CN116683292B - 一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置及方法，属于半导体激光器技术领域。装置包括半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器、扩束透镜、反射镜、输出端汇聚透镜和衍射光栅，其中，若干个半导体激光器并排设置，半导体激光器两端分别依次设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，一端的慢轴准直镜外侧依次设置有反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器、扩束透镜和反射镜，另一端的慢轴准直镜外侧依次设置有输出端汇聚透镜和衍射光栅。本发明降低了光谱串扰，保证波长锁定，有效提升合束激光的输出功率、合束效率、反馈效率和光束质量，并减小反馈串扰以及合束装置的整体尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置及方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
随着科学团队对半导体材料的深入研究，半导体激光器逐渐进入人们的视野。半导体激光器具有较小的尺寸、较长的使用寿命、较高的电光转换效率以及较大的输出波长范围等优点，因而在各大先进领域，如工业加工、激光雷达、光通信、医疗以及激光武器等迅速扮演重要角色。但半导体激光器也存在单个发光单元输出功率低、快慢轴方向光束质量相差较大等劣势，因此如何提高半导体激光器的输出功率以及光束质量成为重要的研究课题。
激光合束技术主要有：空间合束、偏振合束以及光谱合束。空间合束是将若干光束在空间上压缩，只能单纯通过压缩光束间距并耦合进光纤提高功率，光束质量恶化严重；偏振合束由于只有两个相互垂直偏振态原因，限制了参与合束的单元数量，虽然不会严重影响光束质量，但对输出功率提升较小，一般适合在组合合束中使用；目前只有光谱合束具有同时提高输出功率以及光束质量的效果。从最早的2000年，Lincoln实验室的T Y Fan团队通过将11个半导体激光单元进行光谱合束实验最终得到M 2因子约为20的合束激光输出开始，到2017年德国通快公司的研究团队将每条拥有23个激光发光单元的10个半导体激光Bar条通过光谱合束了多光腔结构，最终实现了合束谱宽约为43 nm，合束激光功率高达1.1kW，快轴光参数积BPP约为6.6 mm•mrad，慢轴光参数积BPP约为5.7 mm•mrad的超多发光单元光谱合束，半导体激光器的光谱合束已经经历了二十多年的深入研究。
但目前的光谱合束系统仍然存在较多缺点：由于需要完成外腔波长锁定，因此半导体激光器谐振腔输出镜以及光谱合束输出耦合镜构成的外腔均需镀有较高反射率的反射膜，导致最终输出功率下降，合束效率降低，且由于需要兼顾最终输出功率，因此反射膜反射率不能过高，导致反馈效率低；使用衍射光栅的光谱合束由于衍射光栅以及输出耦合镜的摆放角度问题，反馈光束与非本发光单元形成外腔锁定，最终会导致合束光束存在较大的光谱串扰，影响波长锁定，且存在旁瓣光斑，降低合束光束质量；使用衍射光栅与输出耦合镜的传统光谱合束为了消除串扰需要加入望远镜系统以及滤光光阑，大大增加了衍射光栅与输出耦合镜之间的距离，且传统衍射光栅能够接收的入射光束入射角较小，需要大焦距输出耦合镜，进而导致整体合束结构体积较大。为此，提出本发明。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置，通过对整个装置中各构成模块精密设计以及调试搭建装置平台完成合束过程，降低光谱串扰，保证波长锁定，有效提升合束激光的输出功率、合束效率、反馈效率和光束质量，并减小反馈串扰以及合束装置的整体尺寸。
本发明还提供上述基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法。
