CN201017150Y - 实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置 - Google Patents

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王智勇
康治军
刘学胜
左铁钏
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Jiaxing Dahe Laser Equipment Co., Ltd.
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Abstract

本实用新型为实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，属于激光技术领域。本装置由激光二极管堆(1)、非球面快轴准直镜(2)、啁啾体布拉格光栅(3)、柱透镜(4)、全息光栅(5)、全反镜(6)、半波片(7)、双折射晶体(8)构成。通过啁啾体布拉格光栅(3)外腔得到密集分布的多波长，再通过柱透镜(4)和全息光栅(5)实现水平方向即慢轴方向的光束并合，最后通过双折射晶体(8)实现垂直方向的光束并合。本实用新型实现了两维方向的光束并合，并合光束的光束质量将和单个发光单元的一样，实现了提高功率密度的同时改善光束质量。

Description

实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置
技术领域
本实用新型涉及一种实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，属于激光技术领域。
背景技术
半导体激光器具有体积小，重量轻，效率高等优点，将它作为光源直接应用于材料加工具有很好的前景。但是受到半导体激光器光束质量差的影响，聚焦后功率密度低的限制，只能用于表面热处理，若进一步扩大其应用到功率密度较高的方面，如激光深熔焊接、激光切割等，则需要改善光束质量以提高其聚焦后的功率密度。
目前改善半导体激光器光束质量提高功率密度的方法主要通过光束并合，相干光束并合和非相干光束并合。目前实现相干并合的方法主要有倏失波/泄漏波相干耦合技术、振荡放大/注入锁模相干耦合技术和外腔锁相相干耦合技术，这些相干耦合方法需要通过相位可调元件或空间滤波器等元件精确控制半导体激光器每个发光单元的频率，相位及偏振，才能实现相干锁相，由于相位很难控制，一旦失匹，则光束质量大大下降，而且随着系统单元数的增加，很难实现锁相，因此无法获得较大的功率输出。而非相干光束并合不需要控制相位，相对简单，将不同波长的光束叠加在一起，提高它的功率密度而保持原来单个光束的光束质量，目前实现非相干并合的方法主要通过偏振并合、双色镜并合及多波长并合，而前两种方法实现并合的波长数有限，偏振耦合只能并合两个光束，双色镜并合通过镜的一端面对一波长高反，另一端面对另一波长高透，由于镀膜的限制，波长间隔达20nm左右，因此，稀疏并合的波长数有限。而现有的多波长并合是通过准直镜、闪耀光栅和部分反射的输出耦合镜组成，由部分反射镜与半导体激光器构成外腔，通过光栅的色散特性形成多波长，最后也只能实现一维方向上的并合，若要进一步提高半导体激光器的功率密度，则需要更大量的密集波长耦合。
发明内容
本发明提出一种新的光束并合的耦合装置，本装置能够将激光二极管堆在水平和垂直两个方向的光束并合，达到提高半导体激光器功率密度的目的。
本装置的设计思想是：通过线性啁啾体布拉格光栅3与激光二极管堆1(diode laser stack)构成外腔，得到密集的多波长分布，使得每个发光单元具有不同的波长，再利用全息光栅5的色散特性，通过倒置光路将不同波长的光束在水平方向上叠加，使得所有发光单元共线传输，实现水平方向上的并合，而并合光束的光束质量和单个发光单元的一样，最后通过双折射晶体8实现垂直方向的偏振并合，使得整个激光二极管堆1的光束质量和单个发光单元的一样，达到提高半导体激光器功率密度的同时改善其光束质量的目的。
本装置采用了如下技术方案。主要包括有带快轴准直镜2的激光二极管堆1，与激光二极管堆1构成外腔的线性啁啾体布拉格光栅3、柱透镜4、全息光栅5，其中，激光二极管堆1、全息光栅5到柱透镜4的距离均等于柱透镜4的焦距，其特征在于：还包括有全反镜6、半波片7、双折射晶体8，所述的激光二极管堆1由两个激光二极管阵列组成，经过全息光栅5全息并合后的两束光经过全反镜6反射后方向与激光二极管堆1的出射光方向相同，其中一束光经过半波片7改变偏振态后，最后由双折射晶体8并合成一束。
所述的激光二极管堆1带非球面快轴准直镜2，前端面镀小于1％的增透膜。
所述的线性啁啾体布拉格光栅3的啁啾率在15～20nm/cm之间，反射效率20％。
所述的全息光栅(5)表面镀金，光栅效率大于90％。
所述的双折射晶体(8)由YVO4材料构成。
本实用新型实现激光二极管堆在水平和垂直两个方向的光束并合，光束质量和单个发光单元的一样，实现提高功率密度的同时改善其光束质量，可以很好的耦合进光纤。
附图说明
图1本实用新型大功率激光二极管堆光束并合装置的立体图
图2激光二极管堆与啁啾体布拉格光栅构成外腔的示意图
图3实现水平方向光束并合的俯视光路图
图4实现垂直方向光束并合的侧视图
图中：1、激光二极管堆，2、非球面快轴准直镜，3、啁啾体布拉格光栅，4、柱透镜，5、全息光栅，6、全反镜，7、半波片，8、双折射晶体，9、并合光束。
具体实施方式
结合附图，下面阐述本实用新型的具体实施方式：
本实用新型的激光二极管堆光束并合的耦合装置参见图1～4，具体为：激光二极管堆(diode laser stack)1通过线性啁啾的体布拉格光栅构成外腔3，Diode laser stack由两个激光二极管阵列组成，每个阵列由19个发光单元组成，前端面镀小于1％的增透膜，为了提高效率，每个激光二极管阵列都经过非球面微透镜2快轴准直，准直后的光与具有20％反射率的线性啁啾体布拉格光栅构成外腔(见图2)，这个体布拉格光栅波长啁啾率15-20nm/cm之间，通过体布拉格光栅的外腔作用，得到随着慢轴方向线性变化的密集波长，每个发光单元对应着一个不同的波长。在体布拉格光栅后面置一焦距为150mm的柱透镜4，距离激光二极管堆150mm，在柱透镜4后焦面150mm处置一全息光栅5，光栅效率大约90％，通过光栅的反色散作用，不同的波长在光栅表面将有不同的入射角，最后所有发光单元的光束叠加，如图3所示。因此，水平方向上并合的光束具有和单个发光单元一样的光束质量。经过全息并合的光束经过全反镜6使得光束和原来激光二极管堆1(Diode laser stack)光束方向平行。将垂直方向的两束光通过YVO4双折射晶体8实现偏振并合，由于半导体激光器的偏振方向垂直于水平方向，通过1/2波片7改变其偏振至水平方向，与e光方向一致，实现垂直方向的光束并合。最后两个方向并合的光束9可以耦合进光纤，实现高能量传输。
将各部分按附图1调节光路，首先调节激光二极管堆与体布拉格光栅(参见图2)，通过光谱仪实时检测并精确调节光路，使得满足其布拉格条件的窄带波长反射回发光单元内，由于体布拉格光栅的线性啁啾特性，通过外腔反馈将得到密集分布的波长，每个发光单元具有不同的波长。然后调节柱透镜与Diode stack相距150mm，使得不同的波长在后焦面位置的光栅表面具有不同的入射角，精确调节全息光栅使其满足最大的衍射效率，此时功率计探测到的功率最大(参见图3)。然后调节全反镜，使水平方向并合的光束入射到双折射晶体，调节半波片，使其中一光束满足双折射晶体中e光的偏振方向，最后实现垂直方向上光束的并合(参见图4)，达到提高功率密度的同时改善光束质量。

