本發(fā)明屬于激光器合束的應(yīng)用領(lǐng)域，具體是設(shè)計(jì)一種基于光子晶體激光器合束的裝置。

背景技術(shù)：

自19世紀(jì)60年代第一臺(tái)紅寶石激光器研制成功，半導(dǎo)體激光器作為新一代激光器，以其體積小、電光轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)在工業(yè)加工、醫(yī)療、軍事、國(guó)防等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但由于自身結(jié)構(gòu)的限制，其快慢軸方向的發(fā)散角相差很大，整體光束質(zhì)量差。隨著工業(yè)加工和大功率光纖激光器泵浦源需求的不斷提高，高功率、高亮度和高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光器已經(jīng)成為了國(guó)際上熱門(mén)的研究課題。激光合束是實(shí)現(xiàn)高功率、高亮度和高光束質(zhì)量的有效方法之一。激光合束技術(shù)在激光加工和高功率光纖耦合產(chǎn)品中已得到廣泛的應(yīng)用。

目前，能實(shí)現(xiàn)合束的激光器有：?jiǎn)喂芗す馄?、巴條激光器和迭陣激光器。

單管激光器輸出功率相對(duì)巴條激光器較低，研制大功率激光器光纖耦合模塊時(shí)需要較多的單元器件，整個(gè)制作工藝復(fù)雜，對(duì)光束準(zhǔn)直及指向精度要求較高。傳統(tǒng)巴條激光器慢軸光束質(zhì)量較差，“smile”效應(yīng)現(xiàn)象明顯，具有光學(xué)系統(tǒng)昂貴復(fù)雜和耦合效率較低的缺點(diǎn)。傳統(tǒng)的合束方法一般只能在某一方向上實(shí)現(xiàn)光斑的疊加，不能有效的填充光纖的芯徑，致使芯徑的利用效率不高。在申請(qǐng)?zhí)枮?01410766549.1的發(fā)明專(zhuān)利中，發(fā)明人利用一系列激光光束偏移光學(xué)系統(tǒng)調(diào)整光束，實(shí)現(xiàn)二維圓形排列的多激光光束；在申請(qǐng)?zhí)枮?01510662366.X的發(fā)明專(zhuān)利中，提供一種新型多單管半導(dǎo)體激光器光纖耦合模塊，使原本的單管半導(dǎo)體激光一維快軸方向的堆疊，變?yōu)榭燧S方向與慢軸方向共同疊加，目的都是希望能有效利用耦合鏡的通光孔徑空間及提高光纖耦合輸出功率。這兩種方法在一定程度上都增加了光學(xué)系統(tǒng)的復(fù)雜性，伴隨著整個(gè)模塊的裝調(diào)難度及較貴的制作成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有技術(shù)中的至少一問(wèn)題而提出本發(fā)明。本發(fā)明在下文中參考實(shí)施例的示例將更詳細(xì)的描述，但本發(fā)明并不局限于所述實(shí)施例。

木發(fā)明提出了一種基于光子晶體激光器合束的裝置，包括階梯熱沉、光子晶體激光器短巴條、球面透鏡、反射鏡和聚焦耦合鏡；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述階梯熱沉由不同高度的臺(tái)階組成，每個(gè)臺(tái)階上放置一個(gè)所述光子晶體激光器短巴條；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，每個(gè)所述光子晶體激光器短巴條發(fā)射的激光均經(jīng)所述球面透鏡壓縮后出射平行激光；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述每個(gè)光子晶體激光器短巴條對(duì)應(yīng)一個(gè)反射鏡，由所述反射鏡實(shí)現(xiàn)光子晶體激光器短巴條出射光束的光路的折轉(zhuǎn)以入射到所述聚焦耦合鏡；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述聚焦耦合鏡用于將激光合束后的光束聚焦；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述階梯熱沉的臺(tái)階個(gè)數(shù)不小于2；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述光子晶體激光器短巴條的前腔面采取鍍?cè)鐾改ぬ幚恚?/p>

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述光子晶體激光器短巴條含有多個(gè)發(fā)光單元；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述光子晶體激光器短巴條上的發(fā)光單元的數(shù)量和間距與階梯熱沉臺(tái)階數(shù)量和間距分別相等，能夠?qū)崿F(xiàn)在所述聚焦耦合鏡之前的光斑分布呈近距方形；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述光子晶體激光器短巴條輸出的光斑是近圓形光斑；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述反射鏡的反射面鍍有與所述光子晶體激光器短巴條的激射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的高反膜；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，所述反射鏡到所述階梯熱沉的距離是保持不變的，且與所述階梯熱沉放置的角度也是保持不變的；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該裝置還包括光纖，所述光纖用于傳輸由所述聚焦耦合鏡聚焦后的激光；

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，該裝置還包括管殼，所述管殼用于容納所述階梯熱沉、所述光子晶體激光器短巴條、所述球面透鏡、所述反射鏡，所述聚焦耦合鏡和所述光纖。

