專利名稱：多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置及方法，屬于半導體激光技術領域，尤指一種可實現(xiàn)高亮度激光輸出的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置及方法。
背景技術：
激光的亮度用于評價激光可被聚焦的能力，亮度越高，表示可被聚焦的能力越強，獲得的激光功率密度越高，實現(xiàn)高亮度的激光輸出對于激光應用于國防、工業(yè)等領域具有重要意義。亮度具體定義如下
P
B=-=-
12-(M2)
其中P表不激光輸出功率A表不激光波長,M2表不激光的傳輸因子。一般的光束合束方法，如空間合束，在增加激光功率P時，M2增大，使得整體的亮度B反而降低，偏振和波長合束方法對整體的亮度B增加有限。光譜合束技術是實現(xiàn)高亮度激光輸出的有效方法，它將N束單元激光束合成一束激光輸出，輸出激光束的傳輸因子M2與單元光束保持一致，則實現(xiàn)在M2不變條件下，將輸出功率提高N倍，從而將激光亮度提高N倍。常規(guī)的光譜合束是激光陣列與光柵一一對應，當多個激光陣列合束時，需要采用多個光柵，由于每個光譜合束的光路非常長，多個獨立的光譜合束光路將使整個激光系統(tǒng)的體積非常龐大，不利于激光系統(tǒng)的小型化，同時所采用的光柵造價昂貴，平均每片售價高達數(shù)萬人民幣，這也使得整個激光系統(tǒng)的成本大大增加，不利于激光系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
為了實現(xiàn)小型化、低成本的高亮度激光系統(tǒng)，本發(fā)明提供了一種可實現(xiàn)高亮度激光輸出的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置及方法，以解決常規(guī)的光譜合束是激光陣列與光柵一一對應，當多個激光陣列合束時，需要采用多個光柵，由于每個光譜合束的光路非常長，多個獨立的光譜合束光路將使整個激光系統(tǒng)的體積非常龐大，不利于激光系統(tǒng)的小型化，同時所采用的光柵造價昂貴，這也使得整個激光系統(tǒng)的成本大大增加，不利于激光系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)的問題。從而達到提高系統(tǒng)的集成性，便于整個系統(tǒng)小型化，同時降低系統(tǒng)的成本的目的。本發(fā)明的技術方案如下
一種可實現(xiàn)高亮度激光輸出的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其包括兩個激光陣列、場鏡和光柵，其激光陣列為半導體激光器陣列或光纖輸出激光器陣列，為多個不同輸出波長的激光陣列的組合；場鏡為具有消球差、彗差和色差設計的正透鏡。其中
半導體激光器陣列為單個半導體激光器列陣(bar)、或是多個半導體激光器列陣組成的線陣或迭陣；光纖輸出激光器陣列是以光纖為輸出介質(zhì)的全固態(tài)激光器或光纖激光器，經(jīng)光纖輸出端陣列式排列而成；
激光陣列中單元激光的輸出波長與對應的光柵入射角滿足光柵方程，并且激光陣列中單元激光具有相同的衍射角，激光陣列中單元激光具有相同的衍射角；
光柵為反射式或透射式光柵，衍射光只存在+1級或只存在-I級，且衍射效率在90%以
上；
光柵具有高損傷閾值，要求激光連續(xù)工作模式下，大于10KW/cm2。—種多光束共用一個光柵進行光譜合束的方法，由兩個相同的激光陣列、場鏡和光柵組成的激光陣列關于軸OP對稱放置，激光陣列輸出的多束傳輸方向相互平行、波長Al, λ 2, λ 3單調(diào)變化的單元激光束，經(jīng)場鏡作用后，以不同角度入射到光柵上，并在光柵 處光斑空間完全重疊，要求單元光束與對應的入射角滿足相同衍射角的光柵方程，然后經(jīng)光柵作用后，使激光陣列的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束，分別實現(xiàn)高亮度激光輸出。兩組相同的激光陣列組合(NI……NN和NI’……ΝΝ’ )實現(xiàn)共用一個光柵進行光譜合束應用方法為每一組激光陣列組合(NI……NN)中的單元激光陣列之間的輸出單元光束波長各不相同，且均滿足光柵方程，并具有相同的衍射角，經(jīng)過各種的場鏡偏折光路后，由光柵作用，使得激光陣列組合(NI……NN)輸出激光光束N，激光陣列組合(NI ’……ΝΝ’)輸出激光束N’。本發(fā)明具有如下優(yōu)點
