专利名称：激光二极管阵列的离轴光谱组束装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光谱组束装置，尤其是一种激光二极管阵列的离轴光谱组束装置。
背景技术：
高功率激光二极管阵列具有效率高、结构紧凑、使用寿命长等优点，因此在许多领 域得到了广泛的应用，例如工业、军事、医疗等领域(Opt. Express 12，609)。然而二极管 阵列慢轴方向的光束质量比较差，约为1000倍的衍射极限(Opt. Lett. 21，375-377)。 这制约了高功率激光二极管阵列在许多方面的应用，如泵浦固体或光纤激光器等领域的 应用。光谱组束技术(Opt. Lett. 30，2104-2106; Appl. Phys. B 83 225-228)也是改善 二极管阵列光束质量的一种很有效的方法；其核心思想就是以牺牲光谱的宽度，来提高光 束质量。另一种改善二极管阵列光束质量的方法是离轴外腔反馈技术(Opt. Lett. 29， 361-363)，采用了一个条形平面镜作为反馈元件，通过改变条形平面镜的倾角，来优化最佳 反馈角，从而获得好的光束质量的激光输出。目前，离轴光谱组束装置主要是用于改善一维 激光阵列的光束质量，而一维激光二极管阵列输出激光的功率是比较低的，限制了实际生 产中的应用。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种激光二极管阵列的离轴光 谱组束装置，其结构简单紧凑，能够改善二维激光二极管阵列的光束质量，安全可靠。按照本发明提供的技术方案，所述激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，包括激 光二极管阵列及位于所述激光二极管阵列快轴方向上的快轴准直镜；特征是所述快轴准 直镜对应于与激光二极管阵列相连的另一侧设有第一透镜，所述第一透镜的后上方依次设 有第二透镜及高反镜，所述高反镜与第二透镜及第一透镜以及激光二极管阵列后端面形成 离轴外反馈腔；第一透镜的后下方设有衍射光栅，所述衍射光栅与第一透镜间设有输出耦 合镜，所述输出耦合镜与衍射光栅及第一透镜间形成光谱组束结构；激光二极管阵列向上 发出的光线经过第一透镜与第二透镜对发散角压缩后，通过高反镜反馈回所述激光二极管 阵列的有源区内，向下发出的光线经第一透镜的下部射向衍射光栅，经衍射光栅衍射选光 后通过输出耦合镜部分光沿原路反馈回所述激光二极管阵列的有源区内，部分作为输出激 光。所述激光二极管阵列包括一维激光二极管阵列或由至少两个一维激光二极管阵 列形成的二维激光二极管阵列。所述一维激光二极管阵列包括19或49个LD发光单元。所述快轴准直镜为焦距小于Imm的柱面镜。所述第一透镜与第二透镜间设有用于选模的空间滤波器。所述衍射光栅为闪耀光栅。
所述第一透镜与第二透镜均为柱面镜；所述第二透镜的焦距为第一透镜的2、倍。所述高反镜为镀有增反膜的平面反射镜；所述高反镜的反射率大于99%。所述输出耦合镜为部分透射的平面镜。本发明的优点快轴准直镜位于激光二极管阵列的快轴方向上，第一透镜、第二透 镜及高反镜及二极管阵列的后端面形成离轴外反馈腔，能改善激光二极管阵列内每个发光 单元的光束质量，第一透镜与衍射光栅、输出耦合镜间形成光谱组束结构，能够改善激光二 极管阵列的输出光束质量，结构简单，提高了激光二极管阵列的应用范围，安全可靠。
图1为本发明的结构示意图。图2为本发明激光二极管阵列的结构示意图。图3为图2的俯视图。
具体实施例方式下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。如图广图3所示本发明包括激光二极管阵列1、快轴准直镜2、第一透镜3、第二 透镜4、高反镜5、衍射光栅6、输出耦合镜7、空间滤波器8、二维激光二极管阵列9及一维激 光二极管阵列10。如图1所示所述激光二极管阵列1的快轴方向上安装有快轴准直镜2，所述快轴 准直镜2为焦距小于Imm的柱面镜；快轴准直镜2对激光二极管阵列1的快轴方向发出的 光进行准直；其中，图中χ轴方向为慢轴方向，y轴方向为快轴方向。快轴准直镜2将快轴 方向可以准直到衍射极限，大约为1度左右的发散角。激光二极管阵列1的结构示意图，如 图2和图3所示；激光二极管阵列1可以为一维激光二极管阵列10，或者由至少两个一维 激光二极管阵列9的构成的二维激光二极管阵列9。