專利名稱：激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光譜組束裝置，尤其是一種激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置。
背景技術(shù)：
高功率激光二極管陣列具有效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，因此在許多領(lǐng) 域得到了廣泛的應(yīng)用，例如工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域(Opt. Express 12，609)。然而二極管 陣列慢軸方向的光束質(zhì)量比較差，約為1000倍的衍射極限(Opt. Lett. 21，375-377)。 這制約了高功率激光二極管陣列在許多方面的應(yīng)用，如泵浦固體或光纖激光器等領(lǐng)域的 應(yīng)用。光譜組束技術(shù)(Opt. Lett. 30，2104-2106; Appl. Phys. B 83 225-228)也是改善 二極管陣列光束質(zhì)量的一種很有效的方法；其核心思想就是以犧牲光譜的寬度，來提高光 束質(zhì)量。另一種改善二極管陣列光束質(zhì)量的方法是離軸外腔反饋技術(shù)(Opt. Lett. 29， 361-363)，采用了一個條形平面鏡作為反饋元件，通過改變條形平面鏡的傾角，來優(yōu)化最佳 反饋角，從而獲得好的光束質(zhì)量的激光輸出。目前，離軸光譜組束裝置主要是用于改善一維 激光陣列的光束質(zhì)量，而一維激光二極管陣列輸出激光的功率是比較低的，限制了實(shí)際生 產(chǎn)中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種激光二極管陣列的離軸光 譜組束裝置，其結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能夠改善二維激光二極管陣列的光束質(zhì)量，安全可靠。按照本發(fā)明提供的技術(shù)方案，所述激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，包括激 光二極管陣列及位于所述激光二極管陣列快軸方向上的快軸準(zhǔn)直鏡；特征是所述快軸準(zhǔn) 直鏡對應(yīng)于與激光二極管陣列相連的另一側(cè)設(shè)有第一透鏡，所述第一透鏡的后上方依次設(shè) 有第二透鏡及高反鏡，所述高反鏡與第二透鏡及第一透鏡以及激光二極管陣列后端面形成 離軸外反饋腔；第一透鏡的后下方設(shè)有衍射光柵，所述衍射光柵與第一透鏡間設(shè)有輸出耦 合鏡，所述輸出耦合鏡與衍射光柵及第一透鏡間形成光譜組束結(jié)構(gòu)；激光二極管陣列向上 發(fā)出的光線經(jīng)過第一透鏡與第二透鏡對發(fā)散角壓縮后，通過高反鏡反饋回所述激光二極管 陣列的有源區(qū)內(nèi)，向下發(fā)出的光線經(jīng)第一透鏡的下部射向衍射光柵，經(jīng)衍射光柵衍射選光 后通過輸出耦合鏡部分光沿原路反饋回所述激光二極管陣列的有源區(qū)內(nèi)，部分作為輸出激 光。所述激光二極管陣列包括一維激光二極管陣列或由至少兩個一維激光二極管陣 列形成的二維激光二極管陣列。所述一維激光二極管陣列包括19或49個LD發(fā)光單元。所述快軸準(zhǔn)直鏡為焦距小于Imm的柱面鏡。所述第一透鏡與第二透鏡間設(shè)有用于選模的空間濾波器。所述衍射光柵為閃耀光柵。
