专利名称：多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置及方法，属于半导体激光技术领域，尤指一种可实现高亮度激光输出的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置及方法。
背景技术：
激光的亮度用于评价激光可被聚焦的能力，亮度越高，表示可被聚焦的能力越强，获得的激光功率密度越高，实现高亮度的激光输出对于激光应用于国防、工业等领域具有重要意义。亮度具体定义如下
P
B=-=-
12-(M2)
其中P表不激光输出功率A表不激光波长,M2表不激光的传输因子。一般的光束合束方法，如空间合束，在增加激光功率P时，M2增大，使得整体的亮度B反而降低，偏振和波长合束方法对整体的亮度B增加有限。光谱合束技术是实现高亮度激光输出的有效方法，它将N束单元激光束合成一束激光输出，输出激光束的传输因子M2与单元光束保持一致，则实现在M2不变条件下，将输出功率提高N倍，从而将激光亮度提高N倍。常规的光谱合束是激光阵列与光栅一一对应，当多个激光阵列合束时，需要采用多个光栅，由于每个光谱合束的光路非常长，多个独立的光谱合束光路将使整个激光系统的体积非常庞大，不利于激光系统的小型化，同时所采用的光栅造价昂贵，平均每片售价高达数万人民币，这也使得整个激光系统的成本大大增加，不利于激光系统的规模化生产。
发明内容
为了实现小型化、低成本的高亮度激光系统，本发明提供了一种可实现高亮度激光输出的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置及方法，以解决常规的光谱合束是激光阵列与光栅一一对应，当多个激光阵列合束时，需要采用多个光栅，由于每个光谱合束的光路非常长，多个独立的光谱合束光路将使整个激光系统的体积非常庞大，不利于激光系统的小型化，同时所采用的光栅造价昂贵，这也使得整个激光系统的成本大大增加，不利于激光系统的规模化生产的问题。从而达到提高系统的集成性，便于整个系统小型化，同时降低系统的成本的目的。本发明的技术方案如下
一种可实现高亮度激光输出的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其包括两个激光阵列、场镜和光栅，其激光阵列为半导体激光器阵列或光纤输出激光器阵列，为多个不同输出波长的激光阵列的组合；场镜为具有消球差、彗差和色差设计的正透镜。其中
半导体激光器阵列为单个半导体激光器列阵(bar)、或是多个半导体激光器列阵组成的线阵或迭阵；光纤输出激光器阵列是以光纤为输出介质的全固态激光器或光纤激光器，经光纤输出端阵列式排列而成；
激光阵列中单元激光的输出波长与对应的光栅入射角满足光栅方程，并且激光阵列中单元激光具有相同的衍射角，激光阵列中单元激光具有相同的衍射角；
光栅为反射式或透射式光栅，衍射光只存在+1级或只存在-I级，且衍射效率在90%以
上；
光栅具有高损伤阈值，要求激光连续工作模式下，大于10KW/cm2。—种多光束共用一个光栅进行光谱合束的方法，由两个相同的激光阵列、场镜和光栅组成的激光阵列关于轴OP对称放置，激光阵列输出的多束传输方向相互平行、波长Al, λ 2, λ 3单调变化的单元激光束，经场镜作用后，以不同角度入射到光栅上，并在光栅 处光斑空间完全重叠，要求单元光束与对应的入射角满足相同衍射角的光栅方程，然后经光栅作用后，使激光阵列的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束，分别实现高亮度激光输出。两组相同的激光阵列组合(NI……NN和NI’……ΝΝ’ )实现共用一个光栅进行光谱合束应用方法为每一组激光阵列组合(NI……NN)中的单元激光阵列之间的输出单元光束波长各不相同，且均满足光栅方程，并具有相同的衍射角，经过各种的场镜偏折光路后，由光栅作用，使得激光阵列组合(NI……NN)输出激光光束N，激光阵列组合(NI ’……ΝΝ’)输出激光束N’。本发明具有如下优点
(一)集成度高，多个激光阵列经过同一个光栅进行光谱合束，各个光路之间形成有效叠加，便于实现激光系统的小型化；
(二)成本低，多个激光列阵共用一个光栅进行光谱合束，减少造价昂贵的光栅数量，便于激光系统的规模化生产；
(三)高亮度激光束输出，如激光列阵与激光列阵为多个激光阵列的组合，实现更高亮度的激光输出。
图I为本发明整体结构示意图。图2为本发明半导体激光器阵列示意图。图3为本发明光纤输出激光器阵列示意图。图4为本发明激光阵列单元光束波长、入射角和衍射角示意图。图5为本发明多个激光阵列的合束示意图。附图含义1，1’，NI，ΝΝ，NI’，ΝΝ’·激光阵列、11，12，13，11’，12’、13’ ·激光阵列输出单元光束、2，2’，21，2Ν，21’，2Ν’ .场镜、3-光栅、4，4’，N, N’ .光谱合束后的激光输出光束、光栅输出端.Α、另一光栅输出端.Al。
具体实施例方式如附图I所示，由两个相同的激光阵列(1，I’)、场镜(2，2’)和光栅(3)组成。两个的激光阵列(1，I’)关于轴OP对称放置，其中OP为光栅的法线，激光阵列(1，I’)输出的多束传输方向相互平行、波长单调变化的单元激光束(11，12，13和11’，12’，13’)，经场镜(2，2’)作用后，以不同角度入射到光栅(3)上，并在光栅(3)处光斑空间完全重叠，要求单元光束与对应的入射角满足相同衍射角的光栅方程，然后经光栅作用后，使激光阵列(I)的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束(4)，激光阵列(I’)的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束(4’)，分别实现高亮度激光输出。方法中涉及的激光阵列(1，1’)可以是半导体激光器列阵，如图2所示，半导体激
