WO2012174778A1 - 可扩展的多台激光器复合系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种可扩展的多台激光器系统（300），包括三台不同波长的激光器（2，20，44）、安装在每一台激光器（2，20，44）腔外的准直透镜（6，16，40）、第一光学滤波器（12）和第二光学滤波器（36）。三台激光器（2，20，44）通过第一光学滤波器（12）和第二光学滤波器（36）合并成一束激光束。系统（300）采用多台不同波长的激光器和光学滤波器实现了波长相差超过100纳米甚至更大不同波长的激光束复合成单一激光束输出。系统（300）具有性能稳定，成本低廉，尺寸小，易于安装和生产的优点。系统（300）可应用于生物，医疗器械和光纤传感网络等领域中。

Description

可扩展的多台激光器复合系统

方

技术领域

本发明属于激光技术领域， 尤其是一种可扩展的多台激光器复合系统。 方 背景技术

自从上世纪六十年代的第一台红宝石激光器问世用来，激光技术和各类应用 得到了迅猛的发展。常用的激光器的波长已覆盖了从小于 纳米的短波长到超 过 微米的长波长的一个大的光谱范围。 但是， 一般的激光器都是单一波长输 出， 尽管有些可调谐激光器可以在一定的光谱范围内实现波长调谐， 但调谐范围 一般只有几十纳米， 因此， 要实现在一台激光器中实现多波长输出， 并能对每一 个输出波长的功率进行单独控制， 不仅在技术上有很大的难度， 对有些特定的多 波长要求， 在理论上都是不可能的， 同时也存在成本高、尺寸大且不便于生产等 缺点。 方

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足， 提供一种低成本、尺寸小、 易于生 产且性能高的可扩展的多台激光器复合系统。 方

本发明解决现有的技术问题是采取以下技术方案实现的： 方

一种可扩展的多台激光器复合系统， 包括三台不同波长的激光器、安装在每 一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器， 第一个光 学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光 束成 度夹角，第二台激光器安置在与第一台激光器成 度的方向上且其输出 光束方向和第一个光学滤波器成 度夹角； 第二个光学滤波器放置在第一个光 学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上，第二个光学滤波器与 第一个光学滤波器平行并与上述合成激光束成 度角； 第三台激光器安置在第 二台激光器后并与其平行的同一侧方向上，三台激光器通过第一个光学滤波器和 第二个光学滤波器合并成一束激光束输出。 方

而且，在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离 器和可调光衰减器，光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器 的输出光谱特性。 力¾"

而且， 所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。 力坊

而且，所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波 器，其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜，第二通光面镀多层介质反射膜。方 而且，第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透 射， 第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射； 第二个光 学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射， 第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。 ¾

一种可扩展的多台激光器复合系统， 包括三台不同波长的激光器、安装在每 一台激光器腔外的腔外准直透镜、第一光学滤波器和第二光学滤波器， 第一个光 学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出光 束成 夹角，第二台激光器安置在与第一台激光器成起 ii度的方向上且其输出 光束方向和第一个光学滤波器成 t员度夹角； 第二个光学滤波器放置在第一个光 学滤波器后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上，第二个光学滤波器与 第一个光学滤波器垂直并与上述合成激光束成 t员度角； 第三台激光器安置在第 二台激光器后并与其平行的相反方向上，三台激光器通过第一个光学滤波器和第 二个光学滤波器合并成一束激光束输出。 更

而且，在每一台激光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离 器和可调光衰减器，光学隔离器和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器 的输出光谱特性。 更

而且， 所述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。 β

而且，所述的光学滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波 器，其中的第一个通光面镀多层光学介质增透膜，第二通光面镀多层介质反射膜。更 而且，第一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透 射， 第一个光学滤波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射； 第二个光 学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射， 第二个光学滤波器的第二通光面对第三台激光器的输出为全反射。 更

本发明的优点和积极效果是： 更

加 本激光器复合系统采用多台不同波长的激光器和光学滤波器实现在大光 谱范围内波长相差超过 加 IS出纳米甚至更大的不同波长的多台激光器的输出复合 成单一激光束输出， 光学滤波器采用了成本低、工作稳定和性能优越的多层介质 膜光学滤波器大大降低了整体激光器系统的成本，也有利于提高了整体系统的工 作性能， 与此同时， 多层介质膜光学滤波器对于光波长的选择范围广、波长选择 灵活。 更

