CN116031749A - 一种单管半导体激光器光谱合束装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单管半导体激光器光谱合束装置，包括空间合束模块，空间合束模块包括基座和多个单管半导体激光器，多个单管半导体激光器呈多行两列的矩阵式对称布设在基座，每个单管半导体激光器的光路方向依次设有快轴准直镜、慢轴准直镜和光学转向及快慢轴转换元件；光学转向及快慢轴转换元件的出射激光通过斜方棱镜组将两列光斑压缩为一列，通过聚焦镜聚焦以不同的角度落于透射光栅上，经透射光栅的衍射作用形成一束激光输出。本发明无需安装传统空间合束所需的多个小反射镜，通过一个光学转向及快慢轴转换元件即可达到光路转向、快慢轴转换、控制等光程等多个作用，再通过斜方棱镜组压缩光束，实现空间合束，整体安装便利，体积小。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种单管半导体激光器光谱合束装置。
背景技术
单管半导体激光器具有结构紧凑、效率高、低成本、可靠性高等优点，使用非常广泛。但是单个激光器输出功率相对较低，随着人们对于大功率、高光束质量的激光需求不断增长，激光合束技术应运而生。
常见的激光合束技术包括相干合束和非相干合束，非相干合束包括：空间合束、偏振合束、光谱合束。
空间合束，通常是以阶梯型的台阶配合上小反射镜，来达到压缩光束间隔的目的，往往需要安装的元件较多，安装过程繁琐复杂，且阶梯型机械件的加工难度也较大，成本高，不利于实际的生产使用。
偏振合束，通常是利用半波片将两束激光中的一束的偏振态从TE偏振转变成TM偏振(或者从TM偏振转变成TE偏振)，然后两束偏振态不同的激光相互垂直的通过偏振光合束器(PBS)，完成偏振合束。其在原来一束光的基础上，近似实现功率翻倍。但，偏振合束只能合一次，而且合束过程中的功率损耗较多。
光谱合束是利用光栅衍射原理，将不同波长、不同角度入射的光束，以同一衍射角出射，将多束激光合为一束，同时获得高功率、高光束质量的激光输出，为了使合束后的激光光束质量更高，通常光谱合束时需要将光斑在快轴方向进行叠加。经过光谱合束之后的激光，其光束质量近似于单个发光单元的光束质量，功率近似为所有参与合束的发光单元功率之和。但，光谱合束是以光谱展宽为代价，来换取更高的光束质量和更高的功率
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，本发明提供一种单管半导体激光器光谱合束装置。
本发明公开了一种单管半导体激光器光谱合束装置，包括：空间合束模块、斜方棱镜组、聚焦镜和透射光栅；
所述空间合束模块包括基座和多个单管半导体激光器，多个所述单管半导体激光器呈多行两列的矩阵式对称布设在所述基座，每个所述单管半导体激光器的光路方向依次设有快轴准直镜、慢轴准直镜和光学转向及快慢轴转换元件；其中，所述单管半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜和光学转向及快慢轴转换元件位于同一水平面；
所述光学转向及快慢轴转换元件的激光出射方向依次设有斜方棱镜组、聚焦镜和透射光栅，通过所述斜方棱镜组将两列光斑压缩为一列，通过所述聚焦镜聚焦以不同的角度落于所述透射光栅上，经所述透射光栅的衍射作用形成一束激光输出。
作为本发明的进一步改进，所述光学转向及快慢轴转换元件，用于：将平行于基座的激光转换为垂直于基座出射的激光，实现光路转向和光斑快慢轴转换，使光束在快轴上叠加；同时，使两列光斑形成高度差。
作为本发明的进一步改进，所述光学转向及快慢轴转换元件的正视面和俯视面为梯形面、左视面和右视面为45°斜切面，经正视面入射的激光经右视面和左视面反射后，经由俯视面射出。
作为本发明的进一步改进，正视面和俯视面均镀增透膜，透过率＞99％；左视面和右视面均镀高反膜，反射率＞99％；左视面和右视面的中心均位于光轴上，且左右两列光学转向及快慢轴转换元件呈错开布设。
作为本发明的进一步改进，所述单管半导体激光器的波长在可见光或近红外范围内。
作为本发明的进一步改进，所述快轴准直镜粘接在所述单管半导体激光器的出光口前方。
作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜组是由两个斜方棱镜彼此成X型拼接在一起，所述斜方棱镜的材料选择可见光波段或近红外波段具有高折射率的玻璃材料，且通光表面镀有增透膜，透过率＞99％，其它面不镀膜。
作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜组出射的光束到达所述聚焦镜前是等光程的。
