一种合束光学装置的制作方法

本发明涉及光谱合束技术领域，特别是涉及一种合束光学装置。

背景技术：

激光合束是将多个单元激光束耦合成单束激光，是提高激光功率、增加激光亮度的关键。根据合束原理，可分为相干合束和非相干合束，相干合束由于技术实现难度大，主要处于研究阶段，非相干合束是当前激光领域应用广泛的合束方式。

非相干合束基于激光的光场、偏振或者光谱特性进行合束，具体分为空间合束、偏振合束和波长合束，空间合束可有效增加激光功率，但同时恶化光束质量，降低激光亮度；偏振合束利用激光的线偏振特性，将两束偏振方向垂直的激光进行合束，可增加激光功率和亮度，但是仅能耦合两束光，激光性能提升有限；波长合束使用波长分光元件将不同波长的激光进行合束，可提高激光功率和亮度，但受限于合束波长间隔较大，提升激光性能也有限。

受波长合束启发，近年来发展了光谱合束技术，通过激光波长锁定及高色散光栅元件等，将合束波长间隔进一步压窄，是当前提升激光功率和亮度的先进合束技术，无论是在光纤激光器或者半导体激光器合束，都实现了非常好的合束性能。但是，当前光谱合束结构主要基于单片衍射光栅的单次衍射，由于光栅色散能力限制，使得合束的波长间隔难以进一步压缩，合束功率和亮度提升受限。因此，如何提高光谱合束元件色散能力，在额定光谱范围内耦合更多激光单元成为光谱合束技术的瓶颈之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种合束光学装置，能够压缩参与合束的单元光束波长间隔，增加参与合束的单元光束数量，有助于提升合束功率和亮度。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种合束光学装置，包括光栅层、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面分别设置在所述光栅层两侧；

所述第一反射面和所述第二反射面用于使得入射至所述光栅层的各不同波长的光束在所述第一反射面和所述第二反射面之间往复传播，以引导各光束沿所述光栅层长度方向传播，在每次各光束由所述第一反射面传播至所述第二反射面或者由所述第二反射面传播至所述第一反射面的路程中各光束经过所述光栅层而发生衍射作用；

所述光栅层用于将每次一同入射到所述光栅层的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

优选的，所述第一反射面与所述第二反射面平行。

优选的，所述光栅层的折射率沿所述光栅层长度方向呈周期性变化。

优选的，包括至少两个所述光栅层，至少两个所述光栅层分层依次设置在所述第一反射面和所述第二反射面之间，在每次各光束由所述第一反射面传播至所述第二反射面或者由所述第二反射面传播至所述第一反射面的路程中各光束依次经过各所述光栅层而发生衍射作用。

优选的，还包括第三反射面和若干光束产生部，若干光束产生部分别用于产生出各不同波长的光束并将产生光束入射至所述光栅层，所述光束产生部包括用于将光反射回所述光束产生部腔内的后腔面和用于将产生光束透射的前腔面；

所述第三反射面设置在汇合光束的传播光路上，用于与若干所述光束产生部的后腔面分别形成谐振腔，以分别将各个所述光束产生部产生的光束锁定波长。

优选的，所述光束产生部的后腔面镀制高反膜，所述光束产生部的前腔面镀制高增透膜。

优选的，所述第一反射面为反射镜，所述第二反射面为反射镜。

由上述技术方案可知，本发明所提供的一种合束光学装置包括光栅层、第一反射面和第二反射面，第一反射面和第二反射面分别设置在光栅层两侧，第一反射面和第二反射面使得入射至光栅层的各不同波长的光束在第一反射面和第二反射面之间往复传播，从而引导各光束沿光栅层长度方向传播，在每次各光束由第一反射面传播至第二反射面或者由第二反射面传播至第一反射面的路程中各光束经过光栅层而发生衍射作用；光栅层将每次一同入射到光栅层的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

本发明合束光学装置利用反射面使得各不同波长光束若干次地往复通过光栅层，能够对各不同波长光束进行多次衍射，提高了合束光学装置的色散能力，能够压缩参与合束的单元光束波长间隔，增加参与合束的单元光束数量，有助于提升合束功率和亮度。

附图说明

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地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。

图1为本发明实施例提供的一种合束光学装置的示意图；

图2为各不同波长光束在图1所示合束光学装置内传播光路示意图；

图3为现有的光谱合束示意图；

图4为本发明又一实施例提供的一种合束光学装置的示意图；

图5为本发明又一实施例提供的一种合束光学装置的示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种合束光学装置，包括光栅层、第一反射面和第二反射面，所述第一反射面和所述第二反射面分别设置在所述光栅层两侧；

