CN116706689A - 分布式多单管半导体激光器合束装置 - Google Patents
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Abstract
本公开实施例提供了一种分布式多单管半导体激光器合束装置，包括：多单管半导体激光器空间合束***(A)，包括多个半导体激光器空间合束单模块(1)，多个半导体激光器空间合束单模块(1)在慢轴方向上光斑叠加，半导体激光器空间合束单模块(1)包括多个单管半导体激光器，多个单管半导体激光器在快轴方向上光斑叠加；光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***(B)，用于将光束锁定在不同的中心波长上，在快轴方向压窄激光的光谱宽度，进行共孔径合束输出；快慢轴转换***(C)，用于将进行快慢轴转换，匀化快慢轴光束质量；光纤耦合***(D)，用于将光束耦合进光纤中输出。
Description
技术领域
本公开涉及激光器技术领域，尤其涉及一种分布式多单管半导体激光器合束装置。
背景技术
半导体激光器具有波长覆盖范围广、电光转换效率高、体积小、稳定性好、成本低、寿命长等优点，在军事国防、民用加工、卫生医疗、科学技术研究等多个领域具有广泛的应用前景；但目前商用单管半导体激光器输出功率较低、光束质量较差等缺点限制了其直接应用。基于衍射光学元件的光谱合束技术在实现半导体激光器输出功率放大的同时，还能保证高的光束质量，理论上合束后的光束质量与参与合束的单个发光单元相当，该技术近些年来引起国内外研究机构的广泛关注。
光谱合束技术直接利用半导体激光器组成高效率、紧凑的激光***而不通过中间泵浦的转换过程，使得光谱合束***光光转换效率较高，且可以使合束后激光的光束质量与参与合束的子发光单元相当，弥补了半导体激光器空间合束后光束质量差的缺点，大大提高了半导体激光器的发光亮度。
目前，半导体激光器光谱合束***通常使用巴条或者叠阵作为合束对象，但由于巴条和叠阵的smi le效应对合束影响较大，同时，光栅之前需用BTS(光束整形元件)对光束进行整形，且巴条和叠阵由于体积小，散热也对***的性能影响较大。对于叠阵，用BTS时对快轴进行光谱合束，输出的光束快慢轴光束质量差距较大，不用BTS时对慢轴进行光谱合束，由于慢轴光束质量随着电流的变化而变化，且对于叠阵直接用慢轴准直镜，慢轴准直效果不佳，均不利于后续的光纤耦合。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供了一种分布式多单管半导体激光器合束装置，以解决现有光谱合束***存在不足的问题。
本公开的一个方面提供了一种分布式多单管半导体激光器合束装置，包括：多单管半导体激光器空间合束***，包括多个半导体激光器空间合束单模块，所述多个半导体激光器空间合束单模块在慢轴方向上光斑叠加，所述半导体激光器空间合束单模块包括多个单管半导体激光器，所述多个单管半导体激光器在快轴方向上光斑叠加；光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***，用于将多单管半导体激光器空间合束***输出的光束在快轴方向上以固定的光谱间隔进行调控，并将其锁定在不同的中心波长上，在快轴方向上压窄每一束激光的光谱宽度，并将入射至光栅不同方向的锁定波长的光束进行共孔径合束输出；快慢轴转换***，用于将光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***输出的光束进行快慢轴转换；光纤耦合***，用于将经过所述快慢轴转换***进行快慢轴转换后的光束耦合进光纤中输出。
可选地，所述半导体激光器空间合束单模块还包括：快轴准直镜，用于将所述多个单管半导体激光器在快轴方向准直，所述多个单管半导体激光器沿快轴方向排列；慢轴准直镜，用于将所述多个单管半导体激光器在慢轴方向准直；快轴阶梯式反射镜，用于使所述多个单管半导体激光器的光斑在快轴方向空间排列。
可选地，所述多单管半导体激光器空间合束***还包括：直角棱镜；所述多个半导体激光器空间合束单模块对称的分设于所述直角棱镜两侧，均以45°入射角将光束射向所述直角棱镜；所述直角棱镜反射所述多个半导体激光器空间合束单模块射出的光束，使多个半导体激光器空间合束单模块的光束的光斑沿慢轴方向空间排列。
