本公开涉及半导体激光器领域，尤其涉及一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统及方法。
背景技术：
高功率半导体激光器具有电光转化效率高、体积小、可靠性高等优点，但是由于其波导结构及芯片封装等因素的限制，光束质量变差和空间亮度不高，限制了其在激光照明、抽运固体激光器或光纤激光器、材料加工和军工领域的进一步应用。
目前半导体激光器合束的主要方法有相干合束和非相干合束两大类。相干合束虽然能有效改善并提高半导体激光器阵列输出光的光束质量，但是该方法容易受到外界环境的干扰，不易获得同相超模的大功率稳定激光输出。非相干合束技术是目前国际上半导体激光器合束的主要方法，主要通过空间合束、波长合束和偏振合束等方法将多路半导体激光器合束成一束，增加输出功率，以达到提高系统亮度的目的，但是基于合束激励和所需光学器件的限制，以上三种合束方式并不能够实现理想的定标放大。
光栅外腔光谱合束通过外腔反馈，不同的合束单元由于增益竞争的作用，以不同的波长运转，并且输出光束将沿中心单元在光栅上实现空间叠加，叠加后的输出光束与每个合束单元具有相同的光束质量，组合输出光束空间亮度较合束前会明显增加，实现了线阵半导体激光器输出光束质量的改善。但是，目前主要是对于单个线阵合束，但是对于高功率、高亮度的激光输出，仍然受到合束的空间和线阵的个数的限制。因此亟需一种能大幅度提高功率和亮度、同时不受合束的空间和线阵的个数的限制的多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统及方法。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统及方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统，包括：
多个合束单元，包括：
多个线阵半导体激光器，在水平面沿x方向与y方向等间距排列；
准直单元，设置于线阵半导体激光器前面，用于得到快慢轴准直光束；
三角棱镜，设置于各合束单元前面，对光束进行反射；
变换传输透镜，设置在光束通过三棱镜后的出射方向上，合束单元发出的组合光束经过变换传输透镜后变为会聚光束，会聚点为a；
衍射光栅，设置在组合光束的会聚点a处，会聚光束经过衍射光栅后产生衍射光束；
耦合输出镜，以垂直主轴光束的衍射光束方向进行设置，对垂直入射其上的衍射光束反射，且反馈回所述线阵半导体激光器的光束形成稳定振荡。
在本公开一些实施例中，所述的线阵半导体激光器在水平方向以多个三棱镜为对称轴沿左右两边设置。
在本公开一些实施例中，所述的线阵半导体激光器在垂直z方向进行等高差排列。
在本公开一些实施例中，经所述的三角棱镜反射后输出的一列平行的等间距的组合光束到达所述变换透镜上的光程均相等。
在本公开一些实施例中，所述准直单元包括：
慢轴准直镜，设置在各所述线阵半导体激光器的前面，用于减小光束在慢轴方向的发散角；
快轴准直镜，设置在每个慢轴准直镜前面，用于减小光束在快轴方向的发散角。
在本公开一些实施例中，所述快轴准直镜为柱面微透镜，所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列。
在本公开一些实施例中，所述三角棱镜所镀的反射膜的反射率r＞99％。
在本公开一些实施例中，所述耦合输出镜为平面镜，所镀的反射膜的反射率为10％。
根据本公开的另一个方面，提供了一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束的方法，包括：
多个所述线阵半导体激光器发出光线，依次经过准直单元进行准直；
经快慢轴准直后的光束经所述的三角棱镜反射后输出为一列平行的等间距的组合光束；
所述组合光束经所述变换透镜作用，将所述组合光束合束为会聚光束，并以不同角度入射到所述衍射光栅上；
会聚光束并在所述衍射光栅处完全重合，经所述衍射光栅衍射作用，衍射到所述耦合输出镜上；
经所述耦合输出镜反射，对反馈回所述线阵半导体激光器的光束形成稳定振荡。
在本公开一些实施例中，所述线阵半导体激光器经所述衍射光栅衍射和所述耦合输出镜反馈合束后，快轴方向的光束质量不变，慢轴方向的光束质量减小为单个激光单元的光束质量，输出的激光功率密度和亮度提高为单个激光单元的n倍，其中n为光谱合束方向的激光单元数。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统及方法至少具有以下有益效果其中之一：
