[發明專利]利用光柵與反射元件實現兩次衍射壓縮譜寬的光譜合束裝置

有效

• 申請號: 201710541892.X
• 申請日: 2017-07-05
• 公開（公告）號: CN107272214B
• 公開（公告）日: 2019-08-13
• 發明（設計）人: 于娜;周常河;韋春龍;周權
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海光學精密機械研究所
• 主分類號: G02B27/10
• 分類號: G02B27/10
• 代理公司: 上海恒慧知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 31317
• 代理人: 張寧展

一種利用光柵和反射元件實現兩次衍射壓縮譜寬的半導體激光光譜合束裝置，包括半導體激光器光源，慢軸準直柱透鏡，變換透鏡，光柵，反射元件，輸出耦合鏡。本發明利用單個光柵作為衍射元件，反射元件將第一次通過光柵的衍射光束反射，再次通過光柵，將光束進行二次色散，色散能力提高一倍。通過輸出耦合鏡的反饋，將半導體激光陣列的各單元激光分別鎖定在不同波長，得到高功率高亮度的激光輸出。本發明克服了傳統光譜合束中增益材料的增益線寬對合束單元數量的限制，可在增益線寬內以及光柵的高效率衍射波長范圍內增加合束單元，顯著提高輸出功率，或者在譜寬一定的情況下減少諧振腔長度，使激光器結構緊湊，提高激光模式穩定性。

技術領域

本發明涉及半導體激光技術領域，尤其涉及一種利用光柵和反射元件，通過外腔反饋，實現窄線寬高功率激光輸出的半導體激光光譜合束裝置。

背景技術

半導體激光器有著成本低，壽命長，體積小，可靠性高等優點，已廣泛應用于工業加工，泵浦，醫療，通信等領域。制約半導體激光器未來發展的一個重要因素就是亮度。激光光束的亮度由輸出功率和光束質量決定，功率越大，光束質量越好，亮度就越高。

合束技術是當前實現高亮度半導體激光器的常用手段，其中光譜合束是一種新穎的合束技術，主要采用光柵作為衍射元件，C.C.Cook和T.Y.Fan【ASSL.26,163-166(1999)】第一次報道該方法并對其原理進行了詳細論述。各個發光單元的振蕩波長均與光柵色散和外腔反饋匹配，以保持相同的衍射角出射，實現合束。光譜合束的優點在于：將多個單管半導體激光器的輸出光合束，輸出功率為所有發光單元功率的總和，同時光束質量與單個發光單元保持一致，極大地提高了半導體激光器的亮度，實現近衍射極限的激光輸出。因此，光譜合束技術已經成為高功率半導體激光器領域的一個重要課題。

光譜合束是以拓寬光譜為代價來提高激光功率和亮度的合束方式，因此光譜合束過程中應盡可能地壓縮合束后激光光譜譜寬，從而在增益材料的增益線寬內以及光柵高效率帶寬內增加更多的合束單元，這是提高光譜合束功率和亮度的關鍵。

如何壓縮合束激光光譜譜寬是增加合束單元數量的主要問題，光譜譜寬由多個因素決定，主要有以下三類：1.減小相鄰合束單元的間距，可以制備高密度半導體激光陣列或者利用光學成像系統壓縮合束單元間距，但受限于半導體技術，增加了不同單元之間的串擾，不能完全反饋，降低合束效率；2.增加變換透鏡的焦距，但合束系統的長度以及耦合腔的長度會隨之增加，系統的體積會變大并且諧振腔系統的穩定性會下降，整體的光程增加，在發散角不變的情況下各合束單元間更易發生串擾；3.提高光柵的線密度即降低光柵周期，但光柵周期受到半導體激光器波長的限制，最小光柵周期不能小于波長的一半,假設半導體激光器波長為940nm，則理論上光柵的最高線密度為2127lines/mm，無法再進一步提高線密度，可行性不高。提高光柵的線密度就是提高光柵的衍射能力，利用兩個非平行光柵也可以提高光柵衍射能力，在公告號為CN106684702A，名稱為“一種利用雙光柵實現半導體激光光譜合束的裝置”的國內專利中，提出用兩個光柵非平行放置，合束單元兩次經過光柵的衍射作用，雖然光譜譜寬被壓縮了一半，但是用了兩個光柵來提高光柵的衍射能力，系統的調節精度和難度增加，光柵成本價格高，壓縮線寬能力有限。

發明內容

本發明的目的在于克服上述現有技術不足，提供一種利用光柵與反射元件實現兩次衍射壓縮譜寬的光譜合束裝置，利用反射元件將入射光束反射，兩次經過光柵衍射作用，實現二次色散，光柵的衍射能力提高一倍，輸出激光光譜譜寬壓縮一半，解決了光譜合束過程中合束單元數量和輸出功率有限的問題。

本發明解決技術問題所采取的技術方案有兩種，分別為：

方案一：一種利用光柵與反射元件實現兩次衍射壓縮譜寬的光譜合束裝置，包括：半導體激光器光源、慢軸準直柱透鏡、變換透鏡、透射光柵、反射鏡和輸出耦合鏡；