一种基于双光栅的蓝光合束装置及蓝光合束方法

1.本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种基于快慢轴光束准直、光束压缩以及双衍射光栅组光谱合束的蓝光半导体激光阵列合束装置及方法，是一种新型的基于双光栅的蓝光合束装置及蓝光合束方法。
技术背景
2.大功率蓝光半导体激光器在解决为汽车提供动力的电池电极、集成电子元件、航空航天所用到的零件的铜基等反射率高材料的加工时，具有得天独厚的优势。由于蓝色波段激光不存在对红外激光反射率高的情况造成的纯铜以及铜合金制造难、焊接难等问题，因此未来大功率蓝光半导体激光器应用在工业领域会拥有更高的效率。
3.国外公司如德国的laserline公司在2019年研制并发布了一款1kw的蓝光半导体激光器；美国的nuburu公司也在同年发布了转为铜焊接加工而生的输出功率为500w，波长为450nm，型号为ao-500的工业蓝光半导体激光器，ao-500蓝光激光器利用交错反射镜和偏振镜将四个独立的200w光束输出模块以最小的能量损耗耦合成一束光。
4.目前行业内主要采用的合束方法有：空间合束、偏振合束以及光谱合束等。在使用空间合束时，限于基础的激光合束原理，空间合束虽然比较容易实现激光的高功率输出，但大大降低了光束质量；在使用偏振合束后对于输出功率的提高非常有限，且输出的激光虽然具有较高的光束质量，但就算每个激光单元具有衍射极限的光束质量，通过偏振合束后光束质量也会相应的变差，很难达到固体以及光纤激光器的水平。光谱合束(又称外腔波长光束组合)是利用将不同的激光单元在不同的波长上锁定，再利用具有色散效应的色散元件使各个光束向着同一个方向输出。实际使用时利用单个或多个衍射光栅对半导体激光器二极管发出的单个光束进行光谱合束。使用这种光栅合束的优点是可以比其他方法对更多的激光器发光单进行合束，这样就增加了激光的输出功率，更重要的是，整形后的光束质量保持与单个激光二极管单元一致，利用这种方法可以使半导体激光器的输出光束在具有较高的功率同时拥有较高的光束质量。
5.国内一些科研机构已经对普通半导体激光器的光谱合束有了一些成果。长春光学精密机械与物理研究所在2013年利用透射式光栅作为衍射元件对多个红外半导体激光单元进行光谱合束。由于使用的是投射式光栅因此入射光束和衍射光束分别在光栅的两侧，且他们的夹角一般超过90
°
，这种光谱合束方法不仅容易调整光路而且可以对更多的激光单元进行合束。但在使用光栅对半导体激光器进行光谱合束过程中，当一束具有一定线宽的激光光束入射到光栅时由于光栅的色散作用会产生衍射效应并增大光束发散角，使光束质量降低，并且在传输透镜较长时由于整体光程增加造成了单个激光光束的交调，这种衍射效应使光束质量下降的情况会更加明显；北京工业大学朱占达在2016年为了进一步提升光谱合束的光束质量，提出了在之前单个光栅基础上加入一个光栅刻线相同的透射式光栅形成光栅对，该方法可以有效消除光束仅经过一个光栅产生的光束质量降低以及相邻两束激光的反馈串扰，但这种方式由于并未对光束进行压缩以缩小光束间距，因而能够参与合
束的激光发光单元数量不足因而最终的输出功率不足。
6.国内目前对蓝光半导体激光阵列的光谱合束的例子较少，因此目前的现有合束设备与方法还无法输出同时拥有较高功率与较高光束质量的蓝光激光。


技术实现要素：

7.针对现有研究成果的不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种基于双光栅的蓝光合束装置及蓝光合束方法，以达到实现提高蓝光光束质量且能够对更多的光束进行光谱合束的目的。
8.为实现上述目的，本发明提供了一种基于双光栅的蓝光合束装置，包括蓝光半导体激光阵列，以及沿光路按顺序设有预先设置好相应参数的快轴准直镜与慢轴准直镜、光束转折压缩元件组、梯形光束压缩元件、斜条型光束压缩元件、光束偏转元件、双衍射光栅组和输出耦合镜。
9.可选的，所述蓝光半导体激光阵列中包括依次排列成阵列的若干个蓝光半导体激光发射单元，所述蓝光半导体激光发射单元用于输出若干条等间距排列、且激光光束方向相同的蓝光光束；
10.所述快轴准直镜与慢轴准直镜用于分别准直所述蓝光半导体激光阵列中若干个发光单元输出的蓝光光束，减小蓝光光束快轴方向与慢轴方向的远场发散角；
