一种同轴激光合束方法与流程

本发明涉及激光光束合成的，更具体地，涉及一种同轴激光合束方法。

背景技术：

1、随着激光技术的发展，更高功率、更好质量的激光光束一直是学术和工业界追求的目标，通过将多束激光合束成一束激光的方式能够增加单束光的亮度，并将多束光的功率叠加，实现高功率输出。

2、目前主要使用激光合束技术的激光器为半导体激光器，这是由于其他激光器可以通过增加谐振腔体积来增加输出功率，相比通过合束的方式，其增加单位功率的成本更低。激光二极管具有高效率、小体积的优势，但受到半导体技术发展的限制，单管激光二极管的功率相比其他类型的激光器更小。非相干合束技术是目前半导体激光器提高功率的主要方法，包括空间合束、偏振合束以及波长合束技术等。然而，实际使用过程中，上述主要的合束技术都有一些无法避免的缺点。

3、空间合束是通过将多个光束紧密挨在一起作为单束光射出，新合束的光束能量分布和光斑形状都会改变。对于描述光线反射和折射的折射定律对给定的自变量，其解是惟一的(材料折射率为常数)，这导致相同波长在不同入射角下的反射角以及折射角会各不相同，进而导致从不同的激光器发出的激光只能平行或者交错，不可能重叠，否则会被另一个激光器阻挡。由于光斑不能重叠在一起，通过堆叠组合的光束不仅形状会改变，光斑之间无法重叠，导致光斑之间的间隙无法避免，光斑能量分布不均匀，最终使得光束质量非常差。这不利于将光束射入具有圆形截面的光纤中，或者泵浦固态增益介质，也难以作为直接半导体激光的光源使用。

4、对于偏振合束，只能对p偏振和s偏振的这两种偏振模式的光进行合束，合束的两束光同轴重叠在一起，因此只能对两个激光器进行同轴合束，而不能将大于两个光束合束成一束同轴光束。

5、波长合束是将不同波长的光束进行同轴合束，但是只能在同一个圆心上合束不同的波长，多束相同波长激光无法实现同轴。波长合束与偏振合束一样，每次同轴合束的光束是有限的(不同波长的激光二极管数量有限)，如果需要增大光功率，只能与空间合束相结合，将一对有多束空间合束的光束阵列组同轴合束，同时继承空间合束的全部缺点。

技术实现思路

1、本发明目的在于克服现有的主要激光合束技术，包括空间合束、偏振合束以及波长合束的共同或者各自的缺陷，提供一种同轴激光合束方法，能够使得合束之后的激光光束所产生的光斑保持能量均匀，可应用于任一种类型的激光器，例如气体激光器和固体激光器，同时可以将任意数量的激光器进行同轴合束，实现激光器功率以及数量的叠加。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供了一种同轴激光合束方法，该方法包括以下步骤：

3、步骤s1、在激光射入合束组件之前，对激光二极管的光束分别进行准直，使其变成平行的光束；

4、步骤s2、将经过步骤s1准直的其中一个激光光束透过锥透镜，并产生圆形或者椭圆形或者两个半圆形状的光斑，光斑的几何中心位置处形成没有光斑的空间部分，所述光斑为能量分布在半径相同的所有位置都一致的圆光斑；

5、步骤s3、经步骤s1准直的另一激光光束通过反射合束镜射入在步骤s2中形成的空间部分，使另一激光光束所产生的光斑填充满所述空间部分，两束激光光束形成同轴的合束光束；

