CN207782132U - 一种固体激光阵列合束装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型阐述了一种固体激光阵列合束装置。所述固体激光阵列合束装置包括：多个半导体激光器；多个激光谐振腔，每个激光谐振腔均对应设置于一个半导体激光器的出光侧，其包括：激光增益介质，设置于半导体激光器的出光侧，用于受激辐射、形成固体激光输出；第一反射腔镜，设置于激光增益介质的入光侧；第二反射腔镜，设置于激光增益介质的出光侧；泵浦光学系统，设置于多个半导体激光器与多个激光谐振腔之间；多个反射元件，每个反射元件对应设置于一个激光谐振腔的出光侧，经过多个反射元件反射后的光束形成一光束阵列；一聚焦透镜，对多个反射元件反射后的光束阵列进行聚焦耦合；一输出光纤，用于对聚焦耦合后的光束进行输出。

Description

一种固体激光阵列合束装置

技术领域

本实用新型涉及激光器领域，尤其是一种固体激光阵列合束装置。

背景技术

以激光晶体、激光玻璃等材料为增益介质的固体激光器，自问世以来就得到了广泛的研究与应用，例如已经应用在激光加工、激光测距、生物医疗检测等诸多领域。其中，微片型固体激光器以其具有的体积小、光束质量好、便于组装等优点，迅速得到了普及，推动了固体激光器的小型化。但是，微片激光器很难提高功率，面临着发热、长期寿命等一系列问题。而普通固体激光器在体积、组装难度方面又不具优势，这使其在面临要求较高功率(瓦级)、小尺寸等指标的应用时，很难具备类似于半导体激光器的尺寸、可扩展性等特点。

近年来，随着光纤激光器市场的快速发展，采用半导体激光器阵列或多个半导体激光器进行合束的高功率激光器模组也得到了迅速发展。在固体激光器领域，同样可以采用类似技术进行功率扩展。

目前，在激光合束领域，尤其是的半导体激光器合束方面，主要方法有相干合束和非相干合束两类。相干合束能有效地改善并提高半导体激光阵列输出光的光束质量，但是该技术容易受到外界环境的干扰，不易获得同相超模的大功率稳定输出，需要合束阵列单元在光谱、相位、振幅及偏振态等方面严格控制。因此，相干合束目前还没有在工业或其它领域得到应用。

非相干合束的方法是将多个激光器的输出激光沿着相同的方向传播，使得激光的功率可以得到成倍的增加，功率水平和激光器的数目成正比。非相干合束技术包括空间合束，偏振合束以及波长合束等。相比于相干合束，非相干合束没有相位、光谱及振幅的要求，容易调试，是目前激光器合束的主要方法。

具体来说，空间合束技术主要是通过将多个半导体激光器在空间上按照一定的次序进行排列堆叠，形成一组沿着相同方向传播的激光束，从而得到高功率的激光输出。

偏振合束技术，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的两路激光组合在一起沿相同方向传播。通常偏振合束技术是将两路偏振方向相互垂直的激光束或激光束组合相互合并，且总是于其它合束技术配合使用。

波长合束技术，将不同波长的激光束通过二向色镜、光栅等光学元件组合在一起，能有效提高功率与亮度，是目前高功率直接半导体激光器发展的主要方向。但目前的波长合束技术，无论是采用二向色镜、体布拉格光栅还是衍射光栅，总是要受到光谱的限制，不同波长之间要求相互独立，要保持足够的波长间隔。

本实用新型希望将现有激光合束技术结合小型化的半导体激光泵浦的固体激光器技术，来形成一具备高功率、小体积的固体激光阵列合束装置。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提出一种固体激光阵列合束装置，提高固体激光器功率水平，缩小激光器尺寸。

