一种高效率中长波密集光谱合束装置

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其是涉及一种高效率中长波密集光谱合束装置。

背景技术

高功率、多波长中长波红外量子级联激光器体积小、易于集成，在爆炸物监测、医疗诊断、环境监测、红外对抗和工业控制等领域有着广泛的应用前景。然而，受限于材料性质和有源层结构，现有的中长波红外量子级联激光器输出功率通常为mW量级，电光转换效率不超过15％。进一步增大激光有源区就会引起高阶横模的振荡，从而导致激光输出光束质量变差。光谱合束技术已被证明是一种同时获得高输出功率和高光束质量的可行方法。

传统的光谱合束装置的核心器件主要有二色镜、体布拉格光栅和闪耀光栅。其中，二色镜和体布拉格光栅需要通过级联的方式实现多光源的光谱合束，使得合束装置分立器件多、装调难度大、集成度不高。工作在中长波红外波段的闪耀光栅通常由金属线栅构成，受限于光栅周期，可参与光谱合束的器件数量不能太多且衍射效率不高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高效率中长波密集光谱合束装置，可实现多个光源的密集光谱合束，克服了上述技术存在的难以实现密集光谱和高效率合束的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种高效率中长波密集光谱合束装置，包括窄带中长波激光光源阵列、空间密集排布器、空间-角度变换器及密集光谱合束器；所述窄带中长波激光光源阵列由多个独立的中长波红外激光器和光纤耦合透镜组成，各个独立的所述中长波红外激光器的发射面位于所述光纤耦合透镜的后焦点处，所述中长波红外激光器输出光束经所述光纤耦合透镜传输，会聚至所述空间密集排布器的入射端口。

优选的，每个所述中长波红外激光器的输出光束中心波长不同、光谱线宽较窄且各个所述中长波红外激光器中心波长的间隔较小。

优选的，所述光纤耦合透镜均为非球面平凸透镜，所述光纤耦合透镜将各个所述中长波红外激光器的输出光束变换至所述空间密集排布器的入射端，所述光纤耦合透镜的数量与所述中长波红外激光器的数量一致。

优选的，所述空间密集排布器为单模或小芯径多模光纤阵列，光纤数量与所述中长波红外激光器数量相同，每根光纤只用来传输一种波长的光束，所述光纤阵列的出射端口为多根光纤外包层相切、紧密排布的光纤阵列，各波长光斑中心距离即为所选择光纤的包层直径。

优选的，所述光纤阵列的入射端口为空间分立的多个独立光纤端面，且各个独立光纤端面位于所述光纤耦合透镜后侧，经过所述光纤耦合透镜的激光光束的光斑尺寸小于等于光纤芯径，且发散角小于等于光纤数值孔径对应的接收角。

优选的，所述空间-角度变换器采用90°离轴抛物面反射镜，所述空间密集排布器的出射端口位于所述90°离轴抛物面反射镜的等效后焦面处。经过空间-角度变换器反射后，在空间上密集排布的不同波长输出光被转换为传输角度不同的平行光。

优选的，所述密集光谱合束器置于所述空间-角度变换器的各路出射平行光的高空间重叠度区域。

优选的，所述密集光谱合束器为具有周期性表面结构的多波段异常反射超表面，多波段异常反射超表面包括若干个周期性排列的超胞结构。

优选的，超胞结构包括单胞结构，单胞结构由底层、中间层和上层组成，上层为纳米天线，底层和中间层的长度与宽度均相同，上层的长度和宽度均小于中间层的长度和宽度，底层、上层和中间层的厚度依次递增，单个超胞结构由十个不同宽度的单胞结构组成。

因此，本发明采用上述的一种高效率中长波密集光谱合束装置，具有以下有益效果：

(1)本发明中的核心器件为密集光谱合束器，具有对多个波段入射光同时实现异常反射的功能，且在多个光谱波段内均具有超过90％的异常反射率，因此具有超过90％的超高光谱合束效率；

(2)本发明利用多波长光源的空间密集排布及空间-角度变换器将空间密集排布转换为角度分布，并使得各路平行光在密集光谱合束器表面形成具有高空间重叠度的光斑，保证了合束后的激光光束质量；

(3)密集光谱合束器可将多路入射光束高效率的反射到相同方向，在获得高合束效率的同时有效抑制了光束发散角。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明一种高效率中长波密集光谱合束装置的结构示意图；

