一种激光阵列合束装置的制造方法
一种激光阵列合束装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光二极管阵列光束整形及耦合，具体涉及一种激光阵列合束装置。
【背景技术】
[0002]半导体激光阵列最显著的优点是电光效率高，非常适合工业加工选用，但缺点是光束质量不好，从而影响了工业应用的范围。
[0003]目前，改善其光束质量的技术一般包括相干叠加与非相干叠加两类。其中，相干叠加本质是光波振幅的叠加，能有效地改善半导体阵列输出的光束质量，但需要各叠加子光源相位同步锁定，此技术难度较大，且不容易获得大功率的同相稳定输出；非相干叠加是光强的叠加，光束整形法、偏振叠加法及波长叠加等方法，已有的光强叠加技术难以获得超高亮度的光束，且对光束质量的改善有限，大多技术均属于被动技术，且只能在已有的阵列参数下，被动地通过光束整形改善总光束质量。
【发明内容】
[0004]有鉴如此，有必要提供一种激光阵列合束装置，该激光阵列合束装置通过锁定激光阵列各发光点波长并且能使单阵列光束自动合成一单点光束，从而提高了激光阵列光束的亮度。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]一种激光阵列合束装置，其特征在于，包括沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元、柱面镜及色散单元，所述激光阵列单元包括至少一激光阵列及与所述激光阵列对应设置的快轴准直镜；
[0007]所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点。
[0008]在一些实施例中，所述激光阵列为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。
[0009]在一些实施例中，所述激光阵列单元包括第一激光阵列、第二激光阵列、与所述第一激光阵列对应设置的第一快轴准直镜、与所述第二激光阵列对应设置的第二快轴准直镜及条形合束镜，所述条形合束镜包括依次间隔设置的透射镜和反射镜，所述第一激光阵列出射的激光光束经所述第一快轴准直镜后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜，所述第二激光阵列出射的激光光束经所述第二快轴准直镜后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜反射，经所述透射镜透射的光束和经所述反射镜反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜。
[0010]在一些实施例中，所述第一激光阵列和所述第二激光阵列相互垂直放置。
[0011 ] 在一些实施例中，所述柱面镜距离所述激光阵列的距离为所述柱面镜的焦距。
[0012]在一些实施例中，所述色散单元为全内反射型相位光栅。
[0013]在一些实施例中，所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。
[0014]在一些实施例中，所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。
[0015]在一些实施例中，所述斜角三角形的角度为布儒斯特角
[0016]在一些实施例中，还包括设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列。
[0017]在一些实施例中，所述选择性反射单元为柱面镜或者窄条反射镜，所述窄条反射镜包括具有透射作用的玻璃镜及镀于所述玻璃镜部分区域的部分反射膜。
[0018]本发明采用上述技术方案带来的技术效果在于:
[0019]一方面，本发明提供的激光阵列合束装置，所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述第一准平行光束入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
[0020]另一方面，本发明提供的激光阵列合束装置还包括选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列，返回至所述激光阵列的光束被放大，从而实现了其作为激光振荡反馈腔的功能；同时，再经所述激光阵列出射的光束会再次经过所述选择性反射部件后返回至所述激光阵列，这样选择性反射部件起到了外腔耦合输出镜的作用，从而实现了空间不同物点经过包含色散成像外腔具有相同的公共像点的目的，进一步提高了激光阵列的亮度。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例一提供的激光阵列合束装置的结构示意图。
[0022]图2是本发明实施例一一较佳方式提供的激光阵列单元的结构示意图。