所述第一反射面和所述第二反射面用于使得入射至所述光栅层的各不同波长的光束在所述第一反射面和所述第二反射面之间往复传播，以引导各光束沿所述光栅层长度方向传播，在每次各光束由所述第一反射面传播至所述第二反射面或者由所述第二反射面传播至所述第一反射面的路程中各光束经过所述光栅层而发生衍射作用；

所述光栅层用于将每次一同入射到所述光栅层的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

其中，所述的各不同波长光束中的任意一种波长光束是指具有确定的中心波长、具有一定光谱谱宽的光束，所述的各不同波长光束的中心波长不相同且各光束的光谱不交叠。

利用第一反射面和第二反射面对光的反射作用，使得各不同波长光束在第一反射面和第二反射面之间往复传播，从而引导各光束沿光栅层长度方向传播。光栅层具有光栅结构，入射到光栅层的光束经过光栅层会发生衍射作用，在每次各光束由第一反射面传播至第二反射面或者由第二反射面传播至第一反射面的路程中各光束经过光栅层而发生衍射作用。每次一同入射到光栅层的各不同波长光束发生衍射作用，各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束在传播过程中经过光栅层若干次的衍射作用后汇合为一束光。

本实施例合束光学装置利用反射面使得各不同波长光束若干次地往复通过光栅层，通过光栅层对各不同波长光束进行多次衍射，提高了合束光学装置的色散能力，能够压缩参与合束的单元光束波长间隔，增加参与合束的单元光束数量，有助于提升合束功率和亮度。

下面结合附图和具体实施方式对本合束光学装置进行详细说明。请参考图1，图1为本发明实施例提供的一种合束光学装置的示意图，由图可知，所述合束光学装置包括光栅层100、第一反射面101和第二反射面102。第一反射面101和第二反射面102分别设置在光栅层100的两侧，用于使得入射至光栅层100的各不同波长的光束在第一反射面101和第二反射面102之间往复传播，以引导各光束沿光栅层100长度方向传播，在每次各光束由第一反射面101传播至第二反射面102或者由第二反射面102传播至第一反射面101的路程中各光束经过光栅层100而发生衍射作用。光栅层100用于将每次一同入射到光栅层100的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

请结合参考图2，图2为各不同波长光束在图1所示合束光学装置内传播光路示意图，其中是以三种不同波长光束单元光束1、单元光束2、单元光束3进行合束为例说明的。各不同波长光束入射至光栅层100，各光束在光栅层100发生衍射作用而使得各光束的间隔距离减小且各光束传播方向的夹角减小；而后各光束经过第二反射面102反射回光栅层100，再次经过光栅层100发生衍射作用，而后各光束被第一反射面101反射回光栅层100，如此各不同波长光束在第一反射面101和第二反射面102之间往复传播，而引导各光束沿光栅层100长度方向传播。各不同波长光束在传播过程中经过光栅层发生若干次衍射作用，各光束的间隔距离不断减小且传播方向夹角不断减小，各光束在最后一次衍射时以近场和远场重合方式形成合束光，从而各光束汇合为一束。

请参考图3，图3为现有的光谱合束示意图，由图可知不同中心波长、窄线宽的单元激光束11、12、13分别以一定角度入射至光栅10上，经由光栅10衍射后合成单束光14输出。这种光谱合束结构对各光束只进行一次衍射。本实施例合束光学装置的色散能力与各光束经由光栅层的衍射次数相关，假设本合束光学装置的光栅层为一阶衍射光栅，各光束经过光栅层n次衍射，那么本合束光学装置的等效色散dt为：

其中，表示光束单次经过光栅层的色散。由此可知，本实施例合束光学装置使得各光束经由光栅层n次衍射作用，若本合束光学装置中光束单次经过光栅层的色散与图3所示现有光栅的色散相同，那么与现有光谱合束方式相比其色散能力提高(n-1)倍。

输出的汇合光束的光谱带宽δλ为入射角度间隔δθ与色散d的比值：那么本合束光学装置将各光束经由光栅层n次衍射作用后，输出光束的光谱带宽δλt为：可以看出，本合束光学装置输出光束的谱宽是光束单次经过光栅层谱宽的1/n，光谱谱宽被压缩(n-1)倍，即在相同谱宽范围内本合束光学装置可以耦合n倍的单元光束，从而将输出光功率和亮度都提高(n-1)倍。

可选的，光栅层100可以是透射式光栅层，可以是光栅层100的折射率沿光栅层100长度方向呈周期性变化，在一个周期内光栅层100的折射率沿其长度方向变化，从而形成光栅结构。在具体实施时，在一个周期内光栅层100折射率沿其长度方向可以渐变或者阶跃性变化。在实际制作时可采用准分子激光直写、全息曝光或者二次外延生长的方式制备光栅层。

