基于多光栅结构的半导体激光器合束装置及合束方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及半导体激光器技术领域，具体设及一种基于多光栅结构的半导体激光 器合束装置及合束方法。
【背景技术】
[0002] 半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高等优点，目前已在激光医疗、光纤激光 累浦、激光融覆、激光焊接等领域广泛应用。但是，半导体激光器的单元功率小（小于10 瓦）、光束质量差（快轴30度，慢轴10度）、功率密度低，（千瓦/平方厘米级）运些缺点 导致半导体激光器不能作为千瓦、万瓦级直接光源应用在激光加工、国防等领域。
[0003] 现有的几何光学合束方法是将半导体激光器进行空间、偏振及波长合束，实现高 功率输出。将多个半导体激光器发射的光束通过诸如棱镜、平板等几何光学元件组合到 一起，形成两个方向且光束质量基本相同的一个二维密集排列的光束列阵，进而实现光纤 禪合输出。运种几何光学合束方法中，模块的光束质量与半导体激光器的数量有关，半导 体激光器的数量越多，相同发散角情况下，光束列阵的光斑尺寸也就越大，模块相应的光 束质量也就越差。目前，已有研究机构和公司采用运种几何光学合束方法实现高功率输 出，最高输出功率超过万瓦，但是光束质量度earnParameterPro化Ct度PP))相对较差， 化ergMalchus等人采用运种几何光学合束方法实现了输出功率25kW，但是光束质量只 有 220mm.mrad(A25kWfiber-coupleddiodelaserforpumpingapplications,Joerg Malchus,VolkerKrause,ArndKoestersandDavidG.MatthewsProc.ofSPIE Vol.896589650B2014)〇
[0004] 上述现有的几何光学合束方法难W实现高光束质量输出，RobinK.化ang等 人则采用了一种新的半导体激光器合束方法一一外腔反馈光谱合束方法实现了输出功 率 2030W，光束质量达到 3. 75mm.mrad值irectdiodelaserswithcompar油Iebeam qualitytofiber,C02,andsolidstatelasersRobinK.Huang,BienChann,James Burgess,MichaelKaimanProc.ofSPIEVol. 82418241022012)。但是运种外腔反馈光谱 合束方法是采用外谐振腔反馈结构，谐振腔长度长，接近米级，由于容易受到机械结构变形 的影响，容易出现谐振腔失调，输出功率下降等情况。
【发明内容】
阳0化]为了解决现有的合束装置W及合束方法存在的半导体激光合束光束质量差的问 题，本发明提供一种基于多光栅结构的半导体激光器合束装置及合束方法。 阳006] 本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下：
[0007] 本发明的基于多光栅结构的半导体激光器合束装置，包括：
[000引半导体激光器组，发出出射方向相同的组合光束；
[0009] 快轴准直镜组，对半导体激光器组发出的组合光束进行减小激光器块作用；
[0010] 慢轴准直镜组，对快轴准直镜组输出的光束进行减小慢轴方向发散角作用；
[0011] 体布拉格光栅组，将慢轴准直镜组输出的一部分准直光束按照原路反射回半导体 激光器组中，实现半导体激光器组输出波长的锁定；
[0012] 反射镜组，接收由体布拉格光栅组输出的另一部分准直光束并对其进行反射；
[0013] 衍射光栅，接收由反射镜组输出的W不同入射角入射的光束，光束在衍射光栅上 发生重叠并W相同的衍射角衍射，将半导体激光器组发出的组合光束合成一束输出；
[0014] 聚焦镜，对经衍射光栅衍射作用后的光束进行聚焦作用；
[0015] 多模光纤，对经聚焦镜聚焦作用后的光束进行禪合作用。
[0016] 进一步的，所述半导体激光器组由n个半导体激光器组成，所述快轴准直镜组由n 个快轴准直镜组成，所述慢轴准直镜组由n个慢轴准直镜组成，所述体布拉格光栅组由n个 体布拉格光栅组成，所述反射镜组由n个反射镜组成，n为正整数且2《n《1000 ;
[0017] n个半导体激光器、n个快轴准直镜、n个慢轴准直镜、n个体布拉格光栅、n个反射 镜--对应安装。
[0018] 进一步的，半导体激光器为单管、线阵或叠阵。
[0019] 进一步的，每个半导体激光器的前腔面都锻制上减反射膜，反射率在1%W下。
[0020] 进一步的，每个体布拉格光栅的反射率都在10 %~30 %之间，厚度都在Imm~ 5mm之间，反射带宽都在0.Olnm~0. 2nm之间，每个体布拉格光栅距离对应的半导体激光 器的距离都在Imm~IOOmm之间，即每个慢轴准直镜距离对应的快轴准直镜的距离均在 0. 05mm~60mm之间，每个快轴准直镜距离对应的半导体激光器的距离均在0. 05mm~5mm 之间。 阳02U 进一步的，每个快轴准直镜的焦距均为0. 9mm、快轴方向的发散角均为2mrad、光 斑尺寸均为8mm;每个慢轴准直镜的焦距均为40mm、慢轴方向的发散角均为2. 5mrad、光斑 尺寸均为6. 8mm。