[0023]图3是本体为呈矩形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0024]图4是本体为直角三角形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0025]图5是本体为斜角三角形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0026]图6是本体为球面形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0027]图7是本发明实施例二提供的激光阵列合束装置的结构示意图。
[0028]图8是本发明实施例提供的窄条反射镜反射率分布的两种分布形式。
[0029]图9是柱面镜作为选择性反射单元时公共像点位置的两种情况示意图。
【具体实施方式】
[0030]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0031]本发明中所述的“第一”、“第二”仅仅为了便于说明本技术方案，并不是限定本技术方案。本发明中所述的“矩形”、“直角三角形”、“斜角三角形”、“球面形”仅仅是给出了其中的一种方式，并不局限于所提到的方式。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0032]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0033]如图1所示，为本发明实施例一提供的激光阵列合束装置100包括:沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元110、柱面镜120及色散单元130。所述激光阵列单元110包括至少一激光阵列111及与所述激光阵列111对应设置的快轴准直镜112。其中，所述激光阵列110为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。所述柱面镜120距离所述激光阵列111的距离为所述柱面镜120的焦距。
[0034]上述激光阵列合束装置100的工作方式为:所述激光阵列111出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜112，经所述快轴准直镜112后的激光光束形成准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元130，经所述色散单元130后的光束按原路返回至所述柱面镜120，并经所述柱面镜120后聚焦形成共同像点。
[0035]可以理解，由于激光阵列111是若干个独立的发光体，假定其具有不同的波长，上述发光体经过柱面镜120后变成若干束不同方向的准平行光束进入色散单元130进行衍射，衍射光基本按原路返回方向再次入射到柱面镜120，不同的波长经过色散单元130后衍射角不同，但总有这样一种情况发生，上述若干个不同波长的入射光，以不同的角度入射色散单元130后，其各自的衍射光以一相同的角度出射，再次经过柱面镜120后会聚焦与同一个点，称之为共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
[0036]请参阅图2，为本发明实施例--较佳方式提供的激光阵列单元110的结构示意图，包括:第一激光阵列113、第二激光阵列114、与所述第一激光阵列113对应设置的第一快轴准直镜115、与所述第二激光阵列114对应设置的第二快轴准直镜116及条形合束镜117，所述条形合束镜117包括依次间隔设置的透射镜118和反射镜119。
[0037]上述激光阵列单元110的工作方式为:所述第一激光阵列113出射的激光光束经所述第一快轴准直镜115后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜118，所述第二激光阵列114出射的激光光束经所述第二快轴准直镜116后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜119反射，经所述透射镜透射118的光束和经所述反射镜119反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜120。
[0038]可以理解，第一激光阵列113和第二激光阵列114分别为两个单独列阵组成的二维发光面阵，各自面阵前加有独立的快轴准直镜，如第一快轴准直镜115、第二快轴准直镜116，各列阵间距为2d，条形合束镜117包括依次间隔设置的透射镜118和反射镜119，其中，透射镜118对应入射光束增透，相邻的反射镜119则为全反射镜，将第一激光阵列113和第二激光阵列114垂直放置，经过条形合束镜117在快轴方向把第一激光阵列113和第二激光阵列114出射的六个线阵空间组合，组合后两个相邻的线阵间距变为d，从而有效地增加了快轴方向的光束密度，经此组合后的光束，可以获得亮度更高的合束激光输出。
[0039]所述色散单元130为全内反射型相位光栅。所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。可以理解，直接本体材料上制作光栅可以获得抗高损伤阈值的高效光栅，如，光栅直接制作在熔石英材料上，对特定的波长在全内反射和自准直使用条件下， -1级衍射光可以高于99%，零级衍射小于1%;本发明中的全内反射光栅材料不限于石英材料，其他光学材料或晶体材料也可以制作此类光栅。
