基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于半导体激光技术领域，公开了一种基于准直‑偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，该装置包括半导体激光阵列(1)，依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直‑偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中准直‑偏转元件(4)用于使不同发射单元发出的光束折射并使它们入射到衍射光栅(5)的同一区域，利用衍射光栅(5)将重叠在同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出。本发明专利技术通过对合束装置中各个组件的构成及它们的设置方式、内部构造等进行改进，能够有效解决传统半导体激光阵列光谱合束方式中存在的诸如偏离中心的发射单元所发出光束反馈、合束效率低下等问题。

【技术实现步骤摘要】
基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法
本专利技术属于半导体激光
，更具体地，涉及一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，是一种新型的半导体激光阵列光谱合束系统及合束方法。
技术介绍
随着激光科学领域突飞猛进的发展，其中一个重要的课题是实现高功率、高亮度的激光输出。半导体激光器由于波长选择范围广泛、尺寸小、电-光能量转换率高以及工作寿命长等优势，在通信、生物、医疗以及材料加工等方面广泛使用。但其缺点也是显而易见的：单个发光单元的功率低、慢轴方向光束质量差导致光束能量密度低等等，这些缺点阻碍了半导体激光器目前阶段作为高功率、高亮度光源而直接使用。用半导体激光器实现高功率、高亮度输出的一种有效途径为光束合束。过去的多年里诞生了多种合束方法，主要有：空间合束、偏振合束和波长合束。其中空间合束是将半导体激光光束从空间上堆砌式叠加，但与此同时使得光束质量变差，因此无法实现光束亮度的最优化；偏振合束是利用光的偏振特性，将两束偏振方向垂直的光束叠加在一起，因而在光束质量不变的前提下提升了功率，但仅为两倍；波长合束亦仅为两倍功率。2000年MIT/LL提出了一种基于光栅外腔模型、用变换透镜将半导体激光阵列发出的多束光束汇聚到光栅同一区域并以相同角度衍射的方法。该方法实现了多光束的空间重合，并保持了较好的光束质量(近20倍衍射极限)(V.Daneu,A.Sanchez,T.Y.Fan,H.K.Choi,G.W.Turner,andC.C.Cook,“Spectralbeamcombiningofabroad-stripediodelaserarrayinanexternalcavity”,Opt.Lett.,vol.25,pp.405–407,2000)。2016年TeraDiode公司在此基础上更是实现了功率4-KW，光束质量3.5mm·rad的输出(R.K.Huang,B.Chann,J.Burgess,B.Lochman,W.Zhou,M.Cruz,R.Cook,D.Dugmore,J.Shattuck,andP.Tayebati,“Teradiode’shighbrightnesssemiconductorlasers”,Proc.SPIE9730,97300C(2016).)。该合束系统及方法发展至今已成为典型的光谱合束系统及方法，但这种系统及方法采用的平-凸球面变换透镜对非主光轴上的光束产生的离轴像差不容忽视，很大程度上降低了离轴光束的反馈、合束效率，进而降低了整个系统的能量转换效率，这种情况在大尺寸、多发射单元的水平激光阵列合束中尤为突出；在高占空比的半导体激光阵列合束中，离轴像差甚至可能造成相邻发射单元的模式混乱。因此这种典型的光谱合束系统及方法难以适用于大尺寸水平半导体激光阵列或发射单元密集分布的半导体激光阵列。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术的目的在于提供一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置及方法，其中通过对半导体激光光谱合束装置中各个组件的构成及它们的设置方式、内部构造等进行改进，同时对对应的合束方法其整体处理工艺进行控制，与现有技术相比能够有效解决传统半导体激光阵列光谱合束方式中存在的诸如偏离中心的发射单元所发出光束反馈、合束效率低下等问题，本专利技术在保持输出光束较好光束质量的前提下，允许更多数目的发射单元所发出光束参与光谱合束，并显著提升了半导体激光线阵中偏离中心的发射单元的反馈、合束效率，从而提升了半导体激光阵列的整体的输出功率和亮度；并且，该新型的半导体激光阵列光谱合束装置及方法，能够减小主光轴外光束的离轴像差，从而提升光谱合束的效率，并使各发射单元光场模式更加稳定。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光阵列(1)，以及依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直-偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中，所述半导体激光阵列(1)包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，用于发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；所述快轴准直镜(2)用于减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；所述光束旋转元件(3)用于使每束光束以传播方向为轴旋转90°；所述准直-偏转元件(4)用于在慢轴方向对半导体激光阵列(1)发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到所述衍射光栅(5)的同一区域，进而利用该衍射光栅(5)的配合作用，将重叠在该衍射光栅(5)同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，这一束输出的光束即合束光束；所述输出耦合镜(6)用于接受所述衍射光栅(5)出射的合束光束，使其一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列(1)内对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。进一步的，所述准直-偏转元件(4)的前表面为柱面，用于减小光束慢轴方向的远场发散角；后表面为柱状锯齿形透镜，并且记所述半导体激光阵列(1)其阵列的总宽度为W激光阵列，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，10×W激光阵列仍不超过D；并且，当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足(2N+1)时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；除了其中的第0级外，其它全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向第0级偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θi，则θi满足：其中，Wpitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n准直-偏转元件为该准直-偏转元件(4)的折射率；从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域；而当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足2N时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向光轴偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的非零整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θi，则θi满足：其中，Wpitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n准直-偏转元件为该准直-偏转元件(4)的折射率；从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域。进一步的，所述半导体激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光阵列(1)，以及依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直-偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中，/n所述半导体激光阵列(1)包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，用于发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；/n所述快轴准直镜(2)用于减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；/n所述光束旋转元件(3)用于使每束光束以传播方向为轴旋转90°；/n所述准直-偏转元件(4)用于在慢轴方向对半导体激光阵列(1)发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到所述衍射光栅(5)的同一区域，进而利用该衍射光栅(5)的配合作用，将重叠在该衍射光栅(5)同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，这一束输出的光束即合束光束；/n所述输出耦合镜(6)用于接受所述衍射光栅(5)出射的合束光束，使其一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列(1)内对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，包括半导体激光阵列(1)，以及依次沿光路设置的快轴准直镜(2)、光束旋转元件(3)、准直-偏转元件(4)、衍射光栅(5)和输出耦合镜(6)；其中，
所述半导体激光阵列(1)包括排列成阵列的多个半导体激光发射单元，用于发出多条等间距排列、且出射方向相同的光束；
所述快轴准直镜(2)用于减小所述半导体激光阵列(1)发出光束快轴方向的远场发散角；
所述光束旋转元件(3)用于使每束光束以传播方向为轴旋转90°；
所述准直-偏转元件(4)用于在慢轴方向对半导体激光阵列(1)发出的多条光束进行准直，减小其慢轴方向的远场发散角，并使不同发射单元发出的光束折射不同角度从而使它们入射到所述衍射光栅(5)的同一区域，进而利用该衍射光栅(5)的配合作用，将重叠在该衍射光栅(5)同一区域的多束光束以相同的衍射角衍射，使其成为同一束光并输出，这一束输出的光束即合束光束；
所述输出耦合镜(6)用于接受所述衍射光栅(5)出射的合束光束，使其一部分沿原路反射分别回到半导体激光阵列(1)内对应的发射单元中形成反馈，另一部分输出。