6、步骤s4、将步骤s3产生的合束光束进行缩束，将合束光束的半径缩小至与步骤s1所述的光束的半径相同，并对合束光束进行准直；

7、步骤s5、重复步骤s2-步骤s4，直至最终产生的合束光束的功率达到目标值。

8、激光二极管由于pn结发光位置不同，会形成两个方向的发散角，称之为二极管的快轴和慢轴，因此在射入合束组件之前，需要对激光二极管的光束进行准直，使其变成平行或者接近平行的光束。在此基础上，为了使合束后的激光所产生的光斑为圆光斑(所述圆光斑表示能量分布在半径相同的所有位置都一致的光斑)，本发明的工作原理为：通过折射或者反射原理，将激光光束所产生的光斑“劈开”或者“周向拉伸”，使光斑的几何中心的位置处形成没有光斑的空间部分。这一操作步骤可以通过锥透镜来实现，也可以通过反射合束镜直接实现。形成空间部分后，通过反射合束镜在所述空间部分内置入另一激光光束，使其中一个光束的外边缘与空间部分的内边缘贴合，这样，合束后的光斑依旧满足圆光斑的性质，不会造成合束后光斑质量的降低。由于合束必然导致了激光光束面积的增加，为了便于后续的操作，需要对合束激光进行缩束，即将激光光束面积缩减到与原始激光的光束面积相同或者接近。准直后的合束光束与原始激光光束的半径接近或者相同，但是功率是两个激光光束之和，因此明显地增加了合束光束的总功率，当需要进一步增加激光功率时，只需重复上述步骤，将另一激光光束与合束激光进行合束、缩束，即可形成另一合束激光，其总功率是各个激光之和。理论上，激光合束过程可以进行无数次的“整形-合束-缩束”，直至最后生成的激光的功率达到目标值。

9、进一步地，步骤s1中，在激光二极管光束射出方向设有快轴准直镜和慢轴准直镜，所述快轴准直镜和慢轴准直镜为柱面镜或者圆柱镜。二极管的快轴是垂直于激光芯片正表面的，慢轴是平行于芯片表面的，快轴的发散角一般在40-60度左右，远大于慢轴，因此对于不进行准直处理的激光管二极管发射的光斑，一般是呈现椭圆形的，椭圆的长轴是快轴，短轴是慢轴。因此，需要通过快轴准直镜和慢轴准直镜对激光光束进行准直，使其变成平行或者接近平行的光束。激光二极管经过快、慢轴准直后的平行光斑是椭圆形或者正圆形的，光斑的形状可以通过改变快轴准直镜和慢轴准直镜的几何参数来改变。在实际制造中，激光二极管由于封装方式以及准直镜形状的影响，最终准直的光束不一定是圆形或者是椭圆形的，但是形状的改变并不影响使用本发明的合束技术进行合束，对几乎所有形状的平行光都能进行合束。因此在本发明中的快轴准直镜和慢轴准直镜的形状或者类型没有具体要求，其中也可以包括光束整形元件，即先对光束整形，再准直。总而言之对准直方法不做要求，只要最终使准直后的光束是平行光束即可。

10、进一步地，步骤s2中，由于常用的激光光束所产生的光斑直径不超过0.5mm，该光斑的空间部分的面积则更小，在实际操作过程中难以精确地将另一激光光束置入所述空间部分并使光斑的边缘对齐。因此，将激光进行扩束并空心化以增加其产生的光斑的面积是有利于激光合束的。所述扩束通常使用锥透镜，通过锥透镜的二次整形来实现。在实心光束被锥透镜第一次整形成为空心光束后，其能量的空间分布改变，排除镜片的细微损耗，激光光束总的能量并没有减少。在合束时，空心光束需要继续保持平行光，因此还需要对第一次整形后的光束进行第二次整形以准直，消除其发散角变为平行光束。两次整形所使用的锥透镜可以是两个平凸锥透镜，也可以是一个两端都是平凸锥面的锥透镜。使用平凸锥透镜获得空心的圆环光斑后，处于靠近圆心的部分会与处于原来圆光斑边缘的部分调换，即圆环内侧的是原来圆光斑边缘，圆环外侧的是圆光斑中心的部分，这样导致了合束以后的新光斑能量分布与初始的激光能量分布不一致，因此需要通过再一次反射的方式将圆环光斑内外翻转，使其能量分布情况与初始的激光能量分布相同。当然，两次整形所使用的锥透镜还可以是两个平凹锥透镜，或者是一个两端都是平凹锥面的锥透镜，能够同样地将平行的实心光束被整形成为空心的平行光束，并且不会造成激光光束的能量分布的改变。空心的平行光束相较于直接“劈开”光束形成两个半圆光斑的好处是，其产生的空间部分仍然是圆形的，这样另一激光光束的圆形光斑可以更好地贴合；相较之下，如果是“劈”成两个半圆光斑，其中间的空间部分是矩形，将另一激光光束所产生的圆形光斑置入空间部分时，空间部分的四个角落仍然存在有部分没有被光斑“填充”的区域，这样会造成光斑的能量分布不均匀，激光合束效果相对较差。

