一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置的制作方法

本发明涉及半导体激光，具体涉及一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置。

背景技术：

1、半导体激光器因具有电光转换效率高、体积小、重量轻、可靠性好及寿命长等优点，已广泛应用于医疗、材料加工和航空航天等多个领域。其中，800 nm波段半导体激光兼具较低的大气传输损耗和较高的gaas基激光电池光电转换效率，在激光传能和激光照明等应用中具有显著优势。然而，由于其发光结构的内在特性，半导体激光器输出光束通常表现出较强的非对称性，光束质量受限、亮度偏低，从而制约了其在远距离高功率激光传能系统中的应用。为克服上述限制，2000年，mit林肯实验室首次提出采用光栅外腔的方法对半导体激光阵列或多个光纤激光器进行光谱合束。经国内外大量研究表明，光栅外腔光谱合束技术在提升半导体激光器光束质量、实现高亮度输出方面具有显著优势，是目前最为有效的合束技术之一。同时，光纤具备良好的柔性传输能力和环境适应性，因此，将多个半导体激光单元的输出光束通过合束技术高效耦合进入光纤，从而进一步提升系统的输出功率和亮度，已成为实现半导体激光高性能应用的主要技术途径之一。

2、然而，传统光谱合束结构通常需要较长的光学传输路径，系统体积较大，不利于实现小型化与紧凑化；此外，其输出方式在系统布局与应用场景适配方面灵活性有限，进而限制了系统在高集成度和柔性应用场景中的推广。

3、因此，现有技术还有待进一步发展。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服上述技术不足，提供一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，以解决现有技术存在的问题。

2、为达到上述技术目的，本发明提供了一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，包括：

3、空间排列模块单元、密集光谱合束单元和光纤耦合单元；

4、所述空间排列模块单元用于将各模块完成空间合束的光束呈整齐的密集排列输出，输出的光束进入密集光谱合束单元；

5、所述密集光谱合束单元用于对空间排列模块单元输出的密集排列光束进行光谱合束，光谱合束后的光束进入光纤耦合单元；

6、所述光纤耦合单元用于将密集光谱合束单元输出的光束耦合进入光纤，实现光纤耦合输出。

7、具体的，所述空间排列模块单元包括半导体激光输出模块组和反射组件； 所述半导体激光输出模块组以阵列方式密集排列； 所述反射组件位于对应半导体激光输出模块的独立光路传输路径中，用于校正光程并确保光路一致性。

8、具体的，所述半导体激光输出模块组包括半导体激光发射单元、快轴准直镜组、慢轴准直镜组和小反射组件； 所述半导体激光发射单元发射的光束依次经快轴准直镜组和慢轴准直镜组准直后，由小反射组件反射输出。

9、具体的，所述半导体激光发射单元呈阶梯型排列，使各单元输出光束在空间上形成平行且等间距分布。

10、具体的，所述小反射组件布置于对应半导体激光发射单元的独立传输光路中，用于实现光路折叠并确保光路紧凑性。

11、具体的，所述反射组件相对于半导体激光输出模块组输出光束的入射方向以预定角度设置，用于反射光束至密集光谱合束单元。

12、具体的，所述密集光谱合束单元包括第一反射镜、第二反射镜、准直透镜、第三反射镜、变换透镜、第四反射镜、第五反射镜、透射式衍射光栅和输出耦合镜； 所述光束经第一反射镜反射后，依次通过第二反射镜、准直透镜、第三反射镜、变换透镜、第四反射镜和第五反射镜进行光路折叠和处理，最终入射至透射式衍射光栅和输出耦合镜实现光谱合束。

13、具体的，所述第一反射镜用于将空间排列模块单元输出的光束反射至装置的第二层，实现光路压缩。

14、具体的，所述准直透镜用于对光束的非合束方向进行准直，以改善光束质量。

15、具体的，所述变换透镜用于将多束光束汇聚，以满足外腔等效条件。

16、具体的，所述输出耦合镜在合束光束入射的面上镀有反射膜，用于反射部分光束原路返回以实现波长锁定。

17、具体的，所述光纤耦合单元包括非球面透镜和光纤； 所述非球面透镜用于将合束后的光束汇聚至光纤的输入端。

18、具体的，所述光纤相对于非球面透镜聚焦光束的入射方向垂直设置，用于实现激光的柔性传输。

19、具体的，所述空间排列模块单元位于所述装置的第一层，所述密集光谱合束单元和光纤耦合单元位于所述装置的第二层，形成双层光学布局。

20、具体的，所述第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜和第五反射镜在光束入射的面上均镀有高反射率膜层，以降低功率损耗。