(一)集成度高，多個激光陣列經(jīng)過同一個光柵進行光譜合束，各個光路之間形成有效疊加，便于實現(xiàn)激光系統(tǒng)的小型化；
(二)成本低，多個激光列陣共用一個光柵進行光譜合束，減少造價昂貴的光柵數(shù)量，便于激光系統(tǒng)的規(guī)?；a(chǎn)；
(三)高亮度激光束輸出，如激光列陣與激光列陣為多個激光陣列的組合，實現(xiàn)更高亮度的激光輸出。


圖I為本發(fā)明整體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明半導體激光器陣列示意圖。圖3為本發(fā)明光纖輸出激光器陣列示意圖。圖4為本發(fā)明激光陣列單元光束波長、入射角和衍射角示意圖。圖5為本發(fā)明多個激光陣列的合束示意圖。附圖含義1，1’，NI，ΝΝ，NI’，ΝΝ’·激光陣列、11，12，13，11’，12’、13’ ·激光陣列輸出單元光束、2，2’，21，2Ν，21’，2Ν’ .場鏡、3-光柵、4，4’，N, N’ .光譜合束后的激光輸出光束、光柵輸出端.Α、另一光柵輸出端.Al。
具體實施例方式如附圖I所示，由兩個相同的激光陣列(1，I’)、場鏡(2，2’)和光柵(3)組成。兩個的激光陣列(1，I’)關于軸OP對稱放置，其中OP為光柵的法線，激光陣列(1，I’)輸出的多束傳輸方向相互平行、波長單調(diào)變化的單元激光束(11，12，13和11’，12’，13’)，經(jīng)場鏡(2，2’)作用后，以不同角度入射到光柵(3)上，并在光柵(3)處光斑空間完全重疊，要求單元光束與對應的入射角滿足相同衍射角的光柵方程，然后經(jīng)光柵作用后，使激光陣列(I)的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束(4)，激光陣列(I’)的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束(4’)，分別實現(xiàn)高亮度激光輸出。方法中涉及的激光陣列(1，1’)可以是半導體激光器列陣，如圖2所示，半導體激
光列陣上的N個發(fā)光點輸出不同波長(λ I, λ 2...... λΝ_1, λ N)的單兀激光束,且波長呈
線性變化，也可以是如圖3所示的以光纖作為輸出介質(zhì)的全固態(tài)激光器或光纖激光器，其中Al代表光纖輸出端,每根光纖輸出的波長各不相同,然后將光纖輸出端按波長單調(diào)變化關系線性排列。
激光陣列(I)輸出的單元激光束(11，12，13)經(jīng)場鏡(2)作用后，其角度和波長滿足光柵方程。如附圖4所示，設光柵周期為Λ，單元激光束(11，12，13)的波長分別為入1，λ 2, λ 3,在光柵上的入射角為Θ 1，Θ 2, Θ 3,輸出激光束具有共同的衍射角為Θ ,光柵衍射級次為-I級，則各個單元光束需滿足下列關系
Λ* (sin Θ 1+sin θ ) = - λ ;
Λ * (sin θ 2+sin θ ) = - λ 2 ;
Λ * (sin θ 3+sin θ ) = - λ 3 ;
圖5為本專利的擴展，兩組相同的激光陣列組合(NI……NN和NI’……ΝΝ’)實現(xiàn)共用一個光柵進行光譜合束應用，每一組激光陣列組合(NI……NN)中的單元激光陣列之間的輸出單元光束波長各不相同，且均滿足光柵方程，并具有相同的衍射角。經(jīng)過各種的場鏡偏折光路后，由光柵作用，使得激光陣列組合(NI……NN)輸出激光光束N，激光陣列組合(NI，……ΝΝ’)輸出激光束N’。
權(quán)利要求
