CN208753726U - 非稳腔光谱合束装置 - Google Patents

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Abstract

本实用新型提供一种非稳腔光谱合束装置，包括依次排列的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜和衍射光栅；半导体激光器位于变换透镜的前焦面，变换透镜准直由半导体激光器产生、经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衍射光栅；衍射光栅位于变换透镜的后焦面，耦合经聚焦的多束光束，形成合束光输出；以及输出耦合镜，位于合束光的输出路径上，输出耦合镜具有一部分反射的柱面，合束光中的部分光束在柱面与半导体激光器之间振荡后经输出耦合镜输出。本实用新型利用输出耦合镜的柱面形成非稳腔，使高阶模在非稳腔的反馈过程中被损耗，低阶模经振荡增强后输出，提高输出的光束质量，增加输出亮度。

Description

非稳腔光谱合束装置
技术领域
本实用新型涉及半导体激光技术领域，具体地说，涉及一种非稳腔光谱合束装置。
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：其一，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；其二，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采用平面镜作为输出耦合镜，形成的外腔为平-平腔，是一种稳定腔。稳定腔容易发生串扰，光束质量较差。
实用新型内容
有鉴于此，本实用新型提供一种非稳腔光谱合束装置，解决现有技术中稳定腔激光输出光束质量较差的问题。
本实用新型提供一种非稳腔光谱合束装置，包括依次排列的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜和衍射光栅；所述半导体激光器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产生、经所述光束整形元件整形的多束平行光束，并将所述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，所述衍射光栅耦合经聚焦的多束光束，形成合束光输出；以及输出耦合镜，位于所述合束光的输出路径上，所述输出耦合镜具有一部分反射的柱面，所述合束光中的部分光束在所述柱面与所述半导体激光器之间振荡后经所述输出耦合镜输出。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述输出耦合镜为平凸柱面镜，所述平凸柱面镜的凸面垂直地迎向所述合束光，所述平凸柱面镜的平面背离所述衍射光栅；或者，所述输出耦合镜为平凹柱面镜，所述平凹柱面镜的平面垂直地迎向所述合束光，所述平凹柱面镜的凹面背离所述衍射光栅。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，当所述输出耦合镜为平凸柱面镜时，所述凸面镀部分反射膜，所述平面镀增透膜；当所述输出耦合镜为平凹柱面镜时，所述凹面镀部分反射膜，所述平面镀增透膜。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述部分反射膜的反射率为5％～30％，和/或，所述增透膜的透过率大于99％。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述半导体激光器的前端面镀增透膜，后腔面镀高反膜。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，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，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述衍射光栅在1级或-1级次的衍射效率大于90％。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述变换透镜是作用方向为慢轴的柱透镜。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述变换透镜选自单个球面柱透镜、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中的任一种。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述光束整形元件选自快轴准直镜、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中的任一种。
优选地，上述的非稳腔光谱合束装置中，所述半导体激光器选自由阵列排列的多个发光单元形成的半导体激光器阵列、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中的任一种。
本实用新型采用上述技术方案，在输出耦合镜的柱面和半导体激光器之间形成非稳腔，利用非稳腔增加高阶模在反馈过程中的损耗，保留光束质量好的低阶模，使低阶模经非稳腔振荡增强后输出，得到高光束质量的激光输出。
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是本实用新型的实施例中一种非稳腔光谱合束装置的示意图；
图2是图1所示的非稳腔光谱合束装置消除串扰的示意图；
图3是本实用新型的实施例中又一种非稳腔光谱合束装置的示意图。
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。