本發(fā)明提供了一種基于光子晶體激光器合束的裝置，改善了該裝置的快慢軸方向的發(fā)散角，提高了整體光束的質(zhì)量，更有效利用聚焦耦合鏡的通光孔徑、降低裝置裝調(diào)的復(fù)雜性和裝調(diào)難度，也降低制作成本，最大程度上提高聚焦耦合透鏡的通光孔徑和光纖芯徑的利用率，從而獲得最大的耦合輸出。

附圖說(shuō)明

圖1是基于光子晶體激光器合束的裝置的俯視圖；

圖2是階梯熱沉的結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖；

圖3是光子晶體激光器短巴條示的結(jié)構(gòu)示意圖(陰影部分為激光器管芯)；

圖4A和圖4B分別是單個(gè)光子晶體激光器使用球面透鏡進(jìn)行快軸和慢軸壓縮的光路圖；

圖5是由軟件模擬進(jìn)入光纖前探測(cè)得到的光斑強(qiáng)度分布圖；

圖6是本發(fā)明利用偏振技術(shù)擴(kuò)展后的裝置示意圖。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

在附圖中示出了根據(jù)木發(fā)明公開(kāi)實(shí)施例的各種結(jié)構(gòu)示意圖。這些圖并非是按比例繪制的，其中為了清楚表達(dá)的目的，放大某些細(xì)節(jié)，并且可能省略了某些細(xì)節(jié)。圖中所示出的各種數(shù)據(jù)、形狀以及它們之間的相對(duì)大小、位置關(guān)系儀是示例性的，實(shí)際中可能由于制造公差或技術(shù)有限而造成的偏差，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)實(shí)際所需可以另外設(shè)計(jì)具有不同形狀、大小、相對(duì)位置。

圖1為一種基于光子晶體激光器合束的裝置的俯視圖。如圖所示，該裝置包括：1階梯熱沉、2光子晶體激光器短巴條、3球面透鏡、4反射鏡，5聚焦耦合鏡、6管殼和7光纖。

所述光子晶體激光器短巴條2和光纖7分別位于球面透鏡3和聚焦耦合鏡5的焦點(diǎn)處，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)從球面透鏡3出射的激光都是平行光束，才能保證入射到聚焦耦合鏡5的激光都是平行光束，光束在光纖一側(cè)匯聚在聚焦耦合鏡5的焦點(diǎn)處，最大程度上耦合進(jìn)光纖。

所述每個(gè)光子晶體激光器短巴條2對(duì)應(yīng)一個(gè)反射鏡4，由反射鏡4實(shí)現(xiàn)光子晶體激光器短巴條2上多個(gè)發(fā)光單元的光路的轉(zhuǎn)折，反射鏡4的反射面鍍有與光子晶體激光器短巴條2的激射波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的高反膜，所有反射鏡4到階梯熱沉1的距離相同，且與階梯熱沉1呈45°放置。光束由反射鏡4反射到聚焦耦合鏡5的凸面上，再經(jīng)過(guò)聚焦耦合鏡5后實(shí)現(xiàn)聚焦，最后耦合進(jìn)光纖7。

所述光子晶體激光器短巴條2和階梯熱沉1完成合束，且光子晶體激光器短巴條2上發(fā)光單元的數(shù)量和間距與階梯熱沉1臺(tái)階數(shù)量和間距分別相等，實(shí)現(xiàn)在聚焦耦合鏡5之前的光斑分布呈近正方形，提高了聚焦耦合鏡5通光孔徑的利用率，亦能夠減少聚焦耦合鏡5像差的影響。

所述管殼用于放置1階梯熱沉、2光子晶體激光器短巴條、3球面透鏡、4反射鏡，5聚焦耦合鏡和7光纖。

圖2是階梯熱沉的結(jié)構(gòu)及尺寸示意圖。如圖所示，具有一定臺(tái)階高度的階梯熱沉1，臺(tái)階高度差應(yīng)結(jié)合光子晶體激光器短巴條2的光斑大小設(shè)計(jì)，滿足相鄰臺(tái)面上出射的光斑經(jīng)反射鏡4反射時(shí)在快軸方向上沒(méi)有重疊，臺(tái)階個(gè)數(shù)應(yīng)該不小于2。模擬中我們?cè)O(shè)定的臺(tái)階高度為0.500mm，最低的臺(tái)階高度為1.600mm，共有3層臺(tái)階。

該裝置中使用了階梯熱沉1，使用焊料把光子晶體激光器短巴條2焊接在所述階梯熱沉1表面上，不同臺(tái)階高度的光子晶體激光器短巴條2出射的激光經(jīng)過(guò)反射鏡4后，可以實(shí)現(xiàn)快軸方向光斑的疊加。所述階梯熱沉1的每個(gè)臺(tái)階上裝有一個(gè)光子晶體激光器短巴條2。