本发明的技术方案如下：
一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置，包括半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器（TFF）、扩束透镜、反射镜、输出端汇聚透镜和衍射光栅，其中，
半导体激光器为双端输出型半导体激光器，若干个半导体激光器并排设置，组成激光单元阵列，半导体激光器两端分别依次设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，一端的慢轴准直镜外侧依次设置有反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器、扩束透镜和反射镜，另一端的慢轴准直镜外侧依次设置有输出端汇聚透镜和衍射光栅。
根据本发明优选的，激光单元阵列中半导体激光器之间的距离相同，使其能够发射若干等间距的半导体激光光束，快轴准直镜和慢轴准直镜均垂直于半导体激光器的光束传播方向。
根据本发明优选的，半导体激光器P面朝下设置于AlN热沉上，AlN热沉下侧设置有过渡散热块，过渡散热块下侧设置有整体散热块，过渡散热块两侧的整体散热块上依次设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，整体散热块连接有温度控制装置，保证激光单元阵列工作温度稳定。
根据本发明优选的，反射镜在激光光束入射面上镀有接近100%反射率的反射膜，增强反馈，半导体激光器前腔面和后腔面上均设置有反射膜，前腔面为半导体激光器朝向反射镜的一面，后腔面为半导体激光器朝向衍射光栅的一面，快轴准直镜、慢轴准直镜、反馈端汇聚透镜、扩束透镜、反射镜和输出端汇聚透镜的透射面上均设置有800nm~1000nm波段的增透膜，保证更大的合束输出功率以及更高的合束效率。
根据本发明进一步优选的，半导体激光器前腔面上反射膜的反射率大于后腔面上反射膜的反射率，半导体激光器的前腔面和后腔面均需要镀有反射膜是因为作为半导体激光单元谐振腔的前腔面和后腔面，需要完成自身的振荡并实现激光输出，因此在不影响半导体激光单元本身工作所需前提下，前腔面主要负责与反射镜一起实现外腔反馈与波长锁定，为了实现更稳定的反馈效果，需要前腔面的反射率较高；而后腔面由于负责合束输出端的激光输出，不需要提供反馈，为了实现激光输出的最大化，需要后腔面的反射率尽可能小。
根据本发明优选的，输出端汇聚透镜、反馈端汇聚透镜和扩束透镜均为凸透镜。
上述基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，步骤如下：
（1）选择特定焦距的输出端汇聚透镜，组装光谱合束装置；
（2）激光单元阵列中的半导体激光器前腔面输出的激光光束经过快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入反馈端汇聚透镜，反馈端汇聚透镜将准直后的若干激光光束汇聚后以不同入射角入射到薄膜滤波器同一区域，扩束透镜将通过薄膜滤波器出射的若干激光光束扩束，并使各激光光束平行于光轴入射到反射镜；
（3）反射镜将若干入射的激光光束反射，激光光束通过扩束透镜、薄膜滤波器、反馈端汇聚透镜、慢轴准直镜、快轴准直镜后返回半导体激光器，形成外腔反馈振荡，将每个半导体激光器输出激光光束锁定在对应波长；
（4）锁定波长后的激光光束由半导体激光器后腔面输出，经快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入输出端汇聚透镜，输出端汇聚透镜将若干激光光束汇聚，并以不同入射角入射到衍射光栅同一区域，通过衍射光栅的衍射作用，若干激光光束以相同的衍射角沿-1级衍射方向出射，最终实现波长锁定的合束激光输出。值得注意的是，后腔面初始输出的若干半导体激光光束由于未经过外腔反馈过程达到波长锁定，因此在外腔反馈端完成波长锁定前无法实现光谱合束。