21、具体的，所述小反射组件在光束入射的面上镀有高反射率膜层，用于确保光路传输效率。

22、有益效果：

23、本发明提供的双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，通过创新性的光学设计和层级化布局，带来了多方面的显著有益效果。

24、首先，装置采用独特的双层光路结构，将空间排列模块单元置于第一层，而密集光谱合束单元和光纤耦合单元集成于第二层，利用多个反射镜对光路进行智能折叠，将传统冗长的线性光路压缩为紧凑的z形布局，从而在不牺牲任何光学功能的前提下，大幅减小了系统的整体尺寸和体积，有效克服了传统合束装置体积庞大、集成度低的缺陷，使得装置更易于安装在空间受限的环境中，如便携式医疗设备或移动加工平台中。

25、其次，通过空间排列模块单元的优化设计，多个半导体激光输出模块以密集阵列形式排列，确保了输入光束的规则性和一致性，为后续的光谱合束奠定了良好基础，这不仅提高了合束效率，还显著增强了输出光束的亮度和功率稳定性。

26、此外，装置中融入了高效的光纤耦合单元，合束后的光束通过非球面透镜直接耦合进入光纤，利用光纤的柔性传输特性，实现了激光的远距离、低损耗传输，极大扩展了应用场景的适应性，同时减少了环境干扰对光束质量的影响。在光路处理方面，准直透镜和变换透镜的协同工作，有效改善了光束的非对称性，使快慢轴方向的光束参数趋于平衡，输出光斑更利于光纤耦合；而外腔反馈机制的引入，通过输出耦合镜的波长锁定功能，稳定了输出光谱，进一步提升了系统的可靠性。

27、总体而言，本发明不仅实现了装置的小型化和高集成度，还通过优化光路和组件集成，显著提升了输出功率、亮度和应用灵活性，为半导体激光器的高性能应用提供了可靠且高效的解决方案，具有广泛的市场前景。

1.一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述空间排列模块单元（1）包括半导体激光输出模块组（101）和反射组件（102）；

3.根据权利要求2所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光输出模块组（101）包括半导体激光发射单元（101-1）、快轴准直镜组（101-2）、慢轴准直镜组（101-3）和小反射组件（101-4）；

4.根据权利要求3所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述半导体激光发射单元（101-1）呈阶梯型排列，使各单元输出光束在空间上形成平行且等间距分布。

5.根据权利要求3所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述小反射组件（101-4）布置于对应半导体激光发射单元（101-1）的独立传输光路中，用于实现光路折叠并确保光路紧凑性。

6.根据权利要求2所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述反射组件（102）相对于半导体激光输出模块组（101）输出光束的入射方向以预定角度设置，用于反射光束至密集光谱合束单元。

7.根据权利要求1所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述密集光谱合束单元（2-10）包括第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、准直透镜（4）、第三反射镜（5）、变换透镜（6）、第四反射镜（7）、第五反射镜（8）、透射式衍射光栅（9）和输出耦合镜（10）；

8.根据权利要求7所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述第一反射镜（2）用于将空间排列模块单元（1）输出的光束反射至装置的第二层，实现光路压缩。

9.根据权利要求7所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述准直透镜（4）用于对光束的非合束方向进行准直，以改善光束质量。

10.根据权利要求7所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述变换透镜（6）用于将多束光束汇聚，以满足外腔等效条件。

11.根据权利要求7所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述输出耦合镜（10）在合束光束入射的面上镀有反射膜，用于反射部分光束原路返回以实现波长锁定。

12.根据权利要求1所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光纤耦合单元（11-12）包括非球面透镜（11）和光纤（12）；

13.根据权利要求12所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述光纤（12）相对于非球面透镜（11）聚焦光束的入射方向垂直设置，用于实现激光的柔性传输。

14.根据权利要求1所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述空间排列模块单元（1）位于所述装置的第一层，所述密集光谱合束单元（2-10）和光纤耦合单元（11-12）位于所述装置的第二层，形成双层光学布局。

15.根据权利要求7所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述第一反射镜（2）、第二反射镜（3）、第三反射镜（5）、第四反射镜（7）和第五反射镜（8）在光束入射的面上均镀有高反射率膜层，以降低功率损耗。

16.根据权利要求3所述的一种双层光路结构的光纤耦合半导体激光器光谱合束装置，其特征在于，所述小反射组件（101-4）在光束入射的面上镀有高反射率膜层，用于确保光路传输效率。