一种半导体激光器的光谱合束装置

本发明涉及半导体激光，具体涉及一种半导体激光器的光谱合束装置。

背景技术：

1、半导体激光器具有效率高、结构紧凑、波长范围宽、成本低、可靠性高等优良特性。然而传统的半导体激光器光束质量差，直接输出功率和亮度较低。为了扩展半导体激光器在工业加工(如表面处理、焊接、增材制造、切割)和激光器抽运(如光纤激光器、固体激光器、碱金属蒸汽激光器等激光器的泵浦源)等方面的应用，获得高功率、高亮度、高光束质量的直接半导体激光光源，已成为亟待解决的关键技术问题，激光合束技术被证明是解决该问题的有效方法之一。

2、对半导体激光器输出光束进行合束的方法分为相干合束和非相干合束。相干合束要求精密控制合束激光器的频率、相位和偏振，技术难度高。非相干合束又分为空间合束、偏振合束、波长合束和光谱合束；其中，空间合束是将多束激光在空间进行排列，在提高功率的同时会降低光束质量，其亮度并没有提升；偏振合束是利用偏振合束器件将偏振方向互相垂直的两束光合成一束，可在不改变光束质量的情况下使功率和亮度翻倍；波长合束是利用二向色镜等器件将不同波长的光合成一束，但合束光束的波长间隔和数量受到限制；光谱合束利用色散元件使多路不同波长的激光在近场和远场同时实现空间重叠，合成至单一孔径输出的激光，合束后整体的光束质量与单束激光相当，输出功率为合束激光的功率之和。

3、外腔光谱合束是实现光谱合束的方法之一，其采用部分反射的外腔镜将半导体激光器阵列输出光束的一部分反射回阵列作为反馈光实现波长锁定，剩余部分进行光谱合束输出。当外腔镜反射率低时，反馈回半导体激光器阵列的功率较低，不易形成外腔锁定，无法实现光谱合束。当外腔镜反射率高时，反馈回半导体激光器阵列的功率较高，容易实现外腔锁定，但高功率造成输出功率和效率较低，甚至会造成半导体激光器阵列损坏。由于成本原因，难以制作一系列反射率连续的外腔镜，无法实现反馈光比例的最优化选择，影响输出光束的功率和效率，甚至影响长期工作可靠性。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种半导体激光器的光谱合束装置，其通过在外腔中引入的可旋转半波片和偏振分束器实现输出光束和反馈光束占比的精确调节，从而在实现波长锁定的同时获得最高功率和效率的合束光束输出。

2、本发明公开了一种半导体激光器的光谱合束装置，包括：半导体激光器以及沿半导体激光器的光轴依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、第一可旋转半波片和偏振分束器；

3、所述偏振分束器的透射光束方向上依次设有第二可旋转半波片、第一柱面传输透镜和第一衍射光栅，所述偏振分束器的反射光束方向上依次设有第二柱面传输透镜和第二衍射光栅；所述第一衍射光栅的-1级衍射光作为输出光束、所述第二衍射光栅的-1级衍射光束经全反射镜反射作为反馈光束回到半导体激光器，或者，所述第一衍射光栅的-1级衍射光束经全反射镜反射作为反馈光束回到半导体激光器、所述第二衍射光栅的-1级衍射光作为输出光束；所述第一可旋转半波片和第二可旋转半波片可调节波片旋转角度。

4、作为本发明的进一步改进，所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜焦距相同，所述半导体激光器设置在所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜的焦平面上，所述第一衍射光栅设置在所述第一柱面传输透镜的焦平面上，所述第二衍射光栅设置在所述第二柱面传输透镜的焦平面上，所述全反射镜对入射其上的衍射光束进行全反射，反馈回所述半导体激光器以实现外腔波长锁定。

5、作为本发明的进一步改进，所述第一可旋转半波片和第二可旋转半波片可通过旋转半波片的角度来改变通过半波片的光束的偏振态；通过旋转所述第二可旋转半波片，可改变所述偏振分束器透射光束的偏振态，使其与所述第一衍射光栅的偏振态匹配，以获得最高的衍射效率；通过旋转所述第一可旋转半波片，可改变所述半导体激光器输出光束的偏振态，以改变所述偏振分束器的分光比来调节反馈光束和输出光束的比例，在可实现光谱合束结构的有效外腔反馈及波长锁定的同时获得最高功率的光束输出。

6、作为本发明的进一步改进，所述半导体激光器包括半导体激光器阵列或多单管半导体激光器，所述的半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％，以减少半导体激光器阵列内腔的影响，更好的实现外腔波长锁定。