11、进一步地，作为其中一种选优方案，使用两个平凹锥透镜对激光光束进行两次整形，使光束形成圆环形光圈之后仍然保持相对平行。当然，也可以使用一个两端都是平凹锥面的锥透镜，能够同样地将平行的实心光束被整形成为空心的平行光束，并且不会造成激光光束的能量分布的改变。

12、进一步地，作为另一种优选方案，使用两个平凸锥透镜，或者是一个两端都是平凸锥面的锥透镜实现对于激光光束的整形。与前一方案相比，使用平凸锥透镜产生的光束的能量分布与原始光束的能量分布相反。无论是激光二极管还是其他类型的激光器，一般使用的都是tem00模式的光束，即是一个能量分布服从高斯分布的圆形光斑，使用平凸锥透镜获得空心的圆环光斑后，处于靠近圆心的部分会与处于原来圆光斑边缘的部分调换，即圆环内侧的是原来圆光斑边缘，圆环外侧的是圆光斑中心的部分，这样导致了合束以后的新光斑能量分布为中心和边缘大，它们过渡之间的区域能量小。因此，需要对经过平凸锥透镜的激光光束进行能量翻转。常见的翻转方式是在锥透镜内部侧壁上设置全反射，反射后的光束照射在锥透镜另外一端的平凹锥透镜进行准直，之后获得符合中间大两侧小的空心圆环光束。另一常见方式是在激光光束穿过平凸锥透镜后穿过球面镜，通过球面镜进行准直或者翻转，获得能量翻转的平行环形光束。此外，任何通过将空心光束以反射方式翻转能量分布的方案都在本发明的保护范围内。

13、进一步地，步骤s3中，通过反射合束镜将两个激光光束合束，反射合束镜在需要透过的光束区域设置平面透镜或者不安装任何材料，而在需要反射光束的区域安装反射镜或者全反射棱镜，使合束的两束光没有重叠的部分。合束时空心光束或者两个半圆光束与要合束的圆光束以垂直角度射入反射合束镜的两个面，其中一个面能够透过使其中一束光透过，另外一个面会将另外一束光反射90度，在反射后两个束光的光轴重合，圆光束穿过空心光束内部空心的区域将其填满，重合的光束变为一束新的圆光束。本发明中，这个合束组件能够持续地叠加，直至足够数量的激光光束被合束成一体。

