一種多波長(zhǎng)激光合束系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公布了一種多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，包括多個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯(1)和設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光管芯輸出光路上的快軸準(zhǔn)直透鏡(2)、布拉格體光柵(VBG)(3)、快慢軸準(zhǔn)直透鏡(4)、全息光柵(5)和光束變換透鏡組(6)，其特征在于：所述的布拉格體光柵(3)的背面放置有快慢軸準(zhǔn)直透鏡(4)，使來(lái)自各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯的激光束，在+1級(jí)衍射條紋上，衍射到同一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)多管芯(1)的半導(dǎo)體激光合束。本發(fā)明的合束技術(shù)提高了每個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯的波長(zhǎng)穩(wěn)定性，也提高了整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。該合束技術(shù)為實(shí)現(xiàn)高亮度、大功率的直接半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)提供了新的方法和路徑。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種多波長(zhǎng)激光合束系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，尤其涉及由體布拉格光柵穩(wěn)頻的波長(zhǎng)線(xiàn)性的半導(dǎo)體激光器管芯的合束系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著大功率激光技術(shù)在工業(yè)、醫(yī)療和國(guó)防中的應(yīng)用，越來(lái)越要求功率更大、亮度更高的激光光源。這些大功率激光光源包括第一代二氧化碳?xì)怏w激光光源，第二代以YAG為代表的固體激光光源，第三代光纖激光光源和第四代直接半導(dǎo)體光源。直接半導(dǎo)體需要將很多個(gè)半導(dǎo)體激光器單管聯(lián)合起來(lái)，產(chǎn)生大功率激光。因此半導(dǎo)體激光合束技術(shù)就顯得尤為重要?，F(xiàn)有的合束技術(shù)有空間合束，但其僅能提尚功率不能提尚殼度;偏振合束，可以提尚亮度，但是只能合束兩路激光;波長(zhǎng)合束，可以提高功率和亮度，但是它由統(tǒng)一的外反射提供給各個(gè)激光器單管，外部反射的波動(dòng)會(huì)直接影響各個(gè)單管激光器的工作狀態(tài)和輸出功率。大功率半導(dǎo)體激光器合束需要一種新的技術(shù)來(lái)滿(mǎn)足大功率高亮度合束的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種新型的通過(guò)外部波長(zhǎng)線(xiàn)性啁啾的布拉格體光柵進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定的多管芯半導(dǎo)體激光器合束技術(shù)，是將多個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯分別進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定，通過(guò)色散元件實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)合束的系統(tǒng)。
[0004]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為:一種多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，包括多個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯I和設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光管芯輸出光路上的快軸準(zhǔn)直透鏡2、布拉格體光柵(VBG)3、快慢軸準(zhǔn)直透鏡4、全息光柵(5)和光束變換透鏡組6、多個(gè)中心波長(zhǎng)為915nm的管芯