7、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％；所述快轴准直镜和慢轴准直镜分别对半导体激光器输出激光的快慢轴进行准直，降低光束发散角。

8、作为本发明的进一步改进，所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；所述第一柱面传输透镜将所述偏振分束器的透射光束叠加到所述第一衍射光栅上，所述第二柱面传输透镜将所述偏振分束器的反射光束叠加到所述第二衍射光栅上。

9、作为本发明的进一步改进，所述偏振分束器的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；所述偏振分束器将所述半导体激光器经所述第一可旋转半波片发出的光束分为偏振态互相垂直的透射光束和反射光束；其中透射光为p光，反射光为s光。

10、作为本发明的进一步改进，所述第一可旋转半波片和第二可旋转半波片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，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅分别与所述偏振分束器的透射光束和反射光束的光轴成littrow角放置，以获得最高的衍射效率。

12、作为本发明的进一步改进，所述全反射镜上镀高反膜，反射率>99％。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

14、本发明的光谱合束装置，实现了反馈光束和输出光束光路的分离，避免两者相互影响，能够实现反馈光束和输出光束占比的精确调节；

15、本发明通过调节第一可旋转半波片的角度，可以改变半导体激光器输出光束的偏振态，由此改变偏振分束器的分光比，从而精确控制反馈光束和输出光束的比例；通过调节第二可旋转半波片的角度，可以使偏振分束器透射光束的偏振态和第一衍射光栅偏振态匹配，获得最高的衍射效率；以实现光谱合束结构的有效外腔反馈及稳定波长锁定的同时获得最高功率的合束光束输出。

技术特征：

1.一种半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，包括：半导体激光器以及沿半导体激光器的光轴依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、第一可旋转半波片和偏振分束器；

2.如权利要求1所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜焦距相同，所述半导体激光器设置在所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜的焦平面上，所述第一衍射光栅设置在所述第一柱面传输透镜的焦平面上，所述第二衍射光栅设置在所述第二柱面传输透镜的焦平面上，所述全反射镜对入射其上的衍射光束进行全反射，反馈回所述半导体激光器以实现外腔波长锁定。

3.如权利要求1所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述第一可旋转半波片和第二可旋转半波片可通过旋转半波片的角度来改变通过半波片的光束的偏振态；通过旋转所述第二可旋转半波片，可改变所述偏振分束器透射光束的偏振态，使其与所述第一衍射光栅的偏振态匹配，以获得最高的衍射效率；通过旋转所述第一可旋转半波片，可改变所述半导体激光器输出光束的偏振态，以改变所述偏振分束器的分光比来调节反馈光束和输出光束的比例。

4.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光器包括半导体激光器阵列或多单管半导体激光器，所述的半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％。

5.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，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％。

6.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述第一柱面传输透镜和第二柱面传输透镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；所述第一柱面传输透镜将所述偏振分束器的透射光束叠加到所述第一衍射光栅上，所述第二柱面传输透镜将所述偏振分束器的反射光束叠加到所述第二衍射光栅上。

7.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述偏振分束器的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；所述偏振分束器将所述半导体激光器经所述第一可旋转半波片发出的光束分为偏振态互相垂直的透射光束和反射光束。

8.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述第一可旋转半波片和第二可旋转半波片的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。

9.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述第一衍射光栅和第二衍射光栅分别与所述偏振分束器的透射光束和反射光束的光轴成littrow角放置。

10.如权利要求1～3中任一项所述的半导体激光器的光谱合束装置，其特征在于，所述全反射镜上镀高反膜，反射率>99％。

技术总结
本发明公开了一种半导体激光器的光谱合束装置，包括：沿半导体激光器的光轴依次设置的快轴准直镜、慢轴准直镜、第一可旋转半波片和偏振分束器；偏振分束器的透射光束方向上依次设有第二可旋转半波片、第一柱面传输透镜和第一衍射光栅，偏振分束器的反射光束方向上依次设有第二柱面传输透镜和第二衍射光栅；一衍射光栅的‑1级衍射光作为输出光束，另一衍射光栅的‑1级衍射光束经全反射镜反射作为反馈光束回到半导体激光器；第一可旋转半波片和第二可旋转半波片可调节波片旋转角度。本发明通过在外腔中引入的可旋转半波片和偏振分束器实现输出光束和反馈光束占比的精确调节，从而在实现波长锁定的同时获得最高功率和效率的合束光束输出。

技术研发人员：姜梦华,商凯淋,秦文斌,刘友强,曹银花
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：2024/3/17