CN219086442U - 自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置，属于蓝光半导体激光领域。装置沿光路方向依次包括：蓝光半导体激光单管阵列、阶梯式反射镜组、汇聚透镜、反射式衍射光栅、输出耦合镜及探测模块；其中，在所述阶梯式反射镜组上设有反馈调节器，所述阶梯式反射镜组包括多个反射镜，多个反射镜的镜面平行且呈阶梯状排列，通过反馈调节器调节各反射镜的横向距离、俯仰角和转动角，与蓝光半导体激光单管阵列相配合，实现了光程的自适应反馈调节，保证了每根蓝光光束在参与合束的过程中光程相等，提高了蓝光激光合束的输出功率、光束质量，同时能够避免镜面器件发生形变。

Description

自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置

技术领域

本实用新型属于蓝光半导体激光领域，更具体地，涉及一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置。

背景技术

蓝光Bar条的光束较为分散导致光束质量不高，而且蓝光单管的输出功率仅为瓦级，因此目前这两者均不能直接应用于工业加工。目前常用光束合束技术，如相干合束以及非相干合束(包括偏振合束、波长合束、空间合束以及光谱合束)来提高蓝光半导体激光器最终的输出激光光束质量、输出功率和效率。

对于蓝光半导体激光器，等光程激光合束后的输出功率比同样条件下的非等光程激光合束后的输出功率更高。而现有技术中的等光程激光合束装置需要手动调节，另外，由于蓝光的波长短能量高，镜面器件易发生形变，需要不停地进行手动调节来使装置达到稳定状态。

实用新型内容

针对现有技术的缺陷和改进需求，本实用新型提供了一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置，其目的在于实现单管阵列的每根蓝光光束参与合束过程中的等光程自适应反馈调节，进而提升蓝光半导体激光器功率和光束质量。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置，沿光路方向依次包括：蓝光半导体激光单管阵列、阶梯式反射镜组、汇聚透镜、反射式衍射光栅、输出耦合镜及探测模块；

其中，在所述阶梯式反射镜组上设有反馈调节器，所述阶梯式反射镜组包括多个反射镜，多个反射镜的镜面平行且呈阶梯状排列；

所述蓝光半导体激光单管阵列发出多束平行的蓝光光束，一一对应入射至所述阶梯式反射镜组的各反射镜上进行反射及光束加密，再经过所述汇聚透镜汇聚及所述反射式衍射光栅反射衍射再次进行光束加密后，以平行光束入射至所述输出耦合镜；

所述探测模块探测从所述输出耦合镜输出的合束光的的功率并转化为反馈信号反馈至所述反馈调节器，以调整所述阶梯式反射镜组各反射镜的横向距离，使从所述蓝光半导体激光单管阵列至所述输出耦合镜的光程相等。

进一步地，经过所述汇聚透镜汇聚后的光束入射至所述反射式衍射光栅，光栅法线与入射光束中心线的夹角为Littrow角。

进一步地，通过所述反馈调节器改变所述阶梯式反射镜组各反射镜的俯仰角和转动角。

进一步地，改变所述阶梯式反射镜组的各反射镜的纵向间距，调整光束间距。

进一步地，所述探测模块包括光束采集部件和采样探测器组；

所述光束采集部件采集从所述输出耦合镜输出的合束光作为采样光束，并将所述采样光束反射至所述采样探测器组。

进一步地，所述光束采集部件为采样平行玻璃板，所述采样平行玻璃板与入射的合束光呈45°，所述合束光入射至所述采样平行玻璃板，部分合束光反射至所述采样探测器组作为采样光束。

进一步地，所述采样平行玻璃板的反射率为0.5％。

进一步地，从所述反射式衍射光栅衍射的输出光与所述输出耦合镜垂直。

进一步地，还包括快轴准直镜和慢轴准直镜；

所述多束平行的蓝光光束分别经过所述快轴准直镜和所述慢轴准直镜准直后，输出准直平行光束。

进一步地，还包括环液冷管和循环液冷机，所述蓝光半导体激光单管阵列穿过所述环液冷管连接所述循环液冷机。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：

(1)本实用新型的自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置，通过采用阶梯式反射镜组，反射镜组各反射镜的镜面平行且呈阶梯状排列，通过反馈调节器调节各反射镜的横向距离，与蓝光半导体激光单管阵列相配合，实现了光程的自适应反馈调节，保证了每根蓝光光束在参与合束的过程中光程相等，提高了蓝光激光合束的输出功率、光束质量。