11.所述光束转折压缩原件组包含平行放置的一面全反射镜以及一面半透过半反射镜，所述光束转折压缩原件组用于初步压缩所述蓝光半导体激光阵列中若干个发光单元所输出的等距、同方向的蓝光光束，缩小每束蓝光光束之间的距离；
12.所述梯形光束压缩元件和所述斜条型光束压缩元件用于进一步对通过光束转折压缩原件组的若干蓝光光束压缩，使每束蓝光光束之间的距离达到很小的数值；
13.所述光束偏转元件将从所述斜条型光束压缩元件中出射的若干个蓝光光束折射不同角度，从而使所述若干个蓝光光束入射到所述双衍射光栅组的第一衍射光栅的同一片区域，将重叠在所述第一个光栅的同一区域的多束蓝光光束，以相应的衍射角衍射并入射到第二衍射光栅上，进而利用所述双衍射光栅组的共同作用，使多束蓝光光束合并为一束蓝光并输出，这一束输出的即为蓝光合束光束，所述第一衍射光栅位于所述第二衍射光栅和所述光束偏转元件之间，所述第一衍射光栅与所述第二衍射光栅之间非平行放置；
14.所述输出耦合镜用于输出并反馈所述双衍射光栅组输出的蓝光合束光束，使其一部分沿光路反射分别回到所述蓝光半导体激光阵列中对应的发射单元的输出镜上形成反馈，同时另一部分蓝光光束则作为蓝光合束光束从所述输出耦合镜输出。
15.可选的，所述蓝光半导体激光阵列所发射的等间距的蓝光光束个数为偶数，记为2n个且n是自然数，所述蓝光半导体激光阵列1由最上端到最下端发射的蓝光光束分别记为第1级、第2级、
……
第n-1级、第n级、第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级。
16.可选的，所述光束转折压缩元件组由一面全反射镜和一面半透过半反射镜组成，所述全反射镜与所述半透过半反射镜平行，且均与由所述蓝光半导体激光阵列输出光束的光路出射方向a呈45
°
夹角，且半透过半反射镜被等距地分为透射单元与反射交错单元42，所述透射单元与所述反射交错单元间隔设置；
17.第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级蓝光光束直接通过半透过半反射镜的投射单
元水平出射，而位于上部的全反射镜将第1级、第2级、
……
第n-1级、第n级蓝光光束偏转90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的各级蓝光光束水平射出并被均匀的穿插到第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级蓝光光束之间，达到第一步压缩光束的目的，且蓝光光束的顺序变为第n+1级、第1级、第n+2级、第2级、
……
第2n级、第n级。
18.可选的，所述梯形光束压缩元件为梯形四棱柱，所述梯形光束压缩元件的上底面和下底面均呈平面梯形结构，所述梯形光束压缩元件的上底面的面积小于所述梯形光束压缩元件的下底面的面积，所述梯形光束压缩元件的下底面与所述光束转折压缩元件组的光路输出方向相对；
19.所述梯形光束压缩元件内沿所述光路输出的延伸方向，开设有贯穿所述上底面和所述下底面的通孔，所述梯形光束压缩元件与所述光路输出方向相对应的一侧面，开有与所述通孔相贯通的进光孔，所述通孔依次由第一四棱柱通孔、第一梯形四棱柱通孔、第二四棱柱通孔和第二梯形四棱柱通孔构成，其中，所述第一梯形四棱柱通孔的下底面与所述第一四棱柱通孔的上底面大小相匹配，所述第一梯形四棱柱通孔的上底面与所述第二四棱柱通孔的下底面大小相匹配，所述第二四棱柱通孔的上底面与所述第二梯形四棱柱通孔的下底面大小相匹配；
20.所述梯形光束压缩元件用于将经过所述光束转折压缩元件组的第n+1级、第1级、第n+2级、第2级、
……
第2n级、第n级蓝光光束分为上下相同数量光束的两部分；
21.其中，当n为偶数时，位于上半部分的第n+1级、第1级、第n+2级、
……
第n+(n/2)-1级、第(n/2)-1级通过所述梯形光束压缩元件的上的第一斜边反射面以及所述梯形光束压缩元件内壁与所述第一斜边反射面平行的第二斜边反射面的偏移以及压缩作用，均匀填充至第n+(n/2)级以及第(n/2)级蓝光光束之间，其中，所述第一斜边反射面与第二斜边反射面均为所述梯形光束压缩元件5的侧棱面；
22.位于下半部分的第n+(n/2)+2级、第(n/2)+2级、
……
第2n2级、第n2级被压缩填充至第n+(n/2)+1级以及第(n/2)+1级之间。当n为奇数时，位于上半部分的第n+1级、第1级、第n+2级、
