一种多路半导体激光空间调制相干合束装置

1.本发明涉及激光半导体领域，特别涉及一种多路半导体激光空间调制相干合束装置。


背景技术：

2.半导体激光器具有体积小、重量轻、可靠性高等优点，在激光加工、激光医疗、激光显示、激光雷达等领域都得到了广泛应用。半导体激光器的应用能够极大地降低激光系统的复杂性。基于半导体激光的小型化，低损耗的空间调制合束技术对于提升半导体激光输出功率，拓展半导体激光在探测成像、雷达等领域的应用具有重要意义。
3.半导体激光相干合成技术是获得大功率相干光源的有效途径，通常是指一组激光单元通过一定的手段使彼此频率相同、偏振一致、相位形成固定的关联，从而使整体光场呈现出相干叠加的现象。
4.反射相位板是一种衍射光学原件,通常用于空间光的波前编码。反射相位板通常以光调制过程中的横向相位剖面图作为依据，根据对入射光相位的调制方式，在玻璃平板或透镜上设计不同的掩膜图案来制备。刻制掩膜图案是指在玻璃平板或透镜上的局部区域内，镀上一层具有一定厚度和折射率的膜层，使透过该区域的光比通过非镀层区的光相位超前或滞后，从而实现对光相位的无本征损耗的调制。不同的掩膜图案可以对于入射到板上的相干光进行不同的相位调制，因此其相位调制作用可对应任意一个预先设计的处理函数。凭借本身的无损耗和模式调制功能，反射相位板被广泛用于通信信号复用，空间光耦合等领域的一系列光处理工作。但是反射相位板在调制过程中并不是没有损耗，其损耗多来自于掩膜图案的加工精度误差。反射相位板调制合束的光束数目增多时，光合束需要的反射次数增加，掩膜图案的复杂度增加，这增大了加工误差，使得光调制合束的光损耗急剧增大，因此单个反射相位板不适用于光束数目较多，且要求低损耗的空间光调制相干合束工作。


技术实现要素：

5.有鉴于此，为了解决上述现有缺陷之一，本发明提供的多路半导体激光空间调制相干合束装置能够大幅度降低调制合束时的光损耗，实现高效的半导体激光空间调制合束。
6.本发明提供了一种多路半导体激光空间调制相干合束装置，包括：
7.m组第一反射镜组，用于对m路入射光的光路进行调整,其中，m为大于等于2的正整数；
8.m组第一n
×
1准直镜阵列，用于分别对所述入射光进行准直，其中，n为大于等于2的正整数；
9.m组并联设置的相位调制组件，所述相位调制组件用于分别对所述入射光进行相位调制，所述反射光由所述相位调制组件调制形成输出光，所述输出光具有相同模式，每组
相位调制组件包括第一带孔球面镜和第一反射相位板，所述第一带孔球面镜和所述第一反射相位板相对设置并形成第一空腔，所述第一带孔球面镜的内侧反射面朝向所述第一反射相位板，所述第一反射相位板朝向所述第一带孔球面镜的一面设置有第一掩膜图案，所述第一掩膜图案基于所述入射光的相位确定；
10.m组第二反射镜组，用于对m路所述输出光的光路进行调整，所述第二反射镜组包括m面第二反射镜，所述第二反射镜组分别对应一组相位调制组件；
11.第二m
×
1准直镜阵列，用于对所述输出光进行准直；
12.末端相位调制组件，用于对经过准直的所述输出光进行相位调制和合束，所述末端相位调制组件包括第二带孔球面镜和第二反射相位板，所述第二带孔球面镜和所述第二反射相位板相对设置并形成第二空腔，所述第二带孔球面镜的内侧反射面朝向所述第二反射相位板，所述第二反射相位板朝向所述第二带孔球面镜的一面设置有第二掩膜图案，所述第二掩膜图案基于所述输出光的相位确定；
13.针对每一路的所述入射光，所述入射光照射在所述第一反射镜组后经过反射进入所述第一n
×
1准直镜阵列，经过准直后的所述入射光经过所述第一带孔球面镜进入所述第一空腔，所述入射光在所述第一空腔内进行多次反射，利用所述第一掩膜图案对所述入射光进行相位调制后形成输出光并输出至所述第二反射镜组，经由反射后所述输出光进入所述第二m
×
1准直镜阵列准直，经过准直的所述输出光进入所述末端相位调制组件进行相位调制和合束后获得基模光。
14.作为一种可选的方案，所述n和m均为3，所述第一n
×
1准直镜阵列和所述第二m
×
1准直镜阵列均为3
×