优选的，第一反射面101与第二反射面102平行，以能够实现各不同波长光束在第一反射面101和第二反射面102之间往复传播，能够使得各不同波长光束入射至光栅层100的入射角度满足光栅层的衍射方程。

进一步可选的，可设置第一反射面101与第二反射面102平行，第一反射面101与光栅层100平行，第一反射面上任意一位置的法线与光栅层100相应位置的法线平行，第二反射面102与光栅层100平行，第二反射面102上任意一位置的法线与光栅层100相应位置的法线平行。

在具体实施时，在第一反射面101表面可以镀制高反膜以提高反射率，或者也可不镀膜。在第二反射面102表面可以镀制高反膜以提高反射率，或者也可不镀膜。具体的，第一反射面101可采用反射镜，第二反射面102可采用反射镜。

本发明又一实施例提供一种合束光学装置，请参考图4，图4为本实施例合束光学装置的示意图，由图可知，所述合束光学装置包括第一反射面201、第二反射面202和至少两个光栅层200，至少两个光栅层200分层依次设置在第一反射面201和第二反射面202之间。

第一反射面201和第二反射面202用于使得入射至光栅层200的各不同波长的光束在第一反射面201和第二反射面202之间往复传播，以引导各光束沿光栅层200长度方向传播，在每次各光束由第一反射面201传播至第二反射面202或者由第二反射面202传播至第一反射面201的路程中各光束依次经过各光栅层200而发生衍射作用。光栅层200用于将每次一同入射到光栅层200的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

本实施例合束光学装置中，每一光栅层200可以将各不同波长光束进行n次衍射作用，那么假设本合束光学装置包括m个光栅层200，总共能够将各光束进行n*m次衍射作用，相应地，能够将参与合束的单元光束的光谱间隔压缩至单次衍射各单元光束的光谱间隔的1/(n*m)，即在相同谱宽范围内本合束光学装置可以耦合n*m倍的单元光束数量，能够将光束功率和亮度提高(n*m-1)倍。

在实际应用中，本实施例合束光学装置包括的光栅层数量可以根据实际应用需求灵活设置。

本发明又一实施例提供一种合束光学装置，请参考图5，图5为本实施例合束光学装置的示意图。由图可知，所述合束光学装置包括光栅层300、第一反射面301、第二反射面302、第三反射面303和若干光束产生部304。若干光束产生部304分别用于产生出各不同波长的光束，并将产生光束入射至光栅层300。光束产生部304包括用于将光反射回所述光束产生部304腔内的后腔面305和用于将产生光束透射的前腔面306。

第一反射面301和第二反射面302分别设置在光栅层300的两侧，用于使得入射至光栅层300的各不同波长的光束在第一反射面301和第二反射面302之间往复传播，以引导各光束沿光栅层300长度方向传播，在每次各光束由第一反射面301传播至第二反射面302或者由第二反射面302传播至第一反射面301的路程中各光束经过光栅层300而发生衍射作用。光栅层300用于将每次一同入射到光栅层300的各不同波长的光束发生衍射作用，使得各光束的间隔距离减小且传播方向的夹角减小，各光束经过若干次衍射作用后汇合为一束光出射。

第三反射面303设置在汇合光束的传播光路上，用于与若干光束产生部304的后腔面305分别形成谐振腔，以分别将各个所述光束产生部304产生的光束锁定波长。

本实施例合束光学装置将各光束产生部产生出光束的入射角度、光谱满足光栅衍射方程，并根据几何光学和衍射光学理论，使得每一光束产生部的后腔面与第三反射面之间形成谐振腔，光束产生部产生光束经由第一反射面、第二反射面、光栅层和第三反射面传播，在光束产生部和第三反射面之间形成谐振，从而对各个光束产生部产生光束能够锁定波长。

在具体实施时，可在光束产生部304的后腔面305镀制高反膜，以使得将光束高效反射。在光束产生部304的前腔面306镀制高增透膜，以将光束高效透射过。这样尽量避免在光束产生部内部形成谐振，而尽量让光束产生部后腔面与第三反射面之间形成谐振。因此，本实施例合束光学装置通过设置外腔反射面而实现外腔反馈，能够同时实现波长锁定和光谱合束。

本实施例合束光学装置中，光束产生部304可以是各种类型激光器，可以是光纤激光器、全固态激光器、半导体激光器等。优选的，本实施例中，可包括至少两个光栅层，至少两个光栅层分层依次设置在第一反射面和第二反射面之间，在每次各光束由第一反射面传播至第二反射面或者由第二反射面传播至第一反射面的路程中各光束依次经过各光栅层而发生衍射作用。

以上对本发明所提供的一种合束光学装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。