……
第((n+1)/2)-2级、第n+((n+1)/2)-1级通过梯形光束压缩元件的斜边反射面以及梯形光束压缩元件内壁的若干个与斜边平行的反射面的偏移以及压缩作用均匀填充至第((n+1)/2)-1级以及第n+((n+1)/2)级蓝光光束之间，同理位于下半部分的第((n+1)/2)+1级、第n+((n+1)/2)+2级、
……
第2n级、第n级被压缩填充至第((n+1)/2)级以及第n+((n+1)/2)+1级之间；
23.其中，所述梯形光束压缩元件对上下两部分若干蓝光光束进行分别压缩，故最中间的两条蓝光光束间距与其他光束间距不相等。
24.可选的，所述斜条型光束压缩元件主要结构可以为上下两个与光轴成相同角度摆放的平行六面体棱镜；
25.经过梯形光束压缩元件出射的上半部分若干蓝光光束通过上半部分的平行六面体棱镜的偏移作用光束整体向下偏移，下半部分若干蓝光光束通过下半部分的平行六面体棱镜的偏移作用光束整体向上偏移，最终达到了对位于经过梯形光束压缩元件出射的若干蓝光光束最中间的两条蓝光光束的压缩，保证所有光束的间距重新相等。
26.可选的，所述双衍射光栅组包括第一衍射光栅和第二衍射光栅，所述第一衍射光栅与通过所述光束偏转元件的汇聚光束成littrow结构放置，且放置的位置略小于所述偏
转元件的焦距，littrow结构的角度设为θ
littrow
，蓝光光束波长设为λ，蓝光光束经过所述第一衍射光栅的入射角设为θi，衍射角设为θd，则单衍射光栅方程的微分形式为：
27.d cosθidθi+d cosθddθd＝dλ；
28.单衍射光栅光谱间隔公式为：
[0029][0030]
所述第二衍射光栅与所述第一衍射光栅的出射光线成littrow结构放置，且由于所有的光束在经过所述第二衍射光栅后变为蓝光合束光束，因此衍射角相同，设入射角为θ
i2
，则光栅方程的微分形式为：d cosθ
i2
dθ
i2
＝dλ；
[0031]
由于θi＝θ
i2
＝θ
littrow
，经过所述双衍射光栅组的光谱间隔公式为：
[0032]
其中，d为光栅周期，p为光束阵列中发光单元的周期间隔，ft为变换透镜的焦距；θi为第一衍射光栅(81)的入射角，θ
i2
为第二衍射光栅(82)的入射角，θd为衍射角，λi为第i个发射极的波长，m为衍射级次；
[0033]
由公式可以发现双衍射光栅合束与单衍射光栅合束相比光谱间隔减小了一半，不仅提高了光束质量还能够对更多的光束进行光谱合束。
[0034]
可选的，所述输出耦合镜在朝向所述双衍射光栅组的一面镀有反射膜，用于反射一部分蓝光合束光束以与所述蓝光半导体激光阵列的输出镜外表面形成反馈。
[0035]
可选的，所述蓝光半导体激光阵列的输出镜外表面与所述双衍射光栅组分别位于所述光束偏转元件的前后焦面上。
[0036]
可选的，所述各元件的投射表面设有增透膜。
[0037]
为实现上述目的，本发明还提供了一种蓝光合束方法，所述蓝光合束方法可通过上述的任意一种所述的基于双光栅的蓝光合束装置实现。具体包括：
[0038]
步骤s1，蓝光半导体激光阵列的若干个发光单元输出的第一蓝光光束，发送至快轴准直镜与慢轴准直镜，由所述快轴准直镜与所述慢轴准直镜对所述第一蓝光光束进行准直，输出准直蓝光；
[0039]
步骤s2，所述准直蓝光传输至光束转折压缩原件组，经过所述光束转折压缩原件组压缩处理，输出第一压缩蓝光；
[0040]
步骤s3，所述压缩蓝光先后传输至梯形光束压缩元件和斜条型光束压缩元件，分别经所述梯形光束压缩元件和斜条型光束压缩元件压缩，输出第二压缩蓝光；
[0041]
步骤s4，所述第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件，由所述光束偏转元件将所述第二压缩蓝光折射不同角度从而使所述第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组，并从所述双衍射光栅组输出后，输出合束蓝光；
[0042]
步骤s5，所述合束蓝光入射至耦合镜，所述耦合镜对所述合束蓝光进行进一步处理，输出目标蓝光。
[0043]
其中，所述步骤s2，所述准直蓝光传输至光束转折压缩原件组，经过所述光束转折
压缩原件组压缩处理，输出第一压缩蓝光，具体包括：