14、进一步地，作为其中一种优选方案，反射合束镜透过要合束的圆光束，反射空心光束或者两个半圆光束。当然，作为另一种优选方案，反射合束镜也可以透过空心光束或者两个半圆光束，反射要合束的圆光束。二者所应用的原理是相同的。在此原理下，还可以同时进行多个空心光束与实心光束进行合束，因此本发明可以适用于任何数量的激光二极管。上述两种方案中，反射合束镜元件以及缩束镜之间的搭配使用不同，因而造成合束光路不相同，使用的反射合束镜也不相同，可分为镜片反射或者全内反射。镜片反射的方案是，在镜片上镀有高反射膜，镜片中间钻出通孔使实心圆光束可以通过，而与该实心圆光束垂直的空心光束的射入方向与镜片呈45°角，其照射在镜片上后反射，与实心圆光束实现同轴合束。另一方面，全内反射的方案是利用一个类似长方体的棱镜，使实心圆光束在棱镜中间区域穿过而不发生变形，与该实心圆光束垂直的空心光束与棱镜斜边呈45°角，其照射在斜边后发生全内反射，实现与实心圆光束的同轴合束。对于将光束变为空心光束的过程，锥透镜是必要的，但是仅在一个维度将光束劈成两个半圆这一过程，平面锥透镜并不一定是必要的，可以直接使用反射合束镜完成，即直接将其中一个准直后的光束直接照射在反射合束镜上，此时反射合束镜的两个反射面在垂直与光束轴向方向没有间隙，仅在光束轴向留有与需要合束的光束半径一致的间隙以合束，这样可以不需要锥透镜而直接实现将圆光束劈开，可以减少元件数量以及对准及定位步骤，但是相对于加装锥透镜，劈开后的两个半圆的光程差会加大，且光斑定位难度大，尽管作为其中一种方案在发明保护范围内，但带有锥透镜的方案更优。

15、进一步地，在进行激光合束过程中所使用到的棱镜，各个之间都是相对独立的，这也就意味着，在安装时需要保证每一个棱镜在x、y、z三轴向以及θx、θy、θz的六个自由度上都对齐，否则会导致激光光路的变形。因此，在同一合束原理的应用下，发明人将所使用的圆柱体的棱镜和反射合束镜平面化，除了准直镜以外的所有光学元件都集成在一块长方体外形的透明材料上，形成合束平板棱镜。这个技术方案可以看成是常规方案的降维变体。合束平板棱镜的主体上设有若干用于折射激光光束的折射部，折射部通常为镂空状，因此在加工生产时，只需要控制一个加工轴的精度，就能够满足激光合束过程中的精度要求。所述折射部包括至少一个反射合束镜、至少一对用于将激光光束进行二次整形的锥透镜组、以及至少一个缩束镜，上述光学元件通过特定的位置排列，形成对于至少两个激光光束的合束。当然，对于激光二极管来说，由于其一般用的是柱面镜进行准直，因此准直镜也可以集成进合束平板棱镜中。合束平板棱镜可以通过镂空不同形状来改变不同元件的形状，达到替换元件的目的。

16、进一步地，合束平板棱镜的主体为高透过率的光学玻璃，折射部常见为镂空状，即折射部内部“填充了”空气作为折射介质。合束平板棱镜的工作原理是通过折射介质与光学玻璃之间的折射率差异而产生的光线折射来完成光束整形以及准直。因此，折射部镂空仅作为其中一种优选方案，折射部内也可以填充其他气相、固相或者液相介质，只需要保证折射部内的介质的折射率低于光学玻璃的折射率即可。值得注意的是，合束平板棱镜的其中一种固相介质方案是不需要镂空，而是利于物理或者化学的方法改变折射部的折射率。例如，采用外加电场引起电光效应改变折射率，外加磁场引起磁光效应改变折射率，外加应力场改变折射率，在折射部注入元素或者使用光折变效应改变折射部光学玻璃的光学性能，进而改变折射率。通过这些方法引起折射部与主体的折射率不同。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

18、1.本发明创造了一种能够实现多个激光光束(主要是激光二极管产生的)进行空间合束的方法，合束的光束能够实现同轴合束，合束的激光二极管数量以及光束波长都没有限制；本发明所提出的合束方法可以通过改变激光二极管的数量或者调整激光二极管的功率来调整光斑的能量分布；

19、2.合束后的光斑基本与合束前的光斑形状接近一致，或者呈现近圆的形状，相比目前的空间合束产生的排列光斑，更容易耦合进光纤内，同时也适合直接将合束激光输出使用，即做成直接半导体激光器；

20、3.本发明所述的合束平板棱镜在生产制造过程中的精度要求较低，成本显著减少，易于加工，适合批量生产。