雷射器合束裝置和方法
2023-07-15 12:26:31 1
雷射器合束裝置和方法
【專利摘要】本發明公開了一種雷射器合束裝置和方法，用於對多個雷射器進行合束後進行輸出，裝置包括多個雷射器、光束整形裝置、衍射光柵和輸出耦合器，各雷射器均具有增益區和後腔面，增益區為雷射的產生提供增益，後腔面與輸出耦合器形成諧振腔；光束整形裝置用於接收多個雷射器發出的雷射，並將其以不同的角度入射到衍射光柵的同一位置；衍射光柵用於將入射到其上的雷射進行色散後合為一束輸出到輸出耦合器；輸出耦合器接收由衍射光柵出射的雷射，將部分入射的雷射進行反射後使其原路返回，與各雷射器的後腔面形成諧振腔，以將衍射光柵選擇的模式進行鎖定；同時該輸出耦合器還用於進行耦合輸出。本發明可以將雷射器的輸出功率和亮度提高數十倍甚至上百倍。
【專利說明】雷射器合束裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及雷射器(Laser Diode,LD)【技術領域】，尤其是一種利用衍射光柵對多個雷射器進行合束的裝置和方法。
【背景技術】
[0002]在各種雷射器中，LD(半導體雷射器)單管(單個LD)具有體積小、重量輕、電光轉換效率高、輸出光束質量相對較好等優點，目前其輸出功率可以達到了二三十瓦，IOW器件已經商用化，在雷射測距、雷射雷達、泵浦等很多領域都有著廣泛的應用。但其輸出功率和亮度還是偏低，嚴重限制了其在遠程測距、工業加工、大功率泵浦等很多領域的應用。
[0003]為了提高LD的輸出功率，通常是將多個LD周期排列組成半導體雷射器列陣(LDA)，或進行空間合束。
[0004]目前LDA的輸出功率達到了百瓦量級，但是LDA輸出功率的增加是以犧牲光束質量為代價的，其輸出亮度比LD還低，且需要複雜而昂貴的光束整形過程才能應用。
[0005]空間合束也同樣是以犧牲光束質量為代價來提高輸出功率的，這樣的大功率LD通常只能用做泵浦源或表面處理之類對亮度要求不高的場合。另外，波長合束技術雖然可以在不改變雷射器輸出光束質量的情況下，提高其輸出功率，但由於LD輸出光譜寬(約為3nm，如圖1所示)，採用這樣的單管進行波長合束只能選擇兩三個波長，對輸出亮度的提升很有限，且會影響光束整形的效率和作為泵浦源使用時的泵浦效率。所以研製大功率、高亮度LD具有重要的意義。
【發明內容】
[0006](一 )要解決的技術問題
[0007]本發明主要解決的是現有的LD輸出亮度低的問題。
[0008]( 二 )技術方案
[0009]為解決上述技術問題，本發明提出一種雷射器合束裝置，用於對多個雷射器合束後進行輸出，包括多個雷射器、光束整形裝置、衍射光柵和輸出耦合器，其中，所述多個雷射器均具有增益區和後腔面，增益區為雷射的產生提供必要的增益，後腔面與輸出耦合器形成諧振腔產生雷射震蕩；所述光束整形裝置用於接收所述多個雷射器發出的雷射，並將其以不同的角度入射到衍射光柵的同一位置；所述衍射光柵用於將入射到其上的雷射進行色散後合為一束輸出到一個輸出耦合器；所述輸出耦合器用於接收由所述衍射光柵出射的雷射，將部分入射的雷射進行反射後使其原路返回，與所述各雷射器的後腔面形成諧振腔，以將衍射光柵選擇的模式進行鎖定；同時該輸出耦合器還用於進行耦合輸出。
[0010]根據本發明的【具體實施方式】，所述多個雷射器平行地排列，或成角度地排列。
[0011]根據本發明的【具體實施方式】，所述後腔面具有90%以上的反射率。
[0012]根據本發明的【具體實施方式】，所述各雷射器為半導體雷射器。。
[0013]根據本發明的【具體實施方式】，所述多個雷射器的鎖定波長各不相同。[0014]本發明還提出一種雷射器合束方法，用於對多個雷射器進行合束後進行輸出，包括如下步驟:使所述多個雷射器發射的雷射通過一個光束整形裝置後以不同的角度將其入射到所述衍射光柵的同一位置；利用所述衍射光柵將所述入射到其上的雷射進行色散後合為一束，並輸出到一個輸出耦合器；利用所述輸出耦合器將部分入射的雷射進行反射後使其原路返回，與所述各雷射器的後腔面形成諧振腔，以將衍射光柵選擇的模式進行鎖定，同時進行耦合輸出。
[0015]根據本發明的【具體實施方式】，使所述多個雷射器平行地排列，或成角度地排列。