(1)三角棱镜将线阵半导体激光器经过快轴准直镜和慢轴准直镜整形后输出的光束反射到变换传输透镜上，在变换透镜上为一列平行的等间距的组合光束，且每个所述的线阵半导体激光器发出的组合光束到达所述变换传输透镜上的光程均相等，光束分布特性相同；经合束后的激光单元由于衍射光栅和耦合输出镜的作用，在空间上发生重叠，合束后快轴方向的光束质量不变，慢轴方向的光束质量减小为单个激光单元的光束质量，从而提高输出光束的光束质量，并且由于线阵半导体激光器的个数增加，因此，输出的激光功率密度和亮度提高为单个激光单元的n倍(n为光谱合束方向的激光单元数)；
(2)由于线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束方法中线阵半导体激光器空间排列紧密，所占空间体积小，且出射的光束之间互不干扰。
附图说明
图1为本公开实施例多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统的结构示意图。
图2是本公开实施例多线阵半导体激光器在垂直方向等高差排列侧视图。
图3是本公开实施例光线入射到衍射光栅发生衍射示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1、线阵半导体激光器；2、慢轴准直镜
3、快轴准直镜；4、三角棱镜
5、变换传输透镜；6、衍射光栅
7、耦合输出镜；8、铜块。
具体实施方式
本公开提供了一种能大幅度提高功率和亮度的多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束方法。一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束方法，包括：线阵半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、三角棱镜、铜块、变换传输透镜、衍射光栅和耦合输出镜；
所述的线阵半导体激光器放置在所述的铜块上，在水平方向沿着左右两边摆放，优选地，所述线阵半导体激光器沿着x和y方向等间距排列；并在垂直方向利用所述的铜块的高度差进行等高差排列。在每个所述线阵半导体激光器的前面依次固定所述慢轴准直镜和所述快轴准直镜。每个所述线阵半导体激光器均发出一列经快慢轴准直后的光束，所述光束经所述的三角棱镜反射后输出为一列平行的等间距的组合光束。所述组合光束经所述变换透镜作用，将所述组合光束合束为会聚光束，并以不同角度入射到所述衍射光栅上，并在所述衍射光栅处完全重合，经所述衍射光栅衍射作用，衍射到所述耦合输出镜上，再经所述耦合输出镜反射，对反馈回所述线阵半导体激光器的光束形成稳定振荡。
优选地，所述快轴准直镜为柱面微透镜；所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列。
优选地，所述三角棱镜所镀的反射膜的反射率r＞99％。
优选地，每个所述的线阵半导体激光器发出的组合光束到达所述变换透镜上的光程均相等。
优选地，所述的组合光束经所述的衍射光栅合束后，具有单个激光单元的光束质量输出。
本公开的多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统，由于线阵半导体激光器在水平方向沿着左右两边摆放，并沿着x和y方向等间距排列，在垂直方向利用所述的铜块的高度差进行等高差排列，使得出射的光束互不干扰，且具有排布空间体积小的特点。
通过每个所述线阵半导体激光器的前面依次固定所述慢轴准直镜和所述快轴准直镜，各线阵半导体激光器均发出一列经快慢轴准直后的光束，所述光束经所述的三角棱镜反射后输出为一列平行的等间距的组合光束，各线阵半导体激光器发出的组合光束到达所述变换传输透镜上的光程均相等，且光束分布特性相同。所述组合光束经所述变换传输透镜作用，将所述组合光束合束为会聚光束，并以不同角度入射到所述衍射光栅上，并在所述衍射光栅处完全重合，经所述衍射光栅衍射作用，衍射到所述耦合输出镜上，再经所述耦合输出镜反射，对反馈回所述线阵半导体激光器的光束形成稳定振荡。经光谱合束后的激光单元在空间上重叠，合束后快轴方向的光束质量不变，慢轴方向的光束质量减小为单个激光的光束质量，从而提高输出光束的光束质量，并且激光功率密度和亮度提高n倍(n为光谱合束方向的激光单元数)。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统。图1为本公开实施例多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统的结构示意图。图2是本公开实施例多线阵半导体激光器在垂直方向等高差排列侧视图。如图1所示，本公开多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统，包括：线阵半导体激光器1、慢轴准直镜2、快轴准直镜3、三角棱镜4、变换传输透镜5、衍射光栅6、耦合输出镜7。
以下分别对本实施例多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束系统的各个组成部分进行详细描述。