(2)本实用新型的装置采用自适应反馈调节光程以使多束光在光谱合束的过程中光程相等，避免了需要由于蓝光的波长短功率高，镜面器件容易发生形变需要一直手动调节的问题，本实用新型通过自适应反馈，实时而准确地调节阶梯式反射镜组的位置(不稳定性小于±1％)。

(3)本实用新型的装置，经过阶梯式反射镜组、汇聚透镜及反射式衍射光栅进行了两次光束加密，提升了合束光的质量。

(4)作为优选，反射式衍射光栅的光栅法线与入射中心光束夹角为Littrow角，可以使入射光束达到最大的衍射效率，使得通过汇聚透镜后的不同入射角的光束仍能以相同的衍射角出射，提高了合束光的质量。

(5)通过反馈调节器改变阶梯式反射镜组各反射镜的俯仰角和转动角，避免镜面器件发生形变。

(6)作为优选，通过快轴准直镜和慢轴准直镜进行准直，使半导体激光单管的远场发散角降到最小，得到光束质量高的理想平行光束。

附图说明

图1是本实用新型一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置的整体光路图。

图2是本实用新型的自适应反馈式反射镜组工作示意图。

图3是本实用新型的蓝光半导体激光单管阵列水冷示意图。

图4是本实用新型的光束准直***图。

图5是本实用新型的阶梯式反射镜组光路图。

图6是本实用新型的光束汇聚与衍射装置光路图。

图7是本实用新型的输出耦合与采样光路图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：

1为蓝光半导体激光单管阵列，2为快轴准直镜，3为慢轴准直镜，4为阶梯式反射镜组，5为汇聚透镜，6为反射式衍射光栅，7为输出耦合镜，8为光束采集部件，9为采样探测器组，10为反馈信号，11为循环液冷管，12为循环液冷机，13为数据信号线与反馈信号线组，14为反馈调节器，15为数据处理计算机。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

在本实用新型中，本实用新型及附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。

如图1所示，自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置沿光路方向依次包括：

蓝光半导体激光单管阵列1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、阶梯式反射镜组4、汇聚透镜5、反射式衍射光栅6、输出耦合镜7及探测模块；

其中，在阶梯式反射镜组4上设有反馈调节器14；

蓝光半导体激光单管阵列1发出多束平行的蓝光激光光束，分别经过快轴准直镜2和慢轴准直镜3进行快慢轴准直后，输出准直的平行光束；准直后的平行光束一一对应入射至阶梯式反射镜组4的各反射镜上，经过阶梯式反射镜组4进行反射并第一次光束整合加密，经过阶梯式反射镜组4反射后的光束相互平行且呈阶梯排列，该平行光束经过汇聚透镜5汇聚后再经过反射式衍射光栅6反射衍射，使光束实现第二次光束整合加密，并以平行光束出射；出射的平行光束入射至输出耦合镜7，部分光束作为反馈光束原路返回至对应的蓝光半导体激光单管阵列，部分光束通过输出耦合镜7出射作为合束光；

探测模块探测从输出耦合镜输出的合束光的功率并转化为反馈信号反馈至反馈调节器14以调整阶梯式反射镜组4各反射镜的横向距离；具体地，本实用新型实施例中，探测模块包括光束采集部件8和采样探测器组9，光束采集部件8采集通过输出耦合镜7出射的合束光的部分光束作为采样光束并将采样光束反射至采样探测器组9，采样探测器组9监测采样光束的功率并转化为反馈信号反馈至反馈调节器14，反馈调节器14设置在阶梯式反射镜组4上，反馈信号反馈至反馈调节器14使反馈调节器14调整阶梯式反射镜组4各反射镜的横向距离，进而使多束蓝光激光光束从蓝光半导体激光单管阵列1至输出耦合镜7的光程相等。

其中，阶梯式反射镜组4包括多个反射镜，多个反射镜的镜面平行且呈阶梯状排列。

本实用新型实施例中，以5束蓝光半导体激光光束进行光谱合束进行说明。

具体地，如图2所示，通过反馈调节器14、阶梯式反射镜组4及采样探测器组9实现阶梯式反射镜组4各镜面之间横向距离调节。探测器组9包括多个相同的探测，本实施例中，为5个相同的探测器，分别设置在采样光束的每束光光斑的中心，实时监测光束的位置和功率，将监测到的数据通过数据信号线传输到计算机转换为对应的相关参量，通过反馈信号线作为反馈信号传输至反馈调节器14，反馈调节器14调整阶梯式反射镜组4各反射镜的横向距离，通过反馈调节保证输出的单光束的位置在中心，并使最后输出光的输出功率最大。同时，反馈调节器14还可以调整阶梯式反射镜组4各反射镜的俯仰角和转动角，避免镜面器件发生形变。