由 本激光器复合系统可以在不改变已有系统的基础上， 增加不同波长的激 光器进行扩展， 由于多层介质膜光学滤波器的光学插入损耗低， 使得把三个以上 激光器的输出复合起来成为可能。 更

插本发明具有性能稳定可靠、 成本低廉、 尺寸小、 易于安装及生产等特点， 可广泛应用于生物、 医疗器械和光纤传感器网络等领域中。 更

附图说明 图力暖现有的两台激光器复合系统的示意图； 更

图由是两束激光光束在多层介质膜光学滤波器中的传播示意图； 更 图插是两台激光器复合系统的各个激光器的输出光谱示意图； 更

图入是两台激光器复合系统中光学滤波器的透射率曲线示意图； 更 图损是本发明的一种多台激光器复合系统的示意图； 更

图耗是三束激光光束在两个多层介质膜光学滤波器中的传播示意图； 更 图使是图 各个激光器的输出光谱示意图； ¾

图 ¾¾图 第一个光学滤波器的透射率曲线示意图； 更

图起是图 第二个光学滤波器的透射率曲线示意图； 更

图加 ii ^在图损中增加光隔离器和可调光衰减器的无位移补偿的三台激光器 复合系统的示意图； 更

图力 t P¾本发明的另一种多台激光器复合系统的示意图； 更

图力由三束激光光束在有位移补偿的两个光学滤波器中的传播示意图； 更 图力 在图力 ft^增加光隔离器和可调光衰减器的有位移补偿的三台激光器 复合系统的示意图。 更

具体实肺式

以下结合附图对本发明实施例做进一步详述。 更

图力暖一个两台激光器复合系统 ¾il¾连接示意图， 该激光器复合系统 IS出 包括激光器由 激光器 准直透镜¾¾ 准直透镜力耗和光学滤波器力 ή 激光 器 ήί¾激光器 有不同的输出光谱插細 如图由所示。 激光器 ώ ^激光 器 iil¾输出光束 B加 Ε ^别通过准直透镜 力蹄旨， 成为准直光束 ¾a¾力^ 准直光束 过光学滤波器力由的第一个通光面力 as折射后， 成为光束加出 再 经过光学滤波器力由的第二个通光面力 as折射后输出。 光学滤波器力由的两个通 光面力 和力由对激光器由输出的光束全透射， 因此， 激光器由的输出光束入 几乎能够全部透过光学滤波器 力 在实际系统中， 由于吸收和散射等原因， 光 学滤波器力由会引入一些光插损， 这些插损一般不大于力降 光学滤波器力由的第 二个通光面力由对激光器 iif俞出的光束全反射， 准直光束 ¾ί¾光学滤波器力由 的第二个通光面力由全反射后和激光器由的输出光束透过光学滤波器力由合并成 为输出光束曲 图插显示了光学滤波器力 ft¾第二个通光面力由的透射率曲线。 具有这种透射率曲线的光学滤波器常被称为 "阶跃式 "滤波器。 如图 所示， 由 于光学滤波器力由有一定的厚度疑因此， 激光器由的输出光束入透过光学滤波 器力由后会产生一个横向位移 。 根据图由可以得出： 及变 β遝 β 可以用下面的公式计算得到： β及 力变 是光滤波器力 Β¾ (寸激 光器由的输出光束的光学材料的折射率系数 更是入射光线 ¾?万在空间的折射 率系数。 一般可以假设在空气中， 则 g^¾。 对于不同波长的入射光线， 造是 不同的， 因此， 横向位移 也就不同。 空

