利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置的制作方法

本发明涉及半导体激光技术领域，尤其涉及一种利用光栅和反射元件，通过外腔反馈，实现窄线宽高功率激光输出的半导体激光光谱合束装置。

背景技术：

半导体激光器有着成本低，寿命长，体积小，可靠性高等优点，已广泛应用于工业加工，泵浦，医疗，通信等领域。制约半导体激光器未来发展的一个重要因素就是亮度。激光光束的亮度由输出功率和光束质量决定，功率越大，光束质量越好，亮度就越高。

合束技术是当前实现高亮度半导体激光器的常用手段，其中光谱合束是一种新颖的合束技术，主要采用光栅作为衍射元件，c.c.cook和t.y.fan【assl.26,163-166(1999)】第一次报道该方法并对其原理进行了详细论述。各个发光单元的振荡波长均与光栅色散和外腔反馈匹配，以保持相同的衍射角出射，实现合束。光谱合束的优点在于：将多个单管半导体激光器的输出光合束，输出功率为所有发光单元功率的总和，同时光束质量与单个发光单元保持一致，极大地提高了半导体激光器的亮度，实现近衍射极限的激光输出。因此，光谱合束技术已经成为高功率半导体激光器领域的一个重要课题。

光谱合束是以拓宽光谱为代价来提高激光功率和亮度的合束方式，因此光谱合束过程中应尽可能地压缩合束后激光光谱谱宽，从而在增益材料的增益线宽内以及光栅高效率带宽内增加更多的合束单元，这是提高光谱合束功率和亮度的关键。

如何压缩合束激光光谱谱宽是增加合束单元数量的主要问题，光谱谱宽由多个因素决定，主要有以下三类：1.减小相邻合束单元的间距，可以制备高密度半导体激光阵列或者利用光学成像系统压缩合束单元间距，但受限于半导体技术，增加了不同单元之间的串扰，不能完全反馈，降低合束效率；2.增加变换透镜的焦距，但合束系统的长度以及耦合腔的长度会随之增加，系统的体积会变大并且谐振腔系统的稳定性会下降，整体的光程增加，在发散角不变的情况下各合束单元间更易发生串扰；3.提高光栅的线密度即降低光栅周期，但光栅周期受到半导体激光器波长的限制，最小光栅周期不能小于波长的一半,假设半导体激光器波长为940nm，则理论上光栅的最高线密度为2127lines/mm，无法再进一步提高线密度，可行性不高。提高光栅的线密度就是提高光栅的衍射能力，利用两个非平行光栅也可以提高光栅衍射能力，在公告号为cn106684702a，名称为“一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置”的国内专利中，提出用两个光栅非平行放置，合束单元两次经过光栅的衍射作用，虽然光谱谱宽被压缩了一半，但是用了两个光栅来提高光栅的衍射能力，系统的调节精度和难度增加，光栅成本价格高，压缩线宽能力有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术不足，提供一种利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，利用反射元件将入射光束反射，两次经过光栅衍射作用，实现二次色散，光栅的衍射能力提高一倍，输出激光光谱谱宽压缩一半，解决了光谱合束过程中合束单元数量和输出功率有限的问题。

本发明解决技术问题所采取的技术方案有两种，分别为：

方案一：一种利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，包括：半导体激光器光源、慢轴准直柱透镜、变换透镜、透射光栅、反射镜和输出耦合镜；

所述的半导体激光器光源位于所述的慢轴准直柱透镜的前焦点和变换透镜的前焦点上，所述的透射光栅位于变换透镜的后焦点之前，所述的半导体激光器光源为多个发光单元的平行光束，经慢轴准直柱透镜准直后，经变换透镜会聚的中心光束以利特罗角入射到所述的透射光栅上，经该透射光栅进行第一次衍射后的中心衍射光束以利特罗角出射后，入射到所述的反射镜，经该反射镜反射的中心衍射光束以利特罗角再次入射到所述透射光栅上，且反射镜与透射光栅的相对位置，能保证入射到透射光栅上的光斑最小，经透射光栅进行第二次衍射后的衍射光束垂直入射到所述的输出耦合镜上，实现合束输出。

方案二：一种利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，包括：半导体激光器光源、慢轴准直柱透镜、变换透镜、衍射光栅、直角棱镜和输出耦合镜；所述的衍射光栅分为左右两部分，其中一半为透射式光栅，另一半为反射式光栅；

所述的半导体激光器光源位于所述的慢轴准直柱透镜的前焦点和变换透镜的前焦点上，所述的衍射光栅位于变换透镜的后焦点之前，所述的半导体激光器光源为多个发光单元的平行光束，经慢轴准直柱透镜准直后，经变换透镜会聚的中心光束以利特罗角入射到所述的衍射光栅上的透射式光栅进行第一次衍射，衍射后的中心衍射光束以利特罗角出射后，入射到所述的直角棱镜，经该直角棱镜反射的中心衍射光束以利特罗角再次入射到所述衍射光栅上，且该直角棱镜与衍射光栅的相对位置，能保证入射到衍射光栅上的光斑最小，经该衍射光栅的反射式光栅进行第二次衍射后的衍射光束垂直入射到所述的输出耦合镜上，实现合束输出。

