一種激光陣列合束裝置的制造方法
【專利摘要】本發明闡述了一種激光陣列合束裝置，所述激光陣列合束裝置包括：激光增益介質陣列，所述激光增益介質陣列包括至少兩個激光增益元件，每個所述激光增益元件均能產生一激光束；整形光學系統，對所述激光增益介質陣列產生的激光束進行光學整形，所述整形光學系統包括：快軸準直透鏡，設置于所述激光增益介質陣列的出光側；平場透鏡，設置于所述快軸準直透鏡的出光側，用于矯正所述整形光學系統的場曲；負透鏡，設置于所述平場透鏡的出光側；柱透鏡，設置于所述負透鏡的出光側，對激光束進行準直；色散光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，對入射的激光束進行衍射；部分反射光學元件，接收來自所述色散光學元件發出的激光束。
【專利說明】
一種激光陣列合束裝置
技術領域
[0001]本發明涉及激光器領域，尤其是一種半導體激光陣列外腔合束裝置。
【背景技術】
[0002]相較于其他激光器類型，半導體激光器具有轉換效率高、體積小、重量輕、壽命長、能直接調制及易與其他半導體器件集成等特點，小功率器件作為信息載體早已廣泛應用于光通信、光存儲和激光打印等信息領域。但是受其波導結構及芯片封裝等因素的限制，光束質量差和功率密度低，這使得半導體激光器很難作為直接光源應用于工業加工。
[0003]近年來，隨著半導體激光器技術的發展，且在直接半導體激光工業加工應用以及大功率光纖激光器抽運需求的推動下，具有大功率、高光束質量的半導體激光器飛速發展。同時，激光合束技術的發展使得激光功率在過去的幾年中有了成倍的增長。目前，利用合束技術的光纖激光器和直接半導體激光器的功率水平都達到了千瓦量級。
[0004]現有的半導體激光器合束的主要方法有相干合束和非相干合束兩類。相干合束能有效地改善并提高半導體激光陣列輸出光的光束質量，但是該技術容易受到外界環境的干擾，不易獲得同相超模的大功率穩定輸出，需要合束陣列單元在光譜、相位、振幅及偏振態等方面嚴格控制。因此，目前在直接半導體激光器領域采用較多的是非相干合束技術。
[0005]非相干合束的方法是將多個激光器的輸出激光沿著相同的方向傳播，使得激光的功率可以得到成倍的增加，功率水平和激光器的數目成正比。非相干合束技術包括空間合束，偏振合束以及波長合束等。相比于相干合束，非相干合束沒有相位、光譜及振幅的要求，容易調試，是目前半導體激光器合束的主要方法，但是受合束機理和所需光學器件的限制，以上三種合束方式都存在一定缺陷，并不能有效地改善光束質量、提高亮度。
[0006]空間合束技術，例如KemingDu等人在美國專利N0.6，124，973中所介紹的，是通過將多個半導體激光器在空間上按照一定的次序進行排列堆疊，形成一組沿著相同方向傳播的激光束，從而得到高功率的激光輸出，而空間堆疊無法改善光束質量，由此得來的高功率激光輸出一般直接應用于對光束質量要求不高的場合，如作為光纖激光器的栗浦源等。
[0007]偏振合束技術，主要是利用激光器的偏振特性，使具有不同偏振方向的兩路激光組合在一起沿相同方向傳播，例如Jihua Du等人在美國專利N0.8，427，749中所介紹的。通常偏振合束技術是將兩路偏振方向相互垂直的激光束或激光束組合相互合并，且總是于其它合束技術配合使用。
[0008]波長合束技術，將不同波長的激光束通過二向色鏡、光柵等光學元件組合在一起，能有效提高功率與亮度，是目前高功率直接半導體激光器發展的主要方向。然而無論是采用二向色鏡、體布拉格光柵還是衍射光柵，總是要受到光譜的限制，不同波長之間要求相互獨立，要保持足夠的波長間隔。
[0009]美國麻省理工大學林肯實驗室的Anton1 Sanchez-Rub1等人在美國專利N0.6，192，062首次提出采用光柵-外腔的方法對半導體激光陣列或多個光纖激光器實行外腔光譜合束，經過國內外十幾年的研究，光柵-外腔光譜合束技術(SBC)被證明是提高半導體激光光束質量、實現高亮度輸出最為有效的合束技術之一，推動了在激光加工領域的應用。
[0010]而基于美國專利N0.6，192,062及其類似技術的半導體激光陣列外腔光譜合束技術，由于需要對衍射光柵色散能力的受限以及出于提高光束質量、保證足夠高的效率等方面進行綜合考慮，因此，導致這類激光陣列合束裝置最終輸出光譜一般都比較寬、整體光路較長、且對調整精度與穩定性的要求很高，這對于直接輸出半導體激光器功率的繼續擴展帶來一定的不便。