每个一维激光二极管阵列10是由19 或49个独立的激光光二极管单元构成，19或49个独立的二极管沿着χ轴方向排列形成一 维阵列；多个一维激光二极管阵列10沿y轴方向形成二维激光二极管阵列9。所述快轴准直镜2固定于激光二极管阵列1的输出端，快轴准直镜后面设有第一 透镜3，所述第一透镜3的后上方设有第二透镜4，所述第一透镜3与第二透镜4间形成扩 束系统，能够对激光二极管阵列1向上发出光线的发散角进行压缩。第二透镜4对应于与 第一透镜3相连的另一侧设有高反镜5，所述高反镜5为镀有增反膜的平面反射镜，高反镜 5的反射率高于99% ；高反镜5将激光二极管阵列1沿特定角度向上发出的光线沿原路反 馈回到到激光二极管阵列1中各发光单元的有源区内。第一透镜3与第二透镜4均为柱透 镜，第二透镜4的焦距为第一透镜3焦距的2、倍。第一透镜3与第二透镜4间设有空间 滤波器8，所述空间滤波器8为尺寸和位置可调的孔或缝，用于对激光二极管阵列1输出激 光模式进行进一步选模。第一透镜3的后下方设有衍射光栅6，所述衍射光栅6为闪耀光栅；衍射光栅6与 第一透镜3间设有输出耦合镜7，所述输出耦合镜7为部分透射的平面镜；输出激光将从输 出耦合镜7输出。
第一透镜3的后上支路利用高反镜5的反射作为一个反馈，所述高反镜5与激光 二极管阵列1后端面形成一个共振腔，即外腔；高反镜5不在光轴上，因此形成离轴反馈腔。 对于激光二极管阵列1内的每一个发光单元，在自由运转条件下，二极管的慢轴方向(y方 向)一般都会有几十个侧模在振荡，因此光束质量较差。每个模的远场分布都是一个双瓣结 构，不同阶数的侧向空间模，其空间辐射角不同，式(1)表示第m阶模的空间辐射角，其中，
巧表示发光单元在慢轴方向上的宽度，知表示波数。
由于不同阶数的空间模，辐射角不同，因此可以通过调节高反镜5的倾角，来选定某个 空间模的一个瓣，将其反馈到激光二极管阵列1的各发光单元的有源区内，使其继续振荡 放大，另一瓣作激光输出。根据模式竞争的理论，得到反馈的模式振荡被加强了，其它的模 式被有效地抑制了，这样输出激光的空间模式数量就减少了很多，输出的光束质量就会提 高。由于第一透镜3的上支路利用高反镜5作为公共的反馈镜，因此每个发光单元反馈回 来模的空间辐射角的方向基本差不多，这样最后所有发光单元输出激光的方向性就变得比 较好，光束质量有了一个大的提高。第一透镜3的后下支路是一个光谱组束结构，其包含了第一透镜3，衍射光栅6和 输出耦合镜7。输出耦合镜7，是个部分透射的平面镜。激光二极管阵列1和衍射光栅6分 别放在第一透镜3的前焦面和后焦面，第一透镜3作一个变换透镜。激光二极管阵列1不 同位置的发光单元输出激光经过第一透镜3后以不同的入射角打到衍射光栅6上，经过衍 射光栅6衍射后，打到了输出耦合镜7上，由于输出耦合镜7为部分透射的平面镜，因此衍 射光中与输出耦合镜7法线平行的光部分会沿原路返回。激光二极管阵列1内不同发光单 元输出的激光入射到衍射光栅6的入射角不同，要使衍射光与输出耦合镜7的法线平行，即 衍射光方向相同，则沿输出耦合镜7的法线方向衍射出来的光的波长是不一样，所以每个 发光单元得到反馈波长是不一样的。由于输出耦合镜7作为部分激光的公共反馈，因此激 光二极管阵列1的激光都经过输出耦合镜7后都共轴传播。这样，所有单元输出的激光方 向与单个发光单元输出激光的光束质量类似；因此光束质量有了一个大的提高。如图1所示激光二极管阵列1发出的光首先经过一快轴准直镜2，对快轴方向进 行准直。在激光二极管1在慢轴方向被第一透镜3分成了上、下两个支路，上支路的光线经 过第一透镜3与第二透镜4形成的扩束系统后打到高反镜5上。通过调节高反镜5的倾角， 来选定某个空间模的一个瓣，将其反馈到激光二极管阵列1处，使其继续振荡放大，另一瓣 通过第一透镜3的下支路进行光谱组束。对于下支路，激光二极管阵列1不同位置的发光单元输出激光经过一透镜3后以 不同的入射角打到衍射光栅6上，经过光栅衍射后，打到了输出耦合镜7上，衍射光中与输 出耦合镜7的法线平行光线大部分沿原路返回作反馈，另一部分光透过输出耦合镜7作激 光输出。输出耦合镜7作为公共的反馈镜，因此所有发光单元输出的激光都经过输出耦合 镜7后都共轴传播，所有单元输出的激光与单个发光单元输出激光的光束质量类似，提高 了光束质量。本发明将离轴反馈外腔原理与光谱组束原理结合起来，改善激光二极管阵列1的输出光束质量；本发明不仅能够有效地改善一维激光二极管阵列10 (Laser diode bar)光 束质量，而且还能够改善二维激光二极管阵列9 (Laser diode stack)光束质量。光谱组 束技术能将激光二极管阵列的输出光束质量改善到与单个发光单元光束质量相当，而离轴 反馈外腔装置能改善每一发光单元光束质量，因此将这两种方法组合起来将进一步改善激 光二极管阵列的光束质量。
