一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置

1.本发明涉及半导体激光技术领域，具体涉及一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置。


背景技术：

2.半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、波长丰富和可以直接电驱动等诸多优点，但其光束质量以及单个发光单元输出功率极大限制了它的应用领域。而外腔反馈光谱合束是一种提高阵列半导体激光器亮度和光束质量的有效方法，极大提高了半导体激光器的性能。
3.外腔光谱合束实现多路激光在近场和远场同时空间重叠，合成至单一孔径输出的激光，合束后整体的光束质量和单个发光单元接近，输出功率是单个发光单元的n倍。但由于光栅的色散和外腔反馈的作用，使得各个激光单元起振在不同波长，导致合束后的整体线宽展宽。因此，阵列半导体激光器的光谱合束技术在泵浦激光器等一些要求窄线宽的领域应用非常受限。
4.通常高功率的光谱合束输出需要多个阵列半导体激光参与合束，但是单个阵列半导体激光器光谱合束后输出光束的整体线宽，决定了能够参与光谱合束的阵列半导体激光器个数。而且整体线宽随着参与光谱合束的阵列半导体激光器个数增加而增大，若单个阵列半导体激光器的光谱合束线宽太宽，则增益带宽允许参与光谱合束的半导体激光阵列的个数就会下降。同时光栅的高衍射效率只存在一定波长范围，参与光谱合束的阵列半导体激光器个数增加的越多，则偏离光栅最大衍射效率的波长越远，整体的光谱合束效率就会降低。如果以牺牲效率来换取多个阵列半导体激光器的光谱合束，那样半导体激光器高转换效率的优势将得不到体现。因此，实现单个阵列半导体激光器光谱合束后的窄线宽输出，成为实现多个阵列半导体激光器光谱合束的关键。
5.目前，为了获得窄线宽光谱合束输出，一般采用长焦距传输透镜、高刻线密度衍射光栅以及光栅对等方法来压缩光谱线宽，但这些方法都会造成外腔长度大幅增加、合束效率下降、成本增高等负面影响。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的不足之处，本发明提供一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置；其通过在外腔中引入斜方棱镜组合，对阵列半导体激光器出射的光束进行分割重排，将光谱合束方向的光束宽度缩短2/3左右，进而有效的将光谱合束线宽压缩2/3左右，为实现阵列半导体激光器的光谱合束线宽窄化以及系统小型化提供一种新方案。
7.本发明公开了一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；
8.所述阵列半导体激光器和衍射光栅分别位于柱面传输透镜的前后焦平面上，所述
输出耦合镜放置在所述衍射光栅的-1级衍射光输出方向且与-1级衍射光垂直；
9.所述斜方棱镜组合对所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束进行分割重排，所述慢轴方向为光谱合束方向；一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束，将慢轴方向光束宽度缩短2/3；所述柱面传输透镜将多部分光束转换为不同角度入射至衍射光栅上，经所述衍射光栅衍射后入射至所述输出耦合镜。
10.作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜组合包含两组；
11.第一组包含在慢轴方向平行放置的多片斜方棱镜，用于将所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束分割为多部分，相对于中间部分光束，一侧光束向上偏移，另一侧光束向下偏移，两侧偏移量相等；
12.第二组包含在快轴方向交错放置多片斜方棱镜，将两侧光束在慢轴方向发生等距位移，两侧光束的出射位置与中间光束在快轴方向上重合；
13.所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束。
14.更进一步，第一组和第二组均包含三片斜方棱镜，所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束，此时慢轴方向的光束宽度相对于原先缩短了2/3左右。
15.作为本发明的进一步改进，所述斜方棱镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。
16.作为本发明的进一步改进，所述阵列半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％，以减少内腔反馈的影响，更好的实现外腔波长锁定；所述阵列半导体激光器包括但不限于线阵半导体激光器和叠阵半导体激光器中的一种。
17.作为本发明的进一步改进，所述快轴准直镜为柱面微透镜，所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列；所述快轴准直镜和慢轴准直镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％；快轴准直镜、慢轴准直镜分别对线阵半导体激光器输出激光的快慢轴进行准直，以降低光束发散角。
18.作为本发明的进一步改进，在所述光谱合束方向上，所述柱面传输透镜将所述斜方棱镜组合分割重排后的光束叠加到衍射光栅上，通光面镀增透膜，透过率≥99％。
19.作为本发明的进一步改进，所述衍射光栅与光轴按littrow角放置，所述阵列半导体激光器的光束偏振方向与所述衍射光栅的衍射偏振方向匹配，以达到高衍射效率；所述衍射光栅包括但不限于反射式衍射光栅和透射式衍射光栅中的一种。