参见图1和图2所示，所述的线阵半导体激光器1在水平方向，沿着左右两边排列，且在x和y方向同时等间距排列。在垂直方向，所述的线阵半导体激光器1在铜块8上，等高差排列。采用上述排列方式，使得出射的光束互不干扰，且具有排布空间体积小的特点。所述线阵半导体激光器1在前腔面上镀有透过率在99％以上的增透膜。
所述慢轴准直镜2固定在每个所述线阵半导体激光器1的前面，用于减小光束在慢轴方向的发散角，使慢轴方向上的光束得到准直，优选地，所述的慢轴准直镜2为柱面微透镜阵列。
所述快轴准直镜3固定在每个慢轴准直镜2前面，用于减小光束在快轴方向的发散角，使快轴方向上的光束得到准直。优选地，所述的快轴准直镜3为柱面微透镜。
每个所述线阵半导体激光器1发出一列组合光束经所述慢轴准直镜2和所述快轴准直镜3后均变为一列平行的组合光束，每个所述线阵半导体激光器1以及固定在所述线阵半导体激光器1前的所述慢轴准直镜2和所述快轴准直镜3构成了一个合束单元，本实施例中共有10个合束单元。
三棱镜4设置于每个合束单元前面，10个合束单元发出的10列平行的组合光束在所述三棱镜4的作用下，依次反射到所述变换传输透镜5上。
传输透镜5设置在光束通过三棱镜4后的出射方向上，所述的变换传输透镜5为柱面透镜。经所述变换传输透镜5的作用后，10个合束单元发出的组合光束会在所述衍射光栅6上发生会聚，会聚后变为会聚光束，会聚点为a。
衍射光栅6设置在组合光束的会聚点a处。图3是本公开一实施例光线入射到衍射光栅发生衍射示意图，参见图3，包括：线阵半导体激光器发出的入射光线b，衍射光线c，衍射光栅6的法线d，入射光线b和法线d的夹角θ，衍射光线c和法线d的夹角β。当会聚光束以不同的角度入射到所述衍射光栅6上时，所述入射光线b和法线d的夹角θ与所述衍射光线c和法线d的夹角β满足光栅一级衍射方程：
d(sinθ+sinβ)＝λ
其中，λ为波长，优选地，λ为940±5nm或者976±5nm。
耦合输出镜7以主轴光束的衍射光束方向进行垂直摆放。入射光线b经所述衍射光栅6的衍射作用，衍射光线c打到所述耦合输出镜7上，耦合输出镜7对垂直入射其上的衍射光束反射，且反馈回所述线阵半导体激光器1的光束形成稳定振荡。所述的耦合输出镜为平面镜。优选地，所述的耦合输出镜7镀10％的反射膜。
本实施例中的线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束方法中线阵半导体激光器空间排列紧密，所占空间体积小，且出射的光束之间互不干扰。三角棱镜将线阵半导体激光器经过快轴准直镜和慢轴准直镜整形后输出的光束反射到变换传输透镜上，在变换透镜上为一列平行的等间距的组合光束，且每个所述的线阵半导体激光器发出的组合光束到达所述变换传输透镜上的光程均相等，光束分布特性相同；经合束后的激光单元由于衍射光栅和耦合输出镜的作用，在空间上发生重叠。合束后快轴方向的光束质量不变，慢轴方向的光束质量减小为单个激光单元的光束质量，从而提高输出光束的光束质量，并且由于线阵半导体激光器的个数增加，因此，输出的激光功率密度和亮度提高为单个激光单元的n倍(n为光谱合束方向的激光单元数)。
在本公开第二个示例性实施例中，提供了一种多线阵半导体激光器光栅外腔光谱合束方法，所述的线阵半导体激光器放置在所述的铜块上，在水平方向沿着左右两边摆放，并沿着x和y方向等间距排列，在垂直方向利用所述的铜块的高度差进行等高差排列。该方法包括：
多个所述线阵半导体激光器发出光线，依次经过慢轴准直镜和快轴准直镜进行准直；
经快慢轴准直后的光束经所述的三角棱镜反射后输出为一列平行的等间距的组合光束；
所述组合光束经所述变换透镜作用，将所述组合光束合束为会聚光束，并以不同角度入射到所述衍射光栅上；
会聚光束并在所述衍射光栅处完全重合，经所述衍射光栅衍射作用，衍射到所述耦合输出镜上；
经所述耦合输出镜反射，对反馈回所述线阵半导体激光器的光束形成稳定振荡。
所述线阵半导体激光器经所述衍射光栅衍射和所述耦合输出镜反馈合束后，快轴方向的光束质量不变，慢轴方向的光束质量减小为单个激光单元的光束质量，从而提高输出光束的光束质量和功率密度。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
此外，除非特别描述或必须依序发生的步骤，上述步骤的顺序并无限制于以上所列，且可根据所需设计而变化或重新安排。并且上述实施例可基于设计及可靠度的考虑，彼此混合搭配使用或与其他实施例混合搭配使用，即不同实施例中的技术特征可以自由组合形成更多的实施例。
本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。并且，在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。