可选地，所述所述光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***包括：半波片，用于调整多单管半导体激光器空间合束***输出的光束的偏振态，使所述光束匹配平面衍射光栅的单一偏振态；柱透镜，用于将所述光束在快轴方向聚焦至所述平面衍射光栅；平面衍射光栅，用于使所述光束发生衍射；输出耦合镜，用于与每一个所述单管半导体激光器的后腔形成外腔，结合所述平面衍射光栅的色散作用使得快轴方向上不同位置的单管半导体激光器被锁定在不同的波长，其中，经输出耦合镜作用后，不同波长的光束以不同的入射角入射至所述平面衍射光栅，以同一个衍射角出射，形成的光谱合束；第一反射镜，用于将所述光谱合束反射输出；其中，所述多单管半导体激光器空间合束***与所述平面衍射光栅分别放置于所述柱透镜的前后焦点上。
可选地，所述所述快慢轴转换***包括第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜以及第五反射镜，各反射镜反射方向不同，用于对所述光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***输出的光束进行多次快慢轴方向的转换。
可选地，所述光纤耦合***包括：聚焦镜，为单个非球面透镜或一组非球面柱透镜的组合，用于聚焦所述快慢轴转换***输出的光束；光纤，端口设于所述聚焦镜的后焦点处。
可选地，所述快轴准直镜为非球面柱透镜，慢轴准直镜为球面柱透镜，所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜的表面均镀有耐强光减反膜；快轴阶梯式反射镜的入射表面镀强光高反射率的介质膜；单管半导体激光器前腔均镀减反膜，后腔均镀高反膜。
可选地，所述直角棱镜的入射表面均镀强光高反射率的介质膜。
可选地，所述柱透镜为非球面柱透镜，表面镀有耐强光减反膜；所述平面衍射光栅为透射式光栅，基底材料为熔融石英；所述输出耦合镜为镀部分反射率膜的部分反射镜。
可选地，所述单管半导体激光器为采用宽发射面结构的半导体激光器、锥形半导体激光器、窄脊型半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器其中任意一种，其后腔面与所述平面衍射光栅、所述输出耦合镜形成外腔输出激光光束。
在本公开实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：
本公开将多单管半导体激光器分别进行快慢轴准直和空间排列的结果作为整个合束装置的子模块，这种多模块的分布式光谱合束避免了以巴条或叠阵作为光源时smile效应对整体准直效果的影响，进一步的，独立的单管半导体激光器有利于解决整个***的热传递问题，有利于芯片的散热，提高***的整体性能；
本公开无需BTS对光源进行快慢轴转换，而分别对单管半导体激光器依次进行准直并排列构成合束的子模块，可以保证每一路单管半导体激光器的准直效果均为一致最佳且稳定，这种多模块的光谱合束避免了BTS在光谱合束中的调节误差进而影响整体，而将快慢轴转换***移至光谱合束之后，既可以匀化多慢轴的快轴光谱合束后快慢轴光束质量，有利于后续的光纤耦合又避免了快慢轴转换不佳对光谱合束的影响。
附图说明
为了更完整地理解本公开及其优势，现在将参考结合附图的以下描述，其中：
图1示意性示出了本公开实施例提供的一种分布式多单管半导体激光器合束装置在慢轴方向上的示意图；
图2示意性示出了本公开实施例提供的一种分布式多单管半导体激光器合束装置在快轴方向上的示意图；
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种光源经准直排列后的光斑示意图；
附图标记：
A-多单管半导体激光器空间合束***，B-光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***，C-快慢轴转换***，D-光纤耦合***；1-半导体激光器空间合束单模块，2-直角棱镜，3-半波片，4-柱透镜，5-平面衍射光栅，6-输出耦合镜，7-第一反射镜，8-第二反射镜，9-第三反射镜，10-第四反射镜，11-第五反射镜，12-聚焦镜，13-光纤。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本公开实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本公开。在此使用的术语“包括”、“包含”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。
