合束方向上，激光单元阵列10在非光谱合束方向上输出的激光光束看成是发射一束激光，即激光单元阵列的输出光束1001，其中，激光单元前腔面104镀高增透膜，激光单元后腔面103镀高反膜，激光单元后腔面103和和啁啾反射式体布拉格光栅40构成谐振腔。激光单元阵列的输出光束1001经过半波片20后，入射到偏振分光镜30上，在非光谱合束方向y进行偏振分光，分解成反射激光束1003和透射激光束1002，在此假设反射激光束1003的功率低，透射激光束1002的功率高，其中，低功率的反射激光束1003入射到啁啾反射式体布拉格光栅40上，与激光单元后腔面103构成谐振腔，由于打到啁啾反射式体布拉格光栅40的不同位置，衍射返回到激光单元的波长不同，进而产生不同波长的谐振激光。

在该具体实施方式中，透射激光束1002经过半波片20作用后，使得透射激光束1002的偏振方向与衍射光栅60的高效率衍射的偏振方向匹配。再入射到变换透镜50和衍射光栅60上，直接衍射输出。

在该具体实施方式中，由啁啾反射式体布拉格光栅40与激光单元后腔面103构成的谐振腔再次产生高偏振度的激光，大部分用于光谱合束直接输出，小部分用于反馈调节波长，从而实现高的光谱合束效率，同时打到啁啾反射式体布拉格光栅40上的激光大幅度减少，降低了光栅热效应和直接打坏的风险，稳定了谐振波长，提升了光谱合束结构的稳定性。

在其他具体实施方式中，为了调节反馈光比例，可以通过沿着z方向旋转半波片20，调节偏振分光的比例，从而实现不同反馈光的调节。

本发明还提供一种光谱合束方法，所述光谱合束方法通过上述的光谱合束装置实现，所述光谱合束方法包括步骤：

S1、在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

S2、在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

本发明提供的基于偏振分离的啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法，通过将合束激光单元输出的激光光束进行偏振分离，低功率线偏振光入射到啁啾反射式体布拉格光栅进行外腔反馈锁定波长，同时将该波长锁定腔中的大部分光转换成振动方向与之垂直的光束输出，融合到另一束高功率线偏振光中；高功率的线偏振光直接通过变换透镜和光栅，实现光谱合束输出。

在实现不同波长输出的同时，改善激光单元谐振的线偏振度，获得更高的光谱合束效率。同时，用于反馈的体布拉格光栅仅接收到少部分光完全用于反馈，极大地减小该器件的失效几率，也提升了整个光谱合束光源的可靠性；作为后腔面的体布拉格光栅与激光单元后腔面距离大大缩短，可以降低谐振腔的结构稳定性和装调精度要求。

以下结合具体对比例和实施例进一步说明。

对比例1

如图4所示，为现有技术中基于衍射光栅的常规光谱合束装置结构示意图；以内置19个激光单元标准的976nm厘米巴条作为光谱合束单元为例，激光单元发光区宽度为100μm，周期间隔为500μm，快轴发散角45°，慢轴方向8°，前腔面镀增透膜，透过率＞99.5%，输出激光大部分为TE线偏振光，线偏振度为90%，每个激光单元出射功率为5W。变换透镜50的焦距选用300mm，选用线数为1600线/mm，针对S偏振光的一级衍射效率为96%的衍射光栅60，P偏振光的一级衍射效率为30%。激光单元经过快轴准直、光束整形及慢轴准直后，在光谱合束方向的为19个激光单元的一维排列，其中中间位置的第一激光单元100输出的激光光束与光轴重合，两侧各分布9个激光单元（图中仅以第二激光单元101和第三激光单元102示意）；每个激光单元在光谱合束方向的光斑尺寸为400μm，空间周期为500μm，发散角为6mrad，非光谱合束方向的尺寸为2.4mm，发散角为6mrad。经过变换透镜50作用后，打到衍射光栅60上的光谱合束方向的光斑尺寸为1.8mm，发散角为1.3mrad，非光谱合束方向光斑尺寸为6mm，发散角为6mrad。外腔镜80为部分反射镜，反射率为10%，放置在与衍射光栅60距离200mm处，经过外腔镜80的反馈作用，使得各个激光单元谐振到不同波长。打到外腔镜80上的光斑尺寸为2.06mm（光谱合束方向）×7.2mm（非光谱合束方向）。

