CN209946540U - 半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，包括：N个合束子系统以及用于将N个合束子系统输出的子光束进行合束的光栅对；合束子系统包括半导体激光叠阵以及沿半导体激光叠阵的出射光的光路方向依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、变换透镜、第一光栅和输出镜；光栅对包括相互平行设置的第二光栅和第三光栅。本实用新型先利用外腔与半导体激光器后腔面组成外腔半导体激光器，使不同的合束单元锁定在不同的波长，再利用光栅的色散作用，将各个半导体激光叠阵发出的激光束在空间重叠成一束输出，能在提升输出功率的同时保持良好的光束质量水平，这样合束后的光束质量得到了极大的改善，实现了高功率高光束质量的合束输出。
Description
技术领域
本实用新型涉及高功率半导体激光应用技术领域，特别涉及一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置。
背景技术
半导体激光器是近五十年来发展快、科学渗透广的一种电光转换器件，其在工业加工、军事防御、光通信等领域有着重要应用。然而，由于其波导结构及器件封装工艺等因素的限制，其快慢轴方向上的光束质量差距较大，如对于普通的cm bar条，慢轴方向的光束质量是快轴方向的上千倍，导致输出光束质量变差。尽管使用叠阵结构能实现较高功率输出，但受限于微通道热沉内水通道截面积小和水压降，激光叠阵中激光层数不能无限叠加，一般不超过50层，从而限制了功率的进一步提升，这使其很难作为百瓦、千瓦级的光源直接应用。因此，如何同时获得高功率、高光束质量的半导体激光输出已成为国际上的重大技术瓶颈。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置。
为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，包括：N个合束子系统以及用于将所述N个合束子系统输出的子光束进行合束的光栅对；
所述合束子系统包括半导体激光叠阵以及沿所述半导体激光叠阵的出射光的光路方向依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、变换透镜、第一光栅和输出镜；
所述光栅对包括相互平行设置的第二光栅和第三光栅；
所述半导体激光叠阵发出的光依次经过所述快轴准直镜、慢轴准直镜后，通过所述变换透镜转换成不同的入射角度投射到所述第一光栅上，不同叠层的出射光经所述第一光栅衍射后以相同的衍射角度合束形成子光束，再经所述输出镜输出到所述第二光栅；N个合束子系统的输出的子光束均入射到所述第二光栅，再入射到所述第三光栅的相同位置上产生重叠，经所述第三光栅衍射后以相同的出射角度合束输出。
优选的是，所述快轴准直镜、慢轴准直镜、变换透镜、第一光栅的中心均与所述半导体激光叠阵的中心位于同一直线上。
优选的是，所述输出镜垂直于所述第一光栅的-1级衍射方向设置。
优选的是，所述半导体激光叠阵的不同叠层的出射光经所述第一光栅衍射后以与所述第一光栅的-1级衍射方向相同的角度合束形成子光束，再经所述输出镜输出。
优选的是，所述输出镜将部分入射的子光束按照原路反射回到所述半导体激光叠阵，以实现所述半导体激光叠阵输出波长的锁定。
优选的是，所述半导体激光叠阵的功率可调，其发出的光的波长范围为400nm-1550nm。
优选的是，该合束装置包括2个合束子系统，2个合束子系统输出的子光束均直接入射到所述第二光栅上。
优选的是，该合束装置还包括N个反射镜，用于将每个所述合束子系统的输出的子光束反射至所述第二光栅。
本实用新型的有益效果是：本实用新型的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置先利用外腔与半导体激光器后腔面组成外腔半导体激光器，使不同的合束单元锁定在不同的波长，再利用光栅的色散作用，将各个半导体激光叠阵发出的激光束在空间重叠成一束输出，能在提升输出功率的同时保持良好的光束质量水平，这样合束之后的光束质量得到了极大的改善，实现了高功率高光束质量的合束输出。
附图说明
图1为本实用新型的实施例1中的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置的结构示意图；
图2为本实用新型的实施例1中的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置的结构示意图。
附图标记说明：
1—半导体激光叠阵；2—快轴准直镜；3—慢轴准直镜；4—变换透镜；5—第一光栅；6—输出镜；7—第二光栅；8—第三光栅；9—合束激光；10—子光束；11—反射镜；12—合束激光。
具体实施方式
下面结合实施例对本实用新型做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
如图1-2所示，本实施例的一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，包括N个合束子系统以及用于将N个合束子系统输出的子光束进行合束的光栅对；
