一种二维光谱合成装置
阅读说明：本技术 一种二维光谱合成装置 (Two-dimensional spectrum synthesizer ) 是由 沈本剑 李敏 陶汝茂 冯曦 李浩坤 刘玙 王建军 于 2021-11-15 设计创作，主要内容包括：本发明属于激光器领域,本发明公开了一种二维光谱合成装置,该装置包括：沿光路传播方向依次设置的二维光纤光源阵列、高线密度多层介质膜光栅Ⅰ、高线密度多层介质膜光栅Ⅱ、低线密度多层介质膜光栅Ⅰ和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ。本发明提供的二维光谱合成装置能够减小多路子光源光谱合成时对大口径、长宽比例大的光学元件的需求,减小合成装置的体积,降低合成装置的成本,实现更高功率的光谱合成输出,为光谱合成装置的广泛应用提供了可能。(The invention belongs to the field of lasers, and discloses a two-dimensional spectrum synthesis device, which comprises: the two-dimensional fiber light source array, the high-linear-density multilayer dielectric film grating I, the high-linear-density multilayer dielectric film grating II, the low-linear-density multilayer dielectric film grating I and the low-linear-density multilayer dielectric film grating II are sequentially arranged along the propagation direction of a light path. The two-dimensional spectrum synthesis device provided by the invention can reduce the requirements on optical elements with large aperture and large length-width ratio during the spectrum synthesis of the multi-path sub-light source, reduce the volume of the synthesis device, reduce the cost of the synthesis device, realize the spectrum synthesis output with higher power, and provide possibility for the wide application of the spectrum synthesis device.)
技术领域
本发明属于激光器领域，尤其涉及一种二维光谱合成装置。
背景技术
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。当激光光源用于激光切割领域时，更高平均功率和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，然而受限于非线性效应及模式不稳定性的影响，单纤单模激光器的输出功率存在上限，为了实现更高功率的光源输出，通常采用光束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。
光谱合成技术是另外一种实现高功率、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的光源均为一维光源阵列，然而受限于光学元件的加工能力及尺寸的限制（如扩束系统的口径、多层介质膜光栅的口径等），采用一维光源进行光谱合成时，对待合成光源子束的数目有上限，这意味着采用一维光源的光谱合束装置是无法实现更多路激光子束的光谱合成的拓展，也意味着采用一维光源的光谱合束装置输出激光功率的提高也存在上限。除此之外，采用一维光源进行合束时由于光学元件利用率低、结构异型，不仅增加了光学元件的加工难度，而且随着光源子束数目的增加，会导致整个合成装置体积庞大，质量重，成本高，将严重限制了光谱合成装置的应用。
因此，为了有效地对光谱合束系统进行待合成光源子束的扩展，减小多路激光子束合成时合成装置的体积以及质量，促进光谱合成装置的应用，本发明提出一种二维光谱合成装置。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种二维光谱合成装置，该装置可以实现更多路激光子束的光谱合成，相比现有技术中的一维光谱合成装置，该装置体积小，成本低，该装置为光谱合成装置的广泛应用提供了可能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种二维光谱合成装置，所述装置包括： 沿光路传播方向依次设置的二维光纤光源阵列、高线密度多层介质膜光栅Ⅰ、高线密度多层 介质膜光栅Ⅱ、低线密度多层介质膜光栅Ⅰ和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ；其中，所述二维 光纤光源阵列由多个不同波长的光纤光源组成，二维光纤光源阵列发射的二维阵列子光束 为指向平行的线偏振光束，所述线偏振光束均以相同的角度入射至高线密度多层介质膜光 栅Ⅰ上；所述高线密度多层介质膜光栅Ⅰ和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ相互平行，低线密度 多层介质膜光栅Ⅰ和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ相互平行；低线密度多层介质膜光栅Ⅰ的栅 线方向与高线密度多层介质膜光栅II的栅线方向的夹角为；
所述二维光纤光源阵列中的每一行光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔均大于每一列光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔；或者二维光纤光源阵列（1）中的每一行光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔均小于每一列光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔；
所述高线密度多层介质膜光栅Ⅰ和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ的线密度＞1500gr/mm；所述低线密度多层介质膜光栅Ⅰ和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ的线密度＜1500gr/mm。
优选的，所述二维光纤光源阵列发射的二维阵列子光束入射至高线密度多层介质膜光栅Ⅰ的入射角为高线密度多层介质膜光栅Ⅰ对应波长的利特罗角。
优选的，所述二维光纤光源阵列发射的二维阵列子光束偏振方向相同，均垂直于高线密度多层介质膜光栅I的栅线方向。
优选的，所述高线密度多层介质膜光栅Ⅰ和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ均为偏振相关光栅或偏振无关光栅。
优选的，所述低线密度多层介质膜光栅Ⅰ和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ均为偏振无关光栅。