1准直镜阵列，所述相位调制组件为三组，所述第二反射镜组为三面第二反射镜。
15.作为一种可选的方案，所述入射光为3路单模光，每路单模光为3束。
16.作为一种可选的方案，所述单模光为976nm单模半导体激光。
17.作为一种可选的方案，所述第一带孔球面镜具有用于所述入射光通过的第一入射孔和用于所述输出光通过的第一出射孔，所述第二带孔球面镜具有用于所述输出光通过的第二入射孔和用于所述基模光通过的第二出射孔。
18.作为一种可选的方案，所述第一n
×
1准直镜阵列的尺寸大于所述第一反射镜组的尺寸，所述第二m
×
1准直镜阵列的尺寸大于所述第二反射镜组的尺寸。
19.作为一种可选的方案，所述第一n
×
1准直镜阵列的中心与所述第一入射孔的中心位于同一直线上，所述第二m
×
1准直镜阵列的中心与所述第二入射孔的中心位于同一直线上。
20.作为一种可选的方案，所述入射光的光束直径小于所述第一入射孔的孔径，所述输出光的光束直径小于所述第二入射孔的孔径。
21.作为一种可选的方案，所述第一掩膜图案基于所述入射光进行相位调制过程中的相位剖面图确定，所述第二掩膜图案基于所述输出光进行相位调制过程中的相位剖面图确定。
22.作为一种可选的方案，每组第一反射镜组、第一n
×
1准直镜阵列与相位调制组件中，第一反射镜组的中心、第一n
×
1准直镜阵列的中心与第一带孔球面镜上的第一入射孔均位于所述入射光的直线传播路径上。
23.本发明提供的多路半导体激光空间调制相干合束装置，包括m组第一反射镜组、m组第一n
×
1准直镜阵列、m组并联设置的相位调制组件、第二反射镜组、第二m
×
1准直镜阵列、末端相位调制组件，所述入射光照射在所述第一反射镜组后经过反射进入所述第一n
×
1准直镜阵列，经过准直后的所述入射光经过所述第一带孔球面镜进入所述第一空腔，所述入射光在所述第一空腔内进行多次反射，利用所述第一掩膜图案对所述入射光进行相位调制后形成输出光并输出至所述第二反射镜组，经由反射后所述输出光进入所述第二m
×
1准直镜阵列准直，经过准直的所述输出光进入所述末端相位调制组件进行相位调制和合束后获得基模光。本方案中可以将多束半导体激光的调制合束分成多个并联的少束半导体激光的调制合束工作，借助反射镜与准直镜调整光路，借助反射相位板对入射光进行相位调制，降低了对反射光的反射次数，由于反射相位板在进行空间光调制时不存在本征损耗，所以降低反射次数与掩膜图案复杂度，能够大幅度降低调制合束时的光损耗，实现高效的半导体激光空间调制合束。
附图说明
24.图1是本发明实施例中提供的多路半导体激光空间调制相干合束装置的结构示意图；
25.图2是本发明实施例中提供的多路半导体激光空间调制相干合束装置中相位调制组件的结构示意图。
具体实施方式
26.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本公开实施例中的附图，对本公开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的实施例，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。
27.本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的实施例能够以除了在这里图示或描述的内容以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
28.结合图1所示，本发明实施例中提供了一种多路半导体激光空间调制相干合束装置，包括：
29.m组第一反射镜组1，用于对入射光的光路数量调整m，m为大于等于2的正整数，入射光可以通过半导体激光器，如976nm半导体激光器，可以根据入射光的路数需要选择对应个数的半导体激光器，每一路入射光对应一组第一反射镜组，例如m为3时，即为3路入射光，则对应配置3组第一反射镜组1，每路入射光包括m束激光束；
30.m组第一n
×
1准直镜阵列2，用于对m路所述入射光进行准直，第一n
×
1准直镜阵列