[0044]
步骤s201，第n+1级、
……
、第2n-1级以及第2n级准直蓝光的第一光束直接通过半透过半反射镜的投射单元水平出射；
[0045]
步骤s202，位于所述半透过半反射镜上部的全反射镜将第1级、第2级、
……
、第n-1级、第n级蓝光光束偏转90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的准直蓝光的第二光束水平射出并被均匀的穿插到第n+1级、
……
、第2n-1级以及第2n级第一光束之间。
[0046]
其中，所述步骤s4，所述第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件，由所述光束偏转元件将所述第二压缩蓝光折射不同角度从而使所述第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组，并从所述双衍射光栅组输出后，输出合束蓝光，具体包括：
[0047]
步骤s401，所述第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件，由所述光束偏转元件将所述第二压缩蓝光折射不同角度从而使所述第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组的第一衍射光栅；
[0048]
步骤s402，所述第二压缩蓝光穿过所述第一衍射光栅后，入射至第二衍射光栅，输出合束蓝光。
[0049]
其中，所述步骤s5，所述合束蓝光入射至耦合镜，所述耦合镜对所述合束蓝光进行进一步处理，输出目标蓝光，具体包括：
[0050]
步骤s501，所述合束蓝光入射至耦合镜入射端的反射膜，形成反馈蓝光；
[0051]
步骤s502，所述反馈蓝光从所述耦合镜出射端输出，得到合束蓝光。
[0052]
在所述步骤s402，所述第二压缩蓝光穿过所述第一衍射光栅后，入射至第二衍射光栅，输出合束蓝光，之前还包括：
[0053]
步骤s6，采集所述第二压缩蓝光进入所述第一衍射光栅的入射角，及从所述第一衍射光栅发射向所述第二衍射光栅的衍射角；
[0054]
步骤s7，基于所述入射角和所述衍射角计算所述第一衍射光栅与所述第二衍射光栅之间的夹角，根据所述夹角调节第二衍射光栅相对于所述第一衍射光栅的角度。
[0055]
本发明的有益效果为：本发明通过利用光束压缩以及双衍射光栅组，能够使更多的蓝光发光单元参与合束，以提高输出功率的同时保持输出蓝光光束拥有较高的光束质量，从而提升了蓝光半导体激光阵列的整体的激光输出功率以及亮度；并且，本蓝光半导体激光阵列光谱合束装置及方法通过对多个单元发射的蓝光光束进行压缩，有效提升了蓝光半导体激光线阵中远离中心光轴的发射单元的反馈效率，且显著降低了各个蓝光光束的离轴像差以及各单元之间的反馈串扰，并使各蓝光发射单元的波长锁定更加稳定牢固，进而极大地提升了蓝光光谱合束的效率。由公式可以发现双衍射光栅合束与单衍射光栅合束相比光谱间隔减小了一半，不仅提高了光束质量还能够对更多的光束进行光谱合束。并且由于整个装置的光学元件较多，光程较长，在各元件的投射表面增加了增透膜，达到了最佳的光谱合束效果。
附图说明
[0056]
图1为本发明整体装置结构示意图；
[0057]
图2为本发明中的蓝光半导体激光阵列输出的蓝光光束经快轴与慢轴准直镜准直
的结构示意图；
[0058]
图3为本发明中设计的光束转折压缩元件结构与光路示意图；
[0059]
图4为本发明中设计的梯形光束压缩元件结构示意图；
[0060]
图5为本发明中设计的斜条型光束压缩元件结构示意图；
[0061]
图6为本发明中的光束偏转元件结构示意图；
[0062]
图7为本发明中设计的双衍射光栅组与输出耦合镜结构以及光路示意图；
[0063]
图8为本发明蓝光合束方法一实施例的示意图；
[0064]
图9为本发明蓝光合束方法另一实施例的示意图；
[0065]
上述图中的数字编号含义为：1为蓝光半导体激光阵列，2为快轴准直镜，3为慢轴准直镜，4为光束转折压缩元件组，5为梯形光束压缩元件，6为斜条型光束压缩元件，7为光束偏转元件，8为双衍射光栅组，9为输出耦合镜，41为透射单元，42为反射交错单元，51为第一斜边反射面，52为第二斜边反射面，81为第一衍射光栅，82为第二衍射光栅。
具体实施方案