每个激光单元的谐振波长，满足具有相同衍射角和不同入射角的光栅方程，谐振中心波长分布如表1所示。

根据表1中的数据，绘制激光单元在光谱合束方向的位置与激射波长的关系如图5所示。经过外腔调制的激光单元输出的中心波长与位置近似呈线性关系，由于激光单元空间间隔为0.5mm，以中心激光单元为0点，对应可以计算出不同空间位置激光单元的中心波长。

在该对比例中，沿着光谱合束方向x排列的第二激光单元101、第一激光单元100以及第三激光单元102沿着相同方向z分别输出激光光束。激光单元的前腔面和衍射光栅60分别位于变换透镜50的前后焦平面上，各激光单元输出的激光光束经过半波片20后，入射到变换透镜50，然后以不同角度入射到衍射光栅60，并且所有激光单元输出的激光光束均在衍射光栅60上重叠，其入射角和衍射角均等于利特罗角，再入射到外腔镜80上，只有垂直入射到外腔镜80，并能够沿着原路返回到激光单元的激光光束才能有效谐振。则由于外腔反馈和腔内器件的共同作用，所有激光单元谐振到不同的激光波长。外腔镜80为部分反射镜，反射率一般为5%~20%。经过外腔镜的部分光反馈形成反馈光，部分光输出，形成激光。

在该结构中，输出激光和反馈激光光路相同，均打到外腔镜80的同一位置，使得该器件倍受高功率、高功率密度激光影响，易出现面型变化和位置变化等情况，影响光谱合束光源的整体性能。

由于激光单元自身的线偏振度和光栅高衍射效率振动方向的要求，当两者直接匹配时，可以不用半波片20，当两者不匹配时，需要改变激光单元的线偏振方向，以便于和光栅高衍射效率振动方向匹配。由于激光单元输出的激光光束不可能100%线偏振光，与衍射光栅60不匹配的激光光束不能被高效率衍射，大部分光在衍射光栅60上发生折射而被损耗掉，同时与衍射光栅60的高衍射方向偏振方向相同的，衍射光栅60衍射效率也不可能100%，也存在少量的透射或者散射，形成光栅损耗光90。

在该对比例中，激光单元的线偏振方向与衍射光栅60的高衍射效率振动方向不匹配，为了匹配激光单元偏振方向和衍射光栅60的偏振方向，需要在衍射光栅60的前面加入半波片20，以改变激光单元的振动方向，匹配衍射光栅60的高衍射效率振动方向。

为了说明激光偏振态对光谱合束效率影响，不考虑腔内其他光学元件的损耗，在工作电流下，匹配光栅衍射振动方向的光谱合束效率为90%，不匹配光栅衍射振动方向的光谱合束效率为20%，则经过光谱合束后的激光功率为[5×0.90×90%+5×（1-0.90）×20%]×19=4.15×19=78.85W，该合束激光中存在一定的S线偏振光和P线偏振光。则这78.85W激光同时打到外腔镜80的同一位置，光斑为2.06mm×7.2mm，对应的光功率密度为531.6W/cm²。

为了提高激光功率，采用100个这样的激光巴条进行光谱合束，不考虑别的损耗，直接以倍数评估，则打到外腔镜80的功率为7885W，对应光功率密度为53.16kW/cm²。

实施例1

该实施例的基于偏振分离外腔反馈的光谱合束装置采用如图1-图3所示的结构。与对比例1相同的内置19个激光单元标准的976nm厘米巴条作为光谱合束单元，经过快轴准直、光束整形及慢轴准直后，在光谱合束方向的为19个激光单元的一维排列，其中，中间位置的第一激光单元100输出的激光光束与光轴重合，两侧各分布9个激光单元（图中仅以第二激光单元101和第三激光单元102示意），每个激光单元在光谱合束方向的光斑尺寸为400μm，空间周期为500μm，发散角为6mrad，非光谱合束方向的尺寸为2.4mm，发散角为6mrad。

