一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成光学装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置的技术方案，该方案的光学系统的光路分两层，第一层光路是二极管激光线阵的空间拼接光路，第二层是二极管激光的光谱合成光路，第一层和第二层之间通过两片反射镜实现光路连接，光谱合成后的激光从窗口镜输出或耦合进入光纤输出。本发明设计的分层排布被动散热二极管激光光谱合成激光系统可靠性高、结构紧凑，体积小，可作为工业加工或军用高可靠性激光光源。
【专利说明】一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成光学装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光器技术应用领域，尤其是一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置。
【背景技术】
[0002]在现有技术中，公知的技术是，光谱合成技术直接利用二极管激光器组成高效率、紧凑的激光系统而不通过中间泵浦的转换过程，可以使合成激光的光束质量与参与合成的子发光单元相当，弥补了二极管激光器光束质量较差的缺点，大大提高了二极管激光器的发光亮度。目前，现有的二极管激光光谱合成激光系统通常采用主动散热的方法，使用微通道热沉液冷循环方式对二极管激光线阵进行散热，这种散热方式的缺点是散热系统体积大、维护保养复杂，可靠性较低，这是现有技术所存在的不足之处。
【发明内容】
[0003]本发明的目的，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置的技术方案，该方案采用采用被动散热方式，二极管激光线阵采用可靠性高的热沉散热方式，光谱合成光路采用立体排布方式，能够减小二极管激光光谱合成激光系统的体积。
[0004]本方案是通过如下技术措施来实现的:
一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，包括有第一层结构底板和第二层结构底板；第一层结构底板上设置有二极管激光线阵、拼接反射镜、平面冷板和下反射镜；第二层结构底板上设置有上反射镜、慢轴转换柱透镜、折转反射镜、平面光栅、外腔镜；所述二极管激光线阵采用热沉散热方式，固定在平面冷板上；二极管激光线阵发出的激光束经过拼接反射镜发射后在二极管激光线阵快轴方向上实现空间拼接，二极管激光线阵发光面与拼接后的激光束输出面等光程排列，拼接后的激光束经过下反射镜反射后射向上反射镜，上反射镜将激光束发射至慢轴转换柱透镜，激光束穿过慢轴转换柱透镜后经过折转反射镜发射后射向平面光栅，激光束穿过平面光栅后穿过外腔镜输出。
[0005]作为本方案的优选:拼接反射镜与二极管激光线阵数量相等且一一对应，拼接反射镜在二级激光线阵的快轴和慢轴两个方向上都改变入射激光束的出射角。
[0006]作为本方案的优选:被下反射镜反射的激光束在快轴方向上转折90°入射到上反射镜，激光束经过上反射镜反射后光轴与第二层结构底板平行。
[0007]作为本方案的优选:平面光栅为反射平面光栅或透射平面光栅，材料为光学玻璃或光学晶体。
[0008]作为本方案的优选:第二层结构底板上设置有窗口镜；穿过外腔镜的激光束经过折转反射镜折射后从窗口镜输出。
[0009]作为本方案的优选:第二层结构底板上设置有整形透镜组、聚焦透镜组和光纤；穿过外腔镜的激光束依次穿过整形透镜组和聚焦透镜组后射入光纤输出。
[0010]作为本方案的优选:拼接反射镜和二极管激光线阵的数量为至少I组。
[0011]本方案中光路分两层，第一层是二极管激光线阵的空间拼接光路，第二层是二极管激光光谱合成光路，第一层和第二层之间通过两片反射镜实现光路连接。
[0012]第一层中，采用多片被动散热的二极管激光线阵作为光谱合成的光源，每片二级管激光线阵上装配有快轴准直微透镜和慢轴准直微透镜。二极管激光线阵分两组，每一组先利用拼接反射镜在二极管激光线阵快轴方向上进行空间拼接，两组二极管激光线阵再在慢轴方向上进行拼接。每一组中的二极管激光线阵都固定在同一块平面冷板上，二极管激光线阵发光面与拼接后的激光输出面等光程排列，每一片二级管激光线阵各对应一块拼接反射镜，拼接反射镜在二级激光线阵的快轴和慢轴两个方向上都改变激光的出射角，二级管激光线阵发出的激光经过拼接反射镜反射后在快轴方向实现高占空比拼接。