[0066]
为使本发明的内容更加清晰简洁、贴近实际，下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明中的具体实施例中所涉及到的各种技术方案只要彼此之间无任何冲突就可以相互组合。
[0067]
如图1所示为本发明的一实施例装置的结构示意图，本装置包括蓝光半导体激光阵列1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、光束转折压缩元件组4、梯形光束压缩元件5、斜条型光束压缩元件6、光束偏转元件7、双衍射光栅组8、输出耦合镜9。
[0068]
具体的，参照图1，本实施例中的蓝光半导体激光阵列1含有8个输出功率为5w的发光单元(即n＝4)，总共输出8条传输方向相同且间距相等的蓝光光束，且波长在450nm左右。蓝光半导体激光阵列1由上端到下端的蓝光光束分别为第1级、第2级、
……
、第7级、第8级。
[0069]
参照图2，蓝光半导体激光阵列首先通过快轴准直镜2与慢轴准直镜3，对从上端到下端的8条蓝光光束的快轴与慢轴分别进行准直，减小每一束蓝光的快轴与慢轴方向的远场发散角。
[0070]
参照图3，8条蓝光光束被均匀分为上下两个部分，第5级、第6级、第7级、第8级光束通过光束转折压缩元件组4下半部分的半透射半反射镜的投射单元水平射出，第1级、第2级、第3级、第4级蓝光光束通过上半部分的反射镜的偏转作用入射到光束转折压缩元件组4下半部分的半透射半反射镜的反射单元，并通过反射单元的偏转作用均匀的填充在第5级、第6级、第7级、第8级蓝光光束之间。此时蓝光光束的顺序变为第5级、第1级、第6级、第2级、第7级、第3级、第8级、第4级，且8条光束的间距相等。
[0071]
参照图1与图4，经过光束转折压缩元件组4的8条蓝光光束继续被梯形光束压缩元件5均匀的分为上下两部分。位于上半部分的第5级与第1级蓝光光束通过梯形光束压缩元件5的斜边以及内壁与斜边平行的两个反射面的偏移与压缩作用均匀地填充在第6级与第2级蓝光光束之间；同理位于下半部分的第8级与第4级蓝光光束被压缩均匀填充在第7级与第3级之间。8条蓝光光束的顺序变为第6级、第5级、第1级、第2级、第7级、第8级、第4级、第3级，且第2级与第7级光束的间距与其他光束间距不相等。
[0072]
参照图1与图5，经过梯形光束压缩元件5的8条蓝光光束继续被均匀分为上下连个部分。位于上部的第6级、第5级、第1级和第2级蓝光光束通过斜条型光束压缩元件6上半部分棱镜的偏移作用向下偏移；同理位于下部的第7级，第8级、第4级与第3级光束向上偏移，通过使用合适尺寸的斜条型光束压缩元件6使第2级与第7级光束之间的间距与其他蓝光光束间距相等；
[0073]
参照图1、图6与图7，第6级、第5级、第1级、第2级、第7级、第8级、第4级、第3级等间距蓝光光束通过光束偏转元件7的汇聚作用入射到littrow结构放置(角度大约为34.4
°
)的第一个衍射光栅上的同一片区域，经过第一个光栅后以相应的衍射角入射到第二个同样以littrow结构放置的衍射光栅上，并以相同的衍射角输出，即为蓝光合束光束。蓝光合束光束入射到输出耦合镜9后一部分通过输出耦合镜内侧的反射膜(反射率在20％左右)反射与蓝光半导体激光阵列的输出镜外表面分别形成反馈，用于锁定波长，提高合束效率，另一部分光束作为高功率蓝光合束光束输出。
[0074]
上述实施例是以n值为偶数进行的详细阐述，当n值为奇数时同样能够实现对整个蓝光半导体激光阵列的光束压缩与光谱合束；相应的，本发明中的快轴准直镜2、慢轴准直镜3、光束转折压缩元件4、梯形光束压缩元件5以及斜条型光束压缩元件6均可以根据蓝光半导体激光阵列1发光单元的数量不同在尺寸上作出相应调整；光束偏转元件的参数也可做出适当调整只要满足可以入射到双衍射光栅组8的同一片区域即可；输出耦合镜9的反射率与透过率均可做出适当调整，只要满足输出功率尽可能大且光束质量尽可能好即可。本发明中的光学元件除特殊说明外均采用现有技术生产或直接采用市售商品。
[0075]
蓝光半导体激光阵列1中包括依次排列成阵列的若干个蓝光半导体激光发射单元，蓝光半导体激光发射单元用于输出若干条等间距排列、且激光光束方向相同的蓝光光束；
[0076]
快轴准直镜2与慢轴准直镜3用于分别准直蓝光半导体激光阵列1中若干个发光单元输出的蓝光光束，减小蓝光光束快轴方向与慢轴方向的远场发散角；