在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。
如图1和图2所示，本公开实施例提供的一种分布式多单管半导体激光器合束装置，包括：依次设置的多单管半导体激光器空间合束***A、光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***B、快慢轴转换***C以及光纤耦合***D，其中，多单管半导体激光器空间合束***A输出的光束依次通过光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***B、快慢轴转换***C以及光纤耦合***D完成光纤输出。
多单管半导体激光器空间合束***A包括多个半导体激光器空间合束单模块1，多个半导体激光器空间合束单模块1在慢轴方向上光斑叠加，半导体激光器空间合束单模块1包括多个单管半导体激光器，多个单管半导体激光器在快轴方向上光斑叠加。
在本实施例中，半导体激光器空间合束单模块1还包括：多个单管半导体激光器、快轴准直镜(FAC)、慢轴准直镜(SAC)以及快轴阶梯式反射镜。其中，多个单管半导体激光器依次分别由快轴准直镜、慢轴准直镜进行准直，由快轴阶梯式反射镜进行快轴方向空间排列，由直角棱镜2进行慢轴方向空间排列，最终的激光光束由多单管半导体激光器空间合束***A前腔一侧输出至光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***B。
优选的，快轴准直镜为非球面柱透镜，慢轴准直镜为球面柱透镜，表面均镀有耐强光减反膜，快轴阶梯式反射镜、直角棱镜2入射表面均镀强光高反射率的介质膜。
在本实施例中多单管半导体激光器空间合束***A还包括直角棱镜2。多个半导体激光器空间合束单模块1对称的分设于直角棱镜2两侧，均以45°入射角将光束射向直角棱镜2；直角棱镜2反射多个半导体激光器空间合束单模块1射出的光束，使多个半导体激光器空间合束单模块1的光束的光斑沿慢轴方向空间排列。
光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***B，用于将多单管半导体激光器空间合束***A输出的光束在快轴方向上以固定的光谱间隔进行调控，并将其锁定在不同的中心波长上，在快轴方向上压窄每一束激光的光谱宽度，并将入射至光栅不同方向的锁定波长的光束进行共孔径合束输出。
在本实施例中，光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***B包括沿光束输出方向上依次设置的半波片3、柱透镜4、平面衍射光栅5、输出耦合镜6以及第一反射镜7。其中，半波片3用于调整多单管半导体激光器空间合束***A输出的光束的偏振态，使光束匹配平面衍射光栅5的单一偏振态；柱透镜4用于将光束在快轴方向聚焦至平面衍射光栅5；平面衍射光栅5用于使光束发生衍射；输出耦合镜6用于与每一个单管半导体激光器的后腔形成外腔，结合平面衍射光栅5的色散作用使得快轴方向上不同位置的单管半导体激光器被锁定在不同的波长，其中，经输出耦合镜6作用后，不同波长的光束以不同的入射角入射至平面衍射光栅5，以同一个衍射角出射，形成的光谱合束；第一反射镜7用于将光谱合束反射输出；其中，多单管半导体激光器空间合束***A与平面衍射光栅5分别放置于柱透镜4的前后焦点上。不同波长的光束以不同的入射角入射至平面衍射光栅5后，以同一个衍射角出射，形成的光谱合束通过第一反射镜7后输出至快慢轴转换***C。
优选的，柱透镜4为非球面柱透镜，表面镀有耐强光减反膜。
优选的，平面衍射光栅5为透射式光栅，基底材料为熔融石英，中心波长和光栅周期等参数与多单管半导体激光器空间合束***A输出空间光束的中心波长、发光单元间隔、柱透镜4焦距等参数相匹配设计；多单管半导体激光器空间合束***A与光栅5分别放置于柱透镜4的前后焦点上。
优选的，输出耦合镜6为镀部分反射率膜的部分反射镜。