方案一所述的半导体激光器阵列的后腔面和输出耦合镜之间形成激光谐振腔，光束在谐振腔中反馈振荡。

方案一所述半导体激光器阵列的前腔面镀增透膜，腔面反射率小于1％，后腔面镀高反膜，腔面反射率大于95％。

所述的半导体激光器光源包括半导体激光阵列、前后放置的快轴准直柱透镜和斜45°柱透镜阵列，快轴准直柱透镜用于准直半导体激光阵列快轴方向光束；斜45°柱透镜阵列将输出光束沿传播方向旋转90°，交换快轴和慢轴，将合束方向转变为快轴，减小smile效应对合束光光束质量的影响；光束旋转后的慢轴方向光束由慢轴准直柱透镜准直。

方案一所述半导体激光器光源可用多个准直过的激光器单元，或多个准直过的激光阵列，或多个准直过的激光阵列组成的激光线阵或迭阵的组合代替。

方案一所述透射光栅，光栅周期一定，在1级或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率所对应的波长与半导体激光器的波长相匹配；且所述透射光栅为偏振无关光栅，或者偏振方向与半导体激光器光源的偏振方向相同的光栅，并具有高损伤阈值。

方案一所述输出耦合镜为部分反射镜，反射率为5％-30％，与第二次经过透射光栅的衍射光方向垂直，在激光发射波长处损耗低。

方案二所述半导体激光器光源、变换透镜、输出耦合镜与方案一中的说明一致。

方案二所述衍射光栅分为左右两部分，其中一半为透射式光栅，另一半为反射式光栅，光栅周期相同，在1级或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率所对应的波长与半导体激光器的波长相匹配。

方案二所述的直角棱镜斜面镀增透膜，当光束从棱镜的斜面入射时，光束会在斜面的玻璃/空气界面处发生全内反射，在经过下一个直角面时发生全内反射，最后以平行入射光束的方向从斜面出射，如同后反射镜一样，光束产生180°偏转与入射光束的角度无关。

与现有技术相比，本发明具有如下技术效果：

1)利用单个光栅作为合束元件，结合反射元件，使得光束两次经过光栅衍射，实现二次色散，光栅色散能力提高一倍。

2)在激光器腔长不变的条件下，可以使激光光谱谱宽缩短为原来的二分之一，在半导体激光器的增益曲线内，以及在光栅的高衍射效率的波长范围内可以使合束单元数量提升一倍，功率和亮度提高一倍。

3)在激光光谱谱宽保持不变的情况下，可以使变换透镜的焦距减小一半，使得腔长缩短一半，激光器结构更紧凑和稳定。

4)压缩合束激光的光谱谱宽可以使输出激光的单色性更好，色差减小，合束效率提高。

附图说明

图1是利用反射镜实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束实施例1的示意图。

图2是各合束光束经过透射光栅和反射镜作用后的光路示意图。

图3是半导体激光器光源的结构示意图。

图4是利用直角棱镜实现两次衍射压缩线宽的光谱合束实施例2的示意图。

图5是各光束经过衍射光栅和直角棱镜作用后的光路示意图。

图6是衍射光栅的结构组成示意图。

图7是采用传统光谱合束结构的输出光光谱分布图。

图8是本发明输出光束的光谱分布图。

图中，1为半导体激光器光源；2为慢轴准直柱透镜；3为变换透镜；4为透射光栅；4＇为衍射光栅；5为反射镜；5＇为直角棱镜；6为输出耦合镜；7为两次经过透射光栅4后的光束；7＇为两次经过衍射光栅4＇后的光束；8和8＇为合束后光束输出；901、902、903为各激光单元光束，901＇902＇903＇为第一次经过光栅作用后的各单元衍射光束；11为半导体激光器阵列；12为快轴准直柱透镜；13为斜45°柱透镜阵列；14为衍射光栅4＇中的透射式光栅，15为衍射光栅4＇中的反射式光栅。

具体实施方式

以下分别结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1：如图1所示，图1为本发明第一种实施方式，利用光栅与反射镜实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，装置包括半导体激光器光源1、慢轴准直柱透镜2、变换透镜3、透射光栅4、反射镜5、输出耦合镜6。半导体激光器光源1位于变换透镜3的前焦点，透射光栅4位于变换透镜3的后焦点之前，半导体激光器光源1发出多束平行光。

如图2所示，图2为本发明各发光单元与透射光栅4和反射镜5的作用过程，各单元光束经过变换透镜3会聚后，入射到透射光栅4上，中心光束902以利特罗角入射，其余入射光901、903以不同角度入射到透射光栅4上，第一次经过透射光栅4后，衍射光束902＇以利特罗角出射，且相邻衍射光束角度差比入射光束角度差减小一半，在经过与透射光栅4平行的反射镜5反射后，中心衍射光束902＇再次以利特罗角入射到透射光栅4上，前后移动反射镜5的位置，使第二次入射到透射光栅4上的各光束完全重叠，光斑最小。第二次经过透射光栅4的衍射后，衍射光束7的角度差为零，即相邻入射光束901、902、903的夹角是相邻衍射光束901＇、902＇、903＇夹角的两倍。衍射光束7以相同的衍射角垂直入射到输出耦合镜6，由于输出耦合镜6的反馈作用，半导体激光器光源1的后腔面和输出耦合镜6之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡得到激光光束8输出。