结合图1和图3所示，本实用新型实施例所提供的非稳腔光谱合束装置主要包括半导体激光器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。其中半导体激光器1、光束整形元件2、变换透镜3和衍射光栅4依次排列，在图示方向上表现为沿水平方向依次排列。半导体激光器1包括阵列排列的多路发光单元13，多路发光单元13在图示方向上表现为沿竖直方向排列，以产生多束准直过的平行光束。光束整形元件2包括至少一个光学件，用于对半导体激光器1输出的多束平行光束整形。变换透镜3放置于半导体激光器1的出光方向且变换透镜3与半导体激光器1之间的距离等于变换透镜3的焦距。也即，半导体激光器1位于变换透镜3的前焦面。变换透镜3用于再次准直由半导体激光器1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，即位于所有光束在空间上重叠之处。衍射光栅4通过衍射作用将经变换透镜3聚焦的多束光束耦合为一束，形成合束光输出。
输出耦合镜5位于衍射光栅4的出光方向，即合束光的输出路径上。输出耦合镜5具有一部分反射的柱面50，柱面50的弯曲方向垂直于合束光的输出方向。以图示方向为例，合束光从衍射光栅4垂直向下输出，输出耦合镜5的柱面50沿水平方向弯曲，从而垂直地迎向合束光。柱面50与半导体激光器1之间形成非稳腔，合束光中的部分光束在柱面50与半导体激光器1之间振荡后经输出耦合镜5输出。
得益于柱面50与半导体激光器1之间形成的非稳腔，合束光中的低阶模在柱面50与半导体激光器1之间往返振荡，经增益介质(图中未详细示出)放大后形成高光束质量的激光输出。具体来说，由半导体激光器1输出的多束平行光束经光束整形元件2的整形、变换透镜3的准直和聚焦，以及衍射光栅4的衍射作用后，形成合束光到达输出耦合镜5的柱面50。柱面50反射合束光中的部分光束回到衍射光栅4，衍射光栅4又将由柱面50反射的部分光束中的一部分光束传递回半导体激光器1。光束在半导体激光器1和输出耦合镜5的柱面50之间往返振荡，在往返振荡的过程中低阶模保留下来，形成高光束质量的激光输出。参照图1所示，以图示方向为例，由输出耦合镜5垂直向下输出的即经振荡增强后的高光束质量的低阶模激光束。
而高阶模在非稳腔的反馈过程中被损耗。参照图2所示，往返振荡的过程中，高阶模经柱面50反射后被衍射光栅4衍射到镜面之外，或被变换透镜3折射偏离，参照加粗虚线所标示的高阶模的返回路径，其最终无法返回半导体激光器1，即高阶模在非稳腔的反馈过程中被损耗。通过柱面50与半导体激光器1之间形成的非稳腔，能够增加高阶模在反馈过程中的损耗，同时保留光束质量较高的低阶模，得到高光束质量的激光输出。
进一步的，在优选的实施方式中，柱面50与半导体激光器1之间形成的非稳腔为平凸腔。参照图1所示，输出耦合镜5为一个平凸柱面镜，其具有的柱面50为凸面(图中标示为51)，该凸面51垂直地迎向合束光，且输出耦合镜5的平面52背离衍射光栅4。凸面51可镀部分反射膜，平面52可镀增透膜。在优选的实施方式中，凸面51所镀的部分反射膜的反射率为5％～30％，平面52所镀的增透膜的透过率大于99％。
另外，半导体激光器1的前端面11可镀增透膜，后腔面12可镀高反膜。在优选的实施方式中，前端面11所镀的增透膜的反射率小于1％，后腔面12所镀的高反膜的反射率大于95％。从而在输出耦合镜5的凸面51与半导体激光器1的后腔面12之间形成平凸腔。
进一步的，变换透镜3是作用方向为慢轴的柱透镜。光束在平凸腔中振荡时，高阶模被损耗，保留光束质量较好的低阶模，从而有效降低半导体激光器1的不同发光单元13在慢轴方向的串扰，得到高光束质量的激光输出。
在另一些实施例中，参照图3所示，输出耦合镜5为一个平凹柱面镜，同样可与半导体激光器1之间形成平凸腔。具体来说，当输出耦合镜5为平凹柱面镜时其具有的柱面50为凹面(图中标示为53)，相对于凹面53的一面为平面52。该平面52垂直地迎向合束光，凹面53背离衍射光栅4。凹面53可镀部分反射膜，平面52可镀增透膜。在优选的实施方式中，凹面53所镀的部分反射膜的反射率为5％～30％，平面52所镀的增透膜的透过率大于99％。另外，与图1类似，半导体激光器1的前端面11镀增透膜，后腔面12镀高反膜。前端面11所镀的增透膜的反射率小于1％，后腔面12所镀的高反膜的反射率大于95％。从而在输出耦合镜5的凹面53与半导体激光器1的后腔面12之间形成平凸腔。当变换透镜3是作用方向为慢轴的柱透镜时，光束在平凸腔中振荡过程中高阶模被损耗，保留光束质量较好的低阶模，从而有效降低半导体激光器1的不同发光单元13在慢轴方向的串扰，得到高光束质量的激光输出。
如上所述，半导体激光器1是由阵列排列的多个发光单元13组成的半导体激光器阵列，输出耦合镜5与半导体激光器1之间形成的非稳腔有效降低了不同发光单元13在慢轴方向的串扰。在其他实施例中，半导体激光器1可替换为沿水平方向排列的多个半导体激光器阵列，或者是沿竖直方向排列的多个半导体激光器阵列，或者是沿水平方向排列的多个半导体激光器单管，或者是半导体激光器单管二维阵列。
在一些实施例中，光束整形元件2可以是快轴准直镜，或者是快轴准直镜和慢轴准直镜的组合，或者是快轴准直镜和45°斜柱透镜阵列的组合。
变换透镜3可以是单个球面柱透镜，或者是多个球面柱透镜组成的透镜组，或者是单个非球面柱透镜，或者是多个非球面柱透镜组成的透镜组。
衍射光栅4可以为透射式光栅或反射式光栅。衍射光栅4在1级或-1级次的衍射效率大于90％。
综上，本实用新型为了降低半导体激光器1的不同发光单元13在慢轴方向的串扰，提高慢轴方向的光束质量，提出了一种半导体激光器非稳腔光谱合束装置。通过作用方向为慢轴的柱透镜作为变换透镜3，准直由半导体激光器1产生并经光束整形元件2整形的多束平行光束，将多束平行光束聚焦至衍射光栅4。通过输出耦合镜5的柱面50与半导体激光器1之间形成非稳腔，对经衍射光栅4耦合的合束光进行振荡。在振荡过程中，由于非稳腔中不同横模的光束之间的衍射损耗差别大，光束质量较差的高阶模在非稳腔中更容易被损耗，而光束质量好的低阶模可以经非稳腔实现振荡增强。振荡增强后的低阶模形成高光束质量的激光输出，有效降低了不同发光单元在慢轴方向的串扰，提高了慢轴方向的光束质量。
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)