[0022] 进一步的，每个体布拉格光栅的厚度均为3mm、反射率均为15%、中屯、波长均为 970nm、带宽均为0.Inm。
[0023] 进一步的，每个半导体激光器入射到衍射光栅对应的入射角根据公式mA= d(sin0i+sin0d)确定，式中：m为衍射光栅的衍射级次，A为激光器波长，d为衍射光栅的 周期长度，0 1为入射角，0d为衍射角。
[0024] 进一步的，所述衍射光栅选用透射型衍射光栅或反射型衍射光栅，光栅的线数在 1000线/mm~2000线/mm之间。
[0025] 本发明还提供了上述基于多光栅结构的半导体激光器合束装置的合束方法，包括 W下步骤：
[00%] 所述半导体激光器组发出出射方向相同的组合光束，该组合光束依次通过快轴准 直镜组的减小激光器块作用、慢轴准直镜组的减小慢轴方向发散角作用后入射至体布拉格 光栅组；
[0027] 所述体布拉格光栅组将半导体激光器组发出的一部分光束按照原路反射回对应 的半导体激光器中，实现半导体激光器组输出波长的锁定；
[0028] 所述体布拉格光栅组将半导体激光器组发出的另一部分光束入射至对应的反射 镜中，并通过反射镜组反射后W不同的入射角入射到衍射光栅上，光束在衍射光栅上发生 重叠，然后W相同的衍射角衍射，将半导体激光器组发出的组合光束合成一束输出，出射光 束再通过聚焦镜禪合进多模光纤中。
[0029] 本发明的有益效果是：
[0030] 本发明的基于多光栅结构的半导体激光器合束装置，结构简单不繁琐，反馈谐振 腔长度短，结构稳定性较高，装调简单，不易受到机械结构变形的影响。
[0031] 本发明的基于多光栅结构的半导体激光器合束方法可W在保持较好光束质量的 前提下大大提高半导体激光器的输出功率，在实现高光束质量的同时，不会出现由于反馈 谐振腔失调而导致的输出功率下降。
【附图说明】
[0032] 图1为本发明的基于多光栅结构的半导体激光器合束装置的结构示意图。
[0033] 图中：1、半导体激光器组，101-1化、半导体激光器，2、快轴准直镜组，201-2化、快 轴准直镜，3、慢轴准直镜组，301-3化、慢轴准直镜，4、体布拉格光栅组，401-4化、体布拉格 光栅，5、反射镜组，501-5化、反射镜，6、衍射光栅，7、聚焦镜，8、多模光纤。
【具体实施方式】
[0034] W下结合附图对本发明作进一步详细说明。
[0035] 如图1所示，本发明的基于多光栅结构的半导体激光器合束装置，主要包括半导 体激光器组1、快轴准直镜组2、慢轴准直镜组3、体布拉格光栅组4、反射镜组5、衍射光栅 6、聚焦镜7和多模光纤8。
[0036] 半导体激光器组1由n个半导体激光器101~1化组成，快轴准直镜组2由n个 快轴准直镜201~Wn组成，慢轴准直镜组3由n个慢轴准直镜301~3化组成，体布拉格 光栅组4由n个体布拉格光栅401~4化组成，反射镜组5由n个反射镜501~5化组成， n为正整数且21000。
[0037] 半导体激光器组1前安装快轴准直镜组2,快轴准直镜组2前安装慢轴准直镜组 3,慢轴准直镜组3前安装体布拉格光栅组4,体布拉格光栅组4前安装反射镜组5,也就是 说：按照上述顺序，n个半导体激光器101~10n、n个快轴准直镜201~20n、n个慢轴准直 镜301~30n、n个体布拉格光栅401~40n、n个反射镜501~5化--对应安装。
[0038] 本实施方式中，n个半导体激光器101~1化可W是单管、线阵或叠阵，n为正整数 且2《n《1000,即半导体激光器的组数在2组~1000组之间。
[0039] 本实施方式中，每个半导体激光器的前腔面都锻制上减反射膜，反射率在1%W 下。
[0040] 本实施方式中，每个体布拉格光栅的反射率都在10%~30%之间，厚度都在 Imm~5mm之间，反射带宽都在0.Olnm~0. 2nm之间，每个体布拉格光栅距离对应的半导 体激光器的距离都在Imm~IOOmm之间，即每个慢轴准直镜距离对应的快轴准直镜的距离 都在0. 05mm~60mm之间，每个快轴准直镜距离对应的半导体激光器的距离都在0. 05mm~ 5mm之间。
[0041] 本实施方式中，快轴准直镜组2用于减小激光器块，慢轴准直镜组3用于减小慢轴 方向发散角。
[0042] 本实施方式中，衍射光栅6可W选用透射型衍射光栅，也可W选用反射型衍射光 栅，光栅的线数在1000线/mm~2000线/mm之间。
[0043] n个半导体激光器101~1化发出n束出射方向相同的组合光束，该组合光束依次 通过快轴准直镜组2的减小激光器块作用、慢轴准直镜组3的减小慢轴方向发散角作用后 入射至体布拉格光栅组4 ;体布拉格光栅组4将半导体激光器组1发出的一部分光束按照 原路反射回对应的半导体激光器中，实现n个半导体激光器101~1化输出波长的