一种多路输入单光栅光谱合束及光纤合束输出装置

1.本发明属于蓝光半导体激光技术领域，更具体地，涉及一种基于快慢轴光束准直、透射式衍射光栅光谱合束、光纤合束的多组蓝光半导体激光阵列合束装置，是蓝光半导体激光单管光谱合束及光纤合束的新型方案。

背景技术：

2.铜吸收蓝光的能力远远超过它吸收其他波长(包括红外光和可见光)的能力，这直接导致了蓝光在材料加工上的性能优势，被广泛应用于铜的3d打印以及金属焊接等领域，并且蓝光激光器提供的高功率密度也使其广泛应用于电子移动、消费电子、电池制造等一系列行业。蓝光半导体激光器是当前重要发展趋势，输出的激光功率能够达到百瓦甚至千瓦。
3.国外发达国家对光纤耦合半导体激光器研究起步较早，技术较为成熟，以日本、德国、美国为行业主导。2019年日本岛津公司的blue impact高亮度光纤耦合蓝光激光器实现高达100w的稳定输出光纤，光束质量在当时属于世界领先水平；同年nedo项目组报导成功通过组合多个200w蓝光激光器，将实现一个千瓦级的激光。2020年，德国laserline公司推出的ldmblue2000-60的蓝光激光器输出功率高达2kw。2020年，美国nuburu公司的ai-1500采用vbg密集光谱合束技术实现高功率耦合，最大输出功率高达1500w，是目前世界最高亮度的千瓦级蓝光激光器，同时也是目前为止世界惟一可配合振镜技术使用的蓝光半导体激光器。
4.国内在光谱合束领域的研究起步相对较晚，2013年中科院长春光学精密机械与物理研究院张俊首次设计并完成了采用透射光栅的外腔反馈光谱合束半导体激光源结构，其单激光线阵光谱合束光源输出功率为50.8瓦，合束效率高达90.2％；2014年北京工业大学激光工程研究所将光束整形器件(bts)引入到外腔反馈光谱合束中，对19个半导体激光发光单元线阵条进行了光谱合束实验，获得了58.8w的连续激光输出；2015年中物院首次利用了三个mini-bars在快轴方向组成堆栈，进行光谱合束，得到输出功率159w，电光效率为47.35％的高亮度激光输出，并且可以耦合到50μm芯径、0.15数值孔径的光纤中。
5.2020年联赢激光发布了国内首款自主研发的千瓦级高功率蓝光激光器，在国际上处于先进水平，其实际测试的最高输出功率达到1.1kw，但其采用的是空间合束技术，没有采用光谱合束。
6.光谱合束在原理上相较于偏振合束、波长合束以及空间合束更加复杂，主要是通过与参与合束的激光波长对应光栅的衍射作用进行合束，如透射光栅或反射光栅等，在特定的摆放角度下(littrow角)，参与合束的激光单元输出的不同角度入射的激光在通过衍射光栅后具有相同的出射角(衍射角)并实现远近场重合，进而合为一束激光输出，该合束激光的功率在理想条件下相较于单个发光单元大幅度提高，且光束质量与单个发光单元基本保持一致。光谱合束相较于其他合束方式较为稳定，主要是因为整个合束中形成了反馈并实现了波长锁定，因此目前能够同时获得较高光束质量及较高输出功率的最佳合束办法
是光谱合束。
7.目前国内半导体激光合束的激光输出功率与国外顶尖技术水平仍有一定差距，并且缺乏对于蓝光波段的激光光谱合束试验与深入研究，很难实现输出较高光束质量的超高功率蓝光激光，本发明对于提高国内半导体激光器行业水平发展与突破国外技术垄断均具有重要意义。