根据本发明优选的，步骤（1）中，输出端汇聚透镜的选择过程如下：
①激光单元阵列包含2n+1个半导体激光器，n为自然数，设每个半导体激光器发光中心间距为p，激光单元阵列的所有半导体激光器由一端开始分别记为第- n级、第-（n -1）级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第（n -1）级以及第n级，其中任意一个半导体激光器定义为第i级（-n≤i≤n，且i为整数），设第i级半导体激光器中心与第0级半导体激光器中心间距为Xi，间距Xi由公式（1-1）表示：
Xi= i·p （1-1）
②设发光光斑慢轴方向尺寸为d，激光单元阵列填充因子FF用下式（1-2）表示：
（1-2）
③设反馈端汇聚透镜的焦距为f 1，扩束透镜的焦距为f 2，激光单元阵列中半导体激光器前腔面位于反馈端汇聚透镜的物方焦平面上，间距即为|f 1|；
反射镜位于扩束透镜的像方焦平面上，间距即为|f 2|；
反馈端汇聚透镜的像方焦平面与扩束透镜的物方焦平面重合，间距即为|f 1|+|f 2|，反馈端汇聚透镜与扩束透镜组成一个望远镜系统，能够保证半导体激光器前腔面输出的激光光束光斑被完整传输到反射镜的反射面上，并被完整反馈回对应半导体激光器前腔面；
④薄膜滤波器中心位于反馈端汇聚透镜的像方焦平面与扩束透镜的物方焦平面重合位置，其在垂直入射（0°入射角）情况下能够100%透射波长为λ TFF，有效折射率为N eff ，设激光单元阵列中第0级半导体激光器输出光束与薄膜滤波器法线夹角已知，且为θ TFF,0，设第i级半导体激光器输出光束与第0级半导体激光器输出光束和薄膜滤波器法线夹角分别为β TFF,i和θ TFF,i，进而θ TFF,i可由公式（1-3）得到：
（1-3）
由公式（1-3）可得第i级半导体激光器输出光束经过外腔反馈端波长锁定后对应波长λTFF,i的公式：
（1-4）
⑤设激光单元阵列包含的2n+1个半导体激光器沿合束方向（快轴）的总发光区域宽度为，则发光区域总宽度/>可由公式（1-5）表示：
（1-5）
结合公式（1-3）、（1-4）和（1-5），可得在外腔反馈端建立波长锁定后，薄膜滤波器的角度色散特性DTFF以及波长锁定后总光谱宽度的表达式分别如下所示：
（1-6）
（1-7）
⑥在输出端汇聚透镜和衍射光栅组成的外腔合束输出端，设输出端汇聚透镜焦距为为f 3，衍射光栅的刻线周期为Λ，根据衍射光栅方程以及光谱合束原理，设激光单元阵列若干半导体激光器中心波长为λ 0=λ TFF,0，第0级半导体激光器锁定后输出光束与衍射光栅法线夹角为α G,0，第i级半导体激光器锁定后输出光束与衍射光栅法线夹角为α G,i，设-1级衍射方向的合束光束与衍射光栅夹角为θ G,0，得如下方程式（1-8）：
（1-8）
由光谱合束原理可知，衍射光栅按照Littrow结构摆放时，合束效率最高，此结构下α G,0=θ G,0，因此由方程式（1-8）可得：
（1-9）
由于第i级半导体激光器输出光束经过外腔反馈端波长锁定后对应波长为λ TFF,i，并以锁定波长参与外腔合束输出，因此，第i级半导体激光器对应的光栅方程（1-10）如下：
（1-10）
由此可得，第i级半导体激光器输出光束与衍射光栅法线夹角α G,i：
（1-11）
结合公式（1-1），根据几何关系，可以最终得到输出端汇聚透镜焦距的f 3为：
（1-12）
⑦通过上述公式推导出的输出端汇聚透镜与反馈端汇聚透镜组合能够实现连接外腔反馈端以及外腔合束输出端的色散匹配（第i级半导体激光器输出光束在外腔反馈端对应夹角与外腔合束输出端对应夹角相匹配），由此可得色散匹配放大倍率MTFF-G的表达式为：
（1-13）