[0040]请参阅图3，当本体为呈矩形时本体全内反射型相位光栅131的结构示意图，从图3中可以看出，n2为空气的折射率，矩形光栅槽深为D，槽宽为W，光栅常数为d，光线以自准直角度从石英材料入射光栅时，当光栅周期满足一定条件时，入射光全部被反射回石英棱镜内，且沿入射光栅的反方向衍射，其-1级衍射高达99%的效率，零级光通常情况下小于I % ο用此原理制作的全内反射光栅做腔内色散部件，可以获得合束效率大于90%的合束效果O
[0041]请参阅图4，当本体为直角三角形时本体全内反射型相位光栅132的结构示意图，从图4中可以看出，光束以近零度入射角从一个直角面入射到石英内，在石英内对斜边面光栅，其入射角约为45度，设计光栅周期、占空比和槽深，满足准直条件，-1级衍射光沿入射光方向返回，从入射的直角面出射，但在垂直于衍射的方向与入射光束有一个很小的偏离角度，衍射效率几乎与理想原路返回效率相同。
[0042]请参阅图5，当本体为斜角三角形时本体全内反射型相位光栅133的结构示意图，从图5中可以看出，斜角棱镜制作的全内反射光栅，其角度可以设计成布儒斯特角，当入射光入射到空气和石英界面时，对垂直入射面的偏振光可以省去镀增透膜的工艺，并且O级衍射光沿另一面出射，对特大功率的合束有利用改善其系统稳定性。特别说明的是，上述棱镜也可以从沿b、c线切割只留前面的直角棱镜使用，效果相同。
[0043]请参阅图6，当本体为球面形时本体全内反射型相位光栅134的结构示意图，从图6中可以看出，石英材料的光栅面如果具有一定的曲率，在本发明的设置上，可以替代全内反射型相位光栅前面的柱面镜作用，用单一块这样的球面全内反射光栅，加选择性反射部件和具有增益的发光阵列就可以组成所述的合束装置。
[0044]上述各类具体结构的光栅优点是光栅密度可以高达2200线/mm，对980nm的激光如果在空气中已经不满足光栅方程所约束的条件，光栅不含多层介质膜，抗损伤阈值极高，与材料本身的损伤阈值相当。
[0045]如图7所示，为本发明实施例二提供的激光阵列合束装置200，与实施例一不同之处在于，还包括:设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元140，经所述柱面镜120聚焦的光束依次经所述选择性反射单元140、所述柱面镜120、所述色散单元130、所述柱面镜120、所述快轴准直镜112后返回至所述激光阵列111。
[0046]优选地，所述选择性反射单元140为柱面镜或者窄条反射镜。当所述选择性反射单元140为窄条反射镜时，其在大部分区域为对光束进行透射的玻璃镜，其中间位置镀有一条很窄的反射膜，反射膜的宽度可以是20um-200um，反射率可以是4% _80%，其作用是将重叠的像区位置的小部分光选择性地反馈回不同的发光点内，起到选择激光波长的作用，请参阅图8，给出了窄条反射镜反射率分布的两种分布形式，而实际中其反射率分布可以是各种曲线形式；当所述选择性反射单元140为柱面镜时，也能够对所述共同像点所在平面的像区一分部的光回发光点，柱面镜上也可以镀窄条反射部分加强锁定效果，进一步提高合束率，实际中选用合适的曲率和反射率以获得最佳输出功率。特别地，所述柱面镜也可以用凸面作为选择性反射面，其效果与上述凹面合束作用相同。
[0047]上述反射膜的选择可以在很窄的区域内可以有各种分布，也可以镀为更窄的双线反射模式，比如，在50um的区域内，镀两个15um的窄线反射，间距相差20um的增透间隔，也可以获得很高的合束率单点激光输出。
[0048]从图9中可以看出，激光阵列111出射的光束通过对应的快轴准直镜112，在X方向变为准平行光输出，线阵列沿y轴方向为慢轴方向，如图所示的慢轴方向阵列包含三个发光单元；再通过柱面镜120，在慢轴方向将各自的线阵发光单元变换成三组方向不同的准平行光入射到全内反射光栅的直角面，光栅的衍射方向在I轴方向进行，z轴为入射光的方向，衍射方向沿-Z轴方向出射，但与原入射光路在X轴方向偏离一小角度，传播一定距离后到达选择性反射单元140上，通过选择性反射单元140，光束沿y轴方向的某一区域的光以小角度被其沿反入射方向反射回线阵列的各自发光点形成外腔激光器，经过激光放大振荡的激光模式经过上述外腔，在选择性反射单元140上的选择性反射区域形成了各自发光点的公共像点，但各自的纵模波长略有不同，所以在选择性反射单元140上的输出端在线阵y方向上只有一个发光单元的像点输出光束，但参与成像的却是各发光点功率总和。选择适当的反射率，能使各发光单元在增益带宽内只有满足公共像点的模式存在，其他的模式不能振荡，将线阵多点输出光束变换成了单点输出光束的特性。在沿X方向三个列阵变成了，三个点的空间并排合束输出。可以理解，实际成腔过程中，选择性反射单元140的位置在共同像点的平面附件一定的范围内均可以满足公共成像的条件但细微的位置变化对公共成像点的大小有一定的影响。
[0049]特别地，如果选择性反射单元140采用柱面镜做选择性反射时，选择性反射的公共像点可以在柱面上，也可以调整至柱面球心位置。如图8所示的柱面镜作为选择性反射单元时，公共像点位置的两种情况，Q点和P点成像，P点的像通常小于Q的。