该实施例中，在准直后的光路中加入半波片20，将激光单元输出光振动方向旋转90°，则根据激光单元的线偏振度，90%的光束振动方向与光栅高衍射效率振动方向匹配。然后通过偏振分光镜30进行分光，分成反射激光束1003和透射激光束1002。在此例中，透射激光束1002的振动方向与衍射光栅60的高衍射效率方向匹配，占总功率的90%，直接经过变换透镜50，打到衍射光栅60上，实现高效率光谱合束输出；反射激光束1003入射到啁啾反射式体布拉格光栅40上，啁啾反射式体布拉格光栅40具体选择高衍射效率的器件，衍射效率为95%以上。此处，啁啾反射式体布拉格光栅40在光谱合束方向上的反馈波长与位置关系如图6所示。不同的位置的激光单元打到啁啾反射式体布拉格光栅40的不同位置后，衍射输出不同中心波长，该衍射波长光束沿着原路返回到各个激光单元，形成谐振，使得每个激光单元产生如图5所示的谐振波长的激光，且该激光保持高线偏振特性，以波长调谐有效反馈效率90%计算。

本实施例的光谱合束装置结构中，将偏振分离的低功率光束用于反馈锁定波长，经过激光单元谐振后，再次转化为高线偏振度激光，大部分用于光谱合束输出，小部分用于波长锁定，从而实现高的光谱合束效率。

本实施例的光谱合束装置结构中，输出功率可以评估为：直接透过的光进行光谱合束的功率为：19×5×0.9×96%=82.08W，经过反馈光进行谐振后转化的光谱合束功率为：19×5×（1-0.9）×90%×96%=8.21W，总功率为90.29W。从合束激光功率的角度来说，相比对比例1，整个光谱合束装置的输出功率直接提升11.44W，功率提升比例14.5%。

由于在该实施例中，只有偏振分离的部分光束打到了啁啾反射式体布拉格光栅40上，则对应的功率为19×5×（1-0.9）=9.50W。由于打到啁啾反射式体布拉格光栅40上的光束是准直光束，啁啾反射式体布拉格光栅40距离激光单元腔面较近（数十毫米量级），激光光束发散少，在啁啾反射式体布拉格光栅40上的光斑尺寸为19个0.4mm×2.4mm的光斑，对应的功率密度仅为52W/cm²，相对于对比例1，功率密度降低1个数量级。

实施例2

为了提升光谱合束功率，需要采用多个激光单元阵列10进行光谱合束。图7为本发明具体实施方式中第二种光谱合束装置的结构示意图，具体为采用三个激光单元阵列10进行光谱合束的示意图，同样地，三个激光单元阵列10输出的激光光束，经过半波片20和偏振分光镜30后，打到啁啾反射式体布拉格光栅40上，其具体的位置与啁啾反射式体布拉格光栅40衍射选模的波长关系如图8所示，整个啁啾反射式体布拉格光栅40的衍射波长特性在光谱合束方向上近似线性，每个激光单元阵列10输出的激光光束打到啁啾反射式体布拉格光栅40上的不同位置，反馈输出不同波长，该波长也在光谱合束方向近似线性。该波长关系必须与由变换透镜50和衍射光栅60组成的光谱合束需求波长关系匹配，以保证经过啁啾反射式体布拉格光栅40反馈谐振输出的激光波长能够在经过变换透镜50和衍射光栅60后，实现近场和远场相重合的方式输出。

由于本实施例汇总，啁啾反射式体布拉格光栅40上的反馈位置与激光单元一一对应，即使采用100个这样的激光单元阵列10进行光谱合束，打到每个啁啾反射式体布拉格光栅40上的功率密度与单个激光单元阵列10的功率密度保持一致，相对于对比例1的53.16kW/cm²，本实施例采用三个激光单元阵列10进行光谱合束的结构中，对应的功率密度仍为52W/cm²，极大地降低了啁啾反射式体布拉格光栅40的损坏风险，也提升了光谱合束光源结构的稳定性和可靠性。

实施例3

在具体实施方式中，根据激光单元的线偏振方向与衍射光栅60的高衍射效率振动方向匹配程度，以及是否需要进行偏振分光比例调节，半波片20选择合适位置的安装。同时根据衍射分光的功率高低，决定用于外腔反馈波长调谐或者光谱合束。

如图9所示，为本发明具体实施方式中第三种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图，与实施例1基本类似，在该实施例中，光谱合束光束002，激光单元阵列的输出光束1001的偏振方向与衍射光栅60的高衍射效率振动方向不匹配，但不需要调节偏振分光比例，半波片20可以放置到偏振分光镜30的后端，从而在反馈光路中减少半波片损耗。