所述第一透鏡與第二透鏡均為柱面鏡；所述第二透鏡的焦距為第一透鏡的2、倍。所述高反鏡為鍍有增反膜的平面反射鏡；所述高反鏡的反射率大于99%。所述輸出耦合鏡為部分透射的平面鏡。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)快軸準(zhǔn)直鏡位于激光二極管陣列的快軸方向上，第一透鏡、第二透 鏡及高反鏡及二極管陣列的后端面形成離軸外反饋腔，能改善激光二極管陣列內(nèi)每個發(fā)光 單元的光束質(zhì)量，第一透鏡與衍射光柵、輸出耦合鏡間形成光譜組束結(jié)構(gòu)，能夠改善激光二 極管陣列的輸出光束質(zhì)量，結(jié)構(gòu)簡單，提高了激光二極管陣列的應(yīng)用范圍，安全可靠。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明激光二極管陣列的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為圖2的俯視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。如圖廣圖3所示本發(fā)明包括激光二極管陣列1、快軸準(zhǔn)直鏡2、第一透鏡3、第二 透鏡4、高反鏡5、衍射光柵6、輸出耦合鏡7、空間濾波器8、二維激光二極管陣列9及一維激 光二極管陣列10。如圖1所示所述激光二極管陣列1的快軸方向上安裝有快軸準(zhǔn)直鏡2，所述快軸 準(zhǔn)直鏡2為焦距小于Imm的柱面鏡；快軸準(zhǔn)直鏡2對激光二極管陣列1的快軸方向發(fā)出的 光進(jìn)行準(zhǔn)直；其中，圖中χ軸方向?yàn)槁S方向，y軸方向?yàn)榭燧S方向?？燧S準(zhǔn)直鏡2將快軸 方向可以準(zhǔn)直到衍射極限，大約為1度左右的發(fā)散角。激光二極管陣列1的結(jié)構(gòu)示意圖，如 圖2和圖3所示；激光二極管陣列1可以為一維激光二極管陣列10，或者由至少兩個一維 激光二極管陣列9的構(gòu)成的二維激光二極管陣列9。每個一維激光二極管陣列10是由19 或49個獨(dú)立的激光光二極管單元構(gòu)成，19或49個獨(dú)立的二極管沿著χ軸方向排列形成一 維陣列；多個一維激光二極管陣列10沿y軸方向形成二維激光二極管陣列9。所述快軸準(zhǔn)直鏡2固定于激光二極管陣列1的輸出端，快軸準(zhǔn)直鏡后面設(shè)有第一 透鏡3，所述第一透鏡3的后上方設(shè)有第二透鏡4，所述第一透鏡3與第二透鏡4間形成擴(kuò) 束系統(tǒng)，能夠?qū)す舛O管陣列1向上發(fā)出光線的發(fā)散角進(jìn)行壓縮。第二透鏡4對應(yīng)于與 第一透鏡3相連的另一側(cè)設(shè)有高反鏡5，所述高反鏡5為鍍有增反膜的平面反射鏡，高反鏡 5的反射率高于99% ；高反鏡5將激光二極管陣列1沿特定角度向上發(fā)出的光線沿原路反 饋回到到激光二極管陣列1中各發(fā)光單元的有源區(qū)內(nèi)。第一透鏡3與第二透鏡4均為柱透 鏡，第二透鏡4的焦距為第一透鏡3焦距的2、倍。第一透鏡3與第二透鏡4間設(shè)有空間 濾波器8，所述空間濾波器8為尺寸和位置可調(diào)的孔或縫，用于對激光二極管陣列1輸出激 光模式進(jìn)行進(jìn)一步選模。第一透鏡3的后下方設(shè)有衍射光柵6，所述衍射光柵6為閃耀光柵；衍射光柵6與 第一透鏡3間設(shè)有輸出耦合鏡7，所述輸出耦合鏡7為部分透射的平面鏡；輸出激光將從輸 出耦合鏡7輸出。
第一透鏡3的后上支路利用高反鏡5的反射作為一個反饋，所述高反鏡5與激光 二極管陣列1后端面形成一個共振腔，即外腔；高反鏡5不在光軸上，因此形成離軸反饋腔。 對于激光二極管陣列1內(nèi)的每一個發(fā)光單元，在自由運(yùn)轉(zhuǎn)條件下，二極管的慢軸方向(y方 向)一般都會有幾十個側(cè)模在振蕩，因此光束質(zhì)量較差。每個模的遠(yuǎn)場分布都是一個雙瓣結(jié) 構(gòu)，不同階數(shù)的側(cè)向空間模，其空間輻射角不同，式(1)表示第m階模的空間輻射角，其中，
巧表示發(fā)光單元在慢軸方向上的寬度，知表示波數(shù)。
