一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置

本发明涉及半导体激光，具体涉及一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置。

背景技术：

1、半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、波长丰富和可以直接电驱动等诸多优点，但其光束质量以及单个发光单元输出功率极大限制了它的应用领域。而外腔反馈光谱合束是一种提高阵列半导体激光器亮度和光束质量的有效方法，极大提高了半导体激光器的性能。

2、外腔光谱合束实现多路激光在近场和远场同时空间重叠，合成至单一孔径输出的激光，合束后整体的光束质量和单个发光单元接近，输出功率是单个发光单元的n倍。但由于光栅的色散和外腔反馈的作用，使得各个激光单元起振在不同波长，导致合束后的整体线宽展宽。因此，阵列半导体激光器的光谱合束技术在泵浦激光器等一些要求窄线宽的领域应用非常受限。

3、通常高功率的光谱合束输出需要多个阵列半导体激光参与合束，但是单个阵列半导体激光器光谱合束后输出光束的整体线宽，决定了能够参与光谱合束的阵列半导体激光器个数。而且整体线宽随着参与光谱合束的阵列半导体激光器个数增加而增大，若单个阵列半导体激光器的光谱合束线宽太宽，则增益带宽允许参与光谱合束的半导体激光阵列的个数就会下降。同时光栅的高衍射效率只存在一定波长范围，参与光谱合束的阵列半导体激光器个数增加的越多，则偏离光栅最大衍射效率的波长越远，整体的光谱合束效率就会降低。如果以牺牲效率来换取多个阵列半导体激光器的光谱合束，那样半导体激光器高转换效率的优势将得不到体现。因此，实现单个阵列半导体激光器光谱合束后的窄线宽输出，成为实现多个阵列半导体激光器光谱合束的关键。

4、目前，为了获得窄线宽光谱合束输出，一般采用长焦距传输透镜、高刻线密度衍射光栅以及光栅对等方法来压缩光谱线宽，但这些方法都会造成外腔长度大幅增加、合束效率下降、成本增高等负面影响。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置；其通过在外腔中引入斜方棱镜组合，对阵列半导体激光器出射的光束进行分割重排，将光谱合束方向的光束宽度缩短2/3左右，进而有效的将光谱合束线宽压缩2/3左右，为实现阵列半导体激光器的光谱合束线宽窄化以及系统小型化提供一种新方案。

2、本发明公开了一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；

3、所述阵列半导体激光器和衍射光栅分别位于柱面传输透镜的前后焦平面上，所述输出耦合镜放置在所述衍射光栅的-1级衍射光输出方向且与-1级衍射光垂直；

4、所述斜方棱镜组合对所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束进行分割重排，所述慢轴方向为光谱合束方向；一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束，将慢轴方向光束宽度缩短2/3；所述柱面传输透镜将多部分光束转换为不同角度入射至衍射光栅上，经所述衍射光栅衍射后入射至所述输出耦合镜。

5、作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜组合包含两组；

6、第一组包含在慢轴方向平行放置的多片斜方棱镜，用于将所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束分割为多部分，相对于中间部分光束，一侧光束向上偏移，另一侧光束向下偏移，两侧偏移量相等；

7、第二组包含在快轴方向交错放置多片斜方棱镜，将两侧光束在慢轴方向发生等距位移，两侧光束的出射位置与中间光束在快轴方向上重合；

8、所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束。

9、更进一步，第一组和第二组均包含三片斜方棱镜，所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束，此时慢轴方向的光束宽度相对于原先缩短了2/3左右。

10、作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。

11、作为本发明的进一步改进，所述阵列半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％，以减少内腔反馈的影响，更好的实现外腔波长锁定；所述阵列半导体激光器包括但不限于线阵半导体激光器和叠阵半导体激光器中的一种。

12、作为本发明的进一步改进，所述快轴准直镜为柱面微透镜，所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列；所述快轴准直镜和慢轴准直镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；快轴准直镜、慢轴准直镜分别对线阵半导体激光器输出激光的快慢轴进行准直，以降低光束发散角。

13、作为本发明的进一步改进，在所述光谱合束方向上，所述柱面传输透镜将所述斜方棱镜组合分割重排后的光束叠加到衍射光栅上，通光面镀增透膜，透过率≥99％。

14、作为本发明的进一步改进，所述衍射光栅与光轴按littrow角放置，所述阵列半导体激光器的光束偏振方向与所述衍射光栅的衍射偏振方向匹配，以达到高衍射效率；所述衍射光栅包括但不限于反射式衍射光栅和透射式衍射光栅中的一种。

15、作为本发明的进一步改进，所述输出耦合镜将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，剩余比例的光束作为输出光束出射。与现有技术相比，本发明的有益效果为：

16、本发明的光谱合束装置可以在采用短焦距的柱面传输透镜的情况下实现窄线宽光谱合束输出，极大缩短了合束结构的外腔长度，提高了合束结构的可靠性和稳定性。

技术特征：

1.一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；

2.如权利要求1所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜组合包含两组；

3.如权利要求2所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，第一组和第二组均包含三片斜方棱镜，所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束。

4.如权利要求2所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。

5.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述阵列半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％；所述阵列半导体激光器包括但不限于线阵半导体激光器和叠阵半导体激光器中的一种。

6.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述快轴准直镜为柱面微透镜，所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列；所述快轴准直镜和慢轴准直镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。

7.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，在所述光谱合束方向上，所述柱面传输透镜将所述斜方棱镜组合分割重排后的光束叠加到衍射光栅上，通光面镀增透膜，透过率≥99％。

8.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅与光轴按littrow角放置，所述阵列半导体激光器的光束偏振方向与所述衍射光栅的衍射偏振方向匹配。

9.如权利要求8所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅包括但不限于反射式衍射光栅和透射式衍射光栅中的一种。

10.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，剩余比例的光束作为输出光束出射。

技术总结
本发明公开了一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；阵列半导体激光器和衍射光栅分别位于柱面传输透镜的前后焦平面上，输出耦合镜放置在衍射光栅的‑1级衍射光输出方向且与‑1级衍射光垂直；斜方棱镜组合对阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束进行分割重排，一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束；柱面传输透镜将多部分光束转换为不同角度入射至衍射光栅上，经衍射光栅衍射后入射至输出耦合镜。本发明可在小体积、高稳定度的情况下实现窄线宽的光谱合束输出。

技术研发人员：姜梦华,金装,刘友强,秦文斌
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13