Claims (5)

1.实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，主要包括有带快轴准直镜(2)的激光二极管堆(1)，与激光二极管堆(1)构成外腔的线性啁啾体布拉格光栅(3)、柱透镜(4)、全息光栅(5)，其中，激光二极管堆(1)、全息光栅(5)到柱透镜(4)的距离均等于柱透镜(4)的焦距，其特征在于：还包括有全反镜(6)、半波片(7)、双折射晶体(8)，所述的激光二极管堆(1)由两个激光二极管阵列组成，经过全息光栅(5)全息并合后的两束光经过全反镜(6)反射后方向与激光二极管堆(1)的出射光方向相同，其中一束光经过半波片(7)改变偏振态后，最后由双折射晶体(8)并合成一束。
2.根据权利要求书1所述的实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，其特征在于：所述的激光二极管堆(1)前端面镀小于1％的增透膜。
3.根据权利要求书1所述的实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，其特征在于：所述的线性啁啾体布拉格光栅(3)的啁啾率在15～20nm/cm之间，反射效率20％。
4.根据权利要求书1所述的实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，其特征在于：所述的全息光栅(5)表面镀金，光栅效率大于90％。
5.根据权利要求书1所述的实现大功率激光二极管堆光束并合的耦合装置，其特征在于：所述的双折射晶体(8)由YVO4材料构成。
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