根据本实用新型的一个方面提供一种固体激光阵列合束装置，所述固体激光阵列合束装置包括：多个半导体激光器，所述多个半导体激光器呈阵列设置，用于作为泵浦源；多个激光谐振腔，用于形成激光振荡输出，每个所述激光谐振腔均对应设置于一个所述半导体激光器的出光侧，其包括：激光增益介质，设置于所述半导体激光器的出光侧，用于受激辐射、形成固体激光输出；第一反射腔镜，设置于所述激光增益介质的入光侧；第二反射腔镜，设置于所述激光增益介质的出光侧；泵浦光学系统，设置于多个所述半导体激光器与多个所述激光谐振腔之间，用于对多个所述半导体激光器发射的光束进行整形，并将每个所述半导体激光器发射的光束耦合至对应的一个所述激光增益介质；多个反射元件，每个所述反射元件对应设置于一个所述激光谐振腔的出光侧，用于改变所述激光谐振腔出光侧的光束方向，经过多个所述反射元件反射后的光束形成一光束阵列；一聚焦透镜，设置于多个所述反射元件的出光侧，对多个所述反射元件反射后的光束阵列进行聚焦耦合；一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦耦合后的光束进行输出。

优选地，所述激光增益介质为激光晶体或者激光玻璃。

优选地，所述激光增益介质由掺钕钇铝石榴石、掺钕矾酸钇、掺钛蓝宝石或者掺铬镁橄榄石中的任一种材料制成。

优选地，所述第一反射腔镜和所述第二反射腔镜通过镀膜的方式分别形成于所述激光增益介质的入光侧和出光侧表面。

优选地，每个所述激光谐振腔还包括一倍频晶体，所述倍频晶体设置于所述第一反射腔镜和所述第二反射腔镜之间，位于所述激光增益介质的出光侧，所述倍频晶体用于将所述激光增益介质受激辐射后光束进行倍频，产生倍频光。

优选地，所述倍频晶体为磷酸氧钛钾晶体、偏硼酸锂晶体、β相偏硼酸钡晶体或者周期性极化铌酸锂晶体中的任一种。

优选地，所述泵浦光学系统包括多个平凸透镜，每个所述平凸透镜均与一个所述半导体激光器相对应，用于将所述半导体激光器发射的光束耦合至对应的所述激光谐振腔。

优选地，所述固体激光阵列合束装置还包括一台阶状底板，所述台阶状底板包括高度不同的多个台阶，每个所述半导体激光器及其对应的一个所述平凸透镜、所述激光谐振腔和反射元件均设置于同一个台阶上，并且经多个所述反射元件反射后的所述光束阵列沿所述台阶状底板的高度方向排列。

优选地，所述多个反射元件、聚焦透镜和输出光纤位于同一平面内；所述半导体激光器发射的光束方向与所述输出光纤的输出的光束方向相垂直。

优选地，所述半导体激光器发射的光束的波长范围为780纳米～1000纳米。

本实用新型实施例揭示了实施例揭示了一种固体激光阵列合束装置，该固体激光阵列合束装置包括多个半导体激光器，每个半导体激光器发射的光束均射向一个对应的激光谐振腔，由于激光谐振腔包括一激光增益介质，因此，经过激光谐振腔后可以形成固体激光输出。进而，该固体激光阵列合束装置具有输出功率高、可以在较小的空间内集成多路激光、整个固体激光阵列合束装置的尺寸较小、便于使用和散热等优点。

此外，激光谐振腔还可以包括倍频晶体，该倍频晶体可减小经过的光束的波长，例如，可以将波长为1微米的长波长光束变成波长为500纳米的短波长光束，以此增大了固体激光阵列合束装置的应用范围。

附图说明

图1为本实用新型的一个实施例的固体激光阵列合束装置的俯视图；

图2为本实用新型的一个实施例的固体激光阵列合束装置的左视图；以及

图3为本实用新型的另一个实施例的固体激光阵列合束装置的俯视图。

具体实施方式

现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本实用新型将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。在图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略对它们的重复描述。

所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本实用新型的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员应意识到，没有特定细节中的一个或更多，或者采用其它的方法、组元、材料等，也可以实践本实用新型的技术方案。在某些情况下，不详细示出或描述公知结构、材料或者操作以避免模糊本实用新型。