由于不同階數(shù)的空間模，輻射角不同，因此可以通過調(diào)節(jié)高反鏡5的傾角，來選定某個 空間模的一個瓣，將其反饋到激光二極管陣列1的各發(fā)光單元的有源區(qū)內(nèi)，使其繼續(xù)振蕩 放大，另一瓣作激光輸出。根據(jù)模式競爭的理論，得到反饋的模式振蕩被加強(qiáng)了，其它的模 式被有效地抑制了，這樣輸出激光的空間模式數(shù)量就減少了很多，輸出的光束質(zhì)量就會提 高。由于第一透鏡3的上支路利用高反鏡5作為公共的反饋鏡，因此每個發(fā)光單元反饋回 來模的空間輻射角的方向基本差不多，這樣最后所有發(fā)光單元輸出激光的方向性就變得比 較好，光束質(zhì)量有了一個大的提高。第一透鏡3的后下支路是一個光譜組束結(jié)構(gòu)，其包含了第一透鏡3，衍射光柵6和 輸出耦合鏡7。輸出耦合鏡7，是個部分透射的平面鏡。激光二極管陣列1和衍射光柵6分 別放在第一透鏡3的前焦面和后焦面，第一透鏡3作一個變換透鏡。激光二極管陣列1不 同位置的發(fā)光單元輸出激光經(jīng)過第一透鏡3后以不同的入射角打到衍射光柵6上，經(jīng)過衍 射光柵6衍射后，打到了輸出耦合鏡7上，由于輸出耦合鏡7為部分透射的平面鏡，因此衍 射光中與輸出耦合鏡7法線平行的光部分會沿原路返回。激光二極管陣列1內(nèi)不同發(fā)光單 元輸出的激光入射到衍射光柵6的入射角不同，要使衍射光與輸出耦合鏡7的法線平行，即 衍射光方向相同，則沿輸出耦合鏡7的法線方向衍射出來的光的波長是不一樣，所以每個 發(fā)光單元得到反饋波長是不一樣的。由于輸出耦合鏡7作為部分激光的公共反饋，因此激 光二極管陣列1的激光都經(jīng)過輸出耦合鏡7后都共軸傳播。這樣，所有單元輸出的激光方 向與單個發(fā)光單元輸出激光的光束質(zhì)量類似；因此光束質(zhì)量有了一個大的提高。如圖1所示激光二極管陣列1發(fā)出的光首先經(jīng)過一快軸準(zhǔn)直鏡2，對快軸方向進(jìn) 行準(zhǔn)直。在激光二極管1在慢軸方向被第一透鏡3分成了上、下兩個支路，上支路的光線經(jīng) 過第一透鏡3與第二透鏡4形成的擴(kuò)束系統(tǒng)后打到高反鏡5上。通過調(diào)節(jié)高反鏡5的傾角， 來選定某個空間模的一個瓣，將其反饋到激光二極管陣列1處，使其繼續(xù)振蕩放大，另一瓣 通過第一透鏡3的下支路進(jìn)行光譜組束。對于下支路，激光二極管陣列1不同位置的發(fā)光單元輸出激光經(jīng)過一透鏡3后以 不同的入射角打到衍射光柵6上，經(jīng)過光柵衍射后，打到了輸出耦合鏡7上，衍射光中與輸 出耦合鏡7的法線平行光線大部分沿原路返回作反饋，另一部分光透過輸出耦合鏡7作激 光輸出。輸出耦合鏡7作為公共的反饋鏡，因此所有發(fā)光單元輸出的激光都經(jīng)過輸出耦合 鏡7后都共軸傳播，所有單元輸出的激光與單個發(fā)光單元輸出激光的光束質(zhì)量類似，提高 了光束質(zhì)量。本發(fā)明將離軸反饋外腔原理與光譜組束原理結(jié)合起來，改善激光二極管陣列1的輸出光束質(zhì)量；本發(fā)明不僅能夠有效地改善一維激光二極管陣列10 (Laser diode bar)光 束質(zhì)量，而且還能夠改善二維激光二極管陣列9 (Laser diode stack)光束質(zhì)量。光譜組 束技術(shù)能將激光二極管陣列的輸出光束質(zhì)量改善到與單個發(fā)光單元光束質(zhì)量相當(dāng)，而離軸 反饋外腔裝置能改善每一發(fā)光單元光束質(zhì)量，因此將這兩種方法組合起來將進(jìn)一步改善激 光二極管陣列的光束質(zhì)量。
權(quán)利要求
