一种紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统

摘要

本发明公开了一种紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统，包括二极管激光器、慢轴转换柱透镜、衍射光栅、聚焦柱透镜和外腔镜，所述衍射光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面上；所述外腔镜与衍射光栅之间设置一个聚焦柱透镜，所述聚焦柱透镜与慢轴转换柱透镜组成透镜组，所述透镜组的等效前焦面位于慢轴转换柱透镜前端一倍焦距以内，且二极管激光器位于透镜组的等效前焦面上，所述外腔镜位于透镜组的等效后焦面；所述二极管激光器发出的激光经过慢轴转换柱透镜、衍射光栅及聚焦柱透镜后，光束将平行出射，且垂直入射到外腔镜上，经外腔镜反射后，激光经过原光路返回原发光单元，形成完整的振荡回路；本发明使二极管激光光谱合成系统减小近一半的尺寸，从而降低了激光器系统的整体体积规模，进一步实现了系统的紧凑化布局。

说明书

技术领域

本发明属于激光器技术领域，具体涉及一种紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统。该光谱合成系统较通用的外腔反馈式合成系统更加紧凑化、小型化。

背景技术

二极管激光器具有电光效率高、波长覆盖范围广、体积小、重量轻、可靠性高等一系列优点，但目前高功率二极管激光器光束质量较差，发散角大，限制了它的直接应用领域。采用二极管激光光谱合成技术可使合成光束的质量与参与合成的子发光单元相当，弥补了二极管激光器光束质量较差的缺点，大幅提高了二极管激光器的发光亮度，因此直接利用二极管激光器组成高效、紧凑轻量化的激光系统而不通过中间泵浦的转换过程，是最有希望实现高亮度激光输出的技术方向之一。名为《高亮度波长合成半导体激光线阵》（High-Brightness Wavelength Beam Combined Semiconductor Laser Diode Arrays，Robin K. Huang etal. IEEE PHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,2007,19(4),209-211）的文章对基于“光栅＋外腔反馈”的二极管激光光谱合成的原理进行了详细说明。在该经典的外腔反馈式二极管的光路布局中，二极管激光器阵列和衍射光栅分别位于慢轴转换透镜的前焦面与后焦面，合成光学系统的长度至少为慢轴转换透镜的2倍焦距。由于对合成激光光谱宽度的要求，慢轴转换透镜的焦距往往设计得较大，因此导致合成系统的体积较为庞大，不利于激光器系统的紧凑小型化的设计。

发明内容

为了使二极管光谱合成系统更加紧凑化，本发明设计了一种紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统，通过在外腔镜前增加一个聚焦柱透镜，使二极管激光器阵列可紧凑地放置于慢轴转换柱透镜前端面，从而大大减小光谱合成系统的体积规模。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统，包括二极管激光器、慢轴转换柱透镜、衍射光栅、聚焦柱透镜和外腔镜，所述衍射光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面上；所述外腔镜与衍射光栅之间设置一个聚焦柱透镜，所述聚焦柱透镜与慢轴转换柱透镜组成透镜组，所述透镜组的等效前焦面位于慢轴转换柱透镜前端一倍焦距以内，且二极管激光器位于透镜组的等效前焦面上，所述外腔镜位于透镜组的等效后焦面；所述二极管激光器发出的激光经过慢轴转换柱透镜、衍射光栅及聚焦柱透镜后，光束将平行出射，且垂直入射到外腔镜上，经外腔镜反射后，激光经过原光路返回原发光单元，形成完整的振荡回路。该技术方案的核心在于慢轴转换柱透镜与聚焦柱透镜组成透镜组的焦距与经典合成系统中的慢轴转换柱透镜的焦距相当，可以根据合成激光束的谱宽设计得较大，通过光学设计可使该发明系统中的慢轴转换柱焦距为透镜组等效焦距的数十分之一，且透镜组等效前焦面位于慢轴转换柱一倍焦距以内。