⑧将计算得到的色散匹配放大倍率的值设定为一个中心值，将这个中心值以及其周边设定范围内的值（例如求出MTFF-G中心值为1.91，则周边值为1.88、1.89、1.90、1.92、1.93、1.94等）带入仿真模拟软件来确认能够达到最佳实验效果的最终的色散匹配放大倍率值，并通过最终的色散匹配放大倍率值确定输出端汇聚透镜的最精确焦距f 3。
根据本发明优选的，步骤①中，若激光单元阵列包含2n个半导体激光器，n为自然数，在激光单元阵列的所有半导体激光器由一端开始可以分别记为第-n级、第-（n-1）级、……、第-1级、第1级、……、第（n-1）级以及第n级，其中任意一个半导体激光器定义为第i级（-n≤i≤n，i为整数且i ≠ 0），则第i级半导体激光器中心与中心光轴（第-1级与第1级半导体激光器中线）间距变为Xi’，间距Xi’由公式（1-14）表示：
（1-14）。
本发明的有益效果在于：
1.本发明在提高了合束输出功率以及合束效率的同时提高了反馈效率。首先，在传统光谱合束结构中，为了能够建立波长锁定，需要在半导体激光器输出腔面以及输出耦合镜镀有一定反射率反射膜（输出耦合镜反射率通常为20%左右），本装置由于负责建立波长锁定的外腔反馈端与负责合束输外腔合束输出端分别位于半导体激光器两端，因此外腔合束输出端不需要建立外腔反馈，不需要输出耦合镜，能够有效提高输出功率，且衍射光栅能够接收的入射光束发散角较小，即传统合束结构在一个方向上参与合束的激光单元个数有限，而薄膜滤波器由于色散度更大，因此能够接收的入射光发散角也更大，即能够允许更多的半导体激光单元参与合束，能够进一步有效提高输出功率，因此本装置相对于目前传统光谱合束结构可以很大程度提升装置的合束输出功率进而有效提高装置合束效率；
其次，在传统光谱合束结构中为了兼顾输出功率，导致在半导体激光器输出腔面以及输出耦合镜镀有的反射膜反射率均不能过高，这导致光反馈量不足，影响外腔振荡以及波长锁定，进而降低反馈效率，本装置由于负责建立波长锁定的外腔反馈端与负责合束输外腔合束输出端分别位于半导体激光器两端，因此在半导体激光器输出腔面以及反馈镜面上均可镀有较高反射率反射膜，能够有效增加光反馈量，进而增加反馈效率。
2.本发明能够有效减少光谱合束反馈串扰，并提高合束光束质量。相较于传统光谱合束，本发明在外腔反馈端通过薄膜滤波器代替衍射光栅进行反馈，由于薄膜滤波器允许通过光谱宽度有限，因此相较于衍射光栅，薄膜滤波器实现的外腔振荡锁定的波长稳定，反馈串扰较小，进而基本不会产生传统光谱合束结构输出的旁瓣光斑，从而进一步提高合束光束的光束质量。
3.本发明能够有效减小整个半导体激光光谱合束装置尺寸。首先，传统光谱合束结构由于具有较大反馈串扰影响，需要额外加入望远镜系统以及光阑等和光学元件，导致整个合束装置体积较大，而本发明通过薄膜滤波器实现波长锁定反馈串扰较小，不需要增加额外光学元件来消除串扰；其次，薄膜滤波器拥有较大色散度，能够接收较大的光束入射角，因此可以使用焦距较小的汇聚透镜，有效减小了外腔反馈端的整体尺寸，进而使本发明整个合束装置拥有较小尺寸。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的激光单元阵列安装结构主视图；
图3为本发明的激光单元阵列安装结构俯视图；
图4为本发明的外腔反馈端透镜组合结构及光路示意图；
图5为本发明的薄膜滤波器光路及辅助法线示意图；
图6为本发明的连接外腔反馈端至外腔合束输出端色散匹配透镜组合结构及光路示意图；
图7为本发明的衍射光栅合束光路及辅助法线示意图。
其中：1、半导体激光器；2、快轴准直镜；3、慢轴准直镜；4、反馈端汇聚透镜；5、薄膜滤波器；6、扩束透镜；7、反射镜；8、输出端汇聚透镜；9、衍射光栅；10、AlN热沉；11、过渡散热块；12、整体散热块。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-7所示，本实施例提供一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置，包括半导体激光器1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、反馈端汇聚透镜4、薄膜滤波器5、扩束透镜6、反射镜7、输出端汇聚透镜8和衍射光栅9，其中，
