CN115128821B

CN115128821B - 基于偏振分离外腔反馈的光谱合束装置及方法

Info

Publication number: CN115128821B
Application number: CN202211047460.0A
Authority: CN
Inventors: 张俊; 彭航宇; 张继业; 王靖博; 雷宇鑫; 王立军
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2022-12-06
Anticipated expiration: 2042-08-30
Also published as: CN115128821A

Abstract

本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种基于偏振分离外腔反馈的光谱合束装置及方法，所述光谱合束装置包括激光单元阵列、半波片、偏振分光镜、变换透镜、衍射光栅以及外腔镜；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。通过将合束激光单元的光束进行偏振分离，部分线偏振光进行外腔反馈锁定波长，使各个激光单元的谐振波长满足光谱合束要求，部分线偏振光直接经过变换透镜和衍射光栅，实现光谱合束输出。将线偏振度不高的光束实现光谱合束，降低激光单元偏振度要求，提升光谱合束效率；同时，可以倍数降低外腔镜上的激光功率和功率密度，提升光谱合束光源的稳定性。

Description

基于偏振分离外腔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，具体涉及一种基于偏振分离外腔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束方法，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。

发明内容

本发明为解决上述问题，提供一种基于偏振分离外腔反馈的光谱合束装置及方法，通过将合束激光单元的光束进行偏振分离，部分线偏振光进行外腔反馈锁定波长，使各个激光单元的谐振波长满足光谱合束要求，部分线偏振光直接经过变换透镜和衍射光栅，实现光谱合束输出。将线偏振度不高的光束实现光谱合束，降低激光单元偏振度要求，提升光谱合束效率；同时，可以倍数降低外腔镜上的激光功率和功率密度，提升光谱合束光源的稳定性。

本发明提供一种基于偏振分离外腔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、变换透镜、衍射光栅以及外腔镜；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上，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出去，垂直入射到所述外腔镜上；

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；

所述反射激光束经过所述偏振分光镜反射后，与所述透射激光束以相同的方向输出；与所述衍射光栅的高效衍射偏振方向不匹配的光束经过所述半波片作用；使得所述反射激光束和所述透射激光束的偏振方向均与所述衍射光栅的高效率衍射的偏振方向匹配；

所述反射激光束和所述透射激光束再分别一次入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，用于反馈的光束入射到所述外腔镜上被反射回所述激光单元阵列形成谐振，用于输出的光束经过所述衍射光栅后直接输出。

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，所述外腔镜为反射镜，所述外腔镜的反射率＞98%，所述外腔镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱。

优选的，所述外腔镜为部分反射镜，所述外腔镜的反射率＞50%，所述外腔镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱。

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出去，垂直入射到所述外腔镜上；

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；

具体的，本发明提供的基于偏振分离外腔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，能够将高效率衍射的激光束用于光谱合束，实现高的合束效率；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）更稳定的光谱合束结构；主要通过偏振分离，使外腔镜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）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；

（4）降低光谱合束光源的成本；一是通过降低激光单元的要求，直接提升激光单元的成品率，直接降低激光单元的成本；二是相同激光单元可以获得更高的合束功率，因此相同合束功率所用的器件数量减少，从而降低器件数量成本；三是激光光源的稳定性和可靠性提升，使用寿命增加，也会降低光源成本。

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是现有技术中基于透射光栅的常规光谱合束装置结构示意图；

图5是现有技术中基于反射光栅的常规光谱合束装置结构示意图；

图6是本发明具体实施方式中第一种光谱合束装置中偏振分光镜的结构示意图；

图7是本发明具体实施方式中第二种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图；

图8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9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。

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，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，1004、光束平移，20、第一半波片，30、偏振分光镜，301、偏振分光镜输入面，302、偏振分光镜分光面，303、偏振分光镜反射面，304、偏振分光镜输出面，40、第二半波片，50、变换透镜，60、衍射光栅，70、外腔镜，601、透射光栅，602、反射光栅，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基于偏振分离外腔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、变换透镜、衍射光栅以及外腔镜；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；