每束光对应的数据信号线与反馈信号线组成数据信号线与反馈信号线组13，相关位移量一一对应地传输到反馈调节器14上分别对应地调节各反射镜的横向距离。经过一段时间后，最终达到平衡，此时每根光束在参与合束的过程中光程完全一致，从而使合束输出光(即从输出耦合镜7输出的光)具有最高的功率和最高的质量。

实际应用中，可以通过调整阶梯式反射镜组各个反射镜的纵向距离来控制最终压缩光束间距，调整反射镜组的横向距离使光程大致相等，装置工作时，探测器组探测来自采样平行玻璃板反射的采样光，通过计算机的计算输出信号给反射镜组下的横轴距离微调器进行光程微调，使得每根激光光束光程实时相等，本实施例中，光束采集部件8为采样平行玻璃板，在其他实施例中，光束采集部件也可以是其它光束采集器，能够采集从输出耦合镜输出的合束光，并将其反射至采样探测器组9进行采样探测。

具体的，如图3所示，作为优选，考虑到激光单管阵列装置的输入功率高，放热量大，为了避免仪器损坏，蓝光半导体激光单管阵列1穿过循环液冷管11连接循环液冷机12。其中循环液冷机12可以使用蒸馏水，优选控制水温在15°到25°之间，保证激光单管的正常工作与光源的稳定性。

具体的，如图4所示，蓝光半导体激光单管阵列1发出的多束光束通过快轴准直镜2和慢轴准直镜3准直之后，使每束光的发散角降到最小，得到光束质量高的理想平行光束。

具体的，如图5所示，本实施例中，5个反射镜的镜面相互平行且阶梯排列的阶梯式反射镜组4最初等间距排列，即没有进行各反射镜的横向距离调节之前等间距排列，阶梯式的排布方式可以压缩反射后的平行光束之间的间距，使相邻光束间的弱光“死区”压缩至最小。各个反射镜的镜面相互平，使得入射至阶梯式反射镜组4的平行光束经过阶梯式反射镜组4各个反射镜的反射后，仍然保持各光束间的平行。

具体的，如图6所示，经过阶梯式反射镜组4后的平行光束汇聚透镜5汇聚后，入射到与其相距约为汇聚透镜焦距f的反射式衍射光栅6上。作为优选，光栅法线与入射中心光束夹角为Littrow角，可以使入射光束达到最大的衍射效率，使得通过汇聚透镜后的不同入射角的光束仍能以相同的衍射角出射，提高了合束光的质量。

具体地，经过汇聚透镜5汇聚后的光束入射至反射式衍射光栅6的同一片区域，根据光栅方程与入射角条件，取衍射级次为-1的衍射光出射，得出波长会被锁定在不同入射角对应的波长上，并最终完成整个光谱合束的反馈，实现较高光束质量的合束输出。

作为优选，本实用新型实施例中，通过计算与仿真，得出使用焦距为200mm以下的汇聚透镜进行单衍射光栅光谱合束实验得到的合束效果最佳。

具体的，如图7所示，输出耦合镜7镀有反射膜，从反射式衍射光栅6输出的平行光束入射至输出耦合镜7。

作为优选，输出耦合镜7与入射至输出耦合镜7的光束垂直，其中一部分光以原来的路径反射回到蓝光半导体激光单管阵列的每个蓝光半导体激光单元输出镜上形成反馈，保证最佳的反馈效果；本实施例中，光束采集部件8为采样平行玻璃板，采样平行玻璃板的反射率在0.5％左右，另一部分光通过输出耦合镜7出射形成合束光，合束光入射至采样平行玻璃板上，采样平行玻璃板与入射的合束光呈45°，由于采样平行玻璃板的透射率极高，极大部分合束光通过采样平行玻璃板透射输出，极小部分光被平行玻璃板反射作为采样光束，用探测器组9进行实时监测采样光束的功率，5个探测器分别监测5个单管输出光束的合束光，通过图2所示的反馈信号调节阶梯式反射镜组4各反射镜的横向间距，使每根激光光束的光程相等，最终达到等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束。