半导体激光器1为双端输出型半导体激光器，若干个半导体激光器1并排设置，组成激光单元阵列，半导体激光器1两端分别依次设置有快轴准直镜2和慢轴准直镜3，一端的慢轴准直镜3外侧依次设置有反馈端汇聚透镜4、薄膜滤波器5、扩束透镜6和反射镜7，另一端的慢轴准直镜外侧依次设置有输出端汇聚透镜8和衍射光栅9。
激光单元阵列中半导体激光器之间的距离相同，使其能够发射若干等间距的半导体激光光束，快轴准直镜2和慢轴准直镜3均垂直于半导体激光器的光束传播方向。
半导体激光器1P面朝下设置于AlN热沉10上，AlN热沉10下侧设置有过渡散热块11，过渡散热块11下侧设置有整体散热块12，过渡散热块11两侧的整体散热块12上依次设置有快轴准直镜2和慢轴准直镜3，整体散热块12连接有温度控制装置，保证激光单元阵列工作温度稳定。
反射镜7在激光光束入射面上镀有反射膜，增强反馈，半导体激光器前腔面和后腔面上均设置有反射膜，前腔面为半导体激光器朝向反射镜的一面，后腔面为半导体激光器朝向衍射光栅的一面，快轴准直镜2、慢轴准直镜3、反馈端汇聚透镜4、扩束透镜6、反射镜7和输出端汇聚透镜8的透射面上均设置有增透膜，保证更大的合束输出功率以及更高的合束效率。
半导体激光器1前腔面上反射膜的反射率大于后腔面上反射膜的反射率，半导体激光器的前腔面和后腔面均需要镀有反射膜是因为作为半导体激光单元谐振腔的前腔面和后腔面，需要完成自身的振荡并实现激光输出，因此在不影响半导体激光单元本身工作所需前提下，前腔面主要负责与反射镜一起实现外腔反馈与波长锁定，为了实现更稳定的反馈效果，需要前腔面的反射率较高；而后腔面由于负责合束输出端的激光输出，不需要提供反馈，为了实现激光输出的最大化，需要后腔面的反射率尽可能小。
输出端汇聚透镜、反馈端汇聚透镜和扩束透镜均为凸透镜。
上述基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，步骤如下：
（1）选择特定焦距的输出端汇聚透镜，组装光谱合束装置；
（2）激光单元阵列中的半导体激光器前腔面输出的激光光束经过快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入反馈端汇聚透镜，反馈端汇聚透镜将准直后的若干激光光束汇聚后以不同入射角入射到薄膜滤波器同一区域，扩束透镜将通过薄膜滤波器出射的若干激光光束扩束，并使各激光光束平行于光轴入射到反射镜；
（3）反射镜将若干入射的激光光束反射，激光光束通过扩束透镜、薄膜滤波器、反馈端汇聚透镜、慢轴准直镜、快轴准直镜后返回半导体激光器，形成外腔反馈振荡，将每个半导体激光器输出激光光束锁定在对应波长；
（4）锁定波长后的激光光束由半导体激光器后腔面输出，经快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入输出端汇聚透镜，输出端汇聚透镜将若干激光光束汇聚，并以不同入射角入射到衍射光栅同一区域，通过衍射光栅的衍射作用，若干激光光束以相同的衍射角沿-1级衍射方向出射，最终实现波长锁定的合束激光输出。值得注意的是，后腔面初始输出的若干半导体激光光束由于未经过外腔反馈过程达到波长锁定，因此在外腔反馈端完成波长锁定前无法实现光谱合束。
为了进一步说明输出端汇聚透镜的选择过程和合束过程，下面结合具体实施例进行详述：
