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半导体 激光器模块光栅外腔光谱合束系统

阅读：28发布：2021-06-05

专利汇可以提供半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本实用新型涉及半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，包括多个激光模块、多个扩束镜、多个第一反射镜、一个傅里叶变换透镜、一个衍射光栅、一个滤波系统和一个外腔镜，每个激光模块包括多个呈台阶排布设置的发光芯片，在空间上进行合束从激光模块中发射，通过扩束镜压缩剩余发散角后由第一反射镜反射后入射至傅里叶变换透镜进行空间变换，在衍射光栅作用下形成合束光束以相同的衍射角输出，经过滤波系统过滤掉快轴方向的边缘光后到达外腔镜，防止相邻发光芯片的反馈串扰，在外腔镜的作用下部分光束被反射作为反馈光进行波长锁定；大大降低了系统体积，避免使用长焦距慢轴准直镜造成系统体积增大、质量增加和成本上升。，下面是半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，包括：
多个激光模块(1)，用于发射不同波长的激光，每个所述激光模块(1)包括多个沿快轴方向呈台阶排布设置的发光芯片(11)；
多个扩束镜(2)，每个扩束镜(2)一一对应设置在一个激光模块(1)的出射面；
多个第一反射镜(3)，每个第一反射镜(3)一一对应设置在一个扩束镜(2)的出射面；
一个傅里叶变换透镜(4)，设置在所述多个第一反射镜(3)的反射光路上；
一个衍射光栅(5)，设置在所述傅里叶变换透镜(4)的出射面；
一个滤波系统(6)，设置在所述衍射光栅(5)的出射面；
一个外腔镜(7)，设置在所述滤波系统(6)的出射面，所述外腔镜(7)为部分反射部分透射镜，多个激光模块(1)发射的多束光入射到外腔镜(7)上，部分光被反射沿原光路返回到激光模块(1)内部进行波长锁定，部分光透过外腔镜(7)进行输出。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述扩束镜(2)为前表面凹透镜，后表面凸透镜或者前表面平凹柱透镜，后表面平凸柱透镜。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述衍射光栅(5)为透射式光栅或反射式光栅。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述滤波系统(6)为空间滤波器或透镜组光学系统。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述外腔镜(7)的反射率为1％～50％。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述发光芯片(11)为半导体激光器单管芯片，相邻两个半导体激光器单管芯片的高度差相等。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述激光模块(1)还包括多个第二反射镜(14)，每个第二反射镜(14)一一对应设置在一个半导体激光器单管芯片的出射面。
8.根据权利要求7所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述第二反射镜(14)为45°反射镜且垂直于水平面设置。
9.根据权利要求8所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，还包括多个准直系统，每个准直系统与一个半导体激光器单管芯片一一对应设置且设置在一个半导体激光器单管芯片和一个第二反射镜(14)之间。
10.根据权利要求9所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，其特征在于，所述准直系统包括依次设置在所述半导体激光器单管芯片出射面的一个快轴准直透镜(12)和一个慢轴准直透镜(13)。

说明书全文

半导体 激光器模块光栅外腔光谱合束系统

技术领域

[0001] 本实用新型涉及半导体激光器技术领域，具体涉及半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统。

背景技术

[0002] 半导体激光器具有效率高、结构紧凑、波长范围宽、成本低、可靠性高等优良特性。然而传统的半导体激光器光谱特性差，光束质量差，直接输出功率和亮度低。为了扩展半导体激光器在工业加工和激光器抽运等方面的应用，常通过光束合束获得高功率、高亮度、高光束质量的直接半导体激光光源。对半导体激光输出光束进行合束方法有空间合束、偏振合束和光谱合束。其中空间合束在提高功率的同时会在一定程度上降低光束质量和亮度，偏振合束是利用偏振合束器件将偏振方向互相垂直的两束光合成一束，可在不改变光束质量的情况下将功率和亮度翻倍，光谱合束将两个或两个以上不同波长的半导体激光器出射光合成一束，得到和单元光束质量相当、亮度提高数倍的激光输出。