20.作为本发明的进一步改进，所述输出耦合镜将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，剩余比例的光束作为输出光束出射。与现有技术相比，本发明的有益效果为：
21.本发明的光谱合束装置可以在采用短焦距的柱面传输透镜的情况下实现窄线宽光谱合束输出，极大缩短了合束结构的外腔长度，提高了合束结构的可靠性和稳定性。
附图说明
22.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。因此不
应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
23.图1为本发明实施例1的线阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置的立体示意图；
24.图2为本发明实施例1的线阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置的俯视图；
25.图3为本发明实施例1中斜方棱镜组合的光束分割重排立体示意图；
26.图4为本发明实施例1中斜方棱镜组合的光束分割重排正视示意图；
27.图5为本发明实施例1的线阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置中光斑变化示意图；
28.图6为本发明实施例2的叠阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置的立体示意图；
29.图7为本发明实施例2的叠阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置中光斑变化示意图。
30.图中：
31.1、线阵半导体激光器或叠阵半导体激光器；2、快轴准直镜；3、慢轴准直镜；4、斜方棱镜组合；5、柱面传输透镜；6、衍射光栅；7、输出耦合镜。
具体实施方式
32.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
33.下面结合附图对本发明做进一步的详细描述：
34.实施例1
35.如图1、2所示，本发明提供一种线阵半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，具体包括：线阵半导体激光器1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、斜方棱镜组合4、柱面传输透镜5、衍射光栅6以及输出耦合镜7；沿线阵半导体激光器1的光轴依次设置快轴准直镜2、慢轴准直镜3、斜方棱镜组合4、柱面传输透镜5和衍射光栅6，输出耦合镜7放置在衍射光栅6的-1级衍射光输出方向，并与-1级衍射光垂直。光谱合束方向为慢轴方向，沿水平方向(x轴)。
36.本实施例中：
37.线阵半导体激光器1的慢轴方向沿水平方向(x轴)，快轴方向垂直于水平方向(y轴)，其前腔面镀增透膜，透过率≥99％。
38.快轴准直镜2和慢轴准直镜3的通光面镀增透膜，透过率≥99％，用于准直线阵半导体激光器1出射的激光，降低光束发散角。
39.斜方棱镜组合4置于线阵半导体激光器1与柱面传输透镜5之间；斜方棱镜组合4对线阵半导体激光器1出射的慢轴方向光束进行分割重排，一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束，将慢轴方向光束宽度缩短2/3左右；斜方棱镜组合4的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。
40.柱面传输透镜5的通光面镀增透膜，透过率≥99％，距离线阵半导体激光器1和衍射光栅6的距离均为一倍透镜焦距，其将斜方棱镜组合4分割重排后的三部分沿慢轴方向光束转换为不同角度叠加到衍射光栅6上。
41.衍射光栅6与光轴成littrow角放置，线阵半导体激光器1的光束偏振方向应与衍射光栅6的衍射偏振方向匹配，以获得光栅的高衍射效率；衍射光栅6可以是透射式衍射光栅也可以是反射式衍射光栅。
42.输出耦合镜7将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，其余的-1级衍射光作为输出激光。
43.如图3、4所示，斜方棱镜组合4包含两组，第一组包含在慢轴方向平行放置的三片斜方棱镜，其将线阵半导体激光器1出射的慢轴方向光束分割为三部分，相对于中间部分光束，一侧光束向上偏移，另一侧光束向下偏移，两侧偏移量相等；第二组包含在快轴方向交错放置三片斜方棱镜，将两侧光束在慢轴方向发生等距位移，两侧光束的出射位置与中间光束在快轴方向上重合。最终，线阵半导体激光器1出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束。
44.如图5所示，图中，a1为线阵半导体激光器1出射的光斑图，a2为经过第一组斜方棱镜分割后的光斑，a3为经过第二组斜方棱镜分割后的光斑，a4为光谱合束输出的光斑图。
45.实施例2
46.如图6所示，本发明提供一种叠阵半导体激光器窄线宽光谱合束装置的立体示意图，具体包括：叠阵半导体激光器1、快轴准直镜2、慢轴准直镜3、斜方棱镜组合4、柱面传输透镜5、衍射光栅6以及输出耦合镜7；沿叠阵半导体激光器1的光轴依次设置快轴准直镜2、慢轴准直镜3、斜方棱镜组合4、柱面传输透镜5和衍射光栅6，输出耦合镜7放置在衍射光栅6的-1级衍射光输出方向，并与-1级衍射光垂直；光谱合束方向为慢轴方向，沿水平方向(x轴)。
47.本实施例中：