(I)呈直線(xiàn)排列、安裝在帶微通道水循環(huán)的熱沉上，在快軸準(zhǔn)直透鏡2的外部，安裝有布拉格體光柵(3)，沿著管芯I的排列方向，布拉格體光柵3的中心反射波長(zhǎng)呈線(xiàn)性啁啾排列；其特征在于:所述的布拉格體光柵3背面放置有快慢軸準(zhǔn)直透鏡(4)，使來(lái)自各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯的激光束，經(jīng)過(guò)該透鏡后變?yōu)槠叫泄馐渡涞饺⒐鈻?5)上，適當(dāng)選擇全息光柵的光柵周期、旋轉(zhuǎn)方向和與管芯的空間距離，使得將來(lái)自各個(gè)管芯的不同波長(zhǎng)的激光束，在+1級(jí)衍射條紋上，衍射到同一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)多管芯的半導(dǎo)體激光合束。
[0005]所述的布拉格體光柵2的波長(zhǎng)分布范圍為20nm，中心波長(zhǎng)為915-10nm，最大波長(zhǎng)的管芯的中心波長(zhǎng)為915+10nm，中間的各個(gè)管芯波長(zhǎng)按照其空間位置以及線(xiàn)性啁啾的原則進(jìn)行選擇。
[0006]所述的每個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯與其對(duì)應(yīng)的布拉格體光柵組成所形成的聯(lián)合激光器，其輸出的激光波長(zhǎng)由其對(duì)應(yīng)的布拉格體光柵的中心反射波長(zhǎng)決定，每個(gè)管芯對(duì)應(yīng)一個(gè)體布拉格光柵。
[0007]所述的多個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯可以是分離的管芯，也可以是激光器巴條(bar)。
[0008]所述的多個(gè)布拉格體光柵的中心反射波長(zhǎng)沿著長(zhǎng)度方向呈線(xiàn)性變化，中心反射波長(zhǎng)在700?1100納米范圍內(nèi)，中心反射率為5%?50%。
[0009]半導(dǎo)體激光器管芯I的一端鍍了高反(HR)膜，另一端鍍了增透(AR)膜，以抑制管芯F-P腔模式引起的激射，有利于布拉格體光柵通過(guò)外部光反饋而實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)鎖定。
[0010]本發(fā)明的有益效果是:1、本發(fā)明對(duì)每個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯提供一個(gè)外部布拉格體光柵進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定，可以對(duì)各個(gè)激光器管芯進(jìn)行單獨(dú)調(diào)節(jié)，增強(qiáng)了工藝的可操作性。2、外部的布拉格體光柵對(duì)每個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯進(jìn)行了較強(qiáng)的波長(zhǎng)鎖定。3、少數(shù)半導(dǎo)體激光器管芯工作狀態(tài)發(fā)生改變的情況下，不會(huì)破壞整個(gè)系統(tǒng)的工作。在色散元件偏離線(xiàn)性的情況下，仍然可以通過(guò)調(diào)節(jié)外部布拉格體光柵的中心波長(zhǎng)，或者體布拉格光柵的水平位置，來(lái)進(jìn)行矯正。4系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性提高。
【附圖說(shuō)明】
[0011]圖1是本發(fā)明半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)合束的整體結(jié)構(gòu)。
[0012]圖2是各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯輸出波長(zhǎng)的分布圖。
[0013]圖3(a)是全息光柵正向色散的原理示意圖。
[0014]圖3(b)是全息光柵反向色散的原理示意圖。
[0015]圖中:I管芯，2快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)，3布拉格體光柵(VBG)，4快慢軸準(zhǔn)直透鏡，5全息光柵，6光束變換透鏡組。
[0016]圖1給出了本發(fā)明提出的合束方案的總體結(jié)構(gòu)。
[0017]實(shí)施例1:
[0018]由圖1知，是本發(fā)明的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)示意圖。將多個(gè)名義中心波長(zhǎng)為915nm的半導(dǎo)體激光器的管芯I安裝在帶微通道水循環(huán)的熱沉上，多個(gè)管芯呈直線(xiàn)排列。對(duì)每個(gè)管芯安裝快軸準(zhǔn)直透鏡2進(jìn)行快軸準(zhǔn)直。在快軸準(zhǔn)直透鏡2的外部，安裝布拉格體光柵3 ο沿著管芯I這列的排列方向，布拉格體光柵2的中心反射波長(zhǎng)呈線(xiàn)性啁啾排列。選擇其波長(zhǎng)的分布范圍為20nm，也就是最小波長(zhǎng)的管芯的中心波長(zhǎng)為915-10nm，最大波長(zhǎng)的管芯的中心波長(zhǎng)為915+10nm。中間的各個(gè)管芯波長(zhǎng)按照其空間位置以及線(xiàn)性啁啾的原則進(jìn)行選擇。在布拉格體光柵2之后放置快慢軸準(zhǔn)直透鏡4，使得來(lái)自各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯的激光束，經(jīng)過(guò)該透鏡后變?yōu)槠叫泄馐?，投射到全息光?上。適當(dāng)選擇全息光柵5的光柵周期、旋轉(zhuǎn)方向和與半導(dǎo)體激光器管芯的空間距離，使得它能夠恰好將來(lái)自各個(gè)管芯I的不同波長(zhǎng)的激光束，在+1級(jí)衍射條紋上，衍射到同一個(gè)方向。
[0019]快軸準(zhǔn)直透鏡2的快軸自然輸出發(fā)散角為70度?？燧S準(zhǔn)直透鏡2先將管芯I的輸出光束發(fā)散角準(zhǔn)直到與慢軸自然輸出的光束發(fā)散角相同，在這里為15度?？炻S準(zhǔn)直透鏡4再將光束準(zhǔn)直為近似平行光束，投射到全息光柵5上。該全息光柵5為對(duì)+1級(jí)衍射的閃耀光柵(Blazed grating)。全息光柵輸出的光束，經(jīng)過(guò)光束變換透鏡組6進(jìn)行光束變換，成為半徑更細(xì)的平行光束。將半導(dǎo)體激光器陣列的管芯每六個(gè)分為一組，用恒流電源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
[0020]本發(fā)明的合束原理說(shuō)明如下:先說(shuō)明一下布拉格體光柵3(VBG)鎖定波長(zhǎng)的原理。半導(dǎo)體激光器管芯I的一端鍍了高反(HR)膜，另一端鍍了增透(AR)膜。HR膜和VBG聯(lián)合構(gòu)成了激光諧振腔，HR沒(méi)有波長(zhǎng)選擇性，VBG具有波長(zhǎng)選擇性，最終激光器的輸出波長(zhǎng)由VBG確定下來(lái)。這就是外部體光柵進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定的原理。
[0021]如圖2所示。是各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯輸出波長(zhǎng)的分布圖。按照直線(xiàn)方向排列的一組體光柵(VBG)的中心反射波長(zhǎng)，該波長(zhǎng)是沿直線(xiàn)方向線(xiàn)性變化的，見(jiàn)圖2中的“反射率-波長(zhǎng)”曲線(xiàn)。由于波長(zhǎng)鎖定作用，按照直線(xiàn)方向排列的一組半導(dǎo)體激光器管芯的輸出波長(zhǎng)，也是沿直線(xiàn)方向線(xiàn)性變化的。見(jiàn)圖2中的“光功率-波長(zhǎng)”曲線(xiàn)。
[0022]如圖3(a)所示，再說(shuō)明一下正向色散和反向色散的原理。這是通常的正向色散。當(dāng)一束平行光以一定角度斜入射到全息光柵5上的時(shí)候，會(huì)發(fā)生O級(jí)，± I級(jí)、±2級(jí)衍射。我們這里只使用O級(jí)衍射，可以使用對(duì)O級(jí)衍射加強(qiáng)的閃耀光柵，提高了 O級(jí)衍射效率。當(dāng)入射角度一定的時(shí)候，不同的入射波長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生不同的輸出衍射角度。在中心角度附近一級(jí)近似的情況下，衍射角度與入射波長(zhǎng)呈線(xiàn)性關(guān)系。
[0023]如圖3(b)所示，稱(chēng)之為反向色散。將以上光路反過(guò)來(lái)，我們用和上述相同的多路不同波長(zhǎng)的光束射向全息光柵，根據(jù)光路可逆性，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)這時(shí)候所有這些光束經(jīng)過(guò)衍射后，都會(huì)合并到一個(gè)光束上去。這個(gè)光束里面包含了所有的入射波長(zhǎng)成分。
[0024]本發(fā)明的核心是通過(guò)線(xiàn)性啁啾排列的外部體布拉格光柵，分別對(duì)相應(yīng)的半導(dǎo)體激光器管芯進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定，這些波長(zhǎng)鎖定為線(xiàn)性啁啾的直線(xiàn)排列，通過(guò)全息光柵的反向色散將這些不同波長(zhǎng)的光束合為一束。