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；所述反射激光束经过所述偏振分光镜反射后，与所述透射激光束以相同的方向输出；与所述衍射光栅的高效衍射偏振方向不匹配的光束经过所述半波片作用；使得所述反射激光束和所述透射激光束的偏振方向均与所述衍射光栅的高效率衍射的偏振方向匹配；所述反射激光束和所述透射激光束再分别一次入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，用于反馈的光束入射到所述外腔镜上被反射回所述激光单元阵列形成谐振，用于输出的光束经过所述衍射光栅后直接输出。

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离外腔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、偏振分光镜30、变换透镜50、衍射光栅60以及外腔镜70；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。

本发明所提供的光谱合束装置中，半波片可以为一个也可以为两个，半波片为一个时，位于偏振分光镜30的后端，半波片为两个时，分别位于偏振分光镜30的前端和后端；在该具体实施方式中，半波片为两个，包括第一半波片20和第二半波片40，第一半波片20和第二半波片40分别位于偏振分光镜30的前端和后端；整个光谱合束装置的谐振腔由激光单元后腔面103与外腔镜70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具体由腔内光学组件和激光单元的位置决定；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；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。

在其他具体实施方式中，可以通过沿着z方向旋转第一半波片20，调节偏振分光的比例，从而调节反馈光的比例。

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第一半波片20、偏振分光镜30以及第二半波片40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，再入射到外腔镜70上，只有垂直入射到外腔镜70，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。

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和外腔镜70构成谐振腔。激光单元阵列的输出光束1001经过第一半波片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，其中，偏振分光镜30包括偏振分光面和反射面，反射激光束1003经过偏振分光镜30的反射面反射后，与透射激光束1002保持相同的方向输出，在非光谱合束方向产生一段光束平移1004，光束平移1004的距离小于变换透镜焦距的1/20，透射激光束1002和反射激光束1003两者中，与衍射光栅60的高效衍射偏振方向不匹配的光束，经过第二半波片40的作用，转换成与衍射光栅60匹配的光束，使得反射激光束1003和透射激光束1002这两束光的偏振方向与衍射光栅60的高效率衍射的偏振方向匹配。反射激光束1003和透射激光束1002再入射到变换透镜50和衍射光栅60上；其中，反射激光束1003和透射激光束1002两者中功率低的光束用于反馈，用于反馈的光束垂直入射到外腔镜70上被反射回激光单元形成谐振；反射激光束1003和透射激光束1002两者中功率高的光束用于输出，用于输出的光束直接经过衍射光栅60后直接输出。

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%；具体的，偏振分光镜30的结构示意图如图6所示，从图中可以看出，激光单元阵列10的输出光束1001具有与非光谱合束方向y平行和垂直的两个振动分量，由偏振分光镜输入面301的表面入射后，经过偏振分光镜分光面302时，振动方向与非光谱合束方向y平行的透射激光束1002直接透过偏振分光镜分光面302，偏振分光镜输出面304表面输出，振动方向与非光谱合束方向y垂直的反射激光束1003在偏振分光镜分光面302上反射，并再由偏振分光镜反射面303反射，由偏振分光镜输出面表面输出，输出的透射激光束1002和反射激光束1003的振动方向相互垂直，输出方向相互平行，并在y方向上产生光束平移1004。

在该具体实施方式中，外腔镜70为具有高反射率的反射镜，反射率＞98%，所述外腔镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱；在其他具体实施方式中，当激光单元的偏振度太差时，不需要把所有光束都反馈回去，存在部分反射情况，则外腔镜70可以为部分反射镜，外腔镜的反射率＞50%。外腔镜70作为光谱合束光源的后腔面，其稳定性直接决定光谱合束光源的性能。在该具体实施方式中，反馈光与合束光分离，对于高功率激光光谱合束非常有利，反馈光占比合束激光的5%~20%，通过本专利，使得入射到外腔镜70的功率大大降低；具体所带来的优势有：通过降低外腔镜70上的功率和功率密度，一是降低外腔镜70的热效应影响，减小面型变化，获得更高的光束质量；二是外腔镜70性能更稳定，从而提升整个光谱合束光源的性能稳定性；三是可承受更高的合束激光，从而可以直接倍数降低外腔镜70的功率和功率密度，使得整体的合束激光更高。