光列阵上的N个发光点输出不同波长(λ I, λ 2...... λΝ_1, λ N)的单兀激光束,且波长呈
线性变化，也可以是如图3所示的以光纤作为输出介质的全固态激光器或光纤激光器，其中Al代表光纤输出端,每根光纤输出的波长各不相同,然后将光纤输出端按波长单调变化关系线性排列。
激光阵列(I)输出的单元激光束(11，12，13)经场镜(2)作用后，其角度和波长满足光栅方程。如附图4所示，设光栅周期为Λ，单元激光束(11，12，13)的波长分别为入1，λ 2, λ 3,在光栅上的入射角为Θ 1，Θ 2, Θ 3,输出激光束具有共同的衍射角为Θ ,光栅衍射级次为-I级，则各个单元光束需满足下列关系
Λ* (sin Θ 1+sin θ ) = - λ ;
Λ * (sin θ 2+sin θ ) = - λ 2 ;
Λ * (sin θ 3+sin θ ) = - λ 3 ;
图5为本专利的扩展，两组相同的激光阵列组合(NI……NN和NI’……ΝΝ’)实现共用一个光栅进行光谱合束应用，每一组激光阵列组合(NI……NN)中的单元激光阵列之间的输出单元光束波长各不相同，且均满足光栅方程，并具有相同的衍射角。经过各种的场镜偏折光路后，由光栅作用，使得激光阵列组合(NI……NN)输出激光光束N，激光阵列组合(NI，……ΝΝ’)输出激光束N’。
权利要求
1.一种多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其特征在于包括 两个激光阵列(1，I’)、场镜(2，2’)和光栅(3)，其激光阵列(1，I’)为半导体激光器阵列或光纤输出激光器阵列，为多个不同输出波长的激光阵列的组合；场镜(2，2’)为具有消球差、彗差和色差设计的正透镜。
2.根据权利要求I所述的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其特征在于半导体激光器阵列为单个半导体激光器列阵(bar)、或是多个半导体激光器列阵组成的线阵或迭阵；光纤输出激光器阵列是以光纤为输出介质的全固态激光器或光纤激光器，经光纤输出端阵列式排列而成。
3.根据权利要求I或2所述的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其特征在于激光阵列(1，Γ)中单元激光(11，12，13和11’，12’，13’)的输出波长与对应的光栅入射角满足光栅方程，并且激光阵列(I)中单元激光(11，12，13)具有相同的衍射角，激光阵列(Γ)中单元激光(11’，12’，13’)具有相同的衍射角。
4.根据权利要求I所述的多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其特征在于光栅(3)为反射式或透射式光栅，衍射光只存在+1级或只存在-I级，且衍射效率在90%以上。
5.根据权利要求I所述的光束共用一个光栅进行光谱合束的装置，其特征在于光栅(3)具有高损伤阈值，要求激光连续工作模式下，大于10KW/cm2。
6.一种多光束共用一个光栅进行光谱合束的方法，其特征在于 由两个相同的激光阵列(1，I’)、场镜(2，2’)和光栅(3)组成的激光阵列(1，I’)关于轴OP对称放置,激光阵列(1，Γ)输出的多束传输方向相互平行、波长λ 1，λ 2, λ 3单调变化的单元激光束(11，12，13和11’，12’，13’)，经场镜(2，2’)作用后，以不同角度入射到光栅(3)上，并在光栅(3)处光斑空间完全重叠，要求单元光束与对应的入射角满足相同衍射角的光栅方程，然后经光栅作用后，使激光阵列(I)的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束(4)，分别实现高亮度激光输出。
7.一种多光束共用一个光栅进行光谱合束的方法，其特征在于所述的两组相同的激光阵列组合(NI……NN和NI’……ΝΝ’)实现共用一个光栅进行光谱合束应用方法为每一组激光阵列组合(NI……NN)中的单元激光阵列之间的输出单元光束波长各不相同，且均满足光栅方程，并具有相同的衍射角，经过各种的场镜偏折光路后，由光栅作用，使得激光阵列组合(NI……NN)输出激光光束(N)，激光阵列组合(NI’……ΝΝ’)输出激光束(N’)。
全文摘要
本发明为一种多光束共用一个光栅进行光谱合束的装置及方法，属于半导体激光技术领域，其两个相同的激光阵列对称放置在光栅的法线OP两侧，激光阵列分别输出的多束传输方向相互平行、波长λ1,λ2,λ3单调变化的单元激光束，经场镜偏折光路后，以不同角度入射到光栅上，并在光栅处光斑空间完全重叠，然后经光栅作用后，使激光阵列的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束，激光阵列的单元光束在近场和远场相互重合，形成激光束，分别实现高亮度激光输出。该方法可应用于多个激光阵列进行光谱合束，使激光系统整体结构简单紧凑，便于器件小型化、集成化，同时减少光栅使用量，降低系统成本。
文档编号G02B27/10GK102879909SQ201210358928
公开日2013年1月16日 申请日期2012年9月25日 优先权日2012年9月25日
发明者王峙皓, 甘露, 张淑珍 申请人:长春德信光电技术有限公司