[0003] 目前半导体激光器光谱合束常用的光源为mini-Bar、cm-Bar或由Bar 条组成的叠阵，然而Bar条由封装等因素引入了“smile”效应，Bar条“smile”使得各个合束单元接收到的反馈强度不同，从而造成个别合束单元的输出功率下降，此外叠阵中由于各Bar间指向性偏差，也会存在不能同时锁定的问题，导致最终电光效率下降，输出功率低，光束质量变差，很难作为百瓦、千瓦及万瓦级直接光源应用。

[0004] 在半导体激光器单管台阶排布模块作为光谱合束光源时，在快轴方向经快轴准直镜准直后，剩余发散角较小，进行快轴方向合束时，再经过傅里叶透镜的作用，快轴方向发散角可以忽略不计；但是在慢轴方向上，光束经过慢轴准直镜准直后，剩余发散角较大，导致外腔反馈回芯片的反馈光减少，无法实现光谱锁定；使用长焦距慢轴准直镜的方法来减小慢轴方向剩余发散角虽然能实现慢轴方向发散角减小，实现光谱锁定，但是会导致系统体积增大、系统质量增加，同时成本也上升。实用新型内容

[0005] 因此，本实用新型要解决的技术问题在于克服现有技术中的单管台阶半导体激光器光谱合束中慢轴方向剩余发散角角度较大，导致外腔反馈芯片的反馈光减少，无法实现光谱锁定，而使用长焦距慢轴准直镜会导致系统体积增大、系统质量增加，成本上升的技术问题。

[0006] 本实用新型的一种半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，包括：

[0007] 多个激光模块，用于发射不同波长的激光，每个所述激光模块包括多个沿快轴方向呈台阶排布设置的发光芯片；

[0008] 多个扩束镜，每个扩束镜一一对应设置在一个激光模块的出射面；

[0009] 多个第一反射镜，每个第一反射镜一一对应设置在一个扩束镜的出射面；

[0010] 一个傅里叶变换透镜，设置在所述多个第一反射镜的反射光路上；

[0011] 一个衍射光栅，设置在所述傅里叶变换透镜的出射面；

[0012] 一个滤波系统，设置在所述衍射光栅的出射面；

[0013] 一个外腔镜，设置在所述滤波系统的出射面，所述外腔镜为部分反射部分透射镜，多个激光模块发射的多束光入射到外腔镜上，部分光被反射沿原光路返回到激光模块内部进行波长锁定，部分光透过外腔镜进行输出。

[0014] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述扩束镜为前表面凹透镜，后表面凸透镜或者前表面平凹柱透镜，后表面平凸柱透镜。

[0015] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅。

[0016] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述滤波系统为空间滤波器或者透镜组光学系统。

[0017] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述外腔镜的反射率为1％～50％。

[0018] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述发光芯片为半导体激光器单管芯片，相邻两个半导体激光器单管芯片的高度差相等。

[0019] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述激光模块还包括多个第二反射镜，每个第二反射镜一一对应设置在一个半导体激光器单管芯片的出射面。

[0020] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述第二反射镜为45°反射镜且垂直于水平面设置。

[0021] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，还包括多个准直系统，每个所述准直系统与一个半导体激光器单管芯片一一对应设置且设置在一个半导体激光器单管芯片与一个第二反射镜之间。

[0022] 优选地，所述的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，所述准直系统包括依次设置在所述半导体激光器单管芯片出射面的一个快轴准直透镜和一个慢轴准直透镜。

[0023] 本实用新型技术方案，具有如下优点：

[0024] 1.本实用新型提供的一种半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，包括多个激光模块，用于发射不同波长的激光；每个扩束镜一一对应设置在一个激光模块的出射面，用于压缩激光模块发射的光的慢轴方向的剩余发散角；每个第一反射镜一一对应设置在一个扩束镜的出射面；一个傅里叶变换透镜，设置在所述多个第一反射镜的反射光路上；一个衍射光栅，设置在所述傅里叶变换透镜的出射面上；一个滤波系统，设置在所述光栅的衍射出射面上，用于过滤掉快轴方向的边缘光；一个外腔镜，设置在所述滤波系统的出射面上，多个激光模块发射的多束光入射到外腔镜上，部分光被反射回到所述激光模块内部进行波长锁定，部分光透过外腔镜进行输出。不同激光模块发射的不同波长的激光在扩束镜的作用下，剩余发散角被压缩，再经过各自对应地第一反射镜作用后入射至傅里叶变换透镜进行空间变换，将位置信息转化为角度信息后以不同的角度入射至衍射光栅上，在衍射光栅的色散作用下，不同波长不同角度的入射子束以相同的衍射角衍射输出，经过滤波系统过滤掉快轴方向的发散角较大的光束后到达外腔镜，在外腔镜的作用下部分光束被反射作为反馈光，反馈光注入激光模块激发谐振腔内的谐振模式，将激发谐振腔内的谐振模式，该模式对应期望的波长输出，谐振反馈将压窄激光模块光谱带宽使得发射光束的光谱围绕在反馈光谱中心波长左右，实现波长的锁定；滤波系统抑制相邻发光芯片之间的串扰，同时利用扩束镜对慢轴方向的剩余发散角进行压缩控制，能够顺利实现波长锁定，大大缩小了系统体积，避免使用长焦距慢轴准直镜造成系统体积增大、质量增加和成本上升。