[0013]每一块拼接反射镜反射的激光在快轴方向上倾斜相同的角度，以避开后续光路中的拼接反射镜，反射激光的角弧度β计算公式如下:
Θ =d/L
其中，V是单片二极管激光线阵的出射激光在快轴方向上的尺寸'L是同一组拼接反射镜相互之间的中心间隔。
[0014]二极管激光线阵的数量由二极管激光光谱合成激光系统的总出光功率、光谱合成效率和二极管激光线阵的出光功率决定，其计算公式如下:
M=Ptota/ (Pd/ rI)
其中，#是二极管激光线阵的数量是合成后输出激光总功率;/ν是单个二极管激光线阵的输出激光功率；η是光谱合成效率。
[0015]第二层中，主要光学元件包括慢轴转换柱透镜、光路折转反射镜、平面光栅、外腔镜，采用光栅外腔法实现二极管激光的光谱合成。慢轴转换柱透镜的作用是对二极管激光线阵的每一个发光单元进行准直，并以不同角度入射在光栅上，同时确保各光束在光栅面上重叠。慢轴转换柱透镜的前焦平面与第一层中每一片二极管激光线阵的出光面重合，慢轴转换柱透镜的后焦平面与平面光栅的中心线重合。平面光栅的作用是对二极管激光线阵各个发光单元发出的激光进行合成。
[0016]二极管激光光谱合成激光系统可以直接从窗口镜输出激光，也可以根据需要I禹合进入光纤。输出激光需要耦合进入光纤时，在外腔镜输出后续光路中加入整形光学组件和耦合聚焦光学组件，激光经过整形后耦合进入光纤。
[0017]由此可见，本发明与现有技术相比，二极管激光线阵采用被动散热方式，冷却系统体积小，易于维护，可靠性高；激光系统的光路采用分层排布，结构紧凑，体积小，重量轻，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的第一层光路的结构示意图。
[0019]图2是本发明的第一层与第二层之间的连接光路的结构示意图。
[0020]图3是本发明的实施例1中第二层光路的结构示意图。
[0021]图4是本发明的实施例2中第二层光路的结构示意图。
[0022]图中，I?12为二极管激光线阵，13?24为拼接反射镜，25、26为平面冷板，27为第一层结构底板，28为下反射镜，29为上反射镜，30为慢轴转换柱透镜，31、32、35为折转反射镜，33为平面光栅，34为外腔镜，36为窗口镜，37为第二层结构底板，38为整形透镜组，39为聚焦透镜组,40为光纤。
【具体实施方式】
[0023]本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
[0024]本说明书(包括任何附加权利要求、摘要和附图)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。
[0025]实施例1
图1是本发明的分层排布被动散热二极管激光光谱合成激光系统第一层光路结构示意图。图中，二极管激光线阵(I?12)采用热沉冷却方式，每一片二极管激光线阵(I?12)对应一块拼接反射镜(13?24)。二极管激光线阵(I?6)作为第一组，固定在平面冷板25上，与之对应的拼接反射镜(13?18)的作用是反射二极管激光线阵(I?6)发出的激光，使激光在二极管激光线阵(I?6)的快轴方向上实现高占空比拼接；二极管激光线阵(7?12)作为第二组，固定在平面冷板26上，与之对应的拼接反射镜(19?24)的作用是反射二极管激光线阵(7?12)发出的激光，使激光在二极管激光线阵(7?12)的快轴方向上实现高占空比拼接；第一组二极管激光线阵(I?6)和第二组二极管激光线阵(7?12)在慢轴方向上并列排布。
[0026]图1中，二极管激光线阵(I?12)的出光面到下反射镜28等光程排布，在本例中光程为120mm，例如，二极管激光线阵6的出光面到拼接反射镜13的光程为20mm，拼接反射镜13到下反射镜28的光程为100mm，二极管激光线阵6到下反射镜28的中光程为120mm。
[0027]图1中，拼接反射镜(13?24)在二级激光线阵(I?12)的快轴和慢轴两个方向上都改变激光的出射角，在快轴方向上使入射激光向上仰0.05弧度，错开后续光路中的其他拼接反射镜，在慢轴方向上使入射激光转折90度。