【發明內容】

[0011]針對現有技術中的缺陷，本發明的目的是提出一種激光陣列合束裝置，縮短整體的光路長度，減低調整精度的要求，并且提高激光束輸出的穩定性，改善激光束的質量。
[0012]根據本發明的一個方面提供一種激光陣列合束裝置，所述激光陣列合束裝置包括:激光增益介質陣列，所述激光增益介質陣列包括至少兩個激光增益元件，每個所述激光增益元件均能產生一激光束;整形光學系統，對所述激光增益介質陣列產生的激光束進行光學整形，所述整形光學系統包括:快軸準直透鏡，設置于所述激光增益介質陣列的出光側;平場透鏡，設置于所述快軸準直透鏡的出光側，用于矯正所述整形光學系統的場曲；負透鏡，設置于所述平場透鏡的出光側;柱透鏡，設置于所述負透鏡的出光側，對激光束進行準直;色散光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，對入射的激光束進行衍射;部分反射光學元件，接收來自所述色散光學元件發出的激光束。
[0013]優選地，所述色散光學元件靠近所述柱透鏡設置，所述色散光學元件衍射后的激光束再次經過所述柱透鏡后射向所述部分反射光學元件;所述激光陣列合束裝置還包括凹透鏡，所述色散光學元件衍射后的激光束經過所述柱透鏡后射向所述凹透鏡，并經過所述凹透鏡后射向所述部分反射光學元件。
[0014]優選地，所述色散光學元件靠近所述柱透鏡設置，所述色散光學元件衍射后的激光束再次經過所述柱透鏡后射向所述部分反射光學元件;所述激光陣列合束裝置還包括空間濾波器以及準直透鏡，所述色散光學元件衍射后的激光束經過所述柱透鏡后射向所述空間濾波器，由所述空間濾波器進行空間濾波后射向所述準直透鏡，并經過所述準直透鏡后射向所述部分反射光學元件。
[0015]優選地，所述色散光學元件為一衍射光柵。
[0016]優選地，所述衍射光柵為透射式光柵或反射式光柵。
[0017]優選地，所述色散光學元件為一棱鏡。
[0018]優選地，所述激光增益介質陣列為半導體激光器陣列。
[0019]優選地，所述激光增益介質陣列中，相鄰的兩個所述激光增益元件產生的激光束的光譜部分重疊。
[0020]優選地，所述部分反射光學元件為鍍有介質膜的反射鏡。
[0021]本發明實施例揭示了一種激光陣列合束裝置，該激光陣列合束裝置的整形光學系統包括快軸準直透鏡、平場透鏡、負透鏡和柱透鏡，該整形光學系統可縮短整體的光路長度，減低激光器調整精度的要求，并且提高激光束輸出的穩定性，經該整形光學系統輸出的激光束經過一色散光學元件的折射、部分反射光學元件反饋并形成諧振腔，最終合束輸出，進而可以有效改善激光束質量。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的第一實施例的激光陣列合束裝置結構示意圖；
[0023]圖2為本發明的第二實施例的激光陣列合束裝置的結構示意圖；以及
[0024]圖3為本發明的第三實施例的激光陣列合束裝置的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0025]依據本發明主旨構思，所述激光陣列合束裝置包括:激光增益介質陣列，所述激光增益介質陣列包括至少兩個激光增益元件，每個所述激光增益元件均能產生一激光束;整形光學系統，對所述激光增益介質陣列產生的激光束進行光學整形，所述整形光學系統包括:快軸準直透鏡，設置于所述激光增益介質陣列的出光側;平場透鏡，設置于所述快軸準直透鏡的出光側，用于矯正所述整形光學系統的場曲；負透鏡，設置于所述平場透鏡的出光側;柱透鏡，設置于所述負透鏡的出光側，對激光束進行準直;色散光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，對入射的激光束進行衍射;部分反射光學元件，接收來自所述色散光學元件發出的激光束。
[0026]下面結合附圖和實施例對本發明的技術內容進行進一步地說明。
[0027]第一實施例
[0028]請參見圖1，其示出了本發明的第一實施例的激光陣列合束裝置的結構示意圖。在圖1所示的優選實施例中，所述激光陣列合束裝置包括:激光增益介質陣列1、整形光學系統
2、色散光學元件3以及部分反射光學元件4。