单管半导体激光器为采用宽发射面结构的半导体激光器、锥形半导体激光器、窄脊型半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器其中任意一种，其后腔面均可以与平面衍射光栅5、输出耦合镜6形成外腔输出激光光束。
单管半导体激光器前腔均镀减反膜，后腔均镀高反膜；半导体激光器空间合束单模块1快轴方向排列N个单管半导体激光器，个数N与单管半导体激光器芯片的增益带宽范围、柱透镜4的焦距、单管半导体激光器快轴方向的间距等参数相匹配设计。
快慢轴转换***C是由第二反射镜8、第三反射镜9、第四反射镜10以及第五反射镜11沿不同排列方向组成的反射镜组，其中反射镜均为镀有介质膜的强光高反射率反射镜，反射镜组用于接收光谱合束后的光束，并对其进行快慢轴方向的转换，以达到匀化快慢轴光束质量的作用，转换后的光束输出至光纤耦合***D。
光纤耦合***D，用于将经过快慢轴转换***C进行快慢轴转换后的光束耦合进光纤中输出。所述光纤耦合***D包括聚焦镜12和光纤13，聚焦镜12表面镀有耐强光减反膜，光纤13前端面放置于聚焦镜12的后焦点处，经快慢轴转换后的光束经过聚焦镜12聚焦至光纤13前端面，实现光纤耦合，在光纤后端面输出光束。
所述光纤耦合***D中的聚焦镜12可为单个非球面透镜或一组非球面柱透镜的组合，其参数与快慢轴转换***C输出光束、光纤等参数相匹配设计。
本公开实施例提供的一种分布式多单管半导体激光器合束装置将多个半导体激光器空间合束单模块作为合束子单元相比于巴条或叠阵，在散热方面性能更好，大大地降低了散热对整个***稳定性的影响；其次，使用多个半导体激光器空间合束单模块作为合束子单元相比于巴条或叠阵，输出光束无需进一步准直，且模块内每个单管半导体激光器分别进行准直，效果更好，更稳定，避免了smi le效应对***的影响；另外，对比于叠阵的慢轴方向光谱合束，多个半导体激光器空间合束单模块可使用慢轴准直镜的焦距更大，对慢轴的准直效果更好，光谱合束后的单元线宽更小，光谱更窄，且降低了电流对输出光谱的影响；对比于叠阵的快轴方向光谱合束，在光谱合束之前，无需BTS对光束进行整形，将BTS的功能移至光纤耦合***前，避免了BTS的误差对光谱合束结果的影响，同时可以匀化光谱合束之后快慢轴的光束质量，更有利于光纤耦合。
图3示意性示出了本公开实施例提供的一种光源经准直排列后的光斑示意图。如图3所示，经过多单管半导体激光器空间合束***A准直之后的出射光斑排列均匀，准直效果好。
本领域技术人员可以理解，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合或/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本公开中。特别地，在不脱离本公开精神和教导的情况下，本公开的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合。所有这些组合和/或结合均落入本公开的范围。
尽管已经参照本公开的特定示例性实施例示出并描述了本公开，但是本领域技术人员应该理解，在不背离所附权利要求及其等同物限定的本公开的精神和范围的情况下，可以对本公开进行形式和细节上的多种改变。因此，本公开的范围不应该限于上述实施例，而是应该不仅由所附权利要求来进行确定，还由所附权利要求的等同物来进行限定。
Claims (10)
1.一种分布式多单管半导体激光器合束装置，其特征在于，包括：
多单管半导体激光器空间合束***(A)，包括多个半导体激光器空间合束单模块(1)，所述多个半导体激光器空间合束单模块(1)在慢轴方向上光斑叠加，所述半导体激光器空间合束单模块( 1)包括多个单管半导体激光器，所述多个单管半导体激光器在快轴方向上光斑叠加；
光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***(B)，用于将多单管半导体激光器空间合束***(A)输出的光束在快轴方向上以固定的光谱间隔进行调控，并将其锁定在不同的中心波长上，在快轴方向上压窄每一束激光的光谱宽度，并将入射至光栅不同方向的锁定波长的光束进行共孔径合束输出；
快慢轴转换***(C)，用于将光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***1B)输出的光束进行快慢轴转换；