权利要求
1.一种激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，包括激光二极管阵列(1)及位于所述激 光二极管阵列(1)快轴方向上的快轴准直镜(2)；其特征是所述快轴准直镜(2)对应于与 激光二极管阵列(1)相连的另一侧设有第一透镜(3)，所述第一透镜(3)的后上方依次设有 第二透镜(4)及高反镜(5)，所述高反镜(5)与第二透镜(4)及第一透镜(3)以及激光二极 管阵列后端面形成离轴外反馈腔；第一透镜(3)的后下方设有衍射光栅(6)，所述衍射光栅 (6)与第一透镜(3)间设有输出耦合镜(7)，所述输出耦合镜(7)与衍射光栅(6)及第一透镜 (3)间形成光谱组束结构；激光二极管阵列(1)向上发出的光线经过第一透镜(3)与第二透 镜(4)对发散角压缩后，通过高反镜(5)反馈回所述激光二极管阵列(1)的有源区内，向下 发出的光线经第一透镜(3)的下部射向衍射光栅(6)，经衍射光栅(6)衍射选光后通过输出 耦合镜(7)部分光沿原路反馈回所述激光二极管阵列(1)的有源区内，部分作为输出激光。
2.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述激光 二极管阵列(1)包括一维激光二极管阵列或由至少两个一维激光二极管阵列形成的二维激 光二极管阵列。
3.根据权利要求2所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述一维 激光二极管阵列包括19或49个LD发光单元。
4.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述快轴 准直镜(2)为焦距小于Imm的柱面镜。
5.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述第一 透镜(3)与第二透镜(4)间设有用于选模的空间滤波器(8)。
6.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述衍射 光栅(6)为闪耀光栅。
7.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述第一 透镜(3)与第二透镜(4)均为柱面镜；所述第二透镜(4)的焦距为第一透镜(3)的2、倍。
8.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述高反 镜(5)为镀有增反膜的平面反射镜；所述高反镜(5)的反射率大于99%。
9.根据权利要求1所述的激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其特征是所述输出 耦合镜(7)为部分透射的平面镜。
全文摘要
本发明涉及一种激光二极管阵列的离轴光谱组束装置，其包括激光二极管阵列及快轴准直镜；快轴准直镜的后侧设有第一透镜，第一透镜的后上方依次设有第二透镜及高反镜，高反镜与第二透镜及第一透镜以及二极管阵列的后端面，形成离轴外反馈腔；第一透镜的后下方设有衍射光栅，衍射光栅与第一透镜间设有输出耦合镜，输出耦合镜与衍射光栅及第一透镜间形成光谱组束结构；激光二极管阵列向上发出的光线经过第一透镜与第二透镜对发散角压缩后，打到高反镜，那些平行于高反镜发现反射到快轴准直镜，激光二极管阵列向下发出的光线经第一透镜的下部射向衍射光栅，经衍射光栅衍射后通过输出耦合镜，部分光沿原路反馈到二极管阵列的有源区内，部分作为激光输出。本发明结构简单紧凑，能够改善二维激光二极管阵列的光束质量，安全可靠。
文档编号G02B27/10GK102082396SQ20101059846
公开日2011年6月1日 申请日期2010年12月21日 优先权日2010年12月21日
发明者张秀梅, 苏宙平, 陈国庆 申请人:江南大学