[0029]激光增益介質陣列I包括至少兩個激光增益元件，每個所述激光增益元件均能產生具有一定光譜寬度的激光束。在圖1所示實施例中，激光增益介質陣列I優選地為半導體激光器陣列。激光增益介質陣列I包括多個激光增益元件，需要說明的是，圖1中示意性僅示出了第一激光增益元件11、第二激光增益元件12以及第三激光增益元件13。在激光增益介質陣列I中，相鄰的兩個所述激光增益元件產生的激光束的光譜部分重疊。例如，圖1所示實施例中，第一激光增益元件11與第二激光增益元件12產生的激光束的光譜部分重疊，第二激光增益元件12與第三激光增益元件13產生的激光束的光譜部分重疊。需要說明的是，在本發明的其他實施例中，激光增益元件的數量可以根據實際的需求進行調整，在此不予贅述。
[0030]整形光學系統2對激光增益介質陣列I產生的激光束進行光學整形。具體來說，在圖1所示的實施例中，整形光學系統2包括快軸準直透鏡21、平場透鏡22、負透鏡23以及柱透鏡24。快軸準直透鏡21設置于激光增益介質陣列I的出光側。平場透鏡22設置于快軸準直透鏡21的出光側，平場透鏡22用于矯正整形光學系統2的場曲。
[0031]負透鏡23設置于平場透鏡22的出光側。負透鏡23用于放大由色散光學元件返回光的色散角。
[0032]柱透鏡24設置于負透鏡23的出光側，對激光束進行準直。經柱透鏡24準直后的激光束射向色散光學元件3。進而，由平場透鏡22、負透鏡23、柱透鏡24組成的整形光學系統2可縮短所述激光陣列合束裝置的整體光路長度，降低激光器調節精度的要求，提高激光器的穩定性。
[0033]色散光學元件3設置于整形光學系統2的出光側，對入射的激光束進行衍射。具體來說，如圖1所示，色散光學元件3接收整形光學系統2的柱透鏡24出射的激光束，并對其進行衍射。其中，由柱透鏡24射出的激光束在色散光學元件3處重合。在圖1所示的實施例中，色散光學元件3為可以為一個衍射光柵，該衍射光柵可以是透射式光柵或反射式光柵。而在本發明的另一些實施例中，色散光學元件3也可以是一棱鏡，從而實現與衍射光柵類似的效果，在此不予贅述。
[0034]部分反射光學元件4接收由色散光學元件3衍射后發出的激光束并將其射出。優選地，部分反射光學元件4為鍍有介質膜的反射鏡。其中，部分反射光學元件4與上述的激光增益介質陣列1、整形光學系統2、色散光學元件3組成一激光諧振腔。
[0035]在此實施例中，由于所述激光陣列合束裝置的整形光學系統包括快軸準直透鏡、平場透鏡、負透鏡和柱透鏡，因此，該整形光學系統可縮短整體的光路長度，提高調整的精度和激光束輸出的穩定性，經該整形光學系統輸出的激光束經過一色散光學元件的折射，進而可以有效改善激光束質量，另一方面各激光增益元件的光譜可以交疊，使合束后的光譜變窄。
[0036]第二實施例
[0037]請參見圖2，其示出了本發明的第二實施例的激光陣列合束裝置的結構示意圖。與上述圖1所示的第一實施例不同的是，色散光學元件3靠近整形光學系統2的柱透鏡24設置，使色散光學元件3衍射后的激光束再次經過柱透鏡24后射向部分反射光學元件4。并且，在此實施例中，所述激光陣列合束裝置還包括凹透鏡5。凹透鏡5設置于部分反射光學元件4的入光側。具體來說，如圖2所示，色散光學元件3與柱透鏡24靠近設置，由柱透鏡24射向色散光學元件3的激光束在經過色散光學元件3衍射后會再次射向柱透鏡24的出光側，并穿過柱透鏡24后射向凹透鏡5，凹透鏡5可對經柱透鏡24聚焦的激光束進行準直，經凹透鏡5準直后的激光束射向部分反射光學元件4，由部分反射光學元件4將其射出。該實施例可以實現與上述第一實施例類似的技術效果，并且該實施例中，由于色散光學元件3靠近整形光學系統2的柱透鏡24設置，光路經過折疊，因此，可使激光陣列合束裝置的結構更為緊湊，整體體積更小，在此不予贅述。
[0038]第三實施例
[0039]請參見圖3，其示出了本發明的第三實施例的激光陣列合束裝置的結構示意圖。與上述圖1所示的第一實施例不同的是，在此實施例中，色散光學元件3靠近整形光學系統2的柱透鏡24設置，使色散光學元件3衍射后的激光束再次經過柱透鏡24后射向部分反射光學元件4。所述激光陣列合束裝置還包括一空間濾波器6以及一準直透鏡7。準直透鏡7設置于部分反射光學元件4的入光側，空間濾波器6設置于準直透鏡7的入光側。具體來說，如圖3所示，色散光學元件3與柱透鏡24靠近設置，由柱透鏡24射向色散光學元件3的激光束在經過色散光學元件3衍射后會再次射向柱透鏡24的出光側，并穿過柱透鏡24后射向空間濾波器