合束子系统包括半导体激光叠阵1以及沿半导体激光叠阵1的出射光的光路方向依次设置的快轴准直镜2、慢轴准直镜3、变换透镜4、第一光栅5和输出镜6；
光栅对包括相互平行设置的第二光栅7和第三光栅8；
半导体激光叠阵1发出的光依次经过快轴准直镜2、慢轴准直镜3后，通过变换透镜4转换成不同的入射角度投射到第一光栅5上，不同叠层的出射光经第一光栅5衍射后以相同的衍射角度合束形成子光束，再经输出镜6输出到第二光栅7；N个合束子系统的输出的子光束均入射到第二光栅7，再入射到第三光栅8的相同位置上产生重叠，经第三光栅8衍射后以相同的出射角度合束输出。
本实用新型先利用光栅-外腔光谱合束技术对光束质量较差的半导体叠阵输出的激光进行整形，以达到高光束质量输出。然后对N(N≥2)个整形好的叠阵采用共孔径技术进行合束，由于双光栅结构补偿了色散，所以合束能保持高光束质量，同时又达到了高功率输出的目的。这样合束之后的光束质量得到了极大的改善，于是实现了高光束质量输出。
其中，半导体激光叠阵1的功率可调，其发出的光的波长范围为400nm-1550nm。快轴准直镜2、慢轴准直镜3、变换透镜4、第一光栅5的中心均与半导体激光叠的中心位于同一直线上。快轴准直镜2、慢轴准直镜3分别压缩快慢轴的发散角至毫弧度量级。
其中，输出镜6垂直于第一光栅5的-1级衍射方向设置。半导体激光叠阵1的不同叠层的出射光经第一光栅5衍射后以与第一光栅5的-1级衍射方向相同的角度合束形成子光束，再经输出镜6输出。由于输出镜6的部分反馈作用，输出镜6将部分入射的子光束按照原路反射(依次经过第一光栅5、变换透镜4、慢轴准直镜3、快轴准直镜2)回半导体激光叠阵1，以实现半导体激光叠阵1输出波长的锁定(即使不同的合束单元锁定在不同的波长)。叠阵的后端面与-1级衍射方向的输出镜6形成外谐振腔，反馈注入的光束在外谐振腔内形成振荡，由于增益竞争的作用，不同的合束单元都以不同的波长运转，并且输出的子光束将沿中心单元在光栅对上实现空间叠加，即功率叠加，每个合束子系统的输出光束具有相同的光束质量，组合输出光束空间亮度较合束前会明显增加，实现了叠阵输出光束质量的提高。
由于受限于热沉内水通道截面积小和水压降，激光叠阵层数不能无限增加(一般低于50层),因而提升输出功率受限。为此本实用新型将N个参数相同的子系统(根据实际需求可选择N(N≥2)个子系统)输出的子光束利用双光栅进行合束,双光栅合束技术既降低了激光线宽、相位等方面的控制要求，又能在提升输出功率的同时保持良好的光束质量水平，从而实现了整个系统的高功率高光束质量的激光输出。
以下提供具体实施例，以对本实用新型做进一步说明。
实施例1
参照图1，本实施例中，半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置包括2个合束子系统：结构相同的合束子系统I和合束子系统II，2个合束子系统的输出的子光束均直接入射到第二光栅7上。合束子系统I中的输出镜6输出的子光束和合束子系统II的输出镜6输出的子光束均直接入射到光栅对中的第二光栅7上。为了使子光束获得较高的衍射效率，子光束的入射角尽量靠近第二光栅7在闪耀波长处的Littrow角。第二光栅7和第三光栅8平行放置，第三光栅8将对第二光栅7产生的色散进行有效的补偿。第二光栅7的色散使不同波长子光束的1级衍射光束入射到参数完全相同的第三光栅8的相同位置上产生重叠，再经过第三光栅8的衍射后，不同波长子光束的合束后输出光束具有相同的出射角度，得到合束激光9，最终实现了2路不同波长子光束的共孔径光谱合成输出，极大的提高了系统的总输出功率。第三光栅8对第二光栅7产生的色散补偿作用，确保了系统合成光束可获得较高的质量水平，因此实现了整个系统的高功率高光束质量的合束输出。
由于叠阵功率受到叠加层数的限制，单一叠阵的功率难于满足大功率应用领域。为了提升功率，将与子系统I结构相同的子系统II利用双光栅进行合束，实现了功率叠加,从而提升了输出总功率。该方案既降低了对合束用的激光线宽、相位等方面的控制要求，又能在提升输出功率的同时保持良好的光束质量水平。
实施例2
参照图2，本实施例中，合束子系统的个数N大于2(N个合束子系统的结构均相同，且与上述实施例中也相同，如椭圆虚线框内所示)，且半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置还包括N个反射镜11，N个反射镜11与N个合束子系统一一对应，用于将每个合束子系统的输出的子光束10反射至第二光栅7。即每个合束子系统输出的子光束10均通过一个反射镜11反射至第二光栅7上，第二光栅7的色散使不同波长子光束10的1级衍射光束入射到参数完全相同的第三光栅8的相同位置上产生重叠，再经过第三光栅8的衍射后，不同波长子光束10的合束后输出光束具有相同的出射角度，得到合束激光12，最终实现了N路不同波长子光束10的共孔径光谱合成输出，极大的提高了系统的总输出功率。
尽管本实用新型的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本实用新型的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本实用新型并不限于特定的细节。