此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。

依据本实用新型主旨构思，所述固体激光阵列合束装置包括：多个半导体激光器，所述多个半导体激光器呈阵列设置，用于作为泵浦源；多个激光谐振腔，用于形成激光振荡输出，每个所述激光谐振腔均对应设置于一个所述半导体激光器的出光侧，其包括：激光增益介质，设置于所述半导体激光器的出光侧，用于受激辐射、形成固体激光输出；第一反射腔镜，设置于所述激光增益介质的入光侧；第二反射腔镜，设置于所述激光增益介质的出光侧；泵浦光学系统，用于对多个所述半导体激光器发射的光束进行整形，并将每个所述半导体激光器发射的光束耦合至对应的一个所述激光增益介质；多个反射元件，每个所述反射元件对应设置于一个所述激光谐振腔的出光侧，用于改变所述激光谐振腔出光侧的光束方向，经过多个所述反射元件反射后的光束形成一光束阵列；一聚焦透镜，设置于多个所述反射元件的出光侧，对多个所述反射元件反射后的光束阵列进行聚焦耦合；一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦耦合后的光束进行输出。

下面结合附图和实施例对本实用新型的技术内容进行进一步地说明。

请一并参见图1和图2，其分别示出了本实用新型的一个实施例的固体激光阵列合束装置的俯视图和左视图。在图1所示的实施例中，所述固体激光阵列合束装置包括：多个半导体激光器、多个激光谐振腔、泵浦光学系统、多个反射元件、一聚焦透镜以及一输出光纤。

具体来说，在图1所示的实施例中，以三个半导体激光器为例进行说明。如图1所示，三个半导体激光器11、12、13呈阵列设置，用于作为泵浦源，通过半导体激光器11、12、13发射的激光光束来泵浦激光谐振腔的激光增益介质。在本实用新型的优选实施例中，半导体激光器11、12、13发射的光束的波长范围为780纳米～1000纳米。

多个激光谐振腔用于形成激光振荡输出。在图1所示的实施例中，每个激光谐振腔均对应设置于一个半导体激光器的出光侧。具体来说，如图1所示，激光谐振腔31对应设置于半导体激光器11的出光侧；激光谐振腔32对应设置于半导体激光器12的出光侧；激光谐振腔33对应设置于半导体激光器13的出光侧。每个激光谐振腔至少包括一激光增益介质以及两个反射元件。以图1中激光谐振腔31为例，激光谐振腔31包括激光增益介质311、第一反射腔镜312和第二反射腔镜313。其中，激光增益介质311设置于半导体激光器11的出光侧，用于受激辐射、形成固体激光输出。即半导体激光器11发射的光束经过激光谐振腔31的激光增益介质311后会形成固体激光输出。在本实用新型的优选实施例中，激光增益介质311为激光晶体或者激光玻璃。更具体来说，激光增益介质311可以由掺钕钇铝石榴石、掺钕矾酸钇、掺钛蓝宝石或者掺铬镁橄榄石中的任一种材料制成。

第一反射腔镜312设置于激光增益介质311的入光侧。第二反射腔镜313设置于激光增益介质311的出光侧。在本实用新型的实施例中，第一反射腔镜312和第二反射腔镜313与激光增益介质311共同形成激光谐振腔31。可选地，第一反射腔镜312和第二反射腔镜313通过镀膜的方式分别形成于激光增益介质311的入光侧和出光侧表面。

泵浦光学系统，设置于多个所述半导体激光器与多个所述激光谐振腔之间，用于对多个半导体激光器发射的光束进行整形，并将每个半导体激光器发射的光束耦合至对应的一个激光增益介质。具体来说，在本实用新型的优选实施例中，所述泵浦光学系统包括多个平凸透镜，每个平凸透镜均与一个半导体激光器相对应，用于将半导体激光器发射的光束耦合至对应的激光谐振腔。由于图1中包括三个半导体激光器11、12和13，因此，相应地，包括了三个平凸透镜21、22和23。以平凸透镜21为例，如图1所示，平凸透镜21设置于半导体激光器11的出光侧和激光谐振腔31的入光侧之间，其用于对半导体激光器11发射的光束进行整形后耦合至激光谐振腔31。