[0050]可以理解，由于激光阵列单元110中各自激光阵列发光的物点一般其波长梯度不满足上述设定的条件，加上各自激光阵列发光物点发出的光具有一定的谱宽，共同像点所在的平面上会是断续或连续的线段，这取决于物点发光谱宽度，线段上的某点代表一个特定的激光波长，超过一定的宽度，各自的像点就会有重叠，重叠部分的光束分别来自不同的发光单元，具有不同的波长，如果此时在共同像点所在的平面上成像的重跌的区域放置一个具有选择性反射的光学部件，选择重跌区域的一部分以小角度光束沿原路返回至各自的发光物点，作为激光振荡的反馈腔，这部分返回的光会被放大，其它部分的光没有反馈放大，会逐渐减小至消失，而再出射的光束就会自动再次经过选择性反射部件，又返回物发光单元，选择性反射部件起外腔耦合输出镜的作用，本质上自动实现了空间不同物点经过包含色散成像外腔具有相同的公共像点的目的。特别指出的是共同像点的光参数积与各自物发光点的光参数积相同，在特定条件下可以小于没有反馈时物点的光参数积，如果从外腔耦合输出镜处看，激光的功率是物发光点数乘单物发光点功率，总光参数积与一个物发光点的相同，本质上提高了激光阵列的亮度。
[0051]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种激光阵列合束装置，其特征在于，包括沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元、柱面镜及色散单元，所述激光阵列单元包括至少一激光阵列及与所述激光阵列对应设置的快轴准直镜； 所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点。2.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光阵列为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。3.根据权利要求1所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光阵列单元包括第一激光阵列、第二激光阵列、与所述第一激光阵列对应设置的第一快轴准直镜、与所述第二激光阵列对应设置的第二快轴准直镜及条形合束镜，所述条形合束镜包括依次间隔设置的透射镜和反射镜，所述第一激光阵列出射的激光光束经所述第一快轴准直镜后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜，所述第二激光阵列出射的激光光束经所述第二快轴准直镜后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜反射，经所述透射镜透射的光束和经所述反射镜反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜。4.根据权利要求3所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一激光阵列和所述第二激光阵列相互垂直放置。5.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述柱面镜距离所述激光阵列的距离为所述柱面镜的焦距。6.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述色散单元为全内反射型相位光栅。7.根据权利要求6所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。8.根据权利要求7所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。9.根据权利要求8所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述斜角三角形的角度为布儒斯特角。10.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，还包括设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列。11.根据权利要求10所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述选择性反射单元为柱面镜或者窄条反射镜，所述窄条反射镜包括一具有透射作用的玻璃镜及镀于所述玻璃镜部分区域的部分反射膜。
【专利摘要】本发明提供的激光阵列合束装置，所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述第一准平行光束入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
【IPC分类】G02B27/10, H01S5/10, H01S3/081, H01S3/067, H01S5/40, H01S3/23, G02B27/30
【公开号】CN104901162
【申请号】CN201510284331
【发明人】余勤跃, 扈金富
【申请人】温州泛波激光有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月28日