图2为本发明实施例的高效率中长波密集光谱合束装置的结构示意图；

图3为本发明实施例3.9μm-4.02μm波段光纤阵列各出射端口与90°离轴抛物面反射镜离轴量的关系曲线；

图4为本发明实施例的密集光谱合束器的单胞结构示意图；

图5为本发明实施例的密集光谱合束器超胞结构示意图；

图6为本发明实施例的3.96μm、3.98μm、4μm、4.02μm波长处密集光谱合束器的归一化远场反射强度与反射角度之间的关系图；

图7为本发明实施例的3.96μm、3.98μm、4μm、4.02μm波长处密集光谱合束器反射场的近场振幅分布随传输距离的变化图；

图8为本发明实施例的高效率中长波红外密集光谱合束装置的合束激光光谱图；

附图标记

1、窄带中长波激光光源阵列；11、中长波红外激光器；12、光纤耦合透镜；2、空间密集排布器；3、空间-角度变换器；4、密集光谱合束器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种高效率中长波密集光谱合束装置，包括窄带中长波激光光源阵列1、空间密集排布器2、空间-角度变换器3及密集光谱合束器4。

如图2，窄带中长波激光光源阵列1由四个独立的中长波红外激光器11和光纤耦合透镜12组成，光纤耦合透镜12的数量与中长波红外激光器11的数量一致，为四个。

中长波红外激光器11具有不同的激光中心波长和互不重叠的窄带发射光谱，各个独立的中长波红外激光器11的发射面位于光纤耦合透镜12的后焦点处。中长波红外激光器11包括中波红外激光器和长波红外激光器。本实施例以中波光束为例，四个中波红外激光器发射的光束中心波长分别为3.96μm、3.98μm、4.00μm和4.02μm，输出光功率均为500mW，输出空间模式均为基横模，光谱线宽为10-15nm。每个中长波红外激光器11的输出光束中心波长不同、光谱线宽较窄且各个中长波红外激光器11中心波长的间隔较小，中波红外激光器的中心波长间隔为20nm。由于光谱线宽小于中心波长间隔，因此各路光谱不重叠。

四个光纤耦合透镜12均为非球面平凸透镜，光学材质为硒化锌(ZnSe)，口径12mm，焦距7.0mm，四个中波红外激光器的出射端面与光纤耦合透镜12距离为6.82mm，输出光束经过光纤耦合透镜12后进入空间密集排布器2。中长波红外激光器11输出光束经光纤耦合透镜12传输，会聚至空间密集排布器2的入射端口。

空间密集排布器2为单模或小芯径多模光纤阵列，光纤数量与中长波红外激光器11数量相同，每根光纤只用来传输一种波长的光束，光纤阵列的入射端口为空间分立的独立光纤端面，且各个独立光纤端面位于光纤耦合透镜12后一定距离。本实施例采用的空间密集排布器2为一根四合一单模光纤束，由四根Ag/AgI镀层空芯玻璃光纤组成，每根光纤的长度为0.5m，在中长波波段的传输损耗低于5dB/m，光纤芯径为175μm，包层直径为300μm，输出发散半角为35mrad。光纤束入射端为四个独立的光纤端口，位于光纤耦合透镜12后170.5mm处。经过光纤耦合透镜12后的光束在此处的光斑直径为175μm，发散角为34mrad，激光光束的光斑尺寸小于等于光纤芯径，且发散角小于等于光纤数值孔径对应的接收角，可实现高效率的光纤耦合。

激光经过多根独立光纤传输后，各路激光到达空间密集排布器2的出射端口。光纤阵列的出射端口为多根光纤外包层相切、紧密排布的光纤阵列，各波长光斑中心距离即为所选择光纤的包层直径。

空间-角度变换器3采用90°离轴抛物面反射镜，空间密集排布器2的出射端口位于90°离轴抛物面反射镜的等效后焦面处。不同光纤的出射光来源于各路独立的中长波红外激光器11，光纤阵列出射端面与90°离轴抛物面反射镜的等效后焦面重合，且出射端面的离轴量按传输激光的中心波长递增排列，当不同中心波长、有一定间距和有一定发散角的光传输到空间-角度变换器3时，抛物面反射镜将接收到的光束转换为具有不同传输角度的平行光。

90°离轴抛物面反射镜数量为一个，其母焦距为300mm，有效焦距150mm，直径25.4mm，反射表面镀有保护性金膜，3.9-4.02μm波段内的反射率高于98％。四路光束经90°离轴抛物面反射镜反射后形成传输方向不同的平行光。