圖3是光子晶體激光器短巴條示的結(jié)構(gòu)示意圖(陰影部分為激光器管芯)。如圖所示，木發(fā)明假定每個(gè)光子晶體激光器短巴條2上有三個(gè)發(fā)光單元，，整個(gè)裝置中共有3個(gè)光子晶體激光器短巴條2，9個(gè)發(fā)光單元。且所述光子晶體激光器短巴條2的周期為0.500mm，在半高全寬處的快軸發(fā)散角約為12度，慢軸發(fā)散角約為7度。所使用的光子晶體激光器短巴條2的前腔面采取鍍?cè)鐾改ぬ幚怼Ｃ總€(gè)光子晶體激光器短巴條2的每個(gè)單元使用一個(gè)球面透鏡3進(jìn)行快慢軸發(fā)散角的壓縮，根據(jù)現(xiàn)有激光器參數(shù)設(shè)計(jì)的球面透鏡3的焦距為0.256mm?？燧S方向疊加后和慢軸方向的光斑數(shù)都是3個(gè)，以滿足最后反射到聚焦耦合鏡5前面的光斑分布呈近正方形，使聚焦耦合鏡5的通光孔徑和光纖7芯徑都達(dá)到最大的利用率。

該裝置使用光子晶體激光器短巴條2進(jìn)行合束，利用光子晶體激光器可實(shí)現(xiàn)近圓形光斑輸出的特點(diǎn)(如申請(qǐng)?zhí)枮?01310082285.3的發(fā)明專(zhuān)利和文獻(xiàn)：Lei Liu，Wanhua Zheng et al.Design and Analysis of Laser Diodes Based on the Longitudinal Photonic Band Crystal Concept for High Power and Narrow Vertical Divergence，IEEE JOURNAL OF SELECTED TOPICS IN QUANTUM ELECTRONICS，VOL.21，NO.1，JANUARY/FEBRUARY2015中所述)，即快慢軸發(fā)散角差別很小，使用一個(gè)球面透鏡3代替快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡，實(shí)現(xiàn)快慢軸方向發(fā)散角的同時(shí)壓縮，所述球面鏡3，是要根據(jù)光子晶體激光器短巴條2輸出光束的發(fā)散角和壓縮后想要得到的光斑尺寸大小等進(jìn)行設(shè)計(jì)。

所述光子晶體激光器短巴條2具有光子帶隙特性的人造周期性電介質(zhì)結(jié)構(gòu)，頻率落在光子帶隙內(nèi)的電磁波是禁止傳播的。將光子晶體引入到半導(dǎo)體激光器中，光子晶體光子帶隙的存在有利于自發(fā)輻射的抑制和受激輻射的產(chǎn)生。利用光子晶體對(duì)光子態(tài)的調(diào)制作用，可以獲得比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器大好幾個(gè)數(shù)量級(jí)的光學(xué)腔品質(zhì)因子，大幅度提高激光的亮度和單色性。普通半導(dǎo)體激光器，快軸方向由于垂直于有源區(qū)的模式尺寸很小，使快軸發(fā)散角非常大。而光子晶體激光器短巴條2通過(guò)光子晶體的周期性調(diào)制和模式耦合可以降低快軸發(fā)散角，實(shí)現(xiàn)近圓形的光斑輸出，從而可以設(shè)計(jì)一個(gè)球面鏡代替快軸準(zhǔn)直鏡和慢軸準(zhǔn)直鏡完成對(duì)快慢軸發(fā)散角的壓縮，減少了合束光源中光學(xué)元件的數(shù)量和更多透鏡帶米的裝調(diào)誤差，降低了制作成本。

圖4A和圖4B分別是單個(gè)光子晶體激光器使用球面透鏡進(jìn)行快軸和慢軸壓縮的光路圖。如圖所示，單個(gè)光子晶體激光器使用球面透鏡3進(jìn)行快軸和慢軸壓縮的光路圖。由于光子晶體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)近圓形光斑的遠(yuǎn)場(chǎng)輸出，故單個(gè)光子晶體激光器使用球面透鏡3進(jìn)行快軸和慢軸壓縮的光路圖是相近的。

圖5是由軟件模擬進(jìn)入光纖前探測(cè)得到的光斑強(qiáng)度分布圖。如圖所示，是模擬得到的進(jìn)入光纖前探測(cè)到的光斑強(qiáng)度圖，正如我們預(yù)期的一樣，聚焦耦合鏡5前的光斑呈近正方形分布，模擬得到的光束耦合進(jìn)光纖7的耦合效率大于99％。

圖6是本發(fā)明利用偏振技術(shù)擴(kuò)展后的裝置示意圖。如圖所示，該裝置可以使用反射鏡8、偏正棱鏡9和半波片10進(jìn)一步擴(kuò)展。經(jīng)過(guò)此方法擴(kuò)展后使整體的輸出功率增大一倍，光束質(zhì)量不變。

該裝置仍可進(jìn)一步擴(kuò)展，如圖6所示的合束光源通過(guò)波長(zhǎng)合束器實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)合束，進(jìn)而獲得更大的輸出功率。故該裝置經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的擴(kuò)展，亦可實(shí)現(xiàn)百瓦量級(jí)的耦合輸出。

以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有盍效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。