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光二极管阵列光束整形及耦合，具体涉及一种激光阵列合束装置。
【背景技术】
[0002]半导体激光阵列最显著的优点是电光效率高，非常适合工业加工选用，但缺点是光束质量不好，从而影响了工业应用的范围。
[0003]目前，改善其光束质量的技术一般包括相干叠加与非相干叠加两类。其中，相干叠加本质是光波振幅的叠加，能有效地改善半导体阵列输出的光束质量，但需要各叠加子光源相位同步锁定，此技术难度较大，且不容易获得大功率的同相稳定输出；非相干叠加是光强的叠加，光束整形法、偏振叠加法及波长叠加等方法，已有的光强叠加技术难以获得超高亮度的光束，且对光束质量的改善有限，大多技术均属于被动技术，且只能在已有的阵列参数下，被动地通过光束整形改善总光束质量。
【发明内容】
[0004]有鉴如此，有必要提供一种激光阵列合束装置，该激光阵列合束装置通过锁定激光阵列各发光点波长并且能使单阵列光束自动合成一单点光束，从而提高了激光阵列光束的亮度。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0006]一种激光阵列合束装置，其特征在于，包括沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元、柱面镜及色散单元，所述激光阵列单元包括至少一激光阵列及与所述激光阵列对应设置的快轴准直镜；
[0007]所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点。
[0008]在一些实施例中，所述激光阵列为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。
[0009]在一些实施例中，所述激光阵列单元包括第一激光阵列、第二激光阵列、与所述第一激光阵列对应设置的第一快轴准直镜、与所述第二激光阵列对应设置的第二快轴准直镜及条形合束镜，所述条形合束镜包括依次间隔设置的透射镜和反射镜，所述第一激光阵列出射的激光光束经所述第一快轴准直镜后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜，所述第二激光阵列出射的激光光束经所述第二快轴准直镜后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜反射，经所述透射镜透射的光束和经所述反射镜反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜。
[0010]在一些实施例中，所述第一激光阵列和所述第二激光阵列相互垂直放置。
[0011 ] 在一些实施例中，所述柱面镜距离所述激光阵列的距离为所述柱面镜的焦距。
[0012]在一些实施例中，所述色散单元为全内反射型相位光栅。
[0013]在一些实施例中，所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。
[0014]在一些实施例中，所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。
[0015]在一些实施例中，所述斜角三角形的角度为布儒斯特角
[0016]在一些实施例中，还包括设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列。
[0017]在一些实施例中，所述选择性反射单元为柱面镜或者窄条反射镜，所述窄条反射镜包括具有透射作用的玻璃镜及镀于所述玻璃镜部分区域的部分反射膜。
[0018]本发明采用上述技术方案带来的技术效果在于:
[0019]一方面，本发明提供的激光阵列合束装置，所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述第一准平行光束入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
[0020]另一方面，本发明提供的激光阵列合束装置还包括选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列，返回至所述激光阵列的光束被放大，从而实现了其作为激光振荡反馈腔的功能；同时，再经所述激光阵列出射的光束会再次经过所述选择性反射部件后返回至所述激光阵列，这样选择性反射部件起到了外腔耦合输出镜的作用，从而实现了空间不同物点经过包含色散成像外腔具有相同的公共像点的目的，进一步提高了激光阵列的亮度。
【附图说明】
[0021]图1是本发明实施例一提供的激光阵列合束装置的结构示意图。
[0022]图2是本发明实施例一一较佳方式提供的激光阵列单元的结构示意图。
[0023]图3是本体为呈矩形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0024]图4是本体为直角三角形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0025]图5是本体为斜角三角形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0026]图6是本体为球面形时本体全内反射型相位光栅的结构示意图。