图法是第一种多台激光器复合系统前即的示意图。 该系统 H 腸在系统他即 的基础上扩展而来的， 其与系统他 目比， 增加了第三台激光器 和第二个光 滤波器 I 第三台激光器 的输出光束 准直透镜 P后的准直光束 I» 第二个光学滤波器 的第二个通光面 全反射， 和光束他！？透过光学滤波器 M¾光束合并后成为光束 因此， 光束 包含了激光器他 他^¾ 三台激 光器的输出光束，其光谱如图«示。为了实现上述三台激光器输出光束的合并， 光学滤波器 I»第一个通光面 和第二个通光面 必须是对激光器他 他卩 的输出光束全透射； 第二个通光面 必须是对激光器 的输出光束全反射。 光学滤波器前飾第二个通光面的透射率曲线如图杂沂示。 为了便于说明， 把第 一个光学滤波器逾 第二个通光面 的透射率曲线棚^:新示于图 。从图 较 简和！ ^可以看出， 激光器他 P的波长比激光器他的波长要长， 激光器 波长比激光器他 P的波长要长。这样设计的结果是， 光学滤波器前 第二个通光 面 的透过率曲线 f 池类似于光学滤波器逾 !3¾透过率曲线 Ife 即 "阶跃式" 式滤波器。 而这种 "阶跃式"式滤波器的制造难度比其他透射率曲线的多层介质 膜滤波器要低一些。这是采用后级增加的激光器的波长比前一级激光器的波长要 长的主要原因。但各个激光器输出光谱的波长间隔不必相等。也可以采用激光器 的波长依次递减的方法， 同样可以利用这种 "阶跃式"式的滤波器实现较为简单 的多波长复合。如果激光器的波长不是依次递增或依次递减， 则使得对光滤波器 的两个通光面的透射率要求变得复杂。 空

多台激光器复合系统 H 腸无位移补偿的多台激光器复合系统，其存在的一 个缺点是由光学滤波器逾! Β |¾成的横向位移没有得到补偿， 而是累加的。 如图、 f示。光束 光束 横向距离是第一个滤波器逾断造成的位移空和 第二个滤波器 IWf造成的横向位移空的相加， 即重 。 假设滤波器 滤波 器逾贿相同的厚度 ，则累积横向位移是随着滤波器数量的增加而等比例增加。 所以， 系统 Ι ^般适合于数量小于法台的多台激光器复合系统。 另外， 由于光 束催 包含从激光器悔 B他贿出的两束具有不同波长的光束斜口 . 波器 寸光束^ 材料折射率不同， 因此， 光束，光束^ ¾ ^有一定的 发散性。 波长相差越大， 发散角就越大。 因此， 系统前即中的各个激光器的波长 不宜相差太大。 空

^^台激光器复合系统 即是对图法所示系统前即的进一步扩充， 如图 通 P所示， 该系统 腸在系统前即中的每一台激光器他 他卩 和 ¾¾输出光路 中分别增加了光隔离器法卩 法 ¾¾较^以及可调光衰减器法 m光隔离器 50， 56和 60起到防止反射光反馈回到中激光器 2， 20， 和 44中， 从而影响激光 器的稳定工作。 可调光衰减器 52， 54和 58则可以对激光器 2， 20， 和 44的输 出进行单独控制,从而在复合光束 46中实现单一或多台激光器输出，并且每一台 激光器的输出的光强可以单独控制。 这种功能在很多应用中是需要的。

第二种多台激光器复合系统 500， 如图 11所示， 该系统 500为有位移 补偿的多台激光器复合系统，系统 500的前两台激光器 100和 118的输出经光滤 波器 110的复合的原理和图 5所示的系统 300中前两台激光器 2和 20的输出经 光滤波器 12的复合是完全一样的， 其与系统 300的不同之处在于第二个光滤波 器 132的放置。 在图 5所示的系统 300中的第二个光滤波器 36和第一个光滤波 器 12是平行放置的， 因此， 产生了复合光束 46相对于第一台激光器的输出光束 8的横向位移问题， 而图 11所示系统中的第二个光滤波器 132和第一个光滤波 器 110成 90度直角放置， 其第二个反射面 132b就转向了激光器 118相反的另 一侧，第三台激光器 124相应的也被放置在激光器 118的相反的另一侧才能实现 和激光器 100， 118输出光束通过光滤波器 110和 132的复合。由于光滤波器 110 和 132的垂直放置， 复合后的光束 134和第一台激光器 106的输出光束 106的 横向位移为零， 如图 12所示。 这个特点有利于进行激光器数量等于或超过 3台 的奇数扩展复合系统， 如激光器的数量为 3， 5， 7， 9等， 或者说所需的光滤波 器的数量为偶数时如 2， 4， 6等。 当然， 如果系统 500的扩展中， 采用了奇数数 量的光滤波器 （可实现复合的激光器数量则为偶数）， 那么， 也会产生相当于一 个光滤波器产生的横向位移。