2.如权利要求1所述基于准直-偏转元件的半导体激光光谱合束装置，其特征在于，所述准直-偏转元件(4)的前表面为柱面，用于减小光束慢轴方向的远场发散角；后表面为柱状锯齿形透镜，并且记所述半导体激光阵列(1)其阵列的总宽度为W激光阵列，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，10×W激光阵列仍不超过D；
并且，当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足(2N+1)时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第0级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；除了其中的第0级外，其它全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向第0级偏转；并且，对于其中的第i级，i为满足-N≤i≤N的整数，记与该光束对应的锯齿状后表面其法线方向与该光束入射方向之间的夹角为θi，则θi满足：



其中，Wpitch为所述半导体激光阵列(1)中相邻发射单元之间的间距，D为该准直-偏转元件(4)与所述衍射光栅(5)的间距，n准直-偏转元件为该准直-偏转元件(4)的折射率；
从而使得不同发射单元出射的光束折射不同的角度并入射到光栅的同一区域；
而当所述半导体激光阵列(1)中半导体激光发射单元的总个数满足2N时，N为自然数，则由该半导体激光阵列(1)阵列的一端至另一端，记全部半导体激光发射单元发射的激光光束分别为第-N级、第-(N-1)级、……、第-1级、第1级、……、第(N-1)级、第N级；全部的激光光束经过该准直-偏转元件(4)后均向光轴偏转；并且，对于其中的第i...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐霞辉，马豪杰，陈子康，张旭辉，罗惜照，肖瑜，秦应雄，万辰皓，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42