如图3所示，各出射端口对应不同激光波长，其中3.96μm、3.98μm、4.00μm和4.02μm波长处对应的离轴量分别为0.9mm、0.6mm、0.3mm、0mm，能够匹配图2中空间-角度变换器3中光纤阵列的纤芯间距。

在各路光束具有高空间重叠度的平行光路处设有密集光谱合束器4。到达密集光谱合束器4时，四路平行光对密集光谱合束器4的入射角分别为11.42°、11.48°、11.54°和11.60°。

密集光谱合束器4置于空间-角度变换器3的四束平行光的高空间重叠度区域。密集光谱合束器4为多波段异常反射超表面，异常反射超表面将空间-角度变换器3出射的具有不同传输方向(对应于不同波长)的平行光光束反射至同一方向，且具有极高的异常反射率，从而形成高亮度的密集光谱合束激光输出。

密集光谱合束器4为一种具有周期性表面结构的多波段异常反射超表面。通过对周期性单元结构的参数优化，可将入射光波前调控为所需的空间分布。多波段异常反射超表面包括若干个超胞结构，超胞结构包括单胞结构，单胞结构由底层、中间层和上层组成，上层为纳米天线，底层和中间层的长度与宽度均相同，上层的长度和宽度均小于中间层的长度和宽度，底层、上层和中间层的厚度依次递增。

如图4所示，单胞结构由三层不同材料组成，底层材料为Au，厚度H3＝0.3μm，长度和宽度均为U＝2.0μm；中间层为SiO

如图5所示，单个超胞结构由10个不同宽度的单胞结构组成，10个单胞的宽度W沿X方向排列，依次为0.3μm、0.67μm、0.8μm、0.875μm、0.93μm、0.98μm、1.04μm、1.12μm、1.26μm和1.65μm。组成的超胞结构总长度Lx＝20μm，宽U＝2μm。整个超表面由30×300个超胞结构组成，形成尺寸为600μm×600μm的器件。

多波段异常反射超表面通过对单胞尺寸的优化设计，可实现对四路多波段入射平行光的同时异常反射，异常反射角为0°。由超胞周期性排列的超表面具有异常反射特性，不同波长以不同入射角入射的平行光具有一致的反射角，从而具有光谱合束功能。

根据广义斯涅尔反射定律，空间-角度变换器3出射的四个波长的平行光分别以11.42°、11.48°、11.54°和11.60°入射到多波段异常反射超表面时，反射方向均为+Z方向，即Z的正方向。如图6所示，异常反射后四个波长的强度分布均以0°为中心，对应的异常反射率分别为97.9％、97.0％、97.7％和97.2％。实现了四路激光的高效率密集光谱合束。

如图7所示，四个波长的平面波经反射后仍以平面波形式传播，波前连续且较平坦，说明超表面同时实现了四种波长入射光的异常反射。四路反射光波前干涉极大值或极小值平面的法线方向均为0°方向，表明合束激光具有相同的传播方向。

图6和图7的结果表明不同角度(不同波长)入射的光束经反射后被成功合束为传输方向为0°的一束平行光，光谱合束效率高于97％，实现了四路中波红外激光的高效率密集光谱合束。

如图8所示，结合窄带中波激光光源阵列1中光纤耦合透镜12透过率95％、长度0.5m的光纤的传输效率80％、90°离轴抛物面反射镜的反射率98％及多波段异常反射超表面对四路光束的异常反射率97.9％、97.0％、97.7％和97.2％，可得本实施例中密集光谱合束装置的总效率为72.6％，输出激光总功率为1452mW。

具体过程：光纤耦合透镜12将四个中长波红外激光器11的输出光束变换至空间密集排布器2的入射端，光束经过光纤低损耗传输后，四路光束到达空间密集排布器2输出端形成空间上密集排布的四束激光，四路光束经90°离轴抛物面反射镜反射后形成不同传输方向的平行光，到达密集光谱合束器4时，借助达密集光谱合束器4的多波段异常反射，实现对四路多波段入射平行光的同时异常反射，形成反射方向一致的合束激光。

本发明实施例仅以中波密集光谱合束为例，但应当理解的是本发明所采用的方式亦适用于长波密集光谱合束。

因此，本发明采用上述的一种高效率中长波密集光谱合束装置，可将多路具有不同波长的入射光束高效率的反射到相同方向，在获得高光谱合束效率的同时有效抑制了光束发散角，同时保证了合束后的激光光束质量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。