多台激光器复合系统 600是对图 11所示系统的进一步扩充， 如图 13所示， 该系统是在系统 500中的每一台激光器 100， 118， 和 124的输出光路中分别增 加了光隔离器 140， 146和 148以及可调光衰减器 142， 144和 150。光隔离器 140， 146和 148分别起到防止反射光反馈回到激光器 100， 118， 和 124中， 从而影响 激光器的稳定工作。 可调光衰减器 142， 144和 150则可以分别对激光器 100， 118，和 124的输出进行单独控制，从而在复合光束 134中实现单一或多台激光器 输出， 并且对每一台激光器的输出的光强可以单独控制。这种功能在很多应用中 是需要的。

系统 600中的每个光学滤波器对透过的光束产生一定的横向位移，因光学滤 波器被相互放置成垂直状态，由前一级光学滤波器产生的横向位移被后一级光学 滤波器补偿。 因此， 第二种设计方案更有效地克服了第一种设计方案中位移累积 的缺点， 适合于更多台激光器复合系统。 由于前面已经提到的原因， 系统 500中 的各个激光器的波长不宜相差太大。

上述说明仅起演示和描述的作用， 并不是一个详细无遗漏的说明， 也没有意 图将本发明限制在所描述的具体形式上。经过上面的描述， 对本发明的许多改动 和变化都可能出现， 例如采用更多的激光器和光学滤波器。所选择的具体实施仅 仅是为了更好的解释本发明的原理和实际中的应用。这个说明能够使熟悉此领域 的人可以更好的利用本发明，根据实际需要设计不同的具体实施和进行相应的改 动。 空

Claims

权利要求书

、 一种可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 包括三台不同波长的激光 器、 安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、 第一光学滤波器和第二光学滤波器， 第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出 光束成 度夹角， 第二台激光器安置在与第一台激光器成 度的方向上且其输出光 束方向和第一个光学滤波器成 度夹角；第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器 后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上， 第二个光学滤波器与第一个光学滤 波器平行并与上述合成激光束成 度角；第三台激光器安置在第二台激光器后并与其 平行的同一侧方向上， 三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成 一束激光束输出。

、 根据权利要求 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 在每一台激 光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器， 光学隔离器 和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。

、 根据权利要求 或 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 所 述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。

、 根据权利要求 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 所述的光学 滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器， 其中的第一个通光面镀多层 光学介质增透膜， 第二通光面镀多层介质反射膜。

、 根据权利要求 或 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 第 一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射， 第一个光学滤 波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射； 第二个光学滤波器的第一和第二 通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射， 第二个光学滤波器的第二通 光面对第三台激光器的输出为全反射。

、 一种可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 包括三台不同波长的激光 器、 安装在每一台激光器腔外的腔外准直透镜、 第一光学滤波器和第二光学滤波器， 第一个光学滤波器放置在第一台激光器的输出光束的光轴上并与第一台激光器的输出 光束成 度夹角， 第二台激光器安置在与第一台激光器成 度的方向上且其输出光 束方向和第一个光学滤波器成 度夹角；第二个光学滤波器放置在第一个光学滤波器 后并在第一个光学滤波器合成的激光束的光轴上， 第二个光学滤波器与第一个光学滤 波器垂直并与上述合成激光束成 度角；第三台激光器安置在第二台激光器后并与其 平行的相反方向上， 三台激光器通过第一个光学滤波器和第二个光学滤波器合并成一 束激光束输出。

、 根据权利要求 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 在每一台激 光器的腔外准直透镜与光学滤波器之间依次安装有光隔离器和可调光衰减器， 光学隔离器 和可调光衰减器的光学特性满足所对应的激光器的输出光谱特性。

、 根据权利要求 或 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 所 述的三个激光器的波长逐级递增或逐级递减。

、 根据权利要求 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 所述的光学 滤波器是一种基片为光学玻璃的阶跃式多层介质薄膜滤波器， 其中的第一个通光面镀多层 光学介质增透膜， 第二通光面镀多层介质反射膜。

、 根据权利要求 或 所述的可扩展的多台激光器复合系统， 其特征在于： 第 一个光学滤波器的第一和第二通光面对第一台激光器的输出为全透射， 第一个光学滤 波器的第二通光面对第二台激光器的输出为全反射； 第二个光学滤波器的第一和第二 通光面对第一台激光器和第二台激光器的输出为全透射， 第二个光学滤波器的第二通 光面对第三台激光器的输出为全反射。

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