技术实现要素：

8.针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在单光栅条件下进行光谱合束并实现超高功率蓝光输出的装置，旨在解决在装置体积相对较小情况下很难输出较高光束质量的超高功率蓝光激光的问题。
9.为实现上述目的，本发明提供了一种多路输入单光栅光谱合束及光纤合束输出装置，包括：第一至第五蓝光半导体激光阵列模块、光束偏转元件组、透射式衍射光栅、光谱合束光处理模块、光纤合束器模块；第一至第五蓝光半导体激光阵列模块输出的蓝光光束经过光束偏转元件组实现光束偏转汇聚，每组蓝光光束合为一组蓝光合束光束，第一至第五蓝光合束光束分别以固定角度入射到透射式衍射光栅进行光谱合束；五组出射的合束光经过合束光处理模块后调整为平行、等间距，在光纤合束器模块中耦合进光纤。
10.优选地，以固定角度入射到透射式衍射光栅的固定角度为波长对应的littrow角度。透射式衍射光栅与各组入射到透射式衍射光栅的中心蓝光光束之间呈对应的littrow角度。
11.进一步地，由于衍射光栅在littrow结构下具有最高的衍射效率，因此衍射光栅相对于经过光束偏转元件组汇聚的各组蓝光光束以littrow结构放置。设传输透镜(汇聚透镜)的焦距为f，衍射光栅的刻线周期为λ，蓝光光束波长设为λ
蓝
，设每束蓝光光束的入射角为θ0，经过衍射光栅的衍射后各组中每束蓝光光束的衍射角相同，故光栅方程的微分形式为：
12.dcosθ0dθ0＝dλ
蓝
13.以第一、二、三组蓝光光束为例，设三组蓝光光束对应的littrow结构的角度分别为θ
l1
、θ
l2
、θ
l3
，将其代入θ0，可以推出最终的合束光束光谱间隔公式为：
[0014][0015]
由公式可得光谱间隔与θ
l1
和θ
l3
的差值呈正相关，为了减小光谱间隔，提高输出光束的质量，在实际搭设装置空间允许的条件下应尽量减小各组光束入射光栅入射角的差值。
[0016]
进一步地，所述输出耦合镜组在合束光束入射的方向一面上镀有反射膜，用于反射一部分合束光束原路返回，与激光单元的输出镜形成反馈并锁定波长。另一部分合束光束透过输出耦合镜组作为输出，当反射膜的反射率较高时，能够形成稳定的震荡，实现较好的波长锁定，但是相应的透过率很低，会降低蓝光的输出功率；而当反射膜反射率过低时则无法形成良好的反馈，波长锁定不稳定，甚至导致无法顺利完成光谱合束。由此可见，在实际搭设装置时需经过多次试验确定具有最佳反射率的反射膜。同时，输出耦合镜组的摆放方向要与通过衍射光栅的合束光束方向保证严格垂直，这样才能保证最佳的反馈效果。并
且，由于整个光路中光学元件较多，因此在相应元件的透射表面应镀增透膜以保证更高的合束效率。
[0017]
进一步地，经所述第一输出光束反射镜组、第二输出光束反射镜组、45
°
斜面直角棱镜反射后的五组合束光束互相平行且间距相等，并保证各组光束光轴与光纤中心光轴一致，利于将其耦合进光纤中。
[0018]
进一步地，光纤合束器的输入光纤的最大接收角可通过数值孔径(na)比较准确地估算，na和最大接收角(θ
max
)的关系可通过几何光学计算得到，公式如下：
[0019][0020]
光束耦合进光纤时，入射角小于等于θ
max
的光线在纤芯和包层界面发生全内反射(tir)，将被约束在纤芯中向前传播；入射角大于θ
max
的光线(蓝)由于折射最终被损耗。为确保聚焦后的光斑全部进入光纤，在聚焦镜的选取上应满足以下公式(d为未聚焦前光斑直径)：
[0021][0022]
并且，聚焦镜焦距在满足上式条件下应尽量小，使得光斑尽量小，更易进入光纤。
[0023]
优选地，第一至第五蓝光半导体激光阵列模块均包括蓝光半导体激光阵列、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和反射镜组，蓝光半导体激光阵列由若干个蓝光半导体发光单元组成，每个单元之间排列紧密，用于发射等间距的蓝光光束，组与组之间有一定间距；蓝光半导体激光阵列发射的蓝光光束经过快轴准直镜组，减小快轴发散角，在快轴方向上准直后达到慢轴准直镜组，减小慢轴发散角，在慢轴方向上准直后达到反射镜组，经角度调整及光束间距加密后达到光束偏转元件组，便于各组光束以不同角度入射光栅以适应单个体积较小的光栅。
[0024]
有益效果：反射镜组对各组光束进行加密，一方面可减小光斑矩阵的“死区”，提高光谱合束光束质量，并提高整体的光纤耦合效率；另一方面可减小光束偏转元件组的体积，便于摆放将各组光束同时入射进体积较小的光栅。
[0025]
优选地，合束光处理模块包括输出耦合镜组、第一输出光束反射镜组、第二输出光束反射镜组、45
°
斜面直角棱镜和聚焦镜组；输出耦合镜组将一部分经过光谱合束后的蓝光合束光束反射，原路返回并与每个蓝光发光单元的输出镜外表面形成反馈，实现波长锁定；另一部分则达到第一输出光束反射镜组和第二输出光束反射镜组，45