在上述技术方案中，所述衍射光栅或为反射式平面光栅、或为透射式平面光栅。

在上述技术方案中，慢轴转换柱透镜的焦距为透镜组等效焦距的数十分之一，其中数为一到九之间的任一自然数。

在上述技术方案中，透镜组等效前焦面位于慢轴转换柱透镜的一倍焦距以内。

在上述技术方案中，所述二极管激光器从出射方向依次包括二极管激光器线阵、快轴准直透镜和慢轴准直透镜。

在上述技术方案中，所述外腔镜部分反射镜，前表面镀耐强光分光膜。

在上述技术方案中，所述分光膜的反射率为5%~30%。

本发明中，由于二极管激光器阵列位于透镜组的等效前焦面上，激光经过慢轴转换柱透镜、衍射光栅及聚焦柱透镜后，光束将平行出射，并垂直入射到外腔镜上。经外腔镜反射后，激光经过原光路返回原发光单元，从而形成完整的振荡回路。与经典的外腔反馈式二极管激光光谱合成系统相比，二极管激光器阵列不是置于慢轴转换柱透镜的前焦面，而是放置于慢轴转换柱透镜与聚焦柱透镜组成透镜组的前焦面，其位于慢轴转换柱透镜一倍焦距以内，而慢轴转换柱透镜焦距为透镜组等效焦距的数十分之一，因此可使光谱合成系统的尺寸减小为接近原来的一半。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：因为增加了聚焦柱透镜从而构成透镜组的原因，可以使得慢轴转换柱透镜和激光源之间的距离大幅度的降低，且还能保证激光合成的效率与质量。特别是在某些大型和对空间有特殊需求的项目和系统中，使二极管激光光谱合成系统减小近一半的尺寸，从而降低了激光器系统的整体体积规模，进一步优化了系统的紧凑化设计。系统空间的压缩将带来优良的工程实用效果，这不仅仅体现在经济成本的节约，更多体现在系统小型化上。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1是普通二极管激光光谱合成系统的布局与光路示意图；

图2是本发明的一种布局与光路示意图；

图3是本发明的另一种布局与光路示意图；

图4是本发明中的二极管激光器的结构示意图；

图中，1是二极管激光器、2是慢轴转换柱透镜、3是反射式平面光栅、4是外腔镜、5是聚焦柱透镜、6是透射式平面光栅、7是二极管激光器线阵，8是快轴准直透镜、9是慢轴准直透镜。

具体实施方式

如图1所示，是普通二极管激光光谱合成系统，具体包括二极管激光器、慢轴转换柱透镜、反射式平面光栅、外腔镜。由于二极管激光器位于慢轴转换柱透镜的前焦面，反射式平面光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面，所以二极管激光器中某一子发光单元发出的光经过慢轴转换柱透镜后平行入射至反射式平面光栅。不同子发光单元发出的激光入射至反射式平面光栅的入射角不一致，但由于其波长也不相同，因为入射角度与波长的匹配关系，通过反射式平面光栅的衍射，所有的光平行出射，且方向与外腔镜垂直。外腔镜为部分反射镜，大部分激光透射，成为输出激光；小部分激光经过外腔镜的反射，沿原光路回到各子发光单元，形成完整振荡回路。由于外腔镜导致的反馈机制，使符合上述振荡模式的激光不断得到加强，从而到达激光合成的目的。

如图2所示为本发明的布局与光路示意图。为减小光谱合成系统的体积，在外腔镜前增加聚焦柱透镜，其与慢轴转换柱透镜构成一个透镜组，并通过光学优化设计可使慢轴转换柱透镜的焦距为透镜组焦距的数十分之一，且该透镜组的等效前焦面位于慢轴转换柱透镜一倍焦距以内。将二极管激光器放置于该透镜组的等效前焦面，反射式平面光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面上。二极管激光器中某一子发光单元发出的光经过慢轴转换柱透镜后入射至反射式平面光栅上的入射角不一致，衍射角也不一致，但由于二极管激光器位于透镜组的等效前焦面，经过聚焦柱透镜后激光平行出射；二极管激光器不同子发光单元发出的光其波长有差异，通过光栅的衍射作用，使激光衍射角度与入射角度及波长相匹配，导致所有发光单元发出的激光经过聚焦柱透镜后平行出射，其出射方向垂直于外腔镜。经过外腔镜的部分反射，反射激光沿原光路回到各子发光单元，形成完整振荡回路。由于外腔镜导致的反馈机制，使符合上述振荡模式的激光不断得到加强，从而到达激光远场重合的目的。由于反射式平面光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面上，二极管激光器不同子发光单元发出的光在光栅上实现近场的重合。近场与远场均实现重合，实现了二极管激光器光束合成的目的。

如图3所示为本发明的布局与光路示意图。本实施例与上述的实施例基本结构相同，不同之处是：上述实施例采用的衍射光栅是反射式平面光栅，本实施例采用的衍射光栅是透射式平面光栅。对本实施例，同样要求二极管激光器位于慢轴转换柱透镜与柱透镜构成透镜组的等效前焦面，以及透射式平面光栅位于慢轴转换柱透镜的后焦面上。本实施例的合成原理与上述实施例相同。

图4中，为本发明紧凑化布局的外腔反馈式二极管激光光谱合成光学系统采用的二极管激光器的结构示意图，具体包括二极管激光器线阵，快轴准直透镜、慢轴准直透镜。二极管激光器线阵由数十个甚至上百个等间距的芯片构成，通电后，各芯片发出激光束，形成待合成的各子发光单元。快轴准直透镜与慢轴准直透镜分别对各子发光单元在快轴和慢轴方向上进行准直。合成系统中，二极管激光器可使用单个激光器线阵，也可在快轴方向上拼接多个线阵，形成二极管激光器叠阵，进行更大规模的二极管激光器光谱合成。

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。