作为优选，本实用新型的输出耦合镜上镀有反射膜，在使反射光强度能达到反馈的要求的同时，还保证了出射的激光的最大功率。同时，输出耦合镜的摆放方向与通过衍射光栅的-1级衍射光方向保证严格垂直，保证了最佳的反馈效果。具体地，本实用新型实施例中的输出耦合镜反射率在60％左右。

作为优选，蓝光半导体激光单管阵列1中的每个单管呈阶梯形状平行排列，使输出的光束平行，通过准直镜进行准直，使半导体激光单管的远场发散角降到最小，得到光束质量高的理想平行光束。

本实用新型采用的反射式衍射光栅，在特定的角度下，参与合束的激光单元输出的不同角度入射的激光在通过衍射光栅后具有相同的衍射角并使远近场均实现重合，进而合为一束激光输出，使得合束激光在保持光束质量的同时获得极大的功率提高。

本实用新型通过对蓝光半导体激光进行准直，使半导体激光单管的出射的激光的发射角降到最小，进一步提高光束质量与输出功率。

本实用新型采用的阶梯式反射镜组，通过调节反射镜组的纵向距离来控制最终压缩的光束间距，通过反馈调节器微调各反射镜的横向距离，与蓝光半导体激光单管阵列相配合，实现了光程的自适应反馈调节，保证了每根蓝光光束在参与合束的过程中光程相等。提高了蓝光激光合束的输出功率、光束质量。同时，通过反馈调节器改变阶梯式反射镜组各反射镜的俯仰角和转动角，可以避免镜面器件发生形变。

本实用新型的装置采用自适应反馈调节光程以使多束光在光谱合束的过程中光程相等，避免了需要由于蓝光的波长短功率高，镜面器件容易发生形变需要一直手动调节的问题，本实用新型通过自适应反馈，实时而准确地调节阶梯式反射镜组的位置(不稳定性小于±1％)。

本实用新型的装置，经过阶梯式反射镜组、汇聚透镜及反射式衍射光栅进行了两次光束压缩加密，提升了合束光的质量。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种自适应反馈等光程蓝光半导体激光单管阵列光谱合束装置，其特征在于，沿光路方向依次包括：

蓝光半导体激光单管阵列(1)、阶梯式反射镜组(4)、汇聚透镜(5)、反射式衍射光栅(6)、输出耦合镜(7)及探测模块；其中，在所述阶梯式反射镜组(4)上设有反馈调节器(14)，所述阶梯式反射镜组(4)包括多个反射镜，多个反射镜的镜面平行且呈阶梯状排列；

所述蓝光半导体激光单管阵列(1)发出多束平行的蓝光光束，一一对应入射至所述阶梯式反射镜组(4)的各反射镜上进行反射及光束加密，再经过所述汇聚透镜(5)汇聚及所述反射式衍射光栅(6)反射衍射再次进行光束加密后，以平行光束入射至所述输出耦合镜(7)；

所述探测模块探测从所述输出耦合镜(7)输出的合束光的功率并转化为反馈信号反馈至所述反馈调节器(14)，以调整所述阶梯式反射镜组(4)各反射镜的横向距离，使从所述蓝光半导体激光单管阵列(1)至所述输出耦合镜(7)的光程相等。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，经过所述汇聚透镜(5)汇聚后的光束入射至所述反射式衍射光栅(6)，光栅法线与入射光束中心线的夹角为Littrow角。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，通过所述反馈调节器(14)改变所述阶梯式反射镜组(4)各反射镜的俯仰角和转动角。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测模块包括光束采集部件(8)和采样探测器组(9)；

所述光束采集部件(8)采集从所述输出耦合镜(7)输出的合束光作为采样光束，并将所述采样光束反射至所述采样探测器组(9)。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光束采集部件(8)为采样平行玻璃板，所述采样平行玻璃板与入射的合束光呈45°，所述合束光入射至所述采样平行玻璃板，部分合束光反射至所述采样探测器组(9)作为采样光束。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述采样平行玻璃板的反射率为0.5％。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，从所述反射式衍射光栅(6)衍射的输出光与所述输出耦合镜(7)垂直。

8.根据权利要求1-7任意一项所述的装置，其特征在于，还包括快轴准直镜(2)和慢轴准直镜(3)；

所述多束平行的蓝光光束分别经过所述快轴准直镜(2)和所述慢轴准直镜(3)准直后，输出准直平行光束。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，还包括环液冷管(11)和循环液冷机(12)，所述蓝光半导体激光单管阵列(1)穿过所述环液冷管(11)连接所述循环液冷机(12)。

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