具体的，参照图1，激光单元阵列包含5个半导体激光器，半导体激光器由一端开始可以分别记为第-2级、第-1级、第0级、第1级以及第2级。每个半导体激光器输出中心波长为954nm，激光芯片条宽为100μm（即发光光斑慢轴方向尺寸d为100μm），半导体激光器间距p为7000μm，即发光区域总宽度∆L为28100μm，第-2级、第-1级、第0级、第1级、以及第2级半导体激光器输出的光束与第0级半导体激光器中心间距X-2、X-1、X0、X1、X2分别为14000μm、7000μm、0μm、7000μm以及14000μm。前腔面输出至外腔反馈端初始功率为0.3W，后腔面输出至外腔合束输出端初始功率为1.1W，且负责建立外腔振荡的前腔面镀反射率约为3% 的反射膜，负责合束输出的后腔面镀反射率约为0.3% 的反射膜；将5个半导体激光器的工作温度保证稳定在25℃；
参照图1、图2与图3，激光单元阵列包含的5个半导体激光器其快轴发散角为45°，慢轴的发散角为12°，快轴准直镜2焦距为0.6mm，材料选用S-TIH53玻璃的非球面柱面镜，慢轴准直镜3焦距为14mm，材料选用H-K9L玻璃的球面柱面镜，经过准直后的5个半导体激光器快轴剩余发散角约为0.41°，慢轴剩余发散角约为0.25°；
参照图4，为了使5个半导体激光器前腔面输出的5条激光光束光斑被完整传输到反射镜7的反射面上，并被完整反馈回对应半导体激光器前腔面，选用焦距f 1为560mm的反馈端汇聚透镜4以及焦距f 2为200mm的扩束透镜6。5个半导体激光器前腔面位于反馈端汇聚透镜4的物方焦平面上，间距即为560mm。反射镜7位于扩束透镜6的像方焦平面上，间距即为200mm，且镀有反射率为99%的反射膜，由于反馈端汇聚透镜4的像方焦平面与扩束透镜6的物方焦平面重合，间距即为760mm；
参照图4与图5，薄膜滤波器5中心位于反馈端汇聚透镜4的像方焦平面与外腔反馈端扩束透镜6的物方焦平面重合位置，距离反馈端汇聚透镜4与扩束透镜6分别为560mm和200mm，本实施例中选择薄膜滤波器5在垂直入射（0°入射角）情况下能够100%透射波长λ TFF为1037nm，有效折射率N eff 为1.63，激光单元阵列中第0级中心半导体激光器输出的光束与薄膜滤波器5法线夹角θ TFF,0为39.5°，由此根据式（1-3）可以得到第-2级、第-1级、第0级、第1级、以及第2级半导体激光器输出光束与薄膜滤波器5法线夹角θ TFF,-2、θ TFF,-1、θ TFF,0、θ TFF,1、θ TFF,2分别约为53.752°、46.625°、39.500°、32.375°以及25.254°。进一步的，由式（1-4）可以计算出第-2级、第-1级、第0级、第1级、以及第2级半导体激光器对应的输出光束在实现波长锁定后的对应波长λ TFF,-2、λ TFF,-1、λ TFF,0、λ TFF,1、λ TFF,2分别约为901.255nm、928.274nm、954.82nm、979.512nm以及1001.006nm，进而可以通过式（1-7）得到本实施例中完成波长锁定后的总光谱宽度∆λ约为103nm；
参照图6与图7，经过波长锁定后，5条拥有特定波长的光束从后腔面输出至外腔合束输出端，首先外腔合束输出端中衍射光栅9在本实施例中选用刻线数为1600line/mm，即刻线周期Λ约为625nm，且中心波长λ 0为954.82nm。由此由式（1-8）得到按照Littrow结构摆放的衍射光栅9其法线与第0级中心半导体激光器输出光束夹角α G,0约为50°，进而得到第-2级、第-1级、第0级、第1级、以及第2级半导体激光器输出光束与衍射光栅9法线夹角α G,-2、α G,-1、α G,0、α G,1、α G,2分别约为56.679°、53.245°、50.0°、46.004°以及42.542°，由于5条光束以锁定在对应的波长上，在外腔反馈端入射到薄膜滤波器5的对应入射角相较于在外腔合束输出端入射到衍射光栅9的对应入射角较小，需要选用特定焦距的外腔合束输出端汇聚透镜8来实现，由式（1-12）可以得出外腔合束输出端汇聚透镜8的焦距f 3约为1086mm，最终5条拥有特定波长的激光光束通过衍射光栅9衍射作用以相同的衍射角θ G,0约为50°方向出射，完成整个基于薄膜滤波器的半导体激光双端光谱合束装置合束输出过程。