多个反射元件设置于多个激光谐振腔的出光侧。其中，每个反射镜均对应设置于一个激光谐振腔的出光侧，用于改变该对应的激光谐振腔的出光侧的光束方向。类似地，在图1所示的实施例中，由于具有三个激光谐振腔31、32和33，因此，包括了三个反射元件。可选地，三个反射元件分别为反射镜41、42和43。以反射镜41为例，反射镜41对应设置于激光谐振腔31的出光侧，对激光谐振腔31出光侧的光束进行反射，激光谐振腔31、32和33出光侧的光束经过反射镜41、42和43反射后形成一光束阵列(可参见图2)。

更具体来说，如图2所示，所述固体激光阵列合束装置还包括一台阶状底板5。台阶状底板5包括高度不同的多个台阶。每个半导体激光器及其对应的一个平凸透镜、激光谐振腔和反射元件均设置于同一个台阶上，并且经多个反射元件反射后的光束阵列沿台阶状底板的高度方向排列。图2中以三个台阶51、52和53为例，如图2所示，半导体激光器11及其对应的平凸透镜21、激光谐振腔31和反射镜41均设置于台阶51上；类似地，半导体激光器12及其对应的平凸透镜22、激光谐振腔32和反射镜42均设置于台阶52上；半导体激光器13及其对应的平凸透镜23、激光谐振腔33和反射镜43均设置于台阶53上。如图2所示，经反射镜41、42和43反射后的光束形成的光束阵列沿台阶状底板5的高度方向(即图2中的竖直反向)排列。

聚焦透镜6设置于多个反射元件的出光侧，对多个反射元件反射后的光束阵列进行聚焦耦合。输出光纤7设置于聚焦透镜6的出光侧，用于对聚焦耦合后的光束进行输出。具体来说，聚焦透镜6设置于反射镜41、42和43的出光侧。在图1和图2所示的实施例中，反射镜41、42和43、聚焦透镜6和输出光纤7位于同一平面内，进而，高度不同的反射镜41、42和43反射后形成的光束阵列可以射向聚焦透镜6并经聚焦透镜6聚焦，耦合至输出光纤7。进一步地，在图1和图2所示的优选实施例中，半导体激光器11、12和13之间发射的光束方向平行，且与经过反射镜41、42和43反射后的光束方向相垂直，进而，半导体激光器11、12和13发射的光束方向与最终输出光纤7的输出的光束方向相垂直。

进一步地，结合上述图1和图2所示的实施例，以半导体激光器11为例，所述固体激光阵列合束装置的发射激光的过程中，由半导体激光器11发出激光，半导体激光器11发出的激光通过平凸透镜21耦合至激光谐振腔31形成固体激光输出后进一步被反射镜41反射至聚焦透镜6。类似地，半导体激光器12、半导体激光器13发出的激光也经过与其各自对应设置的平凸透镜、激光谐振腔以及反射镜后射向聚焦透镜6(如图1和图2中虚线所示)。聚焦透镜6将所有反射光束聚焦至输出光纤7，由输出光纤7耦合输出固体合束激光。

请参见图3，其示出了本实用新型的另一个实施例的固体激光阵列合束装置的俯视图。与上述图1所示第一实施例不同的是，在此实施例中，每个激光谐振腔还包括一倍频晶体。具体来说，如图3所示，以激光谐振腔31为例，激光谐振腔31包括一倍频晶体81。倍频晶体81设置于第一反射腔镜312和第二反射腔镜313之间，位于激光增益介质311的出光侧。倍频晶体81可以用于将激光增益介质311受激辐射后的光束进行倍频，产生倍频光。类似地，激光谐振腔32包括一倍频晶体82，激光谐振腔33包括一倍频晶体83，在此不予赘述。在本实用新型的实施例中，倍频晶体81、82和83可以为磷酸氧钛钾(KTP)晶体、偏硼酸锂(LBO)晶体或者β相偏硼酸钡(BBO)晶体等非线性晶体；或者倍频晶体81、82和83也可以为周期性极化铌酸锂(PPLN)晶体等具有周期性结构的晶体。该实施例中，由于激光谐振腔内包括一倍频晶体，倍频晶体可减小经过的光束的波长，例如，可以将波长为1微米的长波长光束变成波长为500纳米的短波长光束，以此增大了固体激光阵列合束装置的应用范围。

