CN208752315U - 半导体激光器光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种半导体激光器光谱合束装置，包括依次排列的半导体激光器阵列、光束整形元件、变换透镜、衍射光栅和输出耦合镜，半导体激光器阵列和衍射光栅分别位于变换透镜的前后焦面；以及一组或多组光路反射元件，位于光束整形元件与变换透镜之间，和/或位于变换透镜与衍射光栅之间；光路反射元件用于反射折叠光束，光束经光路反射元件多次反射后沿其原始传输方向输出，从而极大压缩半导体激光器光谱合束装置的长度和体积，在有限的空间内实现多发光单元的光谱合束。

Description

半导体激光器光谱合束装置

技术领域

本实用新型涉及激光设备领域，具体地说，涉及一种半导体激光器光谱合束装置。

背景技术

半导体激光器有着成本低，寿命长，体积小，可靠性高等优点，在工业加工，泵浦，医疗，通信等方面都有广泛的应用前景。能否进一步提高半导体激光器的亮度是制约半导体激光器未来发展的一个重要因素。激光光束的亮度由输出功率的大小和光束质量决定，功率越大，光束质量越好，亮度就越高，半导体激光器的应用领域也更加广泛。

合束技术是当前实现高亮度半导体激光器的常用手段，常规合束技术包括光束整形、偏振合束和波长合束等。光束整形通过平衡快慢轴方向的光参数积来提高光束质量，但激光亮度并没有提升；偏振合束通过将两个偏振方向的光合为一束，亮度只能提高到两倍；波长合束受到镀膜技术的限制，合束单元数一般不超过5个，对功率和亮度的提高也有限。

光谱合束是一种新颖的半导体激光器合束技术，通过外腔反馈作用和光栅的色散作用将各个发光单元锁定在不同的波长，从而获得相同的衍射角实现合束。光谱合束的优点在于：一，将多个单管半导体激光器的输出光合束，实现了功率的叠加，同时光束质量能保持为单个发光单元的高光束质量，极大地提高了半导体激光器的亮度；二，若干个发光单元可以共用合束元件，不限制合束单元数量的特点能够大幅降低成本，在应用时有更大的优势。因此，光谱合束技术已经成为大功率半导体激光器领域的一个重要课题。

目前的光谱合束技术中，半导体激光器阵列和衍射光栅分别位于变换透镜的前后焦面处，为了实现较窄的光谱展宽，需要使用焦距较长的变换透镜，整个系统的长度较长，体积较大，空间利用率低，在实际应用中造成极大不便。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供一种半导体激光器光谱合束装置，解决现有技术中光谱合束装置长度长，体积大，空间利用率低的问题。

本实用新型提供一种半导体激光器光谱合束装置，包括依次排列的半导体激光器阵列、光束整形元件、变换透镜、衍射光栅和输出耦合镜；所述半导体激光器阵列位于所述变换透镜的前焦面，所述变换透镜准直由所述半导体激光器阵列的多个发光单元产生、经所述光束整形元件整形的多束平行光束，并将多束平行光束聚焦至所述衍射光栅；所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦面，多束平行光束经所述衍射光栅以相同角度出射；以及一组或多组光路反射元件，位于所述光束整形元件与所述变换透镜之间，和/或位于所述变换透镜与所述衍射光栅之间，多束平行光束经所述光路反射元件多次反射后沿其原始传输方向输出；所述输出耦合镜为部分反射镜，多束平行光束在所述输出耦合镜和所述半导体激光器之间振荡后形成激光输出。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置还包括一个或多个反射镜，位于所述衍射光栅和所述输出耦合镜之间，多束平行光束经所述一个或多个反射镜反射后沿与其原始传输方向相反的方向输出。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述光路反射元件包括四个反射镜，多束平行光束经第一反射镜反射后沿与其原始传输方向垂直的第一方向入射至第二反射镜，经第二反射镜反射后沿其原始传输方向入射至第三反射镜，经第三反射镜反射后沿与其原始传输方向垂直的第二方向入射至第四反射镜，经第四反射镜反射后沿其原始传输方向输出；所述第一方向和所述第二方向相反，且多束平行光束在第一反射镜和第二反射镜之间的光程与在第三反射镜和第四反射镜之间的光程相等。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述半导体激光器阵列的前端面镀增透膜，后腔面镀高反膜。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述增透膜的反射率小于1％，和/或，所述高反膜的反射率大于95％。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述半导体激光器阵列是以下四种中的任一种：沿水平方向排列的多个半导体激光器阵列，沿竖直方向排列的多个半导体激光器阵列，沿水平方向排列的多个半导体激光器单管，半导体激光器单管二维阵列。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述光束整形元件是以下三种中的任一种：快轴准直镜，快轴准直镜和慢轴准直镜的组合，快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述变换透镜的作用方向为慢轴，所述变换透镜是以下四种中的任一种：单个球面柱透镜，多个球面柱透镜组成的透镜组，单个非球面柱透镜，多个非球面柱透镜组成的透镜组。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述衍射光栅为透射式衍射光栅或反射式衍射光栅，所述衍射光栅在1级或-1级次的衍射效率大于90％。