6。其中，空間濾波器6優選地設置于激光束的交匯處。空間濾波器6對經過的激光束進行空間濾波，從而改善激光束質量。經空間濾波器6濾波后的激光束射向準直透鏡7，由準直透鏡7進行準直后射向部分反射光學元件4，由部分反射光學元件4將其射出。該實施例可以實現與上述第二實施例類似的技術效果，并且由于該實施例中通過空間濾過器6對激光束進行濾波，因此，可使激光陣列合束裝置射出的激光束具有更高的質量，在此不予贅述。
[0040]綜上所述，本發明實施例揭示了一種激光陣列合束裝置，該激光陣列合束裝置的整形光學系統包括快軸準直透鏡、平場透鏡、負透鏡和柱透鏡，該整形光學系統可縮短整體的光路長度，降低激光器調整精度的要求，并且提高激光束輸出的穩定性，經該整形光學系統輸出的激光束經過一色散光學元件的折射部分反射光學元件反饋并形成諧振腔，最終合束輸出，進而可以有效改善激光束質量。
[0041]雖然本發明已以優選實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發明。本發明所屬技術領域的技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的更動與修改。因此，本發明的保護范圍當視權利要求書所界定的范圍為準。
【主權項】
1.一種激光陣列合束裝置，其特征在于，所述激光陣列合束裝置包括: 激光增益介質陣列，所述激光增益介質陣列包括至少兩個激光增益元件，每個所述激光增益元件均能產生一激光束； 整形光學系統，對所述激光增益介質陣列產生的激光束進行光學整形，所述整形光學系統包括: 快軸準直透鏡，設置于所述激光增益介質陣列的出光側； 平場透鏡，設置于所述快軸準直透鏡的出光側，用于矯正所述整形光學系統的場曲； 負透鏡，設置于所述平場透鏡的出光側;和 柱透鏡，設置于所述負透鏡的出光側，對激光束進行準直； 色散光學元件，設置于所述整形光學系統的出光側，對入射的激光束進行衍射；以及 部分反射光學元件，接收來自所述色散光學元件發出的激光束。2.根據權利要求1所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述色散光學元件靠近所述柱透鏡設置，所述色散光學元件衍射后的激光束再次經過所述柱透鏡后射向所述部分反射光學元件； 所述激光陣列合束裝置還包括凹透鏡，所述色散光學元件衍射后的激光束經過所述柱透鏡后射向所述凹透鏡，并經過所述凹透鏡后射向所述部分反射光學元件。3.根據權利要求1所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述色散光學元件靠近所述柱透鏡設置，所述色散光學元件衍射后的激光束再次經過所述柱透鏡后射向所述部分反射光學元件； 所述激光陣列合束裝置還包括空間濾波器以及準直透鏡，所述色散光學元件衍射后的激光束經過所述柱透鏡后射向所述空間濾波器，由所述空間濾波器進行空間濾波后射向所述準直透鏡，并經過所述準直透鏡后射向所述部分反射光學元件。4.根據權利要求1至3中任一項所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述色散光學元件為一衍射光柵。5.根據權利要求4所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述衍射光柵為透射式光柵或反射式光柵。6.根據權利要求1至3中任一項所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述色散光學元件為一棱鏡。7.根據權利要求1至3中任一項所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述激光增益介質陣列為半導體激光器陣列。8.根據權利要求1至3中任一項所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述激光增益介質陣列中，相鄰的兩個所述激光增益元件產生的激光束的光譜部分重疊。9.根據權利要求1至3中任一項所述的激光陣列合束裝置，其特征在于，所述部分反射光學元件為鍍有介質膜的反射鏡。
【文檔編號】H01S5/40GK105932545SQ201610528261
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年7月6日
【發明人】張哨峰, 李大汕, 楊金濤, 沈淵, 孫曉斌
【申請人】上海高意激光技術有限公司