[0025] 2.本实用新型提供的一种半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，每个激光模块包括多个半导体激光器单管芯片，多个半导体激光器单管芯片沿慢轴方向即水平方向并排排布，沿快轴方向呈台阶排布设置，在垂直高度上存在高度差，实现不同半导体激光器单管芯片发射的光在空间上进行合束，在快轴方向拥有近衍射极限光束质量，准直光束发散相对较小，慢轴方向光束质量较差，这导致慢轴光束质量劣化的空间非常有限，慢轴光谱合束也因此受限，因此快轴方向合束可以在较小的空间内设置较多数量的半导体激光器单管芯片；同时也减小了Bar条smile效应和指向性偏差对电光效率、输出功率和光束质量的影响。附图说明

[0026] 为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0027] 图1为本实用新型的合束元件为透射式光栅的整体结构图；

[0028] 图2为本实用新型的合束元件为反射式光栅的整体结构图；

[0029] 图3为本实用新型的激光模块结构图；

[0030] 图4为本实用新型的激光模块的光路原理图；

[0031] 图5为本实用新型的扩束镜结构图。

[0032] 附图标记说明：

[0033] 1-激光模块；10-激光模块；101-10N-激光模块；101’-10N’-激光模块；11-发光芯片；111-11n-半导体激光器单管芯片；12-快轴准直透镜； 121-12n-快轴准直透镜；13-慢轴准直透镜；131-13n-慢轴准直透镜；14- 第二反射镜；141-14n-第二反射镜；15-出光孔；

[0034] 2-扩束镜；20-扩束镜；21-2N-扩束镜；21’-2N’-扩束镜；3-第一反射镜；30-第一反射镜；31-3N-第一反射镜；31’-3N’-第一反射镜；4-傅里叶变换透镜；5-衍射光栅；6-滤波系统；7-外腔镜。

具体实施方式

[0035] 下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

[0036] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

[0037] 在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

[0038] 此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

[0039] 实施例1

[0040] 本实施例的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统，如图1至图5 所示，包括多个激光模块1、多个扩束镜2、多个第一反射镜3、一个傅里叶变换透镜4、一个衍射光栅5、一个滤波系统6和一个外腔镜7，多个激光模块1呈阵列排布用于发射不同波长的激光，多个扩束镜2、多个第一反光镜3和多个激光模块1一一对应设置且依次设置在多个激光模块1的出射面一侧；傅里叶变换透镜4设置在多个第一反射镜3的反射光路上，傅里叶变换透镜为平凸结构；衍射光栅5设置在傅里叶变换透镜4的出射面一侧也即设置于傅里叶变换透镜4凸的一侧；滤波系统6和外腔镜7依次设置在衍射光栅5的出射面一侧。