1.一种非稳腔光谱合束装置，其特征在于，包括依次排列的半导体激光器、光束整形元件、变换透镜和衍射光栅，
所述半导体激光器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产生、经所述光束整形元件整形的多束平行光束，并将所述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，所述衍射光栅耦合经聚焦的多束光束，形成合束光输出；以及
输出耦合镜，位于所述合束光的输出路径上，所述输出耦合镜具有一部分反射的柱面，所述合束光中的部分光束在所述柱面与所述半导体激光器之间振荡后经所述输出耦合镜输出。
2.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜为平凸柱面镜，所述平凸柱面镜的凸面垂直地迎向所述合束光，所述平凸柱面镜的平面背离所述衍射光栅；或者
所述输出耦合镜为平凹柱面镜，所述平凹柱面镜的平面垂直地迎向所述合束光，所述平凹柱面镜的凹面背离所述衍射光栅。
3.如权利要求2所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，当所述输出耦合镜为平凸柱面镜时，所述凸面镀部分反射膜，所述平面镀增透膜；
当所述输出耦合镜为平凹柱面镜时，所述凹面镀部分反射膜，所述平面镀增透膜。
4.如权利要求3所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述部分反射膜的反射率为5％～30％，和/或，所述增透膜的透过率大于99％。
5.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光器的前端面镀增透膜，后腔面镀高反膜。
6.如权利要求5所述的非稳腔光谱合束装置，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％。
7.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅，所述衍射光栅在1级或-1级次的衍射效率大于90％。
8.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述变换透镜的作用方向为慢轴，所述变换透镜选自单个球面柱透镜、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中的任一种。
9.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述光束整形元件选自快轴准直镜、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中的任一种。
10.如权利要求1所述的非稳腔光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光器选自由阵列排列的多个发光单元形成的半导体激光器阵列、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中的任一种。
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