优选地，上述的半导体激光器光谱合束装置中，所述输出耦合镜的反射率为5％～30％。

本实用新型采用上述技术方案，通过一组或多组光路反射元件实现光束在空间上的反射折叠，且光束经光路反射元件多次反射后沿其原始传输方向输出，通过空间光路折叠的方法能极大压缩半导体激光器光谱合束装置的长度和体积，在有限的空间内实现多发光单元的光谱合束。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1是实施例中一种半导体激光器光谱合束装置的俯视示意图；

图2是实施例中一种半导体激光器光谱合束装置的侧视示意图。

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。

为了压缩光谱合束装置的长度和体积，本实用新型提出了一种空间折叠的半导体激光器光谱合束装置，通过引入一组或多组光路反射元件，将光路在竖直方向折叠；引入一个或多个反射镜，将光路在水平方向折叠；通过空间光路折叠的方法能极大压缩半导体激光器光谱合束装置的长度和体积，在有限的空间内实现多发光单元的光谱合束。

结合图1和图2所示，在一些实施例中，半导体激光器光谱合束装置包括依次排列的半导体激光器阵列1、光束整形元件2、变换透镜3、衍射光栅4和输出耦合镜5。

半导体激光器阵列1位于变换透镜3的前焦面，变换透镜3准直由半导体激光器阵列1的多个发光单元产生、并经光束整形元件2整形的多束平行光束，并将多束平行光束聚焦至衍射光栅4。

衍射光栅4位于变换透镜3的后焦面，多束平行光束经衍射光栅4以相同角度出射。

输出耦合镜5为部分反射镜，多束平行光束在输出耦合镜5和半导体激光器1之间振荡后形成激光输出。

进一步的，半导体激光器光谱合束装置还包括一组或多组光路反射元件6，位于光束整形元件2与变换透镜3之间，和/或位于变换透镜3与衍射光栅4之间，多束平行光束经光路反射元件6多次反射后沿其原始传输方向输出。

具体来说，在一些实施例中，光路反射元件6可以包含一组，位于光束整形元件2与变换透镜3之间，或者位于变换透镜3与衍射光栅4之间。在一些实施例中，光路反射元件6可以包含两组以上，位于光束整形元件2与变换透镜3之间，或者位于变换透镜3与衍射光栅4之间，或者一组或多组位于光束整形元件2与变换透镜3之间，且一组或多组位于变换透镜3与衍射光栅4之间。图中示出的示例为光路反射元件6包含两组，其中一组位于光束整形元件2与变换透镜3之间，另一组位于变换透镜3与衍射光栅4之间。

在优选的实施例中，参照图2所示，光路反射元件6包括四个反射镜，分别是第一反射镜61、第二反射镜62、第三反射镜63和第四反射镜64。多束平行光束经第一反射镜61反射后沿与其原始传输方向(以图示方向为例，原始传输方便为向右)垂直的第一方向(以图示方向为例，第一方向为向下)入射至第二反射镜62，经第二反射镜62反射后沿其原始传输方向入射至第三反射镜63，经第三反射镜63反射后沿与其原始传输方向垂直的第二方向(以图示方向为例，第二方向为向上)入射至第四反射镜64，经第四反射镜64反射后沿其原始传输方向输出。其中第一方向和第二方向相反，且多束平行光束在第一反射镜61和第二反射镜62之间的光程D1与在第三反射镜63和第四反射镜64之间的光程D2相等。从而，多束平行光束经光路反射元件6多次反射，实现空间折叠后，仍沿其原始传输方向输出，在不影响光束在变换透镜3、衍射光栅4等元件中的传输的同时极大减小半导体激光器光谱合束装置的长度和体积。

在其他实施例中，光路反射元件6可以包括八个反射镜，十二个反射镜，十六个反射镜…及任意四的倍数的反射镜，以图2所示第一反射镜61、第二反射镜62、第三反射镜63和第四反射镜64的设置方式为例进行循环排列，实现光束经多次反射折叠后沿其原始传输方向输出。

进一步的，在优选的实施例中，半导体激光器光谱合束装置还包括一个或多个反射镜7，位于衍射光栅4和输出耦合镜5之间，多束平行光束经一个或多个反射镜7反射后沿与其原始传输方向相反的方向输出。