48.叠阵半导体激光器1的前腔面镀增透膜，透过率≥99％；斜方棱镜4及柱面传输透镜5的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。斜方棱镜组合4置于叠阵半导体激光器1与柱面传输透镜5之间，柱面传输透镜5距离叠阵半导体激光器1和衍射光栅6的距离均为一倍透镜焦距；衍射光栅6与光轴按littrow角放置。输出耦合镜7将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，其余的-1级衍射光作为输出激光。
49.区别于实施例1，由于叠阵半导体激光,1的快轴方向等距排列多个阵列，每个阵列之间有一定间距的非发光区域。利用斜方棱镜组合4对光束进行分割重排，来填充叠阵光源之间的非发光区域，在缩短光谱合束方向光束宽度获得窄线宽的同时可以保持光谱合束后快轴方向光束质量基本不变。
50.如图7所示，图中，b1为叠阵半导体激光器1出射的光斑图，b2为经过第一组斜方棱镜分割后的光斑，b3为经过第二组斜方棱镜分割后的光斑，b4为光谱合束输出的光斑图。
51.本发明的优点为：
52.本发明的外腔光谱合束装置通过在外腔中引入斜方棱镜组合，对阵列半导体激光器出射的光束进行分割重排，将光谱合束方向的光束宽度缩短2/3左右，进而有效的将光谱合束线宽压缩2/3左右，使得该整体结构在小体积、高稳定度的情况下实现窄线宽的光谱合束输出。
53.以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、
等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；所述阵列半导体激光器和衍射光栅分别位于柱面传输透镜的前后焦平面上，所述输出耦合镜放置在所述衍射光栅的-1级衍射光输出方向且与-1级衍射光垂直；所述斜方棱镜组合对所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束进行分割重排，所述慢轴方向为光谱合束方向；一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束；所述柱面传输透镜将多部分光束转换为不同角度入射至衍射光栅上，经所述衍射光栅衍射后入射至所述输出耦合镜。2.如权利要求1所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜组合包含两组；第一组包含在慢轴方向平行放置的多片斜方棱镜，用于将所述阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束分割为多部分，相对于中间部分光束，一侧光束向上偏移，另一侧光束向下偏移，两侧偏移量相等；第二组包含在快轴方向交错放置多片斜方棱镜，将两侧光束在慢轴方向发生等距位移，两侧光束的出射位置与中间光束在快轴方向上重合；所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束。3.如权利要求2所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，第一组和第二组均包含三片斜方棱镜，所述阵列半导体激光器出射的一排慢轴方向上的光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的三部分光束。4.如权利要求2所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述斜方棱镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。5.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述阵列半导体激光器的前腔面镀增透膜，透过率≥99％；所述阵列半导体激光器包括但不限于线阵半导体激光器和叠阵半导体激光器中的一种。6.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述快轴准直镜为柱面微透镜，所述慢轴准直镜为柱面微透镜阵列；所述快轴准直镜和慢轴准直镜的通光面均镀增透膜，透过率≥99％。7.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，在所述光谱合束方向上，所述柱面传输透镜将所述斜方棱镜组合分割重排后的光束叠加到衍射光栅上，通光面镀增透膜，透过率≥99％。8.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅与光轴按littrow角放置，所述阵列半导体激光器的光束偏振方向与所述衍射光栅的衍射偏振方向匹配。9.如权利要求8所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述衍射光栅包括但不限于反射式衍射光栅和透射式衍射光栅中的一种。10.如权利要求1～3中任一项所述的阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜将部分比例的-1级衍射光束反馈回原发光单元实现波长锁定，剩
余比例的光束作为输出光束出射。

技术总结
本发明公开了一种阵列半导体激光器的窄线宽光谱合束装置，包括：沿激光传输方向依次设置的阵列半导体激光器、快轴准直镜、慢轴准直镜、斜方棱镜组合、柱面传输透镜、衍射光栅和输出耦合镜；阵列半导体激光器和衍射光栅分别位于柱面传输透镜的前后焦平面上，输出耦合镜放置在衍射光栅的-1级衍射光输出方向且与-1级衍射光垂直；斜方棱镜组合对阵列半导体激光器出射的慢轴方向光束进行分割重排，一排光束经过两组斜方棱镜分割重排后，转换为在快轴方向上等距排列的多部分光束；柱面传输透镜将多部分光束转换为不同角度入射至衍射光栅上，经衍射光栅衍射后入射至输出耦合镜。本发明可在小体积、高稳定度的情况下实现窄线宽的光谱合束输出。束输出。束输出。


技术研发人员：姜梦华 金装 刘友强 秦文斌
受保护的技术使用者：北京工业大学
技术研发日：2023.03.08
技术公布日：2023/7/19