[0041] 如图3至图4所示，激光模块1为方形盒状的半导体激光器单管芯片台阶排布模块，内设有一个凹槽口，凹槽口设有两排多级台阶，一排多级台阶上对应设有个多个发光芯片11，另一排多级台阶上对应设有多个准直系统和多个第二反射镜14(如图4中标记为141-
14n)，激光模块1上一侧 (如图3中所示的左上角)设有用于出射激光的出光孔15，多个反射镜14 的反射面朝向出光孔15设置。每个激光模块1中的多个半导体激光器单管芯片在慢轴方向也即水平方向并排排列，沿快轴方向即垂直方向台阶排列；具体，如图4所示，每个激光模块1包括多个半导体激光器单管芯片(如图3中标记为111-11n)，多个半导体激光器单管芯片一一对应设置在多级台阶上，呈台阶阵列排布且相邻两个半导体激光器单管芯片的高度差相等；每个半导体激光器单管芯片的出射面依次设有准直系统和第二反射镜14，准直系统包括沿半导体激光器单管芯片的出射面依次设置的一个快轴准直透镜12(如图4中标记为121-12n)和一个慢轴准直透镜13(如图4中标记为131-13n)，第二反射镜14设置在慢轴准直透镜13的出射面，且多个第二反射镜14对应设置在另一排多级台阶上，也呈台阶排布设置，相邻两个第二反射镜14的高度差也相等；使用过程中，将激光模块旋转90°放置，也即相对于初始位置激光模块的慢轴方向旋转到垂直方向，快轴旋转到水平方向，进行快轴方向上的光谱合束，多个半导体激光器单管芯片发出的光分别经准直系统完全准直后，在对应地第二反射镜14的作用下在垂直方向上叠加进行空间合束形成合束光束输出。使用过程旋转90°放置的作用在于在快轴方向拥有衍射极限光束质量，准直光束发散角相对较小，慢轴方向光束质量较差，这导致慢轴光束质量劣化的空间非常优秀，慢轴光谱合束也因此受限，可以在较小的空间内设置较多数量的半导体激光器单管芯片。第二反射镜14为45度反射镜且垂直于水平面设置，也即与快轴准直透镜12和慢轴准直透镜13组成的准直系统的光轴成45°。

[0042] 激光模块1的光路原理如图4所示，为了便于描述，将多个半导体激光器单管芯片分别标记为111-11n，对应地，第二反射镜分别标记为 141-14n。半导体激光器单管芯片111发出的光在快轴方向上被快轴准直透镜121准直，快轴方向被准直的光到达慢轴准直透镜131，快轴方向上被准直的光被慢轴准直透镜131在慢轴方向上被准直，成为完全准直光，完全准直光被慢轴准直透镜131出射面的第二反射镜141反射后从激光模块的出光孔15发出；
与半导体激光器单管芯片111存在台阶高度差的半导体激光器单管芯片112发出的光经快轴准直透镜122和慢轴准直透镜132准直后到达第二反射镜142，第二反射镜142与第二反射镜141也存在台阶高度差，半导体激光器单管芯片112发出的光经第二反射镜142反射后从第二反射镜141上方通过，实现与半导体激光器单管芯片111发出的光在快轴方向的合束；
依次类推，多个台阶排布设置的半导体激光器单管芯片发出的光在空间上进行合束形成激光模块1发出的光。作为可替换实施例，本实用新型所用的半导体激光器单管芯片为前腔面镀减反膜芯片，但不做具体限定。

[0043] 本实用新型的快轴准直透镜和慢轴准直透镜为现有市场上的准直透镜，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。作为可替换实施例，本实用新型的快轴准直透镜和慢轴准直透镜均镀减反膜，由于减少光束反射，相对于半导体激光器芯片的光束波长，镀膜后的透过率应在99％以上。

[0044] 如图4所示，第二反射镜14为45°反射镜且与水平面垂直设置，每个半导体激光器单管芯片发射的光经过准直系统准直后在第二反射镜14作用下进行空间合束形成激光模块1发出的光。本实用新型的第二反射镜14的尺寸要小于第一反射镜3。

[0045] 如图5所示，扩束镜2为前表面凹透镜，后表面凸透镜，扩束镜2呈方柱状，其前表面设有半弧形凹口，其后表面为半弧形凸起。激光模块1 发射的一束光斑半径为R、发散角为θ的准直光束到达扩束镜2前表面时，经过前表面凹透镜折射后光束发散角增大，发散光束到达后表面的凸透镜，被后表面的凸透镜折射成为准直光束，假设扩束镜2的扩束倍率为X，则后表面出射光束光斑半径变为X*R、发散角变为θ/X，其中X为任意大于1的实数。

