本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光密集譜合束，尤其涉及一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、半導(dǎo)體激光合束可以顯著提升激光功率及光束質(zhì)量，在眾多半導(dǎo)體激光合束技術(shù)中，基于體布拉格光柵的密集譜合束技術(shù)在實(shí)現(xiàn)高功率及高亮度方面表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。在傳統(tǒng)的合束方法中，需要首先利用透射式體布拉格光柵對(duì)激光器進(jìn)行波長(zhǎng)鎖定，再利用反射式體布拉格光柵進(jìn)行光路合束。這種合束方法是通過(guò)增加功率來(lái)提升合束激光的輸出亮度，并沒(méi)有對(duì)合束激光的光束質(zhì)量進(jìn)行改善，這導(dǎo)致合束激光的光束質(zhì)量可以接近但無(wú)法超越單元激光器的光束質(zhì)量；此外，每路參與合束的半導(dǎo)體激光器需要先經(jīng)過(guò)透射式體布拉格光柵鎖定波長(zhǎng)，而采用反射式體布拉格光柵以特定角度對(duì)經(jīng)過(guò)波長(zhǎng)鎖定的激光進(jìn)行衍射，一旦半導(dǎo)體激光的鎖定波長(zhǎng)與實(shí)際光路角度發(fā)生偏離，將會(huì)對(duì)衍射效率產(chǎn)生巨大影響；最后，傳統(tǒng)的合束方法使用體布拉格光柵的數(shù)量較多，這增加了合束成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，本發(fā)明創(chuàng)造旨在提供一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置及方法，以解決傳統(tǒng)的密集譜合束技術(shù)只能提升合束功率卻無(wú)法改善光束質(zhì)量的缺點(diǎn)，本發(fā)明具有合束效率高，成本低等優(yōu)點(diǎn)。

2、為達(dá)到上述目的，本發(fā)明創(chuàng)造的技術(shù)方案是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，包括半導(dǎo)體激光器組、快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組、體布拉格光柵組和外腔鏡；

4、半導(dǎo)體激光器組發(fā)射出波長(zhǎng)相同的光束組，光束組依次經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組、體布拉格光柵組和外腔鏡后射出；

5、快軸準(zhǔn)直鏡組減小光束組的快軸方向發(fā)散角，慢軸準(zhǔn)直鏡組減小光束組的慢軸方向發(fā)散角，反射鏡組將從慢軸準(zhǔn)直鏡組發(fā)出的光束組反射至體布拉格光柵組，體布拉格光柵組對(duì)光束組進(jìn)行衍射，并使整個(gè)半導(dǎo)體激光光譜中滿足布拉格衍射條件的部分激光入射至外腔鏡，外腔鏡將滿足布拉格衍射條件的激光依次經(jīng)體布拉格光柵組、反射鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組和快軸準(zhǔn)直鏡組原路反饋至半導(dǎo)體激光器組的各半導(dǎo)體激光器的芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)和波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)整，經(jīng)過(guò)調(diào)整后的光束組依次經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組和體布拉格光柵組再次合束，合束光束經(jīng)外腔鏡輸出。

6、進(jìn)一步的，半導(dǎo)體激光器組包括不少于兩個(gè)的半導(dǎo)體激光器，快軸準(zhǔn)直鏡組包括不少于兩個(gè)的快軸準(zhǔn)直鏡，且每個(gè)快軸準(zhǔn)直鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置，慢軸準(zhǔn)直鏡組包括不少于兩個(gè)的慢軸準(zhǔn)直鏡，且每個(gè)慢軸準(zhǔn)直鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置，反射鏡組包括不少于兩個(gè)的反射鏡，且每個(gè)反射鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置。

7、進(jìn)一步的，半導(dǎo)體激光器組為單管半導(dǎo)體激光器，單管半導(dǎo)體激光器的前腔面鍍有增透膜，單管半導(dǎo)體激光器發(fā)射的波長(zhǎng)范圍為800nm-1500nm。

8、進(jìn)一步的，體布拉格光柵組包括不少于兩個(gè)的體布拉格光柵，每個(gè)體布拉格光柵與每個(gè)反射鏡對(duì)應(yīng)設(shè)置，且各體布拉格光柵的目標(biāo)光束的波長(zhǎng)和入射激光角度均滿足下式：

