一种高光束质量光谱合束装置的制作方法

1.本发明属于激光器领域，尤其一种高光束质量光谱合束装置。


背景技术：

2.高光束质量、高平均功率的激光光源在工业生产和装备制造等领域具有重要的应用前景。在激光切割领域应用时，具有更高平均功率、更优光束质量的激光光源意味着更快的切割速率和更厚的切割能力；在激光焊接领域应用时，具有更高平均功率和更优光束质量的激光光源意味着更精细的焊接质量和更快的焊接速度。然而受限于非线性效应及模式不稳定性等影响，单纤单模激光器的输出功率存在上限，为实现更高功率的光源输出，通常采用合束器将多个光纤激光器的输出进行耦合，但是这种耦合方式导致合成的激光光束质量较差(m2≥15)，限制了高功率激光器的使用。
3.光谱合成技术是一种实现高功率、高光束质量激光输出的技术，该技术能够把多束不同波长的激光合成为一束，在提高输出总功率水平的同时能够保持较好的光束质量。现有的光谱合成装置主要有两类：第一类为单光栅合束装置，该装置的多束激光由不同角度入射光栅，利用光栅的色散能力将多束不同波长的光束合成为一束光束，该类装置虽然结构简单，但其对子束线宽要求较高，只能使用超窄线宽激光器（激光器的光谱宽度约小于30ghz）的输出激光作为输入子束光源。第二类为双光栅合束装置，该装置的多束激光以相同的角度入射至第一块光栅，并利用光栅的色散特性使多束光束入射在第二块光栅实现空间重叠，多束光束经第二块光栅衍射后合成为一束光束，该类装置的优点是降低了子束线宽的要求，可使用窄线宽激光器（<0.5nm）作为子束进行合成，缺点是随着子束功率的增加，子束线宽不断增加(＞0.5nm)，这将导致这种合成装置因子束线宽导致的输出光束质量较差，难以实现高功率、优质光束的光谱合成输出。
4.因此，为了提高合束后光束的质量，本发明提出一种高光束质量光谱合束装置。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供一种高光束质量光谱合束装置，实现高功率、优质光束质量光谱合成输出，促进光谱合成装置的应用，本发明具有子束线宽要求低、合成光束质量好的特点，具有实现高光束质量、高功率激光输出的潜力。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种高光束质量光谱合束装置，所述装置包括：沿光路传播方向依次设置的一维光纤光源阵列、补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ；其中，所述一维光纤光源阵列由多个不同波长的光纤光源组成，各光纤光源发射的光束指向平行，偏振方向相同，且偏振方向垂直于子束入射平面；所述补偿光栅i、补偿光栅ii用于对各合成的子束提供一个反常色散，用于补偿合束光栅的色散；所述补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ的刻线密度均相同，且相互平行。
7.优选的，所述补偿光栅ⅰ和补偿光栅ⅱ之间的距离是合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ之间距离的一半。
8.优选的，所述一维光纤光源阵列为线偏振光纤光源时，补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ均为偏振光栅。
9.优选的，所述为多个非偏振光纤光源或者偏振方向不同的偏振光源时，补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ均为偏振无关光栅。
10.优选的所述一维光纤光源阵列的发射光束以中心波长为λ
c1
的利特罗角入射至补偿光栅i，并以中心波长为λ
c2
的利特罗角入射至合束光栅i。
11.优选的，所述中心波长λ
c1
和中心波长λ
c2
相等。
12.本发明的有益效果是：本发明提供的可提高输出光束质量的光谱合成装置通过设置两对光栅对合成子束进行色散补偿，其中，补偿光栅对对光束进行色散预补偿，合束光栅对实现合束的同时，对光束进行进一步色散补偿，从而提高合成光束的光束质量。本发明公开的装置可显著提高合成光束的光束质量，具有实现高功率、优质光束质量输出的能力。
附图说明
13.图1为本发明的可提高输出光束质量的光谱合成装置的结构示意图；图中：1. 一维光纤光源阵列
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2. 补偿光栅
ⅰꢀꢀ
3. 补偿光栅
ⅱꢀꢀ
4. 合束光栅
ⅰꢀꢀ
5. 合束光栅ⅱ。
具体实施方式
14.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
15.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
16.一种如图1所示的可提高输出光束质量的光谱合成装置，该述装置包括：沿光路传播方向依次设置的一维光纤光源阵列1、补偿光栅ⅰ2、补偿光栅ⅱ3、合束光栅ⅰ4和合束光栅ⅱ5；其中，所述一维光纤光源阵列1由多个不同波长的光纤光源组成，各光纤光源发射的光束指向平行，偏振方向相同，且偏振方向垂直于子束入射平面，并以相同的角度入射至补偿光栅ⅰ2，经过补偿光栅ⅰ2的色散后入射至补偿光栅ⅱ3，补偿光栅ⅰ2与补偿光栅ⅱ3的刻线密度相同，且栅线方向及迎光面相互平行。
17.一维光纤光源阵列1发出的窄线宽激光光束经补偿光栅ⅰ2与补偿光栅ⅱ3进行色散预补偿后，各子束仍保持合适的空间间隔，指向平行，且各子束光源的光谱在空间上得以分离；经补偿光栅ⅱ3色散补偿后的一维光纤光源阵列1以相同的入射角入射至合束光栅ⅰ4，经过合束光栅ⅰ4衍射后，在合束光栅ⅱ5上重叠为一个光斑，并经合束光栅ⅱ5衍射后，合成为空间重叠的一束光源。子束光源经补偿光栅ⅰ2与补偿光栅ⅱ3进行色散补偿后，可有效提高经合束光栅ⅱ5合成光束的光束质量。
18.上述合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ线密度相同，且栅线方向及迎光面相互平行。
19.作为一个实施例上述补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ的线密度相同，且栅线方向及迎光面相互平行。
20.上述补偿光栅ⅰ和补偿光栅ⅱ之间的距离是合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ之间距离的
一半。
21.作为一个实施例若一维光纤光源阵列为线偏振光纤光源时，补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ均为偏振光栅。
22.作为一个实施例若一维光纤光源阵列为多个非偏振光纤光源或者偏振方向不同的偏振光源时，补偿光栅ⅰ、补偿光栅ⅱ、合束光栅ⅰ和合束光栅ⅱ均为偏振无关光栅。