[0027]图7是本发明实施例二提供的激光阵列合束装置的结构示意图。
[0028]图8是本发明实施例提供的窄条反射镜反射率分布的两种分布形式。
[0029]图9是柱面镜作为选择性反射单元时公共像点位置的两种情况示意图。
【具体实施方式】
[0030]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施方式。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本发明的公开内容理解的更加透彻全面。
[0031]本发明中所述的“第一”、“第二”仅仅为了便于说明本技术方案，并不是限定本技术方案。本发明中所述的“矩形”、“直角三角形”、“斜角三角形”、“球面形”仅仅是给出了其中的一种方式，并不局限于所提到的方式。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
[0032]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0033]如图1所示，为本发明实施例一提供的激光阵列合束装置100包括:沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元110、柱面镜120及色散单元130。所述激光阵列单元110包括至少一激光阵列111及与所述激光阵列111对应设置的快轴准直镜112。其中，所述激光阵列110为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。所述柱面镜120距离所述激光阵列111的距离为所述柱面镜120的焦距。
[0034]上述激光阵列合束装置100的工作方式为:所述激光阵列111出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜112，经所述快轴准直镜112后的激光光束形成准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元130，经所述色散单元130后的光束按原路返回至所述柱面镜120，并经所述柱面镜120后聚焦形成共同像点。
[0035]可以理解，由于激光阵列111是若干个独立的发光体，假定其具有不同的波长，上述发光体经过柱面镜120后变成若干束不同方向的准平行光束进入色散单元130进行衍射，衍射光基本按原路返回方向再次入射到柱面镜120，不同的波长经过色散单元130后衍射角不同，但总有这样一种情况发生，上述若干个不同波长的入射光，以不同的角度入射色散单元130后，其各自的衍射光以一相同的角度出射，再次经过柱面镜120后会聚焦与同一个点，称之为共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
[0036]请参阅图2，为本发明实施例--较佳方式提供的激光阵列单元110的结构示意图，包括:第一激光阵列113、第二激光阵列114、与所述第一激光阵列113对应设置的第一快轴准直镜115、与所述第二激光阵列114对应设置的第二快轴准直镜116及条形合束镜117，所述条形合束镜117包括依次间隔设置的透射镜118和反射镜119。
[0037]上述激光阵列单元110的工作方式为:所述第一激光阵列113出射的激光光束经所述第一快轴准直镜115后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜118，所述第二激光阵列114出射的激光光束经所述第二快轴准直镜116后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜119反射，经所述透射镜透射118的光束和经所述反射镜119反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜120。
[0038]可以理解，第一激光阵列113和第二激光阵列114分别为两个单独列阵组成的二维发光面阵，各自面阵前加有独立的快轴准直镜，如第一快轴准直镜115、第二快轴准直镜116，各列阵间距为2d，条形合束镜117包括依次间隔设置的透射镜118和反射镜119，其中，透射镜118对应入射光束增透，相邻的反射镜119则为全反射镜，将第一激光阵列113和第二激光阵列114垂直放置，经过条形合束镜117在快轴方向把第一激光阵列113和第二激光阵列114出射的六个线阵空间组合，组合后两个相邻的线阵间距变为d，从而有效地增加了快轴方向的光束密度，经此组合后的光束，可以获得亮度更高的合束激光输出。
[0039]所述色散单元130为全内反射型相位光栅。所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。可以理解，直接本体材料上制作光栅可以获得抗高损伤阈值的高效光栅，如，光栅直接制作在熔石英材料上，对特定的波长在全内反射和自准直使用条件下， -1级衍射光可以高于99%，零级衍射小于1%;本发明中的全内反射光栅材料不限于石英材料，其他光学材料或晶体材料也可以制作此类光栅。