9、；

10、其中， φ0為體布拉格光柵的入射激光角度，λ為光柵周期，nav為光柵折射率，λ為目標(biāo)光束的波長(zhǎng)。

11、進(jìn)一步的，經(jīng)各體布拉格光柵透射和衍射的光進(jìn)行光束合并后，經(jīng)外腔鏡出射。

12、進(jìn)一步的，目標(biāo)光束的波長(zhǎng)滿足布拉格衍射條件，且體布拉格光柵對(duì)目標(biāo)光束進(jìn)行衍射，并對(duì)除目標(biāo)光束之外的其他波長(zhǎng)的光束進(jìn)行透射。

13、進(jìn)一步的，外腔鏡與半導(dǎo)體激光器組所包含的各單管半導(dǎo)體激光器的后腔面，對(duì)應(yīng)形成各單管半導(dǎo)體激光器的諧振外腔。

14、進(jìn)一步的，外腔鏡的反射率在5%—20%之間。

15、進(jìn)一步的，體布拉格光柵的光柵波長(zhǎng)范圍為320nm-2700nm，體布拉格光柵的光柵周期范圍為500l/mm-3000l/mm，體布拉格光柵的光譜帶寬范圍為0.2nm-100nm，體布拉格光柵對(duì)700nm-2500nm的激光光束進(jìn)行光譜選擇。

16、一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束方法，利用半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置實(shí)現(xiàn)，具體包括如下步驟：

17、s1：半導(dǎo)體激光器組發(fā)射出波長(zhǎng)相同的光束組，光束組依次經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組和反射鏡組入射至體布拉格光柵組；

18、s2：體布拉格光柵組對(duì)光束組進(jìn)行衍射，并使整個(gè)半導(dǎo)體激光光譜中滿足布拉格衍射條件的部分激光入射至外腔鏡，外腔鏡將滿足布拉格衍射條件的激光依次經(jīng)體布拉格光柵組、反射鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組和快軸準(zhǔn)直鏡組原路反饋至半導(dǎo)體激光器組的各半導(dǎo)體激光器的芯片內(nèi)，實(shí)現(xiàn)模式競(jìng)爭(zhēng)和波長(zhǎng)自動(dòng)調(diào)整；

19、s3：經(jīng)過(guò)調(diào)整后的光束組依次經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組和體布拉格光柵組再次合束，合束光束經(jīng)外腔鏡輸出。

20、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明創(chuàng)造能夠取得如下有益效果：

21、（1）本發(fā)明創(chuàng)造所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置及方法，使合束光束質(zhì)量得到了優(yōu)化。本發(fā)明在半導(dǎo)體激光器的后腔面與外腔鏡之間構(gòu)成了外腔，外腔鏡會(huì)將部分衍射激光束再次反射到體布拉格光柵上，利用其光譜選擇特性將滿足布拉格衍射條件的激光模式衍射進(jìn)激光芯片內(nèi)，通過(guò)半導(dǎo)體激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)特性，此激光模式會(huì)被增強(qiáng)，并成為主要模式進(jìn)行激射，而不滿足布拉格衍射條件的模式則無(wú)法被反饋進(jìn)半導(dǎo)體激光器組的各半導(dǎo)體激光器的芯片內(nèi)，而無(wú)法被反饋進(jìn)激光芯片的部分模式則在模式競(jìng)爭(zhēng)過(guò)程中被逐漸抑制。激光模式的減少會(huì)有效降低慢軸發(fā)散角，使合束光束質(zhì)量得到優(yōu)化，且使合束光束質(zhì)量?jī)?yōu)于單路器件水平。

22、（2）本發(fā)明創(chuàng)造所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置及方法，使密集譜合束的效率得到了提升。本發(fā)明在密集譜合束過(guò)程中，半導(dǎo)體激光器會(huì)根據(jù)體布拉格光柵的光譜選擇特性對(duì)輸出光譜進(jìn)行調(diào)制，將輸出的光譜壓縮并自動(dòng)調(diào)整到對(duì)應(yīng)的衍射效率最高的波長(zhǎng)，因此，即使存在光路偏差，也可以使光束以理論設(shè)計(jì)的角度衍射，從而使得密集譜合束的效率也得到優(yōu)化和提升。