本发明的有益效果是：本发明提供的二维光谱合成装置通过设置合适的二维光纤光源阵列的波长间隔及衍射光栅的线密度，实现了二维光纤光源发出的二维阵列子束进行光谱合成，与一维光谱合成装置相比，合成同等数量的激光子束，所需的光学元件的尺寸大大减小，有效减小装置的体积，降低装置的成本，为实现更高功率的光谱合成输出提供了可能；同时本发明利用光栅线密度与子光束之间的中心波长间隔匹配，将合成光束的色散降到最低，保证合成光束的质量。
因此本发明提供的二维光谱合成装置能够减小多路子光源光谱合成时对大口径光学元件的需求，减小合成装置的体积，降低合成装置的成本，实现更高功率的光谱合成输出，为光谱合成装置的广泛应用提供了可能。
附图说明
图1为本发明的二维光谱合成装置结构示意图；
图中：1. 二维光纤光源阵列 2. 高线密度多层介质膜光栅Ⅰ 3. 高线密度多层介质膜光栅Ⅱ 4. 低线密度多层介质膜光栅Ⅰ 5. 低线密度多层介质膜光栅Ⅱ。
具体实施方式
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。
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
一种如图1所示的二维光谱合成装置，所述装置包括：沿光路传播方向依次设置的二维光纤光源阵列1、高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2、高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3、低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5。
其中，上述二维光纤光源阵列1由多个不同波长的光纤光源组成，其能够发射出指向平行的二维阵列线偏振光束，且其发出的二维阵列线偏振光束以相同的角度入射至高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2，入射角为高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2对应波长的Littrow角。
上述二维光纤光源阵列1可以由光纤激光器、固体激光器或其组合及其相干合成 光源组成。在光路中高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3相互平行， 低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5相互平行，低线密度多层介质 膜光栅Ⅰ4的栅线方向与高线密度多层介质膜光栅II3的栅线方向的夹角为；
上述高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3的线密度＞1500gr/mm；低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5的线密度＜1500gr/mm。
上述二维光纤光源阵列1每一行光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔范围与每一列光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔范围均不重叠，每一行光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔均大于每一列光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔；或者每一行光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔均小于每一列光纤光源发出的相邻子光束之间的中心波长间隔；这样设计二维阵列行和列的子束之间的中心波长间隔的目的在于将光源中心波长间隔与高线密度多层介质膜光栅和低线密度多层介质膜光栅进行匹配。二维光纤光源阵列1发射的二维阵列线偏振光束入射至高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2衍射后，中心波长间隔较小的子光束行或者列在高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3上汇聚为一个光斑，并经过高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3衍射后合成为一束光束；各子光束之间的中心波长间隔较大的行或者列内各光束经高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3后，水平或者垂直方向的距离保持不变，之后经过低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4衍射后在低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5上形成一个光斑，经过低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5衍射后合成一束光束，高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3将中心波长间隔较小的一维子光束进行合成，低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4和低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5将中心波长间隔较大的另一维子光束进行合成，并同时保证已经合成的一维光束较低的色散。
本实施例中设置二维光纤光源阵列1中的每一行各子束之间的中心波长间隔为0.1nm~2nm，每一列各子束之间的中心波长间隔为2.5nm~60nm，二维光纤光源阵列1发射的二维阵列线偏振光束入射至高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2衍射后，由于子束行的中心波长间隔较小，因此每一行的子束在高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3上汇聚为一个光斑，并经过高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3衍射后合成为一束光束，而每一列子束经高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3，垂直方向的距离保持不变；之后通过低线密度多层介质膜光栅Ⅰ4衍射后在低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5上形成一个光斑，经过低线密度多层介质膜光栅Ⅱ5衍射后合成一束光束，从而实现多路子束的二维光谱合成。
二维光纤光源阵列1发射的二维阵列线偏振光束偏振方向相同，均垂直于高线密度多层介质膜光栅I2的栅线方向，由于经高线密度多层多层介质膜光栅Ⅱ3衍射后的光斑截面排布方向与与高线密度多层介质膜光栅II3呈θ角，导致其排布方向与偏振方向呈（π/2-θ）角，为了确保系统的合成效率，低线密度多层多层介质膜光栅Ⅰ4和低线密度多层多层介质膜光栅Ⅱ5均为偏振无关光栅；由于二维光纤光源阵列1出射线偏振光，则高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3为偏振光栅。
该装置也适用于二维光纤光源阵列1出射非偏振光束的情况，此时对应的高线密度多层介质膜光栅Ⅰ2和高线密度多层介质膜光栅Ⅱ3为偏振无关光栅。
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