具体参照图1所示，以图示方向为例，多束平行光束从衍射光栅4以相同角度(即向下)射出至反射镜7，反射镜7的反射面与光束自衍射光栅4的射出角度呈45°，多束平行光束经反射镜7的反射，旋转90°，沿与其原始传输方向相反的方向(即向左)输出至输出耦合镜5。由于设置了一个或多个反射镜7，半导体激光器光谱合束装置的体积进一步压缩，光束在输出耦合镜5和半导体激光器1之间振荡后自输出耦合镜5沿与其原始传输方向相反的方向形成激光输出。

由于设置了一组或多组光路反射元件6，光束在半导体激光器光谱合束装置的外腔(半导体激光器阵列1的后腔面与输出耦合镜5的部分反射面之间形成外腔)中实现空间上的折叠反射，整个外腔的长度L并未因此增大，外腔长度L仅相当于半导体激光器阵列1与衍射光栅4之间的距离，且光束经光路反射元件6多次反射后沿其原始传输方向输出；由于设置了一个或多个反射镜7，改变光束方向，使光束沿与其原始传输方向相反的方向输出，进一步减小半导体激光器光谱合束装置的尺寸，使半导体激光器光谱合束装置的体积得到极大压缩。通过上述空间光路折叠的方法在有限的空间内实现多发光单元的光谱合束。

在一些实施例中，上述的半导体激光器阵列1是以下四种中的任一种：沿水平方向排列的多个半导体激光器阵列，沿竖直方向排列的多个半导体激光器阵列，沿水平方向排列的多个半导体激光器单管，半导体激光器单管二维阵列。并且，半导体激光器阵列1的前端面镀增透膜，后腔面镀高反膜。增透膜的反射率小于1％，和/或，高反膜的反射率大于95％。

在一些实施例中，上述的光束整形元件2可以是图示的快轴准直镜21和慢轴准直镜22的组合，也可以是快轴准直镜，或者是快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。

在一些实施例中，上述的变换透镜3的作用方向为慢轴，且变换透镜3是以下四种中的任一种：单个球面柱透镜，多个球面柱透镜组成的透镜组，单个非球面柱透镜，多个非球面柱透镜组成的透镜组。

在一些实施例中，上述的衍射光栅4为透射式衍射光栅或反射式衍射光栅，且衍射光栅4在1级或-1级次的衍射效率大于90％。

在一些实施例中，上述的输出耦合镜5的反射率为5％～30％。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，包括依次排列的半导体激光器阵列、光束整形元件、变换透镜、衍射光栅和输出耦合镜；

所述半导体激光器阵列位于所述变换透镜的前焦面，所述变换透镜准直由所述半导体激光器阵列的多个发光单元产生、经所述光束整形元件整形的多束平行光束，并将多束平行光束聚焦至所述衍射光栅；

所述衍射光栅位于所述变换透镜的后焦面，多束平行光束经所述衍射光栅以相同角度出射；以及

一组或多组光路反射元件，位于所述光束整形元件与所述变换透镜之间，和/或位于所述变换透镜与所述衍射光栅之间，多束平行光束经所述光路反射元件多次反射后沿其原始传输方向输出；

所述输出耦合镜为部分反射镜，多束平行光束在所述输出耦合镜和所述半导体激光器之间振荡后形成激光输出。

2.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，还包括一个或多个反射镜，位于所述衍射光栅和所述输出耦合镜之间，多束平行光束经所述一个或多个反射镜反射后沿与其原始传输方向相反的方向输出。

3.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光路反射元件包括四个反射镜，多束平行光束经第一反射镜反射后沿与其原始传输方向垂直的第一方向入射至第二反射镜，经第二反射镜反射后沿其原始传输方向入射至第三反射镜，经第三反射镜反射后沿与其原始传输方向垂直的第二方向入射至第四反射镜，经第四反射镜反射后沿其原始传输方向输出；

所述第一方向和所述第二方向相反，且多束平行光束在第一反射镜和第二反射镜之间的光程与在第三反射镜和第四反射镜之间的光程相等。

4.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光器阵列的前端面镀增透膜，后腔面镀高反膜。

5.如权利要求4所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述增透膜的反射率小于1％，和/或，所述高反膜的反射率大于95％。

6.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光器阵列是以下四种中的任一种：

沿水平方向排列的多个半导体激光器阵列，

沿竖直方向排列的多个半导体激光器阵列，

沿水平方向排列的多个半导体激光器单管，

半导体激光器单管二维阵列。

7.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光束整形元件是以下三种中的任一种：

快轴准直镜，

快轴准直镜和慢轴准直镜的组合，

快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。

8.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述变换透镜的作用方向为慢轴，所述变换透镜是以下四种中的任一种：

单个球面柱透镜，

多个球面柱透镜组成的透镜组，

单个非球面柱透镜，

多个非球面柱透镜组成的透镜组。

9.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅为透射式衍射光栅或反射式衍射光栅，所述衍射光栅在1级或-1级次的衍射效率大于90％。

10.如权利要求1所述的半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜的反射率为5％～30％。