1.一種激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，包括激光二極管陣列(1)及位于所述激 光二極管陣列(1)快軸方向上的快軸準(zhǔn)直鏡(2)；其特征是所述快軸準(zhǔn)直鏡(2)對應(yīng)于與 激光二極管陣列(1)相連的另一側(cè)設(shè)有第一透鏡(3)，所述第一透鏡(3)的后上方依次設(shè)有 第二透鏡(4)及高反鏡(5)，所述高反鏡(5)與第二透鏡(4)及第一透鏡(3)以及激光二極 管陣列后端面形成離軸外反饋腔；第一透鏡(3)的后下方設(shè)有衍射光柵(6)，所述衍射光柵 (6)與第一透鏡(3)間設(shè)有輸出耦合鏡(7)，所述輸出耦合鏡(7)與衍射光柵(6)及第一透鏡 (3)間形成光譜組束結(jié)構(gòu)；激光二極管陣列(1)向上發(fā)出的光線經(jīng)過第一透鏡(3)與第二透 鏡(4)對發(fā)散角壓縮后，通過高反鏡(5)反饋回所述激光二極管陣列(1)的有源區(qū)內(nèi)，向下 發(fā)出的光線經(jīng)第一透鏡(3)的下部射向衍射光柵(6)，經(jīng)衍射光柵(6)衍射選光后通過輸出 耦合鏡(7)部分光沿原路反饋回所述激光二極管陣列(1)的有源區(qū)內(nèi)，部分作為輸出激光。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述激光 二極管陣列(1)包括一維激光二極管陣列或由至少兩個一維激光二極管陣列形成的二維激 光二極管陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述一維 激光二極管陣列包括19或49個LD發(fā)光單元。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述快軸 準(zhǔn)直鏡(2)為焦距小于Imm的柱面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述第一 透鏡(3)與第二透鏡(4)間設(shè)有用于選模的空間濾波器(8)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述衍射 光柵(6)為閃耀光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述第一 透鏡(3)與第二透鏡(4)均為柱面鏡；所述第二透鏡(4)的焦距為第一透鏡(3)的2、倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述高反 鏡(5)為鍍有增反膜的平面反射鏡；所述高反鏡(5)的反射率大于99%。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其特征是所述輸出 耦合鏡(7)為部分透射的平面鏡。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光二極管陣列的離軸光譜組束裝置，其包括激光二極管陣列及快軸準(zhǔn)直鏡；快軸準(zhǔn)直鏡的后側(cè)設(shè)有第一透鏡，第一透鏡的后上方依次設(shè)有第二透鏡及高反鏡，高反鏡與第二透鏡及第一透鏡以及二極管陣列的后端面，形成離軸外反饋腔；第一透鏡的后下方設(shè)有衍射光柵，衍射光柵與第一透鏡間設(shè)有輸出耦合鏡，輸出耦合鏡與衍射光柵及第一透鏡間形成光譜組束結(jié)構(gòu)；激光二極管陣列向上發(fā)出的光線經(jīng)過第一透鏡與第二透鏡對發(fā)散角壓縮后，打到高反鏡，那些平行于高反鏡發(fā)現(xiàn)反射到快軸準(zhǔn)直鏡，激光二極管陣列向下發(fā)出的光線經(jīng)第一透鏡的下部射向衍射光柵，經(jīng)衍射光柵衍射后通過輸出耦合鏡，部分光沿原路反饋到二極管陣列的有源區(qū)內(nèi)，部分作為激光輸出。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單緊湊，能夠改善二維激光二極管陣列的光束質(zhì)量，安全可靠。
文檔編號G02B27/10GK102082396SQ20101059846
公開日2011年6月1日 申請日期2010年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月21日
發(fā)明者張秀梅, 蘇宙平, 陳國慶 申請人:江南大學(xué)