°
斜面直角棱镜将经过第一输出光束反射镜组出射的合束光束反射到与经过第二输出光束反射镜组出射的合束光束相同方向，将五组合束光调整为平行、等间距，共同经聚焦镜组汇聚至光纤合束器模块。
[0026]
优选地，聚焦镜组包括五个非球面聚光透镜，用于将合束光束会聚进入光纤接头。光纤合束器采用光纤熔融拉锥技术将光纤接头所连接的多根光纤进行组合输出，其内部结构包含毛细套管、拉锥区域、拉锥腰段、输出光纤。
[0027]
本发明为了能够克服现有研究与技术的不足之处，提供了一种对多组半导体激光器阵列进行快慢轴准直、光束加密、光谱合束及光纤合束的装置及方法。本发明中通过对多
组蓝光半导体激光阵列进行加密与角度调整，使其以不同角度入射光栅进行光谱合束。合束后的蓝光经波长锁定与角度调整后分别聚焦耦合进光纤，通过熔融拉锥光纤合束器实现大功率蓝光半导体激光输出，并保证输出激光质量与发光单元相近。并且，该发明仅使用单光栅对多组蓝光半导体激光器阵列进行光谱合束，极大地提高了光栅利用率。
[0028]
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，能够取得以下有益效果：
[0029]
1.本发明提供了一种多路输入单光栅光谱合束装置，各组光束以不同角度入射光栅，使光栅能够接收更多光束，大大提高了光栅利用率并且减小了成本。
[0030]
2.本发明最终输出的蓝光合束光束拥有很高的输出功率。首先，本发明利用反射镜对半导体激光器发射的蓝光光束进行加密，使光束偏转元件、光栅等元件在同样尺寸的前提下能够允许更多的蓝光光束通过，进而增加了蓝光发光单元的个数，提高了最终的输出功率；其次本发明将光谱合束与光纤合束结合，层层递进，可实现大数量蓝光光束的合束，大大提高了蓝光输出功率。
[0031]
3.本发明拥有相对更小的体积。本发明通过对蓝光光束的折射与加密的设计，在蓝光发光单元数量相同的情况下，使光束偏转元件、光栅等元件体积更小且排列更加紧凑；其次，本装置通过对光谱合束后的光束折射进入光纤耦合组合模块，以排列紧密的聚焦镜组实现光纤耦合，进一步减小了整个装置的体积。
[0032]
4.本发明最终输出的蓝光合束光束更易进行后续应用。首先，本发明采用耦合光纤的输出方式，由于光纤比较柔软，便于弯曲，激光可以通过改变光纤轻易的改变传输方向，以适应比较复杂狭小的工作空间，其次，光纤对输出光束可以起到匀化作用，半导体激光器通过整形准直后的光斑一般呈矩形，通过光纤合束器后可以得到对称的圆形光斑，改善了光束质量。
附图说明
[0033]
图1为本发明整体结构与光路示意图。
[0034]
图2为本发明中的一组蓝光半导体激光阵列的蓝光光束经一组快轴准直镜组与一个慢轴准直镜准直的结构与光路示意图。
[0035]
图3为本发明中设计的多路输入单光栅光谱合束结构以及蓝光光路示意图。
[0036]
图4为本发明中的光束偏转元件结构示意图。
[0037]
图5为本发明中设计的直角棱镜与光纤合束模块组合结构示意图。
[0038]
图6为本发明中的聚焦镜固定镜框结构示意图。
[0039]
附图标记：1为蓝光半导体激光阵列，2为快轴准直镜组，3为慢轴准直镜组，4为反射镜组，5为光束偏转元件组，6为透射式衍射光栅，7为输出耦合镜组，8为第一输出光束反射镜组，9为第二输出光束反射镜组，10为45
°
斜面直角棱镜，11为聚焦镜组，12为光纤接头，13为光纤合束器，14为毛细套管，15为拉锥区域，16为拉锥腰段，17为输出光纤。
具体实施方式
[0040]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间不构成冲突就可以相互组合。
[0041]
如图1所示为本发明具体实施例的装置示意图，其中包括第一至第五蓝光半导体激光阵列1、快轴准直镜组2、慢轴准直镜组3、反射镜组4、光束偏转元件组5、透射式衍射光栅6、输出耦合镜组7、第一输出光束反射镜组8、第二输出光束反射镜组9、45
°
斜面直角棱镜10、聚焦镜组11、光纤接头12、光纤合束器13、毛细套管14、拉锥区域15、拉锥腰段16、输出光纤17。
[0042]
具体的，根据图1，本实例中第一至第五蓝光半导体激光阵列1每组均包含5个输出波长为450nm输出功率为5w的蓝光发光单元。
[0043]
根据图2，第一至第五蓝光半导体激光阵列1中每组阵列的5个蓝光发光单元紧密排列在一条线上，输出的5条蓝光光束经过快轴准直镜组2与慢轴准直镜组3后先后在快轴方向和慢轴方向上被准直，减小了每束光束的快、慢轴发散角，改善光束质量。每组之间的蓝光半导体激光阵列、快轴准直镜、慢轴准直镜结构完全相同，而前三组与后两组的摆放角度相差90
°
，可参照图1。
[0044]