[0077]
光束转折压缩原件组4包含平行放置的一面全反射镜以及一面半透过半反射镜，光束转折压缩原件组4用于初步压缩蓝光半导体激光阵列1中若干个发光单元所输出的等距、同方向的蓝光光束，缩小每束蓝光光束之间的距离；
[0078]
在本实施例中，本装置拥有更小的体积。由于对若干个蓝光发射单元发出的光束使用一对平行放置的全反射镜以及半透半反镜进行第一步压缩，因此后续的两个特殊形状的棱镜体积也更小；在使用上述光束压缩元件组进行压缩后蓝光光束间距已经非常小，因此后续的偏转元件以及双光栅的尺寸也可以相应减小，进而使整个装置体积更小。
[0079]
梯形光束压缩元件5和斜条型光束压缩元件6用于进一步对通过光束转折压缩原件组4的若干蓝光光束压缩，使每束蓝光光束之间的距离达到很小的数值；
[0080]
光束偏转元件7将从斜条型光束压缩元件6中出射的若干个蓝光光束折射不同角度，从而使若干个蓝光光束入射到双衍射光栅组8的第一衍射光栅81的同一片区域，将重叠在第一个光栅的同一区域的多束蓝光光束，以相应的衍射角衍射并入射到第二衍射光栅82上，进而利用双衍射光栅组8的共同作用，使多束蓝光光束合并为一束蓝光并输出，这一束输出的即为蓝光合束光束，第一衍射光栅81位于第二衍射光栅82和光束偏转元件7之间，所述第一衍射光栅81与所述第二衍射光栅82之间非平行放置；由于蓝光在经过衍射后角度会
与刚进入第一衍射光栅81的入射角存在差异，因此，在本实施例中，第一衍射光栅81与第二衍射光栅82之间非平行放置，若不存在差异时，则也可以平行设置。
[0081]
输出耦合镜9用于输出并反馈双衍射光栅组8输出的蓝光合束光束，使其一部分沿光路反射分别回到蓝光半导体激光阵列1中对应的发射单元的输出镜上形成反馈，同时另一部分蓝光光束则作为蓝光合束光束从输出耦合镜9输出。
[0082]
蓝光半导体激光阵列1所发射的等间距的蓝光光束个数为偶数，记为2n个且n是自然数，蓝光半导体激光阵列1由最上端到最下端发射的蓝光光束分别记为第1级、第2级、
……
第n-1级、第n级、第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级。
[0083]
光束转折压缩元件组4由一面全反射镜和一面半透过半反射镜组成，全反射镜与半透过半反射镜平行，且均与由蓝光半导体激光阵列1输出光束的光路出射方向a呈45
°
夹角，且半透过半反射镜被等距地分为透射单元41与反射交错单元42，透射单元41与反射交错单元42间隔设置；
[0084]
第n+1级、
……
、第2n-1级以及第2n级蓝光光束直接通过半透过半反射镜的投射单元水平出射，而位于上部的全反射镜将第1级、第2级、
……
第n-1级、第n级蓝光光束偏转90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的各级蓝光光束水平射出并被均匀的穿插到第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级蓝光光束之间，达到第一步压缩光束的目的，且蓝光光束的顺序变为第n+1级、第1级、第n+2级、第2级、
……
第2n级、第n级。
[0085]
梯形光束压缩元件5为梯形四棱柱，梯形光束压缩元件5的上底面和下底面均呈平面梯形结构，梯形光束压缩元件5的上底面的面积小于梯形光束压缩元件5的下底面的面积，梯形光束压缩元件5的下底面与光束转折压缩元件组4的光路输出方向相对；
[0086]
梯形光束压缩元件5内沿光路输出的延伸方向，开设有贯穿上底面和下底面的通孔，梯形光束压缩元件5与光路输出方向相对应的一侧面，开有与通孔相贯通的进光孔，通孔依次由第一四棱柱通孔、第一梯形四棱柱通孔、第二四棱柱通孔和第二梯形四棱柱通孔构成，其中，第一梯形四棱柱通孔的下底面与第一四棱柱通孔的上底面大小相匹配，第一梯形四棱柱通孔的上底面与第二四棱柱通孔的下底面大小相匹配，第二四棱柱通孔的上底面与第二梯形四棱柱通孔的下底面大小相匹配；
[0087]
梯形光束压缩元件5用于将经过光束转折压缩元件组4的第n+1级、第1级、第n+2级、第2级、
……
第2n级、第n级蓝光光束分为上下相同数量光束的两部分；
[0088]
其中，当n为偶数时，位于上半部分的第n+1级、第1级、第n+2级、