[0016]根據本發明的【具體實施方式】，所述後腔面具有90%以上的反射率。
[0017]根據本發明的【具體實施方式】，所述各雷射器為半導體雷射器。
[0018]根據本發明的【具體實施方式】，所述多個雷射器所發出的雷射的鎖定波長各不相同。
[0019](三)有益效果
[0020]本發明提供的雷射器合束裝置和方法可以將半導體雷射器的輸出功率和亮度提高數十倍甚至上百倍，亮度接近甚至超過了固體雷射器或光纖雷射器的亮度，能夠直接應用於遠程測距、工業加工、軍事等很多領域，應用前景極其廣闊，並可以取代或部分取代固體雷射器或光纖雷射器。該合束裝置和方法同樣適用於固體雷射器或氣體雷射器等具有一定譜寬的受激發射雷射器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是現有的LD單管的輸出光譜示意圖；
[0022]圖2是鎖模後的LD單管的輸出光譜示意圖；
[0023]圖3為利用5個LD單管進行合束的裝置的一個實施例的示意圖；
[0024]圖4是本發明的實施例進行單管合束後輸出的光譜示意圖。
【具體實施方式】
[0025]為達到上述目的，本發明提供了一種新型的雷射器合束裝置和方法，基中利用衍射光柵的選頻特性和色散特性，對多個雷射器進行外腔鎖模和波長合束，在保持單管輸出光束質量不變的條件下，使其輸出功率按單管個數成比例的增加。
[0026]圖2是鎖模後的雷射器的輸出光譜示意圖，從圖2中可以看出其光譜很窄，通常約為零點幾個納米，所以採用這樣的單管進行波長合束可以選擇很多不同波長，從而可以大幅度的提高輸出亮度。
[0027]總的來說，本發明的單管合束裝置主要包括光源、光束整形裝置、衍射光柵和輸出耦合器四大部分。
[0028]光源包含多個雷射器，各雷射器均具有增益區和後腔面，增益區為雷射的產生提供必要的增益，後腔面與輸出耦合器形成諧振腔產生雷射震蕩。這些雷射器之間的排列可以平行的，也可以是以某種角度排列的，但要保證所有雷射器的後腔面可以與輸出耦合器形成諧振腔。
[0029]光束整形裝置根據雷射器、衍射光柵和輸出耦合器的特性和排列方式進行設計，其主要功能是將多個雷射器的輸出光束以不同的角度入射到衍射光柵的同一位置。光整形裝置可以由一個或多個光學元件構成，光學元件可以是準直透鏡、聚焦透鏡等。
[0030]衍射光柵是一種由密集、等間距平行刻線構成的光學器件，它利用多縫衍射和幹涉作用，將射到光柵上的光束按波長的不同進行色散，即不同波長的光對應不同的衍射角。所以以不同角度入射的雷射器輸出光束經衍射光柵的選模波長也不同，同時不同選模波長的輸出光經衍射光柵後合為一束進行輸出。
[0031]輸出稱合器對所有雷射器發射的光束都有一定的反射率，將部分入射光原路返回，與雷射器的後腔面形成諧振腔，將衍射光柵選擇的模式進行鎖定，即組成外腔鎖模雷射器；同時輸出I禹合器還有一定的透射率，所有雷射器產生的雷射通過它進行I禹合輸出。
[0032]總之，不同雷射器發射光束入射到衍射光柵的角度不同，對應的衍射波長不同，對應諧振腔的鎖定波長也就不同，反向運用衍射光柵的色散特性，以不同衍射角入射的不同波長的光合為一束，即衍射光柵同時起選模和合束的作用，合束後的光束輸出光束質量不變，但輸出功率和亮度隨雷射器的個數成比例增大。
[0033]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明作進一步的詳細說明。
[0034]圖3為利用5個LD單管進行合束的裝置的一個實施例的示意圖。如圖3所示，光源由五個LD單管構成，即圖中的LD1、LD2、LD3、LD4和LD5，其分別發射一束光，各LD單管發射的光束平行併入射到一個光整形裝置I。經光整形裝置I後，各光束分別以不同的角度入射進入衍射光柵2,經衍射光柵2反射後進入輸出I禹合器3。輸出I禹合器3具有一定的反射率，通過精確調節其方向，可使其反射的入射光沿原路返回，與各LD的後腔面形成諧振腔。
[0035]根據光柵方程:
[0036]dXsin0=AXk (I)
[0037]其中，d是光柵常數，Θ是衍射角，λ是光波波長，k是光譜級數。
