一种基于双光栅的蓝光合束装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种基于双光栅的蓝光合束装置,涉及激光合束技术领域。实用新型专利技术包括包括蓝光半导体激光阵列，以及沿光路按顺序设有预先设置好相应参数的快轴准直镜与慢轴准直镜、光束转折压缩元件组、梯形光束压缩元件、斜条型光束压缩元件、光束偏转元件、双衍射光栅组和输出耦合镜。本实用新型专利技术可提高蓝光光束质量且能够对更多的光束进行光谱合束。束质量且能够对更多的光束进行光谱合束。束质量且能够对更多的光束进行光谱合束。

【技术实现步骤摘要】
一种基于双光栅的蓝光合束装置


[0001]本技术属于蓝光半导体激光
，更具体地，涉及一种基于快慢轴光束准直、光束压缩以及双衍射光栅组光谱合束的蓝光半导体激光阵列合束装置及方法，是一种新型的基于双光栅的蓝光合束装置。
技术背景
[0002]大功率蓝光半导体激光器在解决为汽车提供动力的电池电极、集成电子元件、航空航天所用到的零件的铜基等反射率高材料的加工时，具有得天独厚的优势。由于蓝色波段激光不存在对红外激光反射率高的情况造成的纯铜以及铜合金制造难、焊接难等问题，因此未来大功率蓝光半导体激光器应用在工业领域会拥有更高的效率。
[0003]国外公司如德国的Laserline公司在2019年研制并发布了一款 1kW的蓝光半导体激光器；美国的NUBURU公司也在同年发布了转为铜焊接加工而生的输出功率为500W，波长为450nm，型号为AO
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500 的工业蓝光半导体激光器，AO
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500蓝光激光器利用交错反射镜和偏振镜将四个独立的200W光束输出模块以最小的能量损耗耦合成一束光。
[0004]目前行业内主要采用的合束方法有：空间合束、偏振合束以及光谱合束等。在使用空间合束时，限于基础的激光合束原理，空间合束虽然比较容易实现激光的高功率输出，但大大降低了光束质量；在使用偏振合束后对于输出功率的提高非常有限，且输出的激光虽然具有较高的光束质量，但就算每个激光单元具有衍射极限的光束质量，通过偏振合束后光束质量也会相应的变差，很难达到固体以及光纤激光器的水平。光谱合束(又称外腔波长光束组合)是利用将不同的激光单元在不同的波长上锁定，再利用具有色散效应的色散元件使各个光束向着同一个方向输出。实际使用时利用单个或多个衍射光栅对半导体激光器二极管发出的单个光束进行光谱合束。使用这种光栅合束的优点是可以比其他方法对更多的激光器发光单进行合束，这样就增加了激光的输出功率，更重要的是，整形后的光束质量保持与单个激光二极管单元一致，利用这种方法可以使半导体激光器的输出光束在具有较高的功率同时拥有较高的光束质量。
[0005]国内一些科研机构已经对普通半导体激光器的光谱合束有了一些成果。长春光学精密机械与物理研究所在2013年利用透射式光栅作为衍射元件对多个红外半导体激光单元进行光谱合束。由于使用的是投射式光栅因此入射光束和衍射光束分别在光栅的两侧，且他们的夹角一般超过90
°
，这种光谱合束方法不仅容易调整光路而且可以对更多的激光单元进行合束。但在使用光栅对半导体激光器进行光谱合束过程中，当一束具有一定线宽的激光光束入射到光栅时由于光栅的色散作用会产生衍射效应并增大光束发散角，使光束质量降低，并且在传输透镜较长时由于整体光程增加造成了单个激光光束的交调，这种衍射效应使光束质量下降的情况会更加明显；北京工业大学朱占达在2016年为了进一步提升光谱合束的光束质量，提出了在之前单个光栅基础上加入一个光栅刻线相同的透射式光栅形成光栅对，该方法可以有效消除光束仅经过一个光栅产生的光束质量降低以及相邻两束激光的反馈串扰，但这种方式由于并未对光束进行压缩以缩小光束间距，因而能够参与合
束的激光发光单元数量不足因而最终的输出功率不足。
[0006]国内目前对蓝光半导体激光阵列的光谱合束的例子较少，因此目前的现有合束设备与方法还无法输出同时拥有较高功率与较高光束质量的蓝光激光。