……
第n+(n/2)-1级、第(n/2)-1级通过梯形光束压缩元件5的上的第一斜边反射面51以及梯形光束压缩元件5内壁与第一斜边反射面51平行的第二斜边反射面52的偏移以及压缩作用，均匀填充至第n+(n/2)级以及第(n/2)级蓝光光束之间，其中，第一斜边反射面与第二斜边反射面均为梯形光束压缩元件5的侧棱面；
[0089]
位于下半部分的第n+(n/2)+2级、第(n/2)+2级、
……
第2n2级、第n2级被压缩填充至第n+(n/2)+1级以及第(n/2)+1级之间。当n为奇数时，位于上半部分的第n+1级、第1级、第n+2级、
……
第((n+1)/2)-2级、第n+((n+1)/2)-1级通过梯形光束压缩元件的斜边反射面以及梯形光束压缩元件内壁的若干个与斜边平行的反射面的偏移以及压缩作用均匀填充至第((n+1)/2)-1级以及第n+((n+1)/2)级蓝光光束之间，同理位于下半部分的第((n+1)/2)+1级、第n+((n+1)/2)+2级、
……
第2n级、第n级被压缩填充至第((n+1)/2)级以及第n+((n+
1)/2)+1级之间；
[0090]
其中，梯形光束压缩元件5对上下两部分若干蓝光光束进行分别压缩，故最中间的两条蓝光光束间距与其他光束间距不相等。
[0091]
斜条型光束压缩元件6主要结构可以为上下两个与光轴成相同角度摆放的平行六面体棱镜；
[0092]
经过梯形光束压缩元件5出射的上半部分若干蓝光光束通过上半部分的平行六面体棱镜的偏移作用光束整体向下偏移，下半部分若干蓝光光束通过下半部分的平行六面体棱镜的偏移作用光束整体向上偏移，最终达到了对位于经过梯形光束压缩元件5出射的若干蓝光光束最中间的两条蓝光光束的压缩，保证所有光束的间距重新相等。
[0093]
双衍射光栅组8包括第一衍射光栅81和第二衍射光栅82，所述第一衍射光栅81与通过所述光束偏转元件7的汇聚光束成littrow结构放置，且放置的位置略小于所述偏转元件7的焦距，littrow结构的角度设为θ
littrow
，蓝光光束波长设为λ，蓝光光束经过所述第一衍射光栅81的入射角设为θi，衍射角设为θd，则单衍射光栅方程的微分形式为：
[0094]
d cosθidθi+d cosθddθd＝dλ；
[0095]
单衍射光栅光谱间隔公式为：
[0096][0097]
所述第二衍射光栅82与所述第一衍射光栅81的出射光线成littrow结构放置，且由于所有的光束在经过所述第二衍射光栅82后变为蓝光合束光束，因此衍射角相同，设入射角为θ
i2
，则光栅方程的微分形式为：d cosθ
i2
dθ
i2
＝dλ；
[0098]
由于θi＝θ
i2
＝θ
littrow
，经过所述双衍射光栅组8的光谱间隔公式为：
[0099]
其中，d为光栅周期，p为光束阵列中发光单元的周期间隔，ft为变换透镜的焦距；θi为第一衍射光栅(81)的入射角，θ
i2
为第二衍射光栅(82)的入射角，θd为衍射角，λi为第i个发射极的波长，m为衍射级次；
[0100]
由公式可以发现双衍射光栅合束与单衍射光栅合束相比光谱间隔减小了一半，不仅提高了光束质量还能够对更多的光束进行光谱合束；本实施例中，先通过光束压缩元件组对若干个蓝光激光单元的输出光束进行压缩，使蓝光光束更加密集；其次利用双衍射光栅组8的特性允许数量更多的蓝光激光单元参加合束，进而大幅度提高了最终的蓝光光束的输出功率；最终的蓝光合束激光具有较高的光束质量、反馈稳定且合束效率高，首先使用光束压缩元件组对多个单元发射的蓝光光束进行压缩，有效提升了蓝光半导体激光线阵中远离中心光轴的发射单元的反馈效率，且显著降低了反馈串扰，进而极大地提升了蓝光光谱合束的效率，并使各蓝光发射单元的波长锁定更加稳定牢固；其次使用双衍射光栅8,在避免仅通过单独一个衍射光栅所造成的光束质量退化，同时有效避免了相邻单元之间的反馈串扰，并且使用双衍射光栅的方式比仅使用单个衍射光栅合束光谱间隔与辐射谱宽均减小一半，进而拥有更好的光束质量。
[0101]
输出耦合镜9在朝向双衍射光栅组8的一面镀有反射膜，用于反射一部分蓝光合束光束以与蓝光半导体激光阵列1的输出镜外表面形成反馈。
[0102]
蓝光半导体激光阵列1的输出镜外表面与双衍射光栅组8分别位于光束偏转元件7的前后焦面上。
[0103]
各元件的投射表面设有增透膜，图中未标出。