Claims (8)
1.一种半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，包括：N个合束子系统以及用于将所述N个合束子系统输出的子光束进行合束的光栅对；
所述合束子系统包括半导体激光叠阵以及沿所述半导体激光叠阵的出射光的光路方向依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、变换透镜、第一光栅和输出镜；
所述光栅对包括相互平行设置的第二光栅和第三光栅；
所述半导体激光叠阵发出的光依次经过所述快轴准直镜、慢轴准直镜后，通过所述变换透镜转换成不同的入射角度投射到所述第一光栅上，不同叠层的出射光经所述第一光栅衍射后以相同的衍射角度合束形成子光束，再经所述输出镜输出到所述第二光栅；N个合束子系统的输出的子光束均入射到所述第二光栅，再入射到所述第三光栅的相同位置上产生重叠，经所述第三光栅衍射后以相同的出射角度合束输出。
2.根据权利要求1所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，所述快轴准直镜、慢轴准直镜、变换透镜、第一光栅的中心均与所述半导体激光叠的中心位于同一直线上。
3.根据权利要求2所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，所述输出镜垂直于所述第一光栅的-1级衍射方向设置。
4.根据权利要求3所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，所述半导体激光叠阵的不同叠层的出射光经所述第一光栅衍射后以与所述第一光栅的-1级衍射方向相同的角度合束形成子光束，再经所述输出镜输出。
5.根据权利要求4所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，所述输出镜将部分入射的子光束按照原路反射回到所述半导体激光叠阵，以实现所述半导体激光叠阵输出波长的锁定。
6.根据权利要求5所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，所述半导体激光叠阵的功率可调，其发出的光的波长范围为400nm-1550nm。
7.根据权利要求1-6中任意一所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，该合束装置包括2个合束子系统，2个合束子系统输出的子光束均直接入射到所述第二光栅上。
8.根据权利要求1-6中任意一所述的半导体激光高光束质量高功率输出的合束装置，其特征在于，该合束装置还包括N个反射镜，用于将每个所述合束子系统的输出的子光束反射至所述第二光栅。
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| CN114994933A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 光谱合束装置及方法 |
| CN115061286A (zh) * | 2022-07-19 | 2022-09-16 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 光谱合束装置及方法 |
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |
Address after: Science and Technology City kolding road high tech Zone of Suzhou City, Jiangsu Province, No. 88 215163 Co-patentee after: Suzhou Guoke medical technology development (Group) Co., Ltd Patentee after: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology Chinese Academy of Sciences Address before: Science and Technology City kolding road high tech Zone of Suzhou City, Jiangsu Province, No. 88 215163 Co-patentee before: SUZHOU GUOKE MEDICAL TECHNOLOGY DEVELOPMENT Co.,Ltd. Patentee before: Suzhou Institute of Biomedical Engineering and Technology Chinese Academy of Sciences |
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| CP01 | Change in the name or title of a patent holder |