1.一種多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其特征在于包括 兩個激光陣列(1，I’)、場鏡(2，2’)和光柵(3)，其激光陣列(1，I’)為半導體激光器陣列或光纖輸出激光器陣列，為多個不同輸出波長的激光陣列的組合；場鏡(2，2’)為具有消球差、彗差和色差設計的正透鏡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其特征在于半導體激光器陣列為單個半導體激光器列陣(bar)、或是多個半導體激光器列陣組成的線陣或迭陣；光纖輸出激光器陣列是以光纖為輸出介質(zhì)的全固態(tài)激光器或光纖激光器，經(jīng)光纖輸出端陣列式排列而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其特征在于激光陣列(1，Γ)中單元激光(11，12，13和11’，12’，13’)的輸出波長與對應的光柵入射角滿足光柵方程，并且激光陣列(I)中單元激光(11，12，13)具有相同的衍射角，激光陣列(Γ)中單元激光(11’，12’，13’)具有相同的衍射角。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其特征在于光柵(3)為反射式或透射式光柵，衍射光只存在+1級或只存在-I級，且衍射效率在90%以上。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置，其特征在于光柵(3)具有高損傷閾值，要求激光連續(xù)工作模式下，大于10KW/cm2。
6.一種多光束共用一個光柵進行光譜合束的方法，其特征在于 由兩個相同的激光陣列(1，I’)、場鏡(2，2’)和光柵(3)組成的激光陣列(1，I’)關于軸OP對稱放置,激光陣列(1，Γ)輸出的多束傳輸方向相互平行、波長λ 1，λ 2, λ 3單調(diào)變化的單元激光束(11，12，13和11’，12’，13’)，經(jīng)場鏡(2，2’)作用后，以不同角度入射到光柵(3)上，并在光柵(3)處光斑空間完全重疊，要求單元光束與對應的入射角滿足相同衍射角的光柵方程，然后經(jīng)光柵作用后，使激光陣列(I)的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束(4)，分別實現(xiàn)高亮度激光輸出。
7.一種多光束共用一個光柵進行光譜合束的方法，其特征在于所述的兩組相同的激光陣列組合(NI……NN和NI’……ΝΝ’)實現(xiàn)共用一個光柵進行光譜合束應用方法為每一組激光陣列組合(NI……NN)中的單元激光陣列之間的輸出單元光束波長各不相同，且均滿足光柵方程，并具有相同的衍射角，經(jīng)過各種的場鏡偏折光路后，由光柵作用，使得激光陣列組合(NI……NN)輸出激光光束(N)，激光陣列組合(NI’……ΝΝ’)輸出激光束(N’)。
全文摘要
本發(fā)明為一種多光束共用一個光柵進行光譜合束的裝置及方法，屬于半導體激光技術領域，其兩個相同的激光陣列對稱放置在光柵的法線OP兩側(cè)，激光陣列分別輸出的多束傳輸方向相互平行、波長λ1,λ2,λ3單調(diào)變化的單元激光束，經(jīng)場鏡偏折光路后，以不同角度入射到光柵上，并在光柵處光斑空間完全重疊，然后經(jīng)光柵作用后，使激光陣列的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束，激光陣列的單元光束在近場和遠場相互重合，形成激光束，分別實現(xiàn)高亮度激光輸出。該方法可應用于多個激光陣列進行光譜合束，使激光系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)簡單緊湊，便于器件小型化、集成化，同時減少光柵使用量，降低系統(tǒng)成本。
文檔編號G02B27/10GK102879909SQ201210358928
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月25日
發(fā)明者王峙皓, 甘露, 張淑珍 申請人:長春德信光電技術有限公司