2用来减小光束发散，对反射光的光束进行准直以便后续调制合束，其中，n为大于等于2的正整数，n的选择根据每路入射光的光束决定，例如每路入射光为3束激光束时，则n取3，第一n
×
1准直镜阵列2则对应为3
×
1准直镜阵列，需要说明的是，m和n的取值可以相同；
31.m组并联设置的相位调制组件，相位调制组件用于对所述入射光进行相位调制，同样这里相位调制组件的数量也与入射光的光路数量有关，有几路入射光则对应配置几组相位调制组件，这几组相位调制组件采用并联的位置设置，每组相位调制组件对应一路反射光，反射光由相位调制组件进行相位调制形成输出光，相位调制后的多路输出光都具有相同模式，具体地，每组相位调制组件包括第一带孔球面镜3和第一反射相位板4，第一带孔球面镜3和第一反射相位板4相对设置并形成第一空腔，第一带孔球面镜3的内侧反射面朝向第一反射相位板4，所述第一反射相位板4朝向所述第一带孔球面镜3的一面设置有第一掩膜图案，第一掩膜图案基于入射光的相位确定，每路反射光经过第一n
×
1准直镜阵列2准直后反射光的光束发散被削弱，同时反射光以平行光方式入射到第一带孔球面镜与第一反射相位板之间的第一空腔中，此时光束条件更接近平行光空间调制合束，这有利于第一反射相位板4上的第一掩膜图案的掩膜涂层更好的实现相位调制。在第一带孔球面镜3上对反射光的光束实现光学傅里叶变换，使用第一带孔球面镜3作为实现光学傅里叶变换的场景，第一带孔球面镜的弧度能够更理想的控制光路从第一带孔中出射的位置与角度，便于避免光路交叉，实现装置密集化小型化；
32.m组第二反射镜组9，用于输出光的光路进行调整，每个反射光的光路上均对应一组第一反射镜组1、一组第一n
×
1准直镜阵列2和一组第二反射镜组9，对应地，第二反射镜组9的数量与反射光的光路数量对应，第二反射镜组9分别对应一组相位调制组件，每组相位调制组件都会输出一路输出光，输出光需要经过第二反射镜组进行反射以改变光路方向，例如在前面采用3路入射光时，此处也配置3组第二反射镜组；
33.第二m
×
1准直镜阵列10，用于对输出光进行准直，经过第二反射镜组9调整光路方向后为了避免输出光的发散，利用第二m
×
1准直镜阵列10对输出光进行准直，第二m
×
1准直镜阵列对每组第二反射镜组9反射过来的输出光进行准直，因此与入射光的路数相对应；
34.末端相位调制组件，用于对经过准直的输出光进行相位调制和合束，末端相位调制组件包括第二带孔球面镜5和第二反射相位板6，第二带孔球面镜5和第二反射相位板6相对设置并形成第二空腔，第二带孔球面镜5的内侧反射面朝向第二反射相位板6，第二反射相位板6朝向第二带孔球面镜5的一面设置有第二掩膜图案，第二掩膜图案基于所述输出光的相位确定；
35.入射光照射在所述第一反射镜组1后经过反射进入第一n
×
1准直镜阵列2，经过准直后的所述入射光经过所述第一带孔球面镜3进入所述第一空腔，所述入射光在所述第一空腔内进行多次反射，利用所述第一掩膜图案对所述入射光进行相位调制后形成输出光并输出至所述第二反射镜组9，经由反射后所述输出光进入所述第二m
×
1准直镜阵列10准直，经过准直的所述输出光进入所述末端相位调制组件进行相位调制和合束后获得基模光，通过多路光束的合束得到的基模光具有大功率特点。本方案中利用反射相位板与带孔球面镜实现调制合束，降低了多数空间光合束所需的反射相位板掩膜图案复杂度，简化了反射相位板加工工艺，降低了空间光调制合束的光损耗，提高了调制合束效率。后续增加并联的相位板数目，或者多个该结构串并联，可以实现任意多束空间光的低损耗调制合束。
36.需要说明的是，入射光分为m路入射光，每路入射光包括n束激光束，m路入射光的偏振相同即可，即每路入射光的n束激光束偏振相同，不要求每路反射光采用相同相位的n束激光束的组合，即m路入射光可以都相同相位的n束激光束组合，可以采用不同相位的n束激光束。相应地，m路入射光使用相同相位的n束激光束组合，则m个第一反射相位板上的第一掩膜图案采用相同的掩膜图案，如果m路入射光使用不相同相位的n束激光束组合，则需要结合该路入射光中n束激光束的相位进行单独确定，例如当入射光为3路时，如果每路入射光的相位相同，则根据其中一路反射光的相位即可确定第一掩膜图案，三个第一反射相位板的第一掩膜图案相同，如果每路反射光的相位不同则需要分别根据各自的相位确定，具体可以根据需要灵活选定，此处不做赘述。