光纤耦合***(D)，用于将经过所述快慢轴转换***(C)进行快慢轴转换后的光束耦合进光纤中输出。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述半导体激光器空间合束单模块(1)还包括：
快轴准直镜，用于将所述多个单管半导体激光器在快轴方向准直，所述多个单管半导体激光器沿快轴方向排列；
慢轴准直镜，用于将所述多个单管半导体激光器在慢轴方向准直；
快轴阶梯式反射镜，用于使所述多个单管半导体激光器的光斑在快轴方向空间排列。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述多单管半导体激光器空间合束***(A)还包括：
直角棱镜(2)；
所述多个半导体激光器空间合束单模块( 1)对称的分设于所述直角棱镜(2)两侧，均以45°入射角将光束射向所述直角棱镜(2)；
所述直角棱镜(2)反射所述多个半导体激光器空间合束单模块(1)射出的光束，使多个半导体激光器空间合束单模块(1)的光束的光斑沿慢轴方向空间排列。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述所述光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***(B)包括：
半波片(3)，用于调整多单管半导体激光器空间合束***(A)输出的光束的偏振态，使所述光束匹配平面衍射光栅(5)的单一偏振态；
柱透镜(4)，用于将所述光束在快轴方向聚焦至所述平面衍射光栅(5)；
平面衍射光栅(5)，用于使所述光束发生衍射；
输出耦合镜(6)，用于与每一个所述单管半导体激光器的后腔形成外腔，结合所述平面衍射光栅(5)的色散作用使得快轴方向上不同位置的单管半导体激光器被锁定在不同的波长，其中，经输出耦合镜(6)作用后，不同波长的光束以不同的入射角入射至所述平面衍射光栅(5)，以同一个衍射角出射，形成的光谱合束；
第一反射镜(7)，用于将所述光谱合束反射输出；
其中，所述多单管半导体激光器空间合束***(A)与所述平面衍射光栅(5)分别放置于所述柱透镜(4)的前后焦点上。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述所述快慢轴转换***(C)包括第二反射镜(8)、第三反射镜(9)、第四反射镜(10)以及第五反射镜(11)，各反射镜反射方向不同，用于对所述光栅光谱调控及前腔共孔径光谱合束***(B)输出的光束进行多次快慢轴方向的转换。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤耦合***(D)包括：
聚焦镜(12)，为单个非球面透镜或一组非球面柱透镜的组合，用于聚焦所述快慢轴转换***(C)输出的光束；
光纤(13)，端口设于所述聚焦镜(12)的后焦点处。
7.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述快轴准直镜为非球面柱透镜，慢轴准直镜为球面柱透镜，所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜的表面均镀有耐强光减反膜；快轴阶梯式反射镜的入射表面镀强光高反射率的介质膜；单管半导体激光器前腔均镀减反膜，后腔均镀高反膜。
8.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述直角棱镜(2)的入射表面均镀强光高反射率的介质膜。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述柱透镜(4)为非球面柱透镜，表面镀有耐强光减反膜；所述平面衍射光栅(5)为透射式光栅，基底材料为熔融石英；所述输出耦合镜(6)为镀部分反射率膜的部分反射镜。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述单管半导体激光器为采用宽发射面结构的半导体激光器、锥形半导体激光器、窄脊型半导体激光器、MOPA半导体激光器、光子晶体半导体激光器、超大/大光学腔半导体激光器其中任意一种，其后腔面与所述平面衍射光栅(5)、所述输出耦合镜(6)形成外腔输出激光光束。
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