技術(shù)特征：

1.一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：包括半導(dǎo)體激光器組、快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組、體布拉格光柵組和外腔鏡；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光器組包括不少于兩個(gè)的半導(dǎo)體激光器，所述快軸準(zhǔn)直鏡組包括不少于兩個(gè)的快軸準(zhǔn)直鏡，且每個(gè)快軸準(zhǔn)直鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述慢軸準(zhǔn)直鏡組包括不少于兩個(gè)的慢軸準(zhǔn)直鏡，且每個(gè)慢軸準(zhǔn)直鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置，所述反射鏡組包括不少于兩個(gè)的反射鏡，且每個(gè)反射鏡與每個(gè)半導(dǎo)體激光器對(duì)應(yīng)設(shè)置。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述半導(dǎo)體激光器組為單管半導(dǎo)體激光器，所述單管半導(dǎo)體激光器的前腔面鍍有增透膜，所述單管半導(dǎo)體激光器發(fā)射的波長(zhǎng)范圍為800nm-1500nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述體布拉格光柵組包括不少于兩個(gè)的體布拉格光柵，每個(gè)體布拉格光柵與每個(gè)反射鏡對(duì)應(yīng)設(shè)置，且各體布拉格光柵的目標(biāo)光束的波長(zhǎng)和入射激光角度均滿足下式：

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：經(jīng)各體布拉格光柵透射和衍射的光進(jìn)行光束合并后，經(jīng)所述外腔鏡出射。

6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述目標(biāo)光束的波長(zhǎng)滿足布拉格衍射條件，且所述體布拉格光柵對(duì)所述目標(biāo)光束進(jìn)行衍射，并對(duì)除目標(biāo)光束之外的其他波長(zhǎng)的光束進(jìn)行透射。

7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述外腔鏡與所述半導(dǎo)體激光器組所包含的各單管半導(dǎo)體激光器的后腔面，對(duì)應(yīng)形成各單管半導(dǎo)體激光器的諧振外腔。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述外腔鏡的反射率在5%—20%之間。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置，其特征在于：所述體布拉格光柵的光柵波長(zhǎng)范圍為320nm-2700nm，所述體布拉格光柵的光柵周期范圍為500l/mm-3000l/mm，所述體布拉格光柵的光譜帶寬范圍為0.2nm-100nm，所述體布拉格光柵對(duì)700nm-2500nm的激光光束進(jìn)行光譜選擇。

10.一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束方法，利用權(quán)利要求1-9中任意一項(xiàng)所述的半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置實(shí)現(xiàn)，其特征在于：具體包括如下步驟：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明屬于密集譜合束技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量自優(yōu)化合束裝置及方法。裝置包括半導(dǎo)體激光器組、快軸準(zhǔn)直鏡組、慢軸準(zhǔn)直鏡組、反射鏡組、體布拉格光柵組和外腔鏡。每個(gè)半導(dǎo)體激光器的后腔面與外腔鏡之間構(gòu)成了諧振外腔，經(jīng)過(guò)體布拉格光柵衍射后，傳輸?shù)酵馇荤R的部分激光被外腔鏡再次反射到體布拉格光柵上，體布拉格光柵的光譜選擇特性將滿足布拉格衍射條件的激光模式衍射進(jìn)半導(dǎo)體激光器的芯片內(nèi)，且半導(dǎo)體激光器的模式競(jìng)爭(zhēng)特性會(huì)將此部分激光模式增強(qiáng)為主要激射模式，抑制其他雜散模式，進(jìn)而降低半導(dǎo)體激光器的慢軸發(fā)散角，改善合束激光的光束質(zhì)量。此外，體布拉格光柵按照光路角度自動(dòng)將半導(dǎo)體激光波長(zhǎng)調(diào)整到最高衍射效率波長(zhǎng)。

技術(shù)研發(fā)人員：朱洪波,王詣,林星辰,張亞維,薛旭蘭,張會(huì)丹,寧永強(qiáng),王立軍
受保護(hù)的技術(shù)使用者：中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19