[发明专利]光谱合束装置及方法

说明书

本发明涉及激光技术领域，具体提供一种光谱合束装置及方法，光谱合束装置中激光单元阵列输出激光光束，激光光束经过变换透镜作用，以不同角度入射至透射光栅，经过透射光栅衍射后再入射至反射光栅；激光光束经过透射光栅和反射光栅多次衍射后，输出至外腔镜。本发明的光谱合束装置直接采用反射光栅对和透射光栅组合形成色散元件，通过位置变换、光路设计以及简单的光路调节，合束激光实现数量级衍射次数叠加，进而在不改变激光单元排布情况下，数量级提升色散元件的整体色散能力，同时引入反射式光栅，将合束激光折回到激光单元方向，可以有效压缩光谱合束光源的体积尺寸，便于工程应用。

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种可复用透反光栅的密集型光谱合束装置及方法。

背景技术

光谱合束技术是当前实现高功率、高光束质量合束激光的最为可行技术之一。从1999年报道至今，该技术已经成功应用在全固态激光器、光纤激光器以及半导体激光器上面，大幅度提升了激光器性能。

光谱合束的基本原理和方法：基于具有色散能力的光学元件，如光栅、棱镜等，将激射波长互不相同的多个单元激光束按照一定规律排列，通过色散元件的色散作用，将这些单元激光束以近场和远场均重合的方式输出合束激光，所得的合束激光束具有功率为所有单元光束之和，光束质量与单元光束的光束质量相近，从而实现高功率、高光束质量的合束激光输出。

从上述原理可知，光谱合束在提升激光器的功率和光束质量时，其合束后的整体光谱也为所有激光单元的光谱的叠加，由于各个激光单元具有不同的中心波长（实现光谱合束的必要条件），因此合束激光的整体光谱被拓宽，大于激光单元的谱宽。一方面，难以应用在对谱宽要求严格的场合；另一方面，额定带宽的合束性能提升有限。

光谱合束过程中，如何提升色散元件的色散能力变得关键。目前光谱合束结构中用于实现色散作用的普遍采用单光栅或者单次衍射，由光栅衍射原理可知，其色散能力可以采用高阶次衍射或者通过减小光栅常数来实现，为了实现高效衍射，目前光谱合束所采用的光栅均为一级或者负一级衍射光栅，无法采用高阶次衍射实现高色散，因此主要通过减小光栅常数、增加单位尺寸的线数来提升色散。增加每毫米的线数可以一定程度上提升色散能力，但同时也导致衍射角增大，减小了光栅的有效截面积，加剧光谱合束难度或者成本等问题。如当衍射角大于65°以上时，装调光路也变得非常困难，因此当前所用光栅的衍射角度通常小于65°，这也导致难以通过线数来提升光栅色散能力。

公告号CN 107272214B和文献Narrow-spectral-span spectral beam combiningwith a nonparallel double-grating structure (Chinese Optics Letters, 2017, 15(9): 091403)提出采用一种利用双光栅实现半导体激光光谱合束的装置，通过双光栅的叠加，可以2倍提升色散元件的色散能力，在激光器腔长不变的条件下，可以使激光光谱展宽缩短为原来的一半，在半导体激光器的增益曲线内，以及在光栅的高衍射效率的波长范围内可以使合束单元数量提升一倍，功率和亮度提高一倍；公告号为CN107240856B和文献Narrow-wavelength-spread spectral combining laser with a reflector for adouble pass with a single grating.(Chinese Optics Letters, 2018, 16(7):071402)提出利用光栅与反射元件实现两次衍射压缩谱宽的光谱合束装置，利用反射元件将入射光束反射，两次经过光栅衍射作用，实现二次色散，光栅的衍射能力提高一倍，输出激光光谱谱宽压缩一半，等效达到了双光栅叠加一样的色散能力。

由上述可知，通过叠加更多的光栅，可以进一步提升色散能力。但按照上述方法，若需进一步提升色散能力，需要再增加光栅，这无疑会增加器件数量和成本，装调难度也会进一步增加。但与此同时会导致光路变得复杂，装调不易，成本也会增加。

发明内容