[0028]图2是本发明的分层排布被动散热二极管激光光谱合成激光系统第一层与第二层之间的连接光路结构示意图。下反射镜28固定在第一层结构底板27上，上反射镜29固定在第二层结构底板37上，拼接后的激光被下反射镜28反射后进入上反射镜29，再被上反射镜29反射后激光的光轴与第二层结构底板37平行。
[0029]图3是本发明的分层排布被动散热二极管激光光谱合成激光系统第二层光路结构示意图。慢轴转换柱透镜30的作用是对二极管激光线阵(I?12)的每一个发光单元发出的激光在慢轴方向上进行准直，并以不同角度入射在光栅上，同时确保各光束在平面光栅33上重叠。二极管激光线阵(I?12)的出光面和平面光栅33分别置于慢轴转换柱透镜30的前后焦平面上，本实例中慢轴转换柱透镜30的焦距为250mm。慢轴转换柱透镜30准直后的激光经过转折反射镜(31、32)反射后以60度入射到平面光栅33。本实例中平面光栅33采用透射式平面光栅，作用是对二极管激光线阵各个发光单元发出的激光进行合成。外腔镜34的作用是提供反馈激光和输出合成后的激光，本实例中其反射率是20%。外腔镜34输出的合成激光经过折转反射镜35反射后从窗口镜36输出。
[0030]实施例2
本实施例包含图1、图2、图4。图4是本实施例的分层排布被动散热二极管激光光谱合成激光系统第二层光路结构不意图。本实施例与实施例1的基本结构相同，不同之处在于:实施例1中，从外腔镜34输出的激光经过折转反射镜35后从窗口镜36输出；本实施例中，光谱合成激光耦合进入光纤输出。
[0031]图4中，从外腔镜34输出的激光经过整形透镜组38整形后在快轴和慢轴方向上束散角相同，激光经过折转反射镜35反射后进入聚焦透镜组39，聚焦透镜组39的作用是使激光耦合进入光纤40中。
[0032]本发明并不局限于前述的【具体实施方式】。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
【权利要求】
1.一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:包括有第一层结构底板和第二层结构底板；所述第一层结构底板上设置有二极管激光线阵、拼接反射镜、平面冷板和下反射镜；所述第二层结构底板上设置有上反射镜、慢轴转换柱透镜、折转反射镜、平面光栅、外腔镜；所述二极管激光线阵采用热沉散热方式，固定在平面冷板上；所述二极管激光线阵发出的激光束经过拼接反射镜发射后在二极管激光线阵快轴方向上实现空间拼接，二极管激光线阵发光面与拼接后的激光束输出面等光程排列，拼接后的激光束经过下反射镜反射后射向上反射镜，上反射镜将激光束发射至慢轴转换柱透镜，激光束穿过慢轴转换柱透镜后经过折转反射镜发射后射向平面光栅，激光束穿过平面光栅后穿过外腔镜输出。
2.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:所述拼接反射镜与二极管激光线阵数量相等且一一对应，拼接反射镜在二级激光线阵的快轴和慢轴两个方向上都改变入射激光束的出射角。
3.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:被下反射镜反射的激光束在快轴方向上转折90°入射到上反射镜，激光束经过上反射镜反射后光轴与第二层结构底板平行。
4.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:所述平面光栅为反射平面光栅或透射平面光栅，材料为光学玻璃或光学晶体。
5.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:所述第二层结构底板上设置有窗口镜；穿过外腔镜的激光束经过折转反射镜折射后从窗口镜输出。
6.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:所述第二层结构底板上设置有整形透镜组、聚焦透镜组和光纤；穿过外腔镜的激光束依次穿过整形透镜组和聚焦透镜组后射入光纤输出。
7.根据权利要求1所述的一种分层排布被动散热二极管激光光谱合成装置，其特征是:所述拼接反射镜和二极管激光线阵的数量为至少I组。
【文档编号】H01S5/00GK104201561SQ201410492555
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】张凯, 李建民, 卢飞, 田飞, 雒仲祥, 叶一东, 尹新启, 颜宏, 唐淳 申请人:中国工程物理研究院应用电子学研究所