值得注意的是，实施例中激光单元阵列含有奇数个（5个）半导体激光器，当其所包含的半导体激光器为偶数时，则在开始时第i级半导体激光器与中心光轴间距变为Xi’，并进行后续参数计算。
本领域的技术人员应该理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，合束装置包括半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器、扩束透镜、反射镜、输出端汇聚透镜和衍射光栅，其中，
半导体激光器为双端输出型半导体激光器，若干个半导体激光器并排设置，组成激光单元阵列，半导体激光器两端分别依次设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，一端的慢轴准直镜外侧依次设置有反馈端汇聚透镜、薄膜滤波器、扩束透镜和反射镜，另一端的慢轴准直镜外侧依次设置有输出端汇聚透镜和衍射光栅；
上述基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，步骤如下：
(1)选择特定焦距的输出端汇聚透镜，组装光谱合束装置；
(2)激光单元阵列中的半导体激光器前腔面输出的激光光束经过快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入反馈端汇聚透镜，反馈端汇聚透镜将准直后的若干激光光束汇聚后入射到薄膜滤波器同一区域，扩束透镜将通过薄膜滤波器出射的若干激光光束扩束，并使各激光光束平行于光轴入射到反射镜；
(3)反射镜将若干入射的激光光束反射，激光光束通过扩束透镜、薄膜滤波器、反馈端汇聚透镜、慢轴准直镜、快轴准直镜后返回半导体激光器，形成外腔反馈振荡，将每个半导体激光器输出激光光束锁定在对应波长；
(4)锁定波长后的激光光束由半导体激光器后腔面输出，经快轴准直镜和慢轴准直镜准直后进入输出端汇聚透镜，输出端汇聚透镜将若干激光光束汇聚，并入射到衍射光栅同一区域，通过衍射光栅的衍射作用，若干激光光束以相同的衍射角沿-1级衍射方向出射，最终实现波长锁定的合束激光输出；
步骤(1)中，输出端汇聚透镜的选择过程如下：
①激光单元阵列包含2n+1个半导体激光器，n为自然数，设每个半导体激光器发光中心间距为p，激光单元阵列的所有半导体激光器由一端开始分别记为第-n级、第-(n-1)级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第(n-1)级以及第n级，其中任意一个半导体激光器定义为第i级(-n≤i≤n，且i为整数)，设第i级半导体激光器中心与第0级半导体激光器中心间距为Xi，间距Xi由公式(1-1)表示：
Xi＝ i·p (1-1)
②设发光光斑慢轴方向尺寸为d，激光单元阵列填充因子FF用下式(1-2)表示：
③设反馈端汇聚透镜的焦距为f1，扩束透镜的焦距为f2，激光单元阵列中半导体激光器前腔面位于反馈端汇聚透镜的物方焦平面上，间距即为|f1|；
反射镜位于扩束透镜的像方焦平面上，间距即为|f2|；
反馈端汇聚透镜的像方焦平面与扩束透镜的物方焦平面重合，间距即为|f1|+|f2|；
④薄膜滤波器中心位于反馈端汇聚透镜的像方焦平面与扩束透镜的物方焦平面重合位置，其在垂直入射情况下能够100％透射波长为λTFF，有效折射率为Neff，设激光单元阵列中第0级半导体激光器输出光束与薄膜滤波器法线夹角已知，且为θTFF,0，设第i级半导体激光器输出光束与第0级半导体激光器输出光束和薄膜滤波器法线夹角分别为βTFF,i和θTFF,i，进而θTFF,i可由公式(1-3)得到：
由公式(1-3)可得第i级半导体激光器输出光束经过外腔反馈端波长锁定后对应波长λTFF,i的公式：
⑤设激光单元阵列包含的2n+1个半导体激光器沿合束方向的总发光区域宽度为ΔL，则发光区域总宽度ΔL可由公式(1-5)表示：
ΔL＝2n·p+d (1-5)