[0104]
为实现上述目的，本发明还提供了一种蓝光合束方法，蓝光合束方法可通过上述的任意一种基于双光栅的蓝光合束装置实现。
[0105]
参照图8，具体包括：
[0106]
步骤s1，蓝光半导体激光阵列1的若干个发光单元输出的第一蓝光光束，发送至快轴准直镜2与慢轴准直镜3，由快轴准直镜2与慢轴准直镜3对第一蓝光光束进行准直，输出准直蓝光；
[0107]
步骤s2，准直蓝光传输至光束转折压缩原件组4，经过光束转折压缩原件组4压缩处理，输出第一压缩蓝光；
[0108]
步骤s3，压缩蓝光先后传输至梯形光束压缩元件5和斜条型光束压缩元件6，分别经梯形光束压缩元件5和斜条型光束压缩元件6压缩，输出第二压缩蓝光；
[0109]
步骤s4，第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件7，由光束偏转元件7将第二压缩蓝光折射不同角度从而使第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组8，并从双衍射光栅组8输出后，输出合束蓝光；
[0110]
步骤s5，合束蓝光入射至耦合镜9，耦合镜9对合束蓝光进行进一步处理，输出目标蓝光。
[0111]
其中，步骤s2，准直蓝光传输至光束转折压缩原件组4，经过光束转折压缩原件组4压缩处理，输出第一压缩蓝光，具体包括：
[0112]
步骤s201，第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级准直蓝光的第一光束直接通过半透过半反射镜的投射单元水平出射；
[0113]
步骤s202，位于半透过半反射镜上部的全反射镜将第1级、第2级、
……
第n-1级、第n级蓝光光束偏转90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的准直蓝光的第二光束水平射出并被均匀的穿插到第n+1级、
……
第2n-1级以及第2n级第一光束之间。
[0114]
其中，步骤s4，第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件7，由光束偏转元件7将第二压缩蓝光折射不同角度从而使第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组8，并从双衍射光栅组8输出后，输出合束蓝光，具体包括：
[0115]
步骤s401，第二压缩压缩蓝光传输至光束偏转元件7，由光束偏转元件7将第二压缩蓝光折射不同角度从而使第二压缩蓝光入射至双衍射光栅组8的第一衍射光栅81；
[0116]
步骤s402，第二压缩蓝光穿过第一衍射光栅81后，入射至第二衍射光栅82，输出合束蓝光。
[0117]
其中，步骤s5，合束蓝光入射至耦合镜9，耦合镜9对合束蓝光进行进一步处理，输出目标蓝光，具体包括：
[0118]
步骤s501，合束蓝光入射至耦合镜9入射端的反射膜，形成反馈蓝光；
[0119]
步骤s502，反馈蓝光从耦合镜9出射端输出，得到合束蓝光。
[0120]
参照图9，在所述第二压缩蓝光穿过所述第一衍射光栅81后，入射至第二衍射光栅
82，输出合束蓝光的步骤之前还包括：
[0121]
步骤s6，采集所述第二压缩蓝光进入所述第一衍射光栅81的入射角，及从所述第一衍射光栅81发射向所述第二衍射光栅82的衍射角；
[0122]
步骤s7，基于入射角和衍射角计算第一衍射光栅81与第二衍射光栅82之间的夹角，根据夹角调节第二衍射光栅82相对于第一衍射光栅81的角度。
[0123]
在本实施例中，可以通过硬件装置或自动化的装备采集数据，并实现根据夹角调节第二衍射光栅82相对于所述第一衍射光栅81的角度的目的。
[0124]
本发明提供了一种对蓝光半导体激光器的光谱合束解决方案，利用本方案所给出的装置与方法能够在保证较高的光束质量前提下有效提升蓝光半导体激光器的输出功率，使其可以更广泛的应用于对蓝或红外激光反射率高的金属如纯铜以及铜合金的焊接以及制造加工领域。
[0125]
最后应当重点说明的是，上述实施例虽然对本发明进行了定量的详细阐述，但并不用于限制本发明，本领域的技术人员容易理解，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。