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，为现有技术中基于透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%的透射光栅601，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，打到透射光栅601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70为部分反射镜，反射率为10%，放置在与透射光栅601距离200mm处，经过外腔镜70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70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。

从表1中可以看出，在该对比例中，激光单元的线偏振方向与透射光栅601的高衍射效率振动方向不匹配。

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透射光栅601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第一半波片20后，入射到变换透镜50，然后以不同角度入射到透射光栅601，并且所有激光单元输出的激光光束均在透射光栅601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70上，只有垂直入射到外腔镜70，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。该对比例中，外腔镜70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70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，可以不用第一半波片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，与透射光栅601不匹配的激光光束不能被高效率衍射，大部分光在透射光栅601上发生折射而被损耗掉，同时与透射光栅601高衍射方向偏振方向相同的，透射光栅601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。

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70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70的功率为7885W，对应光功率密度为53.16kW/cm²。

对比例2

如图5所示，为现有技术中基于反射光栅的常规光谱合束装置结构示意图，该对比例中仅将对比例1中的透射光栅替换为反射光栅，其他均与对比例1中相同。

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，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第一半波片20后，入射到变换透镜50，然后以不同角度入射到反射光栅602，并且所有单元光束均在反射光栅602上重叠，其入射角和衍射角均接近利特罗角，再入射到外腔镜70上，只有垂直入射到外腔镜70，并能够沿着原路返回到激光单元的光才能有效谐振。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。该对比例中，外腔镜70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。

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，可以不用第一半波片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。由于激光单元输出光束不可能100%线偏振光，与光栅不匹配的光束不能被高效率衍射，大部分光在透射光栅上发生折射而被损耗掉，同时与光栅高衍射方向偏振方向相同的，光栅衍射效率也不可能100%，也存在少量的透射或者散射，形成光栅损耗光90。

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。

在准直后的光路中加入第一半波片20，将激光单元输出光振动方向旋转90°，则根据激光单元所输出激光光束的线偏振度，90%的激光的光束振动方向与衍射光栅60的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。在此实施例中，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；通过在反射光路中再加入第二半波片40，可以使反射激光束1003也与衍射光栅60的高衍射效率方向匹配，也转换成与衍射光栅60的高衍射效率方向匹配的光束，然后经过变换透镜50，打到衍射光栅60上。反射激光束1003和透射激光束1002这两束光打到衍射光栅60的位置，在光谱合束方向重合，在非光谱合束方向存在一个光束平移1004。反射激光束1003经过衍射光栅60衍射输出后，打到镀高反膜的外腔镜70上，与每个激光单元后腔面103构成谐振腔，强迫每个激光单元谐振到不同波长，实现如表1所示的谐振波长。

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，经过反馈的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和对比例2，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激光光束打到了外腔镜70上，则对应的功率为19×5×（1-0.9）×96%=9.12W，对应的光功率密度为61.49W/cm²。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，则打到外腔镜的功率为912W，对应光功率密度为6.15kW/cm²。从结果来看，打到外腔镜70上的功率和功率密度仅为对比例1和对比例2所示的常规光谱合束的11.57%，极大地降低了外腔镜70的使用风险，也提升了光谱合束光源结构的稳定性和可靠性。

实施例2

继续沿用对比例1中的结构，此时激光单元所输出的激光光束的线偏振方向与衍射光栅的高衍射效率振动方向不匹配，但是不要求调节偏振分光比例。具体如图7所示，为本发明具体实施方式中第二种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图，该结构中仅包括一个半波片，即在偏振分光镜30的前端不放置半波片，激光单元输出的激光光束经过快轴准直、光束整形及慢轴准直后，直接通过偏振分光镜30进行分光。经过分光后的反射激光束1003为激光单元输出激光光束的主要组成，占据90%的功率，则反射激光束1003作为直接光谱合束输出光，由于偏振度的不匹配，通过在该反射光路中插入一片第二半波片40，然后经过变换透镜50和衍射光栅60，直接光谱合束；经过分光后的透射激光束1002占据10%的功率，它的振动方向与衍射光栅60直接匹配，因此无需再插入半波片，直接经过变换透镜50和衍射光栅60后，打到外腔镜70上，形成反馈，调节激光单元的谐振波长。