结合公式(1-3)、(1-4)和(1-5)，可得在外腔反馈端建立波长锁定后，薄膜滤波器的角度色散特性DTFF以及波长锁定后总光谱宽度Δλ的表达式分别如下所示：
⑥在输出端汇聚透镜和衍射光栅组成的外腔合束输出端，设输出端汇聚透镜焦距为为f3，衍射光栅的刻线周期为Λ，根据衍射光栅方程以及光谱合束原理，设激光单元阵列若干半导体激光器中心波长为λ0＝λTFF,0，第0级半导体激光器锁定后输出光束与衍射光栅法线夹角为αG,0，第i级半导体激光器锁定后输出光束与衍射光栅法线夹角为αG,i，设-1级衍射方向的合束光束与衍射光栅夹角为θG,0，得如下方程式(1-8)：
Λ(sinαG，0+sinθG，0)＝λ0 (1-8)
由光谱合束原理可知，衍射光栅按照Littrow结构摆放时，合束效率最高，此结构下αG,0＝θG,0，因此由方程式(1-8)可得：
由于第i级半导体激光器输出光束经过外腔反馈端波长锁定后对应波长为λTFF,i，并以锁定波长参与外腔合束输出，因此，第i级半导体激光器对应的光栅方程(1-10)如下：
Λ(sinαG，i+sinθG，0)＝λTFF，i (1-10)
由此可得，第i级半导体激光器输出光束与衍射光栅法线夹角αG,i：
结合公式(1-1)，根据几何关系，可以最终得到输出端汇聚透镜焦距的f3为：
⑦通过上述公式推导出的输出端汇聚透镜与反馈端汇聚透镜组合能够实现连接外腔反馈端以及外腔合束输出端的色散匹配，由此可得色散匹配放大倍率MTFF-G的表达式为：
⑧将计算得到的色散匹配放大倍率的值设定为一个中心值，将这个中心值以及其周边设定范围内的值带入仿真模拟软件来确认能够达到最佳实验效果的最终的色散匹配放大倍率值，并通过最终的色散匹配放大倍率值确定输出端汇聚透镜的精确焦距f3。
2.如权利要求1所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，激光单元阵列中半导体激光器之间的距离相同，快轴准直镜和慢轴准直镜均垂直于半导体激光器的光束传播方向。
3.如权利要求1所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，半导体激光器P面朝下设置于AlN热沉上，AlN热沉下侧设置有过渡散热块，过渡散热块下侧设置有整体散热块，过渡散热块两侧的整体散热块上依次设置有快轴准直镜和慢轴准直镜，整体散热块连接有温度控制装置。
4.如权利要求1所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，反射镜在激光光束入射面上镀有反射膜，半导体激光器前腔面和后腔面上均设置有反射膜，前腔面为半导体激光器朝向反射镜的一面，后腔面为半导体激光器朝向衍射光栅的一面，快轴准直镜、慢轴准直镜、反馈端汇聚透镜、扩束透镜、反射镜和输出端汇聚透镜的透射面上均设置有800nm～1000nm波段的增透膜。
5.如权利要求4所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，半导体激光器前腔面上反射膜的反射率大于后腔面上反射膜的反射率。
6.如权利要求1所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，输出端汇聚透镜、反馈端汇聚透镜和扩束透镜均为凸透镜。
7.如权利要求1所述的基于薄膜滤波器的半导体激光光谱合束装置的合束方法，其特征在于，步骤①中，若激光单元阵列包含2n个半导体激光器，n为自然数，在激光单元阵列的所有半导体激光器由一端开始可以分别记为第-n级、第-(n-1)级、……、第-1级、第1级、……、第(n-1)级以及第n级，其中任意一个半导体激光器定义为第i级(-n≤i≤n，i为整数且i≠0)，则第i级半导体激光器中心与中心光轴间距变为Xi’，间距Xi’由公式(1-14)表示：
Xi’＝i·p (1-14)。
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