[0025]本發(fā)明提出用一系列的緊鄰各個(gè)半導(dǎo)體激光器單管的布拉格體光柵(VBG)，并且沿著直線(xiàn)方向排列，這些體光柵的中心波長(zhǎng)呈線(xiàn)性變化，也稱(chēng)為線(xiàn)性啁啾。經(jīng)過(guò)這些體光柵光反饋的各個(gè)半導(dǎo)體激光器單管輸出的激光波長(zhǎng)也是呈線(xiàn)性啁啾分布，然后經(jīng)過(guò)全息光柵色散元件，將所有這些波長(zhǎng)的激光合并到同一個(gè)方向上，實(shí)現(xiàn)多管芯的半導(dǎo)體激光合束。亮度和光功率都得到了大幅度地提高。
[0026]在光路上，依次為半導(dǎo)體激光器管芯、快軸準(zhǔn)直透鏡、布拉格體光柵、快慢軸準(zhǔn)直透鏡、全息光柵、聚焦和擴(kuò)束/縮束光學(xué)透鏡組。在散熱方式上，每個(gè)半導(dǎo)體管芯都通過(guò)下面的熱沉和制冷裝置。在電路上，各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯可以進(jìn)行單獨(dú)驅(qū)動(dòng)，也可以幾個(gè)分成一組進(jìn)行聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。
[0027]上面結(jié)合對(duì)本發(fā)明所優(yōu)選的實(shí)施例進(jìn)行了說(shuō)明，但是上述實(shí)施例并不能理解為對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，例如推廣用于2維二極管疊陣等，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，包括多個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯(I)和設(shè)置在所述半導(dǎo)體激光管芯輸出光路上的快軸準(zhǔn)直透鏡(2)、布拉格體光柵(3)、快慢軸準(zhǔn)直透鏡(4)、全息光柵(5)和光束變換透鏡組(6)，多個(gè)管芯(I)呈直線(xiàn)排列安裝在帶微通道水循環(huán)的熱沉上，在快軸準(zhǔn)直透鏡(2)的外部，安裝有布拉格體光柵(3)，沿著管芯(I)的排列方向，布拉格體光柵(3)的中心反射波長(zhǎng)呈線(xiàn)性啁啾排列；其特征在于:所述的布拉格體光柵(3)的背面放置有快慢軸準(zhǔn)直透鏡(4)，使來(lái)自各個(gè)半導(dǎo)體激光器管芯的激光束，經(jīng)過(guò)該透鏡后變?yōu)槠叫泄馐渡涞饺⒐鈻?5)上，適當(dāng)選擇全息光柵(5)的光柵周期、旋轉(zhuǎn)方向和與管芯(I)的空間距離，使得將來(lái)自各個(gè)管芯的不同波長(zhǎng)的激光束，在+1級(jí)衍射條紋上，衍射到同一個(gè)方向，實(shí)現(xiàn)多管芯(I)的半導(dǎo)體激光合束。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，其特征在于:所述的布拉格體光柵(2)的波長(zhǎng)分布范圍為20nm，中心波長(zhǎng)為915-10nm，最大波長(zhǎng)的管芯的中心波長(zhǎng)為915+10nm，中間的各個(gè)管芯(I)波長(zhǎng)按照其空間位置以及線(xiàn)性啁啾的原則進(jìn)行選擇。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，其特征在于:每個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯(I)與其對(duì)應(yīng)的布拉格體光柵(2)組成聯(lián)合激光器，其輸出的激光波長(zhǎng)由其對(duì)應(yīng)的布拉格體光柵(2)的中心反射波長(zhǎng)決定。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，其特征在于:多個(gè)半導(dǎo)體激光器的管芯(I)為分離的管芯或激光器巴條。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，其特征在于:多個(gè)布拉格體光柵(2)的中心反射波長(zhǎng)沿著長(zhǎng)度方向呈線(xiàn)性變化，中心反射波長(zhǎng)在700?1100納米范圍內(nèi)，中心反射率為5%?50 %。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多波長(zhǎng)激光器合束系統(tǒng)，其特征在于:半導(dǎo)體激光器管芯(I)的一端鍍高反膜，另一端鍍?cè)鐾改ぁ?br>【文檔編號(hào)】H01S5/40GK105892067SQ201610304413
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2016年5月10日
【發(fā)明人】李豐, 黃偉, 楊立梅
【申請(qǐng)人】蕪湖安瑞激光科技有限公司