[0040]请参阅图3，当本体为呈矩形时本体全内反射型相位光栅131的结构示意图，从图3中可以看出，n2为空气的折射率，矩形光栅槽深为D，槽宽为W，光栅常数为d，光线以自准直角度从石英材料入射光栅时，当光栅周期满足一定条件时，入射光全部被反射回石英棱镜内，且沿入射光栅的反方向衍射，其-1级衍射高达99%的效率，零级光通常情况下小于I % ο用此原理制作的全内反射光栅做腔内色散部件，可以获得合束效率大于90%的合束效果O
[0041]请参阅图4，当本体为直角三角形时本体全内反射型相位光栅132的结构示意图，从图4中可以看出，光束以近零度入射角从一个直角面入射到石英内，在石英内对斜边面光栅，其入射角约为45度，设计光栅周期、占空比和槽深，满足准直条件，-1级衍射光沿入射光方向返回，从入射的直角面出射，但在垂直于衍射的方向与入射光束有一个很小的偏离角度，衍射效率几乎与理想原路返回效率相同。
[0042]请参阅图5，当本体为斜角三角形时本体全内反射型相位光栅133的结构示意图，从图5中可以看出，斜角棱镜制作的全内反射光栅，其角度可以设计成布儒斯特角，当入射光入射到空气和石英界面时，对垂直入射面的偏振光可以省去镀增透膜的工艺，并且O级衍射光沿另一面出射，对特大功率的合束有利用改善其系统稳定性。特别说明的是，上述棱镜也可以从沿b、c线切割只留前面的直角棱镜使用，效果相同。
[0043]请参阅图6，当本体为球面形时本体全内反射型相位光栅134的结构示意图，从图6中可以看出，石英材料的光栅面如果具有一定的曲率，在本发明的设置上，可以替代全内反射型相位光栅前面的柱面镜作用，用单一块这样的球面全内反射光栅，加选择性反射部件和具有增益的发光阵列就可以组成所述的合束装置。
[0044]上述各类具体结构的光栅优点是光栅密度可以高达2200线/mm，对980nm的激光如果在空气中已经不满足光栅方程所约束的条件，光栅不含多层介质膜，抗损伤阈值极高，与材料本身的损伤阈值相当。
[0045]如图7所示，为本发明实施例二提供的激光阵列合束装置200，与实施例一不同之处在于，还包括:设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元140，经所述柱面镜120聚焦的光束依次经所述选择性反射单元140、所述柱面镜120、所述色散单元130、所述柱面镜120、所述快轴准直镜112后返回至所述激光阵列111。
[0046]优选地，所述选择性反射单元140为柱面镜或者窄条反射镜。当所述选择性反射单元140为窄条反射镜时，其在大部分区域为对光束进行透射的玻璃镜，其中间位置镀有一条很窄的反射膜，反射膜的宽度可以是20um-200um，反射率可以是4% _80%，其作用是将重叠的像区位置的小部分光选择性地反馈回不同的发光点内，起到选择激光波长的作用，请参阅图8，给出了窄条反射镜反射率分布的两种分布形式，而实际中其反射率分布可以是各种曲线形式；当所述选择性反射单元140为柱面镜时，也能够对所述共同像点所在平面的像区一分部的光回发光点，柱面镜上也可以镀窄条反射部分加强锁定效果，进一步提高合束率，实际中选用合适的曲率和反射率以获得最佳输出功率。特别地，所述柱面镜也可以用凸面作为选择性反射面，其效果与上述凹面合束作用相同。
[0047]上述反射膜的选择可以在很窄的区域内可以有各种分布，也可以镀为更窄的双线反射模式，比如，在50um的区域内，镀两个15um的窄线反射，间距相差20um的增透间隔，也可以获得很高的合束率单点激光输出。
[0048]从图9中可以看出，激光阵列111出射的光束通过对应的快轴准直镜112，在X方向变为准平行光输出，线阵列沿y轴方向为慢轴方向，如图所示的慢轴方向阵列包含三个发光单元；再通过柱面镜120，在慢轴方向将各自的线阵发光单元变换成三组方向不同的准平行光入射到全内反射光栅的直角面，光栅的衍射方向在I轴方向进行，z轴为入射光的方向，衍射方向沿-Z轴方向出射，但与原入射光路在X轴方向偏离一小角度，传播一定距离后到达选择性反射单元140上，通过选择性反射单元140，光束沿y轴方向的某一区域的光以小角度被其沿反入射方向反射回线阵列的各自发光点形成外腔激光器，经过激光放大振荡的激光模式经过上述外腔，在选择性反射单元140上的选择性反射区域形成了各自发光点的公共像点，但各自的纵模波长略有不同，所以在选择性反射单元140上的输出端在线阵y方向上只有一个发光单元的像点输出光束，但参与成像的却是各发光点功率总和。选择适当的反射率，能使各发光单元在增益带宽内只有满足公共像点的模式存在，其他的模式不能振荡，将线阵多点输出光束变换成了单点输出光束的特性。在沿X方向三个列阵变成了，三个点的空间并排合束输出。可以理解，实际成腔过程中，选择性反射单元140的位置在共同像点的平面附件一定的范围内均可以满足公共成像的条件但细微的位置变化对公共成像点的大小有一定的影响。
[0049]特别地，如果选择性反射单元140采用柱面镜做选择性反射时，选择性反射的公共像点可以在柱面上，也可以调整至柱面球心位置。如图8所示的柱面镜作为选择性反射单元时，公共像点位置的两种情况，Q点和P点成像，P点的像通常小于Q的。