如图3所示，为本发明半导体激光器光源1，包括半导体激光器阵列11、快轴准直柱透镜12和斜45°柱透镜阵列13。半导体激光器阵列11包含多个发光单元，各发光单元等间距排列，前腔面反射率小于1％，后腔面反射率大于95％，快轴准直柱透镜12和斜45°柱透镜阵列13粘合一起，并固定在半导体激光器阵列11前。

实施例2：如图4所示，图4为本发明第二种实施方式，利用衍射光栅与直角棱镜实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，装置包括半导体激光器光源1、慢轴准直柱透镜2、变换透镜3、衍射光栅4＇、直角棱镜5＇、输出耦合镜6。半导体激光器光源1位于变换透镜3的前焦点，衍射光栅4＇位于变换透镜3的后焦点之前，半导体激光器光源1发出多束平行光。

如图5所示，图5为本发明各发光单元与衍射光栅4＇和直角棱镜5＇的作用过程，各单元经过变换透镜3会聚后，入射到衍射光栅4＇中透射式光栅14上，合束光束的中心光束902以利特罗角入射，其余光束901、903以不同角度入射，经过透射式衍射光栅14后，衍射光束902＇以利特罗角出射，且相邻衍射光束角度差较入射光束相邻角度差减小一半，经过与直角棱镜5＇后向反射后，各衍射光束入射到衍射光栅4＇中的反射式光栅15上，中心衍射光束902＇再次以利特罗角入射到衍射光栅4＇上，前后移动直角棱镜5＇的位置，使各光束在反射光栅15上完全重叠，光斑最小。第二次经过衍射光栅4＇的衍射后，衍射光束7＇的角度差为零，然后以相同的衍射角垂直入射到输出耦合镜6，由于输出耦合镜6的反馈作用，半导体激光器光源1的后腔面和输出耦合镜6之间形成激光谐振腔，光束在激光谐振腔中反馈振荡得到激光光束8＇输出。

如图6所示，图6为本发明实施方式2中的衍射光栅4＇的结构图，衍射光栅4＇分为左右两部分，其中一半为透射式光栅14，另半为反射式光栅15，两者光栅周期相同，在1级或-1级衍射效率大于90％，其最高衍射效率所对应的波长与半导体激光器的波长相匹配。为偏振无关或偏振方向与激光偏振方向相同的光栅，具有较高的损伤阈值。

本发明利用光栅与反射镜实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置具体实现过程如下：

半导体激光器光源1的中心波长为940nm，包含19个发光单元，单个发光点光束的快轴发散角为35°，慢轴发散角为7°，光束经过快轴准直柱透镜12和斜45°柱透镜阵列13后快轴发散角被压缩至约为0.5°，经过慢轴准直柱透镜2后慢轴发散角被压缩至约为4°。激光阵列的前腔面镀增透膜，腔面反射率小于0.5％，后腔面镀高反膜，腔面反射率大于99％。

设透射光栅4的衍射级次为1级，衍射效率均大于90％，光栅周期为d，单元光束在透射光栅4上的入射角分别为θ1，θ2……θ19，衍射角分别为θd1，θd2……θd19,由于光栅的色散作用和外腔的反馈，各单元波长随着入射角的不同而单调变化，分别为λ1，λ2……λ19，有如下关系式：

λ1＝d(sinθ1+sinθd1)；

λ2＝d(sinθ2+sinθd2)；

……

λ19＝d(sinθ19+sinθd19)。

其中，任意相邻单元光束的入射角之差可视为定值δθ。各单元光束经过反射镜5或后再一次经过透射光栅4后，入射角分别为θi1，θi2……θi19，出射角为θdi1,θdi2......θdi19。此时第一次经过透射光栅衍射后的任意相邻单元光束的角度相差可视为定值，δθ′＝δθ/2有如下关系式：

λ1＝d(sinθi1+sinθdi1)；

λ2＝d(sinθi2+sinθdi2)；

……

λ19＝d(sinθi19+sinθdi19)。

由于发光点被锁定在不同的波长，因此有相同的衍射角θdi1＝θdi2＝…＝θdi19。如果采用单光栅单次衍射得到的输出光谱图如图7所示，光谱谱宽约为14nm，本发明合束后的输出激光的光谱图如图8所示，光谱谱宽约为7nm，相比于单次衍射的结果，采用本发明可以实现单个光栅的两次衍射，可以将输出光谱压缩至原来的二分之一。

综上所述，本发明利用光栅结合反射元件，使入射光束两次经过光栅的衍射作用，实现二次色散，光栅利用率提高一倍，光栅衍射能力提高一倍，输出激光谱宽减半，可以在光栅的高衍射效率波长范围内，为更多发光单元的光谱合束创造条件，可以实现多个半导体激光阵列的光谱合束，因此，这种利用反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置是获得高功率高亮度激光输出的有效途径，具有重要应用价值。