作为本发明的进一步改进，所述透射光栅对可见光或近红外波段的衍射效率应＞95％，且是与激光器偏振态相匹配的偏振无关或者偏振相关。
作为本发明的进一步改进，所述透射光栅的出射光路上设有输出耦合镜，所述输出耦合镜镀有部分反射率的反射膜，反射率在5％-20％之间。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的空间合束模块的所有元件均位于同一水平面，使其无需加工阶梯型机械件，对于机械加工精度和特殊加工要求大大降低，节约了成本；
2、本发明无需安装传统空间合束所需的多个小反射镜，通过一个光学转向及快慢轴转换元件即可达到光路转向、快慢轴转换、控制等光程等多个作用，再通过斜方棱镜组压缩光束，实现空间合束，整体安装便利，体积小；
3、本发明在快轴方向叠加光斑，经过光谱合束后的光束质量更好，同时功率近似为所有发光本单元的总和；
4、本发明通过调整光学转向及快慢轴转换元件的安装位置，可以达到调节阶梯高度的目的，进而可以控制最终的锁定波长，可调性更高。
附图说明
图1为本发明一种实施例公开的单管半导体激光器光谱合束装置的光路示意图；
图2为本发明一种实施例公开的空间合束模块的俯视图和光路示意图；
图3为本发明一种实施例公开的空间合束模块的侧视图和光路示意图；
图4为本发明一种实施例公开的光学转向及快慢轴转换元件的结构示意图；其中，a为左视面，b为俯视面，c为右视面、d为正视面；
图5为本发明一种实施例公开的经过光学转向及快慢轴转换元件前后的光斑示意图；其中，m为经过光学转向及快慢轴转换元件前的光斑图，n为经过光学转向及快慢轴转换元件后的光斑图；
图6本发明一种实施例公开的经过斜方棱镜组压缩光束前的光斑示意图；
图中：
1.基座；2.单管半导体激光器；3.快轴准直镜；4.慢轴准直镜；5.光学转向及快慢轴转换元件；6.斜方棱镜组；7.聚焦镜；8.透射光栅；9.输出耦合镜。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
如图1～3所示，本发明提供一种单管半导体激光器光谱合束装置，包括：空间合束模块、斜方棱镜组6、聚焦镜7、透射光栅8和输出耦合镜9；其中，
本发明的空间合束模块包括基座1、多个单管半导体激光器2、快轴准直镜3、慢轴准直镜4和光学转向及快慢轴转换元件5，多个单管半导体激光器2呈多行两列的矩阵式对称布设在基座1，同一列相邻单管半导体激光器2等距排布，左右两列单管半导体激光器2呈对称分布；例如，图3所示的5行2列。在每个单管半导体激光器2的光路方向依次设有快轴准直镜3、慢轴准直镜4和光学转向及快慢轴转换元件5。使用时，单管半导体激光器2发射的激光经快轴准直、慢轴准直、光学转向及快慢轴转换出射。
进一步，本发明的单管半导体激光器2、快轴准直镜3、慢轴准直镜4和光学转向及快慢轴转换元件5位于同一水平面，使其无需加工阶梯型机械件，对于机械加工精度和特殊加工要求大大降低，节约了成本。
进一步，本发明的光学转向及快慢轴转换元件5，用于将平行于基座的激光转换为垂直于基座出射的激光，实现光路转向和光斑快慢轴转换，使光束在快轴上叠加；同时，使两列光斑形成高度差；其中，经光学转向及快慢轴转换元件5前后的光斑，如图5所示。具体的，如图4所示，本发明光学转向及快慢轴转换元件5的正视面d和俯视面b为梯形面、左视面a和右视面c为45°斜切面，经正视面d入射的激光经右视面c和左视面a反射后，经由俯视面b射出。更进一步，正视面d和俯视面b均镀增透膜，透过率＞99％；左视面a和右视面c均镀高反膜，反射率＞99％；左视面a和右视面c的中心均位于光轴上，其保证光束转向后的光斑的间隔是相等的；且左右两列光学转向及快慢轴转换元件5呈错开布设，通过一个光学转向及快慢轴转换元件就能达到光路转向、快慢轴转换、控制等光程等多个作用。
进一步，本发明的单管半导体激光器2的波长在可见光或近红外范围内，快轴准直镜3通过紫外胶粘接在单管半导体激光器2的出光口前方。
本发明的光学转向及快慢轴转换元件5的激光出射方向依次设有斜方棱镜组6、聚焦镜7、透射光栅8和输出耦合镜9，通过斜方棱镜组6将两列光斑同时向中间偏移，压缩为一列光斑，压缩后的光束入射到聚焦镜7上；通过聚焦镜7聚焦以不同的角度落于透射光栅8上，经透射光栅8的衍射作用形成一束激光输出，以同一衍射角出射至输出耦合镜9；其中，经过斜方棱镜组压缩光束前后的光斑如图6所示。
进一步，斜方棱镜组6是由两个斜方棱镜彼此成X型拼接在一起，斜方棱镜的材料选择可见光波段或近红外波段具有高折射率的玻璃材料，且通光表面镀有增透膜，透过率＞99％，其它面不镀膜；斜方棱镜的偏移距离d由下述公式决定：