[0050]可以理解，由于激光阵列单元110中各自激光阵列发光的物点一般其波长梯度不满足上述设定的条件，加上各自激光阵列发光物点发出的光具有一定的谱宽，共同像点所在的平面上会是断续或连续的线段，这取决于物点发光谱宽度，线段上的某点代表一个特定的激光波长，超过一定的宽度，各自的像点就会有重叠，重叠部分的光束分别来自不同的发光单元，具有不同的波长，如果此时在共同像点所在的平面上成像的重跌的区域放置一个具有选择性反射的光学部件，选择重跌区域的一部分以小角度光束沿原路返回至各自的发光物点，作为激光振荡的反馈腔，这部分返回的光会被放大，其它部分的光没有反馈放大，会逐渐减小至消失，而再出射的光束就会自动再次经过选择性反射部件，又返回物发光单元，选择性反射部件起外腔耦合输出镜的作用，本质上自动实现了空间不同物点经过包含色散成像外腔具有相同的公共像点的目的。特别指出的是共同像点的光参数积与各自物发光点的光参数积相同，在特定条件下可以小于没有反馈时物点的光参数积，如果从外腔耦合输出镜处看，激光的功率是物发光点数乘单物发光点功率，总光参数积与一个物发光点的相同，本质上提高了激光阵列的亮度。
[0051]以上所述的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
【主权项】
1.一种激光阵列合束装置，其特征在于，包括沿光束传输方向依次设置的激光阵列单元、柱面镜及色散单元，所述激光阵列单元包括至少一激光阵列及与所述激光阵列对应设置的快轴准直镜； 所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述准平行光束A入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点。2.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光阵列为具有增益特性的半导体激光阵列或光纤激光器阵列。3.根据权利要求1所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述激光阵列单元包括第一激光阵列、第二激光阵列、与所述第一激光阵列对应设置的第一快轴准直镜、与所述第二激光阵列对应设置的第二快轴准直镜及条形合束镜，所述条形合束镜包括依次间隔设置的透射镜和反射镜，所述第一激光阵列出射的激光光束经所述第一快轴准直镜后形成第一准平行光束，所述第一准平行光束透射所述透射镜，所述第二激光阵列出射的激光光束经所述第二快轴准直镜后形成第二准平行光束，所述第二准平行光束被所述反射镜反射，经所述透射镜透射的光束和经所述反射镜反射的光束形成合束光束入射进入所述柱面镜。4.根据权利要求3所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述第一激光阵列和所述第二激光阵列相互垂直放置。5.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述柱面镜距离所述激光阵列的距离为所述柱面镜的焦距。6.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，所述色散单元为全内反射型相位光栅。7.根据权利要求6所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述全内反射型相位光栅包括本体及形成于所述本体上的光栅，所述本体为熔石英材料。8.根据权利要求7所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述本体呈矩形或者直角三角形或者斜角三角形或者球面形。9.根据权利要求8所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述斜角三角形的角度为布儒斯特角。10.根据权利要求1所述激光阵列合束装置，其特征在于，还包括设置于所述共同像点所在平面的选择性反射单元，经所述柱面镜聚焦的光束依次经所述选择性反射单元、所述柱面镜、所述色散单元、所述柱面镜、所述快轴准直镜后返回至所述激光阵列。11.根据权利要求10所述的激光阵列合束装置，其特征在于，所述选择性反射单元为柱面镜或者窄条反射镜，所述窄条反射镜包括一具有透射作用的玻璃镜及镀于所述玻璃镜部分区域的部分反射膜。
【专利摘要】本发明提供的激光阵列合束装置，所述激光阵列出射的激光光束入射进入所述快轴准直镜，经所述快轴准直镜后的激光光束形成一维准平行光束A，所述第一准平行光束入射进入所述柱面镜后形成二维准平行光束B，所述准平行光束B入射进入所述色散单元，经所述色散单元后的光束按原路返回至所述柱面镜，并经所述柱面镜后聚焦形成共同像点，从而能够锁定激光阵列各发光点波长并且使单阵列光束自动合成单点光束，提高了激光阵列光束的亮度。
【IPC分类】G02B27/10, H01S5/10, H01S3/081, H01S3/067, H01S5/40, H01S3/23, G02B27/30
【公开号】CN104901162
【申请号】CN201510284331
【发明人】余勤跃, 扈金富
【申请人】温州泛波激光有限公司
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月28日
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