技术特征：
1.一种高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述装置包括：沿光路传播方向依次设置的一维光纤光源阵列（1）、补偿光栅ⅰ（2）、补偿光栅ⅱ（3）、合束光栅ⅰ（4）和合束光栅ⅱ（5）；其中，所述一维光纤光源阵列（1）由多个中心波长不同的光纤光源组成，各光纤光源发射的光束指向平行，偏振方向相同，且偏振方向垂直于子束入射平面；所述补偿光栅ⅰ（2）、补偿光栅ⅱ（3）、合束光栅ⅰ（4）和合束光栅ⅱ（5）的刻线密度相同，且栅线方向及迎光面相互平行。2.根据权利要求1所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述补偿光栅ⅰ（2）和补偿光栅ⅱ（3）之间的距离可调。3.根据权利要求2所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述补偿光栅ⅰ（2）和补偿光栅ⅱ（3）之间的距离是合束光栅ⅰ（4）和合束光栅ⅱ（5）之间距离的一半。4.根据权利要求1所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述一维光纤光源阵列（1）为线偏振光纤光源时，补偿光栅ⅰ（2）、补偿光栅ⅱ（3）、合束光栅ⅰ（4）和合束光栅ⅱ（5）均为偏振相关光栅。5.根据权利要求1所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述一维光纤光源阵列（1）为多个非偏振光纤光源或者偏振方向不同的偏振光源时，补偿光栅ⅰ（2）、补偿光栅ⅱ（3）、合束光栅ⅰ（4）和合束光栅ⅱ（5）均为偏振无关光栅。6.根据权利要求1所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述一维光纤光源阵列（1）的发射光束以中心波长为λ
c1
的利特罗角入射至补偿光栅i（2），并以中心波长为λ
c2
的利特罗角入射至合束光栅i（4）。7.根据权利要求1所述的高光束质量光谱合束装置，其特征在于，所述中心波长λ
c1
和中心波长λ
c2
相等。

技术总结
本发明公开了一种高光束质量光谱合束装置，所述装置包括：沿光路传播方向依次设置的一维光纤光源阵列、补偿光栅Ⅰ、补偿光栅Ⅱ、合束光栅Ⅰ和合束光栅Ⅱ；其中，一维光纤光源阵列由多个不同波长的光纤光源组成，各光纤光源发射的光束指向平行。本发明提供的高光束质量光谱合束装置通过对合成子束进行色散补偿，提高合成光束的光束质量，本发明公开的装置具有实现高功率、优质光束质量输出的优点。优质光束质量输出的优点。优质光束质量输出的优点。


技术研发人员：沈本剑 李敏 陶汝茂 冯曦 李浩坤 刘玙 王建军
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院激光聚变研究中心
技术研发日：2021.11.15
技术公布日：2021/12/13