式中，n是斜方棱镜的折射率，L是斜方棱镜两平行面之间的垂直距离，θ1是入射角，θ2是折射角。
光谱合束锁定波长由下述公式决定：
式中，d1为光栅周期，θlittrow为最大衍射效率所对应的入射角度，i为第几个光斑(i＝0,1,2……，9)，Δx为光学转向后的光斑之间的间隔也即阶梯高度，f为聚焦镜焦距，由公式可知，当改变阶梯高度时，锁定波长也会发生变化，因此光学转向及快慢轴转换元件5的安装位置不同时，阶梯高度也不同，由公式可知可以获得不同的锁定波长，可调性更高。
进一步，斜方棱镜组6出射的光束到达聚焦镜7前是等光程的，其保证经过聚焦镜聚焦后，光斑的重合性较好。
进一步，透射光栅8对可见光或近红外波段的衍射效率应＞95％，且是与激光器偏振态相匹配的偏振无关或者偏振相关。
进一步，输出耦合镜9镀有部分反射率的反射膜，反射率在5％-20％之间。
本发明的优点为：
本发明通过光学转向及快慢轴准直元件，实现了光路转向与光斑快慢轴转换，使光束在快轴上叠加，同时还使两列光斑形成了高度差，改变了传统的机械台阶来提供高度差的方式，降低机械加工难度；通过改变光学转向及快慢轴转换元件的安装位置，还可以控制阶梯的高度，可调性更高；通过使用斜方棱镜组进行空间合束，安装更加简易。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，包括：空间合束模块、斜方棱镜组、聚焦镜和透射光栅；
所述空间合束模块包括基座和多个单管半导体激光器，多个所述单管半导体激光器呈多行两列的矩阵式对称布设在所述基座，每个所述单管半导体激光器的光路方向依次设有快轴准直镜、慢轴准直镜和光学转向及快慢轴转换元件；其中，所述单管半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜和光学转向及快慢轴转换元件位于同一水平面；
所述光学转向及快慢轴转换元件的激光出射方向依次设有斜方棱镜组、聚焦镜和透射光栅，通过所述斜方棱镜组将两列光斑压缩为一列，通过所述聚焦镜聚焦以不同的角度落于所述透射光栅上，经所述透射光栅的衍射作用形成一束激光输出。
2.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光学转向及快慢轴转换元件，用于：将平行于基座的激光转换为垂直于基座出射的激光，实现光路转向和光斑快慢轴转换，使光束在快轴上叠加；同时，使两列光斑形成高度差。
3.如权利要求2所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光学转向及快慢轴转换元件的正视面和俯视面为梯形面、左视面和右视面为45°斜切面，经正视面入射的激光经右视面和左视面反射后，经由俯视面射出。
4.如权利要求3所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，正视面和俯视面均镀增透膜，透过率＞99％；左视面和右视面均镀高反膜，反射率＞99％；左视面和右视面的中心均位于光轴上，且左右两列光学转向及快慢轴转换元件呈错开布设。
5.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述单管半导体激光器的波长在可见光或近红外范围内。
6.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述快轴准直镜粘接在所述单管半导体激光器的出光口前方。
7.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜组是由两个斜方棱镜彼此成X型拼接在一起，所述斜方棱镜的材料选择可见光波段或近红外波段具有高折射率的玻璃材料，且通光表面镀有增透膜，透过率＞99％，其它面不镀膜。
8.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜组出射的光束到达所述聚焦镜前是等光程的。
9.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述透射光栅对可见光或近红外波段的衍射效率应＞95％，且是与激光器偏振态相匹配的偏振无关或者偏振相关。
10.如权利要求1所述的单管半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述透射光栅的出射光路上设有输出耦合镜，所述输出耦合镜镀有部分反射率的反射膜，反射率在5％-20％之间。
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