37.本发明实施例中提供的一种多路半导体激光空间调制相干合束装置，包括m组第一反射镜组1、m组第一n
×
1准直镜阵列2、m组并联设置的相位调制组件、m组第二反射镜组9、第二m
×
1准直镜阵列10、末端相位调制组件，针对每一路入射光，所述入射光照射在所述第一反射镜组1后经过反射进入所述第一n
×
1准直镜阵列2，经过准直后的所述入射光经过所述第一带孔球面镜3进入所述第一空腔，所述入射光在所述第一空腔内进行多次反射，利用所述第一掩膜图案对所述入射光进行相位调制后形成输出光并输出至所述第二反射镜组9，经由反射后所述输出光进入所述第二m
×
1准直镜阵列10准直，经过准直的所述输出光进入所述末端相位调制组件进行相位调制和合束后获得基模光。本方案中可以将多束半导体激光的调制合束分成多个并联的少束半导体激光的调制合束工作，借助反射镜与准直镜调整光路，借助反射相位板对入射光进行相位调制，降低了对反射光的反射次数，由于反射相位板在进行空间光调制时不存在本征损耗，所以降低反射次数与掩膜图案复杂度，能够大幅度降低调制合束时的光损耗，实现高效的半导体激光空间调制合束。
38.本实施例中，每个带孔球面镜的前端都对应安装有准直镜阵列，准直镜阵列可以对入射光和输出光进行准直，减少光束发散，从而提高光合束效率。
39.本实施例中，所述第一带孔球面镜3具有用于入射光通过的第一入射孔和用于输出光通过的第一出射孔，第二带孔球面镜6具有用于输出光通过的第二入射孔和用于基模光通过的第二出射孔，每个带孔球面镜的入射孔与出射孔不重叠，即第一入射孔和第一出射孔不重叠，第二入射孔和第二出射孔不重叠，第一出射孔和第二出射孔的直径同样应在1mm左右以包容光路误差。
40.本实施例中，入射孔的位置优选的设置在带孔球面镜的较低的部分，即图中的靠近下侧，出射光优选的设置在带孔球面镜的侧面的中上部，即对应图中的上侧位置，光路有可能在带孔球面镜与反射相位板之间的缝隙中出射，应调整各元器件位置以便使输出光或基模光能从出射孔出射。出射孔对于输出光或基模光具有类似光栅的作用，各器件在安装时应尽可能紧凑排列，避免光束发散产生光损耗，有助于提高出射光束质量，这里的表述适用于第一入射孔、第二入射孔、第一出射孔和第二出射孔，这里不做赘述。
41.本实施例中，每一组相位调制组件中带孔球面镜与反射相位板之间空腔内传输的光路不交叉不重叠，即第一空腔和第二空腔内动光路都不交叉不重叠，以避免光的损失。
42.本实施例中，为了实现带孔球面镜上入射孔与出射孔的错位，以及腔内光路不重叠，带孔球面镜与反射相位板之间的距离是根据传播光路特别设计的，例如在采用3束单模半导体激光合束，该距离可以设计在1-3mm。针对实际输出光的模式效果可以适当调整，一
般不超过3mm，以避免环境影响。
43.本实施例中，所述第一n
×
1准直镜阵列2的尺寸大于所述第一反射镜组1的尺寸，所述第二m
×
1准直镜阵列10的尺寸大于所述第二反射镜组9的尺寸，第一n
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1准直镜阵列的中心与所述第一入射孔的中心位于同一直线上，所述第二m
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1准直镜阵列10的中心与所述第二入射孔的中心位于同一直线上，入射光的光束直径小于所述第一入射孔的孔径，所述输出光的光束直径小于所述第二入射孔的孔径，每组第一反射镜组组1、第一n
×
1准直镜阵列2与相位调制组件中，第一反射镜组1的中心、第一n
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1准直镜阵列2的中心与第一带孔球面镜3上的第一入射孔均位于所述入射光的直线传播路径上，以降低光束扩散损失。