[0038]當衍射光柵2的光柵常數d—定時，除零級外，在確定的光譜級中，波長越長的光，光柵衍射角Θ就越大，這樣，不同波長的同一級主最大，從零級開始向左右兩側，按波長次序由短波長向長波長散開。而由於衍射光柵的總的刻線數目很大，所以主最大對應的角度很小，在光柵後面的透鏡焦平面上就形成了明銳的細線一譜線。
[0039]對公式(I)進行微分得到:
[0040]dXcos θ X Λ θ = λ Xkx Λ λ (2)
[0041]其中Λ θ為入射角變化，Λ λ為波長變化，對於具有不同光柵常數d的光柵，光柵常數越小，同樣入射角變化對應的波長變化越小。而對於相同的光柵，入射角變化越小對應的波長變化越小。而入射角的變化可以通過調節各個雷射器間的距離和整形鏡的焦距來調節。
[0042]在本發明中，多個LD單管的輸出光以很小的角度差入射到衍射光柵2，並通過衍射光柵2進行選模，因為每個LD的鎖定光譜都很窄(如圖2所示)，所以可以將很多LD的輸出光束通過衍射光柵進行合束。圖4該實施例的是單管合束後輸出的光譜示意圖，實際光譜排列很密集，可以將幾十個、上百個LD的輸出光束進行合束。
[0043]因為每個LD之間是通過波長不同進行合束的，多個LD的輸出光束質量和單個LD相同，所以可以將LD的輸出功率和亮度按LD個數成比例的提高，即可以在保障輸出光束質量的情況下，將其輸出功率擴展到幾百瓦，甚至上千瓦，這樣的合束後的LD不僅可以提高泵浦效率，更可以直接應用於工業加工、雷射測距、軍事等眾多領域，結合LD體積小、重量輕、電光轉換效率高等優點，有望取代或部分取代固體雷射器或光纖雷射器。
[0044]但是，應當注意的是，本發明也可以應用於其它類型的雷射器，都可以在原有輸出光束質量的基礎上將輸出功率和亮度大幅度提高。
[0045]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種雷射器合束裝置，用於對多個雷射器進行合束後進行輸出，其特徵在於，包括多個雷射器、光束整形裝置、衍射光柵和輸出耦合器，其中， 所述多個雷射器均具有增益區和後腔面，增益區為雷射的產生提供必要的增益，後腔面與輸出耦合器形成諧振腔產生雷射震蕩； 所述光束整形裝置用於接收所述多個雷射器發出的雷射，並將其以不同的角度入射到衍射光柵的同一位置； 所述衍射光柵用於將入射到其上的雷射進行色散後合為一束輸出到一個輸出耦合器； 所述輸出耦合器用於接收由所述衍射光柵出射的雷射，將部分入射的雷射進行反射後使其原路返回，與所述各雷射器的後腔面形成諧振腔，以將衍射光柵選擇的模式進行鎖定；同時該輸出耦合器還用於進行耦合輸出。
2.如權利要求1所述的雷射器合束裝置，其特徵在於，所述多個雷射器平行地排列，或成角度地排列。
3.如權利要求1所述的雷射器合束裝置，其特徵在於，所述後腔面具有90%以上的反射率。
4.如權利要求1所述的雷射器合束裝置，其特徵在於，所述各雷射器為半導體雷射器。
5.如權利要求1所述的雷射器合束裝置，其特徵在於，所述多個雷射器鎖定波長各不相同。
6.—種雷射器合束方法,用於對多個雷射器進行合束後進行輸出，其特徵在於，包括如下步驟: 使所述多個雷射器發射的雷射通過一個光整形裝置後以不同的角度入射到所述衍射光柵的同一位置； 利用所述衍射光柵將所述入射到其上的雷射進行色散後合為一束，並輸出到一個輸出耦合器； 利用所述輸出耦合器將部分入射的雷射進行反射後使其原路返回，與所述各雷射器的後腔面形成諧振腔，以將衍射光柵選擇的模式進行鎖定，同時進行耦合輸出。
7.如權利要求6所述的雷射器合束方法，其特徵在於，使所述多個雷射器平行地排列，或成角度地排列。
8.如權利要求6所述的雷射器合束方法，其特徵在於，所述後腔面具有90%以上的反射率。
9.如權利要求6所述的雷射器合束方法，其特徵在於，所述各雷射器為半導體雷射器。
10.如權利要求6所述的雷射器合束方法，其特徵在於，所述多個雷射器鎖定波長各不相同。
【文檔編號】H01S5/06GK103904557SQ201410112426
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月25日 優先權日:2014年3月25日
【發明者】王翠鸞, 趙懿昊, 劉素平, 馬驍宇 申請人:中國科學院半導體研究所