参照图1与图3，五组共计25个单管蓝光光束分别经过光束偏转元件组5的偏转作用入射到与各组蓝光光束呈对应littrow结构摆放的透射式衍射光栅6，且每组5条光束入射相同的光栅区域，经过透射式衍射光栅6的衍射作用后以相应的衍射角(littrow角度)出射，每组5条光束的衍射角相同，即合为一束蓝光合束光束，共五束蓝光合束光束。五条蓝光合束光束通过面对光束入射面镀有一定反射率(反射率约为30％)的反射膜的输出耦合镜组7，一部分蓝光被反射，与各自的蓝光发光单元的输出镜外表面形成反馈，锁定波长，另一部分则作为输出并在后续耦合进光纤中。
[0045]
参照图5与图6，前三组蓝光合束光束经过以合适角度摆放的第一输出光束反射镜组8的反射后再经过45
°
斜面直角棱镜10的偏转作用，方向与经过第二输出光束反射镜组9反射的后两组合束光束平行，五组蓝光合束光束分别平行汇入聚焦镜组11，经过会聚作用后输出快轴与慢轴尺寸近似的正方形光斑，减小发散角，同时提高了光纤耦合效率。经过各偏转元件的每组蓝光光束不可能完全互相平行，因此可通过六轴调节架调节镜框来控制聚焦镜的前后位置及俯仰角度，以保证最佳的耦合效率。
[0046]
值得一提的是，本实施例中的蓝光半导体激光阵列的发光单元数量为每组5个，共五组，但可根据实际需要有所增减，并且装置中快轴准直镜组、慢轴准直镜组等其他元件的数量、结构与尺寸也需要随之变化。再者，五组蓝光半导体激光阵列的摆放角度也可根据实际情况做出调整，反射镜组4的摆放角度也做相应调整即可。并且本装置中的所有元件无明确说明的情况下均可采用直接制造或者直接采购现有元件获得。
[0047]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种多路输入单光栅光谱合束及光纤合束装置，其特征在于，包括：第一至第五蓝光半导体激光阵列模块、光束偏转元件组(5)、透射式衍射光栅(6)、合束光处理模块、光纤合束器模块；所述第一至第五蓝光半导体激光阵列模块输出的蓝光光束经过所述光束偏转元件组实现光束偏转汇聚，以固定角度入射到透射式衍射光栅进行光谱合束；五组出射的合束光经过所述合束光处理模块后调整为平行、等间距，在光纤合束器模块中耦合进光纤。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述以固定角度入射到透射式衍射光栅的固定角度为波长对应的littrow角度。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，第一至第五蓝光半导体激光阵列模块均包括蓝光半导体激光阵列(1)、快轴准直镜组(2)、慢轴准直镜组(3)和反射镜组(4)，所述蓝光半导体激光阵列(1)由若干个蓝光半导体发光单元组成，用于发射等间距的蓝光光束；所述蓝光半导体激光阵列(1)发射的蓝光光束经过快轴准直镜组(2)，在快轴方向上准直后达到慢轴准直镜组(3)，在慢轴方向上准直后达到反射镜组(4)，经角度调整及光束间距加密后达到光束偏转元件组(5)。4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述合束光处理模块包括输出耦合镜组(7)、第一输出光束反射镜组(8)、第二输出光束反射镜组(9)、45
°
斜面直角棱镜(10)和聚焦镜组(11)；所述输出耦合镜组(7)组将一部分经过光谱合束后的蓝光合束光束反射，原路返回并与每个蓝光发光单元的输出镜外表面形成反馈，实现波长锁定；另一部分则达到第一输出光束反射镜组(8)和第二输出光束反射镜组(9)，所述45
°
斜面直角棱镜(10)将经过第一输出光束反射镜组(8)出射的合束光束反射到与经过第二输出光束反射镜组(9)出射的合束光束相同方向，将五组合束光调整为平行、等间距，共同经聚焦镜组(11)汇聚至光纤合束器模块。5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述透射式衍射光栅(6)与各组入射到所述透射式衍射光栅(6)的中心蓝光光束之间呈对应的littrow角度。6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，蓝光光束经过所述反射镜组(4)后光束间距加密，以适应单个体积较小的光栅。7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述聚焦镜组(11)包括五个非球面聚光透镜。

技术总结

本发明公开了一种多路输入单光栅光谱合束及光纤合束装置，属于蓝光半导体激光合束装置技术领域，包括：第一至第五蓝光半导体激光阵列模块、光束偏转元件组、透射式衍射光栅、合束光处理模块、光纤合束器模块；第一至第五蓝光半导体激光阵列模块输出的蓝光光束经过所述光束偏转元件组实现光束偏转汇聚，以固定角度入射到透射式衍射光栅进行光谱合束，每组蓝光光束经反射镜的反射作用实现角度偏转及光束间距的加密，各组蓝光光束以不同角度入射单光栅，提高了光栅利用率。各组蓝光光束在经过光谱合束后继续由反射镜组与45