综上所述，本实用新型实施例揭示了一种固体激光阵列合束装置，该固体激光阵列合束装置包括多个半导体激光器，每个半导体激光器发射的光束均射向一个对应的激光谐振腔，由于激光谐振腔包括一激光增益介质，因此，经过激光谐振腔后可以形成固体激光输出。进而，该固体激光阵列合束装置具有输出功率高、可以在较小的空间内集成多路激光、整个固体激光阵列合束装置的尺寸较小、便于使用和散热等优点。

此外，激光谐振腔还可以包括倍频晶体，该倍频晶体可减小经过的光束的波长，例如，可以将波长为1微米的长波长光束变成波长为500纳米的短波长光束，以此增大了固体激光阵列合束装置的应用范围。

虽然本实用新型已以优选实施例揭示如上，然而其并非用以限定本实用新型。本实用新型所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作各种的更动与修改。因此，本实用新型的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述固体激光阵列合束装置包括：

多个半导体激光器，所述多个半导体激光器呈阵列设置，用于作为泵浦源；

多个激光谐振腔，用于形成激光振荡输出，每个所述激光谐振腔均对应设置于一个所述半导体激光器的出光侧，其包括：

激光增益介质，设置于所述半导体激光器的出光侧，用于受激辐射、形成固体激光输出；

第一反射腔镜，设置于所述激光增益介质的入光侧；

第二反射腔镜，设置于所述激光增益介质的出光侧；

泵浦光学系统，设置于多个所述半导体激光器与多个所述激光谐振腔之间，用于对多个所述半导体激光器发射的光束进行整形，并将每个所述半导体激光器发射的光束耦合至对应的一个所述激光增益介质；

多个反射元件，每个所述反射元件对应设置于一个所述激光谐振腔的出光侧，用于改变所述激光谐振腔出光侧的光束方向，经过多个所述反射元件反射后的光束形成一光束阵列；

一聚焦透镜，设置于多个所述反射元件的出光侧，对多个所述反射元件反射后的光束阵列进行聚焦耦合；

一输出光纤，设置于所述聚焦透镜的出光侧，用于对聚焦耦合后的光束进行输出。

2.根据权利要求1所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光增益介质为激光晶体或者激光玻璃。

3.根据权利要求2所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光增益介质由掺钕钇铝石榴石、掺钕矾酸钇、掺钛蓝宝石或者掺铬镁橄榄石中的任一种材料制成。

4.根据权利要求1所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一反射腔镜和所述第二反射腔镜通过镀膜的方式分别形成于所述激光增益介质的入光侧和出光侧表面。

5.根据权利要求1所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，每个所述激光谐振腔还包括一倍频晶体，所述倍频晶体设置于所述第一反射腔镜和所述第二反射腔镜之间，位于所述激光增益介质的出光侧，所述倍频晶体用于将所述激光增益介质受激辐射后光束进行倍频，产生倍频光。

6.根据权利要求5所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述倍频晶体为磷酸氧钛钾晶体、偏硼酸锂晶体、β相偏硼酸钡晶体或者周期性极化铌酸锂晶体中的任一种。

7.根据权利要求1所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述泵浦光学系统包括多个平凸透镜，每个所述平凸透镜均与一个所述半导体激光器相对应，用于将所述半导体激光器发射的光束耦合至对应的所述激光谐振腔。

8.根据权利要求7所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述固体激光阵列合束装置还包括一台阶状底板，所述台阶状底板包括高度不同的多个台阶，每个所述半导体激光器及其对应的一个所述平凸透镜、所述激光谐振腔和反射元件均设置于同一个台阶上，并且经多个所述反射元件反射后的所述光束阵列沿所述台阶状底板的高度方向排列。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述多个反射元件、聚焦透镜和输出光纤位于同一平面内；所述半导体激光器发射的光束方向与所述输出光纤的输出的光束方向相垂直。

10.根据权利要求1至8中任一项所述的固体激光阵列合束装置，其特征在于，所述半导体激光器发射的光束的波长范围为780纳米～1000纳米。