44.本实施例中，所述第一掩膜图案基于所述入射光进行相位调制过程中的相位剖面图确定，所述第二掩膜图案基于所述输出光进行相位调制过程中的相位剖面图确定。
45.本实施例中，用到的反射镜、准直镜阵列都采用相同型号，以尽量减少元件误差，降低光调制合束损耗。
46.结合图1和2所示，本发明实施例中提供了另一种多路半导体激光空间调制相干合束装置，以采用三路入射光、每路入射光具有3束激光束为例，下面加以说明。
47.本实施例中，n和m均为3，第一n
×
1准直镜阵列2和所述第二m
×
1准直镜阵列10均为3
×
1准直镜阵列，相位调制组件为三组，第一反射镜组1采用一面第一反射镜，第二反射镜组9为一面第二反射镜，相位调制组件包括三组，分别为第一相位调制组件、第二相位调制组件7和第三相位调制组件8，入射光为3路单模光，即基模光，每路单模光为3束单模激光束，这样一共有9束单模激光束，单模光为976nm单模半导体激光，3路单模光可以来自3个相同型号976nm高稳定度单频半导体激光器，每个激光器提供3束相同的单模激光束输出，每路输出功率100mw，以入射的3路976nm单模光中的一路进入第一相位调制组件为例，该路的3束入射光，即单模激光束，被第一反射镜组1反射，经过第一3
×
1准直镜阵列2准直后，经过第一相位调制组件中的第一带孔球面镜3上的第一入射孔入射到第一空腔内，第一反射相位板4上的第一掩膜图案是根据入射光的相位定制的，三束入射光在第一空腔内反射过程中，在第一反射相位板4上入射光的相位被调制，在第一带孔球面镜3上对三束入射光的光束实现光学傅里叶变换，最终调制合束形成输出光，即合束光，输出光经过第一带孔球面镜3上的第一出射孔出射，其他两路入射光被分别经过第二相位调制组件7和第三相位调制组件8进行相位调制后形成另两路输出光即合束光，每一路输出光经过对应的第二反射镜组9反射，经过第二3
×
1准直镜准直，从末端相位调制组件的第二入射孔入射，在第二带孔球面镜5和所述第二反射相位板6形成的第二空腔内进行多次反射，通过第二反射相位板6的第二掩膜图案对三路输出光进行相位调制和合束，输出光的相位调制为相同且偏振方向相同，经过多次反射实现调制合束，获得大功率的基模光输出。
48.本发明实施例中提供的一种多路半导体激光空间调制相干合束装置中，采用三路入射光，每路三束单模激光束，共9束单模激光束，针对每一路入射光，入射光照射在所述第一反射镜组后经过反射进入所述第一3
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1准直镜阵列，经过准直后的所述入射光经过所述第一带孔球面镜进入所述第一空腔，所述入射光在所述第一空腔内进行多次反射，利用所述第一掩膜图案对所述入射光进行相位调制后形成输出光并输出至所述第二反射镜组，经由反射后所述输出光进入所述第二3
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1准直镜阵列准直，经过准直的所述输出光进入所述末端相位调制组件进行相位调制和合束后获得基模光。本方案中可以将多束半导体激光的
调制合束分成多个并联的少束半导体激光的调制合束工作，借助反射镜与准直镜调整光路，借助反射相位板对入射光进行相位调制，降低了对反射光的反射次数，由于反射相位板在进行空间光调制时不存在本征损耗，所以降低反射次数与掩膜图案复杂度，能够大幅度降低调制合束时的光损耗，实现高效的半导体激光空间调制合束。
49.应该理解，可以使用上面所示的各种形式的流程，重新排序、增加或删除步骤。例如，本发公开中记载的各步骤可以并行地执行也可以顺序地执行也可以不同的次序执行，只要能够实现本公开公开的技术方案所期望的结果，本文在此不进行限制。
50.上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，根据设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。