[0046] 如图1和图2所示，第一反光镜3也为45°反光镜，不同激光模块1 发出的光在各自对应地扩束镜2的作用下，慢轴方向的剩余发散角被压缩后水平入射至各自对应地第一反光镜3镜面上，被竖直向下反射至反射光光路上设置的傅里叶变换透镜4上，多个激光模块1发出的不同波长的光经过第一反射镜3作用后，相互平行入射至傅里叶变换透镜4的平的一面上进行空间转化，将位置信息转化为角度信息之后以不同的角度入射至衍射光栅5上。本实用新型的傅里叶变换透镜4为现有市场上的傅里叶变换透镜，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。

[0047] 如图1和图2所示，本实用新型的衍射光栅5倾斜设置在傅里叶变换透镜4的出射面一侧(也即傅里叶变换透镜凸的一面)，不同激光模块1 发出的不同波长的激光经傅里叶变换透镜4进行空间变换后入射至衍射光栅表面后合成一束光以相同的衍射角输出。本实用新型的衍射光栅5为现有市场的衍射光栅，衍射光栅偏振应与激光模块发出光束偏振一致；衍射光栅衍射效率相对于相应的偏振方向应在90％以上；对线数无限定；衍射光栅的中心波长在λ0～λn范围内；衍射光栅相对于光轴以闪耀角放置，其具体结构和工作原理在此不做描述和限定，可以根据实际需要进行选择。

[0048] 本实用新型的衍射光栅为透射式光栅或反射式光栅。如图1所示，衍射光栅5为透射式光栅的光路结构图；如图2所示，衍射光栅5为反射式光栅的光路结构图。

[0049] 如图1和图2所示，滤波系统6包括但不限于空间滤波器，可以为单刀口狭缝空间滤波器，也可以为双刀口狭缝空间滤波器，还可以为透镜组等具有滤波作用的光学系统，其主要目的用于过滤掉快轴方向的边缘光，抑制相邻激光激光芯片以及相邻模块之间的反馈串扰。

[0050] 如图1和图2所示，外腔镜7为部分透镜部分反射镜，反射率为1％以上。具体为1％～50％，可以根据实际情况选择确定。

[0051] 本实用新型的半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统工作原理：为了便于描述，如图1所示，多个激光模块分别标记为10，101-10N， 101’-10N’，对应地，发出的激光的波长为λ0，λ1，λ2，......，λn，λ-1，λ-2，......λ-n，同时对应地扩束镜分别标记为20，21-2N，21’-2N’，对应地第一反射镜分别标记为30，31-3N，31’-3N’(其中N和N’为正整数)。多个激光模块1内部的发光芯片11呈台阶排布，分别经过准直系统完全准直后由第二反射镜反射进行空间合束后形成模块发出的光并从激光模块1的出光孔15射出，每个激光模块1发射的激光的波长不同；激光模块10发出的激光的中心光轴、扩束镜20的中心光轴均与傅里叶变换透镜4 的中心光轴重合；激光模块10,101-10N，101’-10N’均旋转90°放置，使得光束快慢轴方向旋转90°，激光模块10发出的λ0的光到达扩束镜20，慢轴剩余发散角被压缩，经过扩束镜20后的光束到达第一反射镜30并被第一反射镜30竖直向下反射；激光模块101发出的λ1的光到达扩束镜21，慢轴剩余发散角被压缩，经过扩束镜21后的光束到达第一反射镜31，并被第一反射镜31反射竖直向下通过，实现与激光模块10发出的光在快轴方向的合束；依次类推，在第一反射镜的反射作用下形成多模块合束光束；多模块合束光束入射至傅里叶变换透镜4的平的面上进行空间变换，将位置信息转化为角度信息并以不同的入射角入射至衍射光栅5上，在衍射光栅5 的色散作用下以相同的角度衍射输出；到达滤波系统6并经滤波系统6的处理后，快轴方向的边缘光被过滤掉，快轴方向的边缘光被过滤的合束光到达外腔镜7，由于外腔镜7为部分透射部分反射镜，部分光反射沿原光路回到激光模块1内部，作为反馈光将激光模块1出射的激光锁定在预设波长，被反射回去的光进入到各自的激光模块1内部，将激发谐振腔内的谐振模式，该模式对应期望的波长输出。由此，谐振反馈将压窄激光模块光谱带宽使得发射光束的光谱围绕在反馈光谱中心波长左右，实现波长的锁定。

[0052] 显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

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半导体激光器模块光栅外腔光谱合束系统

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