实施例4

如图10所示，为本发明具体实施方式中第四种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图，与实施例1基本类似，在该实施例中，光谱合束光束002，激光单元阵列的输出光束1001的线偏振方向与衍射光栅60的高衍射效率振动方向匹配，且不需要调节偏振分光比例，则在光谱合束光路中不需要采用半波片。

实施例5

如图11所示，为本发明具体实施方式中第五种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图，与实施例1基本类似，在该实施例中，光谱合束光束002，激光单元阵列的输出光束1001在经过偏振分光镜30的偏振分光后，功率低的一路分光光束用作外腔反馈调节波长，功率高的一路分光光束用作光谱合束，因此，当反射激光束1003的功率高时，将光谱合束光路用在反射分光中。

本发明提供的基于偏振分离的啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置及方法，通过将合束激光单元输出的激光光束进行偏振分离，低功率线偏振光入射到啁啾反射式体布拉格光栅进行外腔反馈锁定波长，同时将该波长锁定腔中的大部分光转换成振动方向与之垂直的光束输出，融合到另一束高功率线偏振光中；高功率的线偏振光直接通过变换透镜和光栅，实现光谱合束输出。

在实现不同波长输出的同时，改善激光单元谐振的线偏振度，获得更高的光谱合束效率。同时，用于反馈的体布拉格光栅仅接收到少部分光完全用于反馈，极大地减小该器件的失效几率，也提升了整个光谱合束光源的可靠性；作为后腔面的体布拉格光栅与激光单元后腔面距离大大缩短，可以降低谐振腔的结构稳定性和装调精度要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种啁啾反射式体布拉格光栅反馈的光谱合束装置，其特征在于，所述光谱合束装置包括激光单元阵列、半波片、偏振分光镜、啁啾反射式体布拉格光栅、变换透镜及衍射光栅；所述激光单元阵列的前腔面位于所述变换透镜的前焦平面上，所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦平面上；

所述光谱合束装置的光路包括光谱合束方向和非光谱合束方向；

在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

2.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述啁啾反射式体布拉格光栅的衍射效率大于95%。

3.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述啁啾反射式体布拉格光栅在所述光谱合束方向上具有不同的光栅周期。

4.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述偏振分光镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱，所述偏振分光镜的偏振分光比≥（500：1），所述偏振分光镜对偏振光的反射和透射的整体效率≥98%。

5.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅为一级衍射光栅或者负一级衍射光栅，所述一级衍射光栅或者所述负一级衍射光栅的衍射效率均大于90%；所述衍射光栅的高效衍射偏振方向为光谱合束方向或者非光谱合束方向。

6.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述激光光束包括主光束，在所述光谱合束方向上，所述主光束在所述衍射光栅的入射角度为所述衍射光栅的利特罗角，且所述激光光束在所述衍射光栅上发生重合。

7.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元包括中心激光单元和边缘激光单元，每个所述激光单元经过外腔反馈作用后分别输出不同波长的激光光束。

8.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元的线偏振度＞70%，两个方向的振动方向相互垂直，且分别与光谱合束方向和非光谱合束方向重合。

9.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述激光单元阵列包括激光单元，所述激光单元包括激光器件和光学元件，所述光学元件对所述激光器件输出的激光光束进行准直、整形或偏振方向调整中的至少一种，所述激光器件在输出激光光束的端面镀有增透膜；所述激光器件为半导体激光器、光纤激光器或者全固态激光器。

10.一种光谱合束方法，其特征在于，所述光谱合束方法通过权利要求1～9任意一项所述的光谱合束装置实现，所述光谱合束方法包括步骤：

S1、在所述光谱合束方向，所述激光单元阵列输出激光光束，所述激光光束经过所述半波片和所述偏振分光镜后，作用到所述变换透镜上，然后以不同的角度入射到所述衍射光栅，经过所述衍射光栅衍射输出；

S2、在所述非光谱合束方向上，所述激光光束经过所述半波片后，入射到所述偏振分光镜上，在所述非光谱合束方向上进行偏振分光，分解成反射激光束和透射激光束；反射激光束或透射激光束中的低功率光束入射到所述啁啾反射式体布拉格光栅上的不同位置，实现不同波长的反馈光，所述反馈光返回到所述激光单元阵列，形成不同波长的谐振输出；所述反射激光束或所述透射激光束中的高功率光束入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，直接输出。

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