实施例3

基于与实施例1和实施例2中同样的思想，图8和图9为本发明具体实施方式中第三种光谱合束装置和第四种光谱合束装置中非光谱合束方向的结构示意图，以激光单元输出的激光光束的线偏振方向与衍射光栅60的高衍射效率振动方向匹配时的情况说明。当需要调节分光比例时，需要在偏振分光镜30的前端放置半波片，然后再根据分光后的反射激光束1003和透射激光束1002与衍射光栅60的振动方向的匹配情况，选择另外一片半波片的放置位置，使得反射激光束1003和透射激光束1002这两束光均与衍射光栅60的高衍射效率的振动方向匹配，同时根据功率大小选择外腔镜70的位置，选取功率较低的一束光作为反馈光，另外一束光直接输出。当不需要调节分光比例时，不需要在偏振分光镜30的前端放置半波片，偏振分光后的两束光的半波片位置和外腔镜70的位置遵从上述原则。

实施例4

在该实施例中，采用图7和图9所示的光路进行光谱合束，此时不需要调节半波片来改变偏振分光比，同时还需要采用降低外腔镜70的反射率的方法，如反射率降至70%，减小外腔镜70的反馈量，防止因为过高反馈而打坏激光腔面。

本发明提供的基于偏振分离外腔反馈的光谱合束装置及方法，通过将合束激光单元的光束进行偏振分离，部分线偏振光进行外腔反馈锁定波长，使各个激光单元的谐振波长满足光谱合束要求，部分线偏振光直接经过变换透镜和衍射光栅，实现光谱合束输出。将线偏振度不高的光束实现光谱合束，降低激光单元偏振度要求，提升光谱合束效率；同时，可以倍数降低外腔镜上的激光功率和功率密度，提升光谱合束光源的稳定性。

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

1.一种基于偏振分离外腔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、变换透镜、衍射光栅以及外腔镜；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；

所述反射激光束经过所述偏振分光镜反射后，与所述透射激光束以相同的方向输出；与所述衍射光栅的高效衍射偏振方向不匹配的光束经过第二半波片作用；使得所述反射激光束和所述透射激光束的偏振方向均与所述衍射光栅的高效率衍射的偏振方向匹配；

所述反射激光束和所述透射激光束再分别依次入射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，所述反射激光束和所述透射激光束入射到所述衍射光栅的位置，在光谱合束方向重合，在非光谱合束方向产生一段光束平移，根据所述反射激光束和所述透射激光束的功率大小选择外腔镜的位置，所述反射激光束和所述透射激光束两者中功率低的光束用于反馈，用于反馈的光束入射到所述外腔镜上被反射回所述激光单元阵列形成谐振，所述反射激光束和所述透射激光束两者中功率高的光束用于输出，用于输出的光束经过所述衍射光栅后直接输出。

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。

3.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%。

4.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。

5.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述外腔镜为反射镜，所述外腔镜的反射率＞98%，所述外腔镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱。

6.如权利要求1所述的光谱合束装置，其特征在于，所述外腔镜为部分反射镜，所述外腔镜的反射率＞50%，所述外腔镜的有效带宽覆盖所述光谱合束装置的输出光谱。

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：

所述反射激光束和所述透射激光束再分别入依次射到所述变换透镜和所述衍射光栅上，所述反射激光束和所述透射激光束入射到所述衍射光栅的位置，在光谱合束方向重合，在非光谱合束方向产生一段光束平移，根据所述反射激光束和所述透射激光束的功率大小选择外腔镜的位置，所述反射激光束和所述透射激光束两者中功率低的光束用于反馈，用于反馈的光束入射到所述外腔镜上被反射回所述激光单元阵列形成谐振，所述反射激光束和所述透射激光束两者中功率高的光束用于输出，用于输出的光束经过所述衍射光栅后直接输出。