技术实现思路

[0007]针对现有研究成果的不足与缺陷，本技术的目的在于提供一种基于双光栅的蓝光合束装置，以达到实现提高蓝光光束质量且能够对更多的光束进行光谱合束的目的。
[0008]为实现上述目的，本技术提供了一种基于双光栅的蓝光合束装置，包括蓝光半导体激光阵列，以及沿光路按顺序设有预先设置好相应参数的快轴准直镜与慢轴准直镜、光束转折压缩元件组、梯形光束压缩元件、斜条型光束压缩元件、光束偏转元件、双衍射光栅组和输出耦合镜。
[0009]可选的，所述蓝光半导体激光阵列中包括依次排列成阵列的若干个蓝光半导体激光发射单元，所述蓝光半导体激光发射单元用于输出若干条等间距排列、且激光光束方向相同的蓝光光束；
[0010]所述快轴准直镜与慢轴准直镜用于分别准直所述蓝光半导体激光阵列中若干个发光单元输出的蓝光光束，减小蓝光光束快轴方向与慢轴方向的远场发散角；
[0011]所述光束转折压缩元件组包含平行放置的一面全反射镜以及一面半透过半反射镜，所述光束转折压缩元件组用于初步压缩所述蓝光半导体激光阵列中若干个发光单元所输出的等距、同方向的蓝光光束，缩小每束蓝光光束之间的距离；
[0012]所述梯形光束压缩元件和所述斜条型光束压缩元件用于进一步对通过光束转折压缩元件组的若干蓝光光束压缩，使每束蓝光光束之间的距离达到很小的数值；
[0013]所述光束偏转元件将从所述斜条型光束压缩元件中出射的若干个蓝光光束折射不同角度，从而使所述若干个蓝光光束入射到所述双衍射光栅组的第一衍射光栅的同一片区域，将重叠在所述第一衍射光栅的同一区域的多束蓝光光束，以相应的衍射角衍射并入射到第二衍射光栅上，进而利用所述双衍射光栅组的共同作用，使多束蓝光光束合并为一束蓝光并输出，这一束输出的即为蓝光合束光束，所述第一衍射光栅位于所述第二衍射光栅和所述光束偏转元件之间，所述第一衍射光栅与所述第二衍射光栅之间非平行放置；
[0014]所述输出耦合镜用于输出并反馈所述双衍射光栅组输出的蓝光合束光束，使其一部分沿光路反射分别回到所述蓝光半导体激光阵列中对应的发射单元的输出镜上形成反馈，同时另一部分蓝光光束则作为蓝光合束光束从所述输出耦合镜输出。
[0015]可选的，所述蓝光半导体激光阵列所发射的等间距的蓝光光束个数为偶数，记为2N个且N是自然数，所述蓝光半导体激光阵列1由最上端到最下端发射的蓝光光束分别记为第1级、第2级、
……
第N
‑
1级、第N级、第N+1级、
……
第2N
‑
1级以及第2N级。
[0016]可选的，所述光束转折压缩元件组由一面全反射镜和一面半透过半反射镜组成，所述全反射镜与所述半透过半反射镜平行，且均与由所述蓝光半导体激光阵列输出光束的光路出射方向A呈45
°
夹角，且半透过半反射镜被等距地分为透射单元与反射交错单元42，所述透射单元与所述反射交错单元间隔设置；
[0017]第N+1级、
……
第2N
‑
1级以及第2N级蓝光光束直接通过半透过半反射镜的投射单元水平出射，而位于上部的全反射镜将第1级、第 2级、
……
第N
‑
1级、第N级蓝光光束偏转
90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的各级蓝光光束水平射出并被均匀的穿插到第N+1级、
……
第2N
‑
1级以及第2N级蓝光光束之间，达到第一步压缩光束的目的，且蓝光光束的顺序变本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于双光栅的蓝光合束装置，其特征在于，包括蓝光半导体激光阵列(1)，以及沿光路按顺序设有预先设置好相应参数的快轴准直镜(2)与慢轴准直镜(3)、光束转折压缩元件组(4)、梯形光束压缩元件(5)、斜条型光束压缩元件(6)、光束偏转元件(7)、双衍射光栅组(8)和输出耦合镜(9)。2.如权利要求1所述的基于双光栅的蓝光合束装置，其特征在于，所述蓝光半导体激光阵列(1)中包括依次排列成阵列的若干个蓝光半导体激光发射单元，所述蓝光半导体激光发射单元用于输出若干条等间距排列、且激光光束方向相同的蓝光光束；所述快轴准直镜(2)与慢轴准直镜(3)用于分别准直所述蓝光半导体激光阵列(1)中若干个发光单元输出的蓝光光束，减小蓝光光束快轴方向与慢轴方向的远场发散角；所述光束转折压缩元件组(4)包含平行放置的一面全反射镜以及一面半透过半反射镜，所述光束转折压缩元件组(4)用于初步压缩所述蓝光半导体激光阵列(1)中若干个发光单元所输出的等距、同方向的蓝光光束，缩小每束蓝光光束之间的距离；所述梯形光束压缩元件(5)和所述斜条型光束压缩元件(6)用于进一步对通过光束转折压缩元件组(4)的若干蓝光光束压缩，使每束蓝光光束之间的距离达到很小的数值；所述光束偏转元件(7)将从所述斜条型光束压缩元件(6)中出射的若干个蓝光光束折射不同角度，从而使所述若干个蓝光光束入射到所述双衍射光栅组(8)的第一衍射光栅(81)的同一片区域，将重叠在所述第一衍射光栅(81)的同一区域的多束蓝光光束，以相应的衍射角衍射并入射到第二衍射光栅(82)上，进而利用所述双衍射光栅组(8)的共同作用，使多束蓝光光束合并为一束蓝光并输出，这一束输出的即为蓝光合束光束，所述第一衍射光栅(81)位于所述第二衍射光栅(82)和所述光束偏转元件(7)之间，所述第一衍射光栅(81)与所述第二衍射光栅(82)之间非平行放置；所述输出耦合镜(9)用于输出并反馈所述双衍射光栅组(8)输出的蓝光合束光束，使其一部分沿光路反射分别回到所述蓝光半导体激光阵列(1)中对应的发射单元的输出镜上形成反馈，同时另一部分蓝光光束则作为蓝光合束光束从所述输出耦合镜(9)输出。3.如权利要求2所述的基于双光栅的蓝光合束装置，其特征在于，所述蓝光半导体激光阵列(1)所发射的等间距的蓝光光束个数为偶数，记为2N个且N是自然数，所述蓝光半导体激光阵列(1)由最上端到最下端发射的蓝光光束分别记为第1级、第2级、
……
第N
‑
1级、第N级、第N+1级、
……
第2N
‑
1级以及第2N级。4.如权利要求3所述的基于双光栅的蓝光合束装置，其特征在于，所述光束转折压缩元件组(4)由一面全反射镜和一面半透过半反射镜组成，所述全反射镜与所述半透过半反射镜平行，且均与由所述蓝光半导体激光阵列(1)输出光束的光路出射方向A呈45
°
夹角，且半透过半反射镜被等距地分为透射单元(41)与反射交错单元(42)，所述透射单元(41)与所述反射交错单元(42)间隔设置；第N+1级、
……
、第2N
‑
1级以及第2N级蓝光光束直接通过半透过半反射镜的投射单元水平出射，而位于上部的全反射镜将第1级、第2级、
……
第N
‑
1级、第N级蓝光光束偏转90
°
并入射到半透过半反射镜的反射单元，经过反射单元的各级蓝光光束水平射出并被均匀的穿插到第N+1级、
……
第2N
‑
1级以及第2N级蓝光光束之间，达到第一步压缩光束的目的，且蓝光光束的顺序变为第N+1级、第1级、第N+2级、第2级、
……
第2N级、第N级。5.如权利要求4所述的基于双光栅的蓝光合束装置，其特征在于，所述梯形光束压缩元
件(5)为梯形四棱柱，所述梯形光束压缩元件(5)的上底面和下底面均呈平面梯形结构，所述梯形光束压缩元件(5)的上底面的面积小于所述梯形光束压缩元件(5)的下底面的面积，所述梯形光束压缩元件(5)的下底面与所述光束转折压缩元件组(4)的光路输出方向相对；所述梯形光束压缩元件(5)内沿所述光路输出的延伸方向，开设有贯穿所述上底面和所述下底面的通孔，所述梯形光束压缩元件(5)与所述光路输出方向相对应的一侧面，开有与所述通孔相贯通的进光孔，所述通孔依次由第一四棱柱通孔、第一梯形四棱柱通孔、第二四棱柱通孔和第二梯形四棱柱通孔构成，其中，所述第一梯形四棱柱通孔的下底面与所述第一四棱柱通孔的上底面大小相匹配，所述第一梯形四棱柱通孔的上底面与所述第二四棱柱通孔的下底面大小相匹配，所述第二四棱柱通孔的上底面与所述第二梯形四棱柱通孔的下底面大小相匹配；所述梯形光束压缩元件(5)用于将经过所述光束转折压缩元件组(4)的第N+1级...

【专利技术属性】
技术研发人员：卢国杰，唐霞辉，王翘，张义威，陈国宁，赵昺旭，邢鹏岳，姚相杰，谭浩，马豪杰，郭志潇，宋宇燕，牛增强，肖瑜，
申请(专利权)人：深圳市联赢激光股份有限公司，
类型：新型
国别省市：