高功率波長光束組合系統(tǒng)的穩(wěn)定化的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明實施例總體涉及激光系統(tǒng)，并且更具體地涉及波長光束組合系統(tǒng)和方法。
【背景技術】
[0002]波長光束組合(WBC)是一種用于縮放激光二極管線陣、二極管線陣的堆疊，以及其他以一維或者二維陣列布置的激光器的輸出功率和亮度的方法。
[0003]WBC方法已經(jīng)被開發(fā)來組合沿每個發(fā)射器的慢維度(slow dimens1n)或者快維度(fast dimens1n)的光束。光束質(zhì)量受到單個發(fā)射器的光束質(zhì)量的限制；然而，多個發(fā)射器可以被合并以產(chǎn)生多波長輸出，該多波長輸出具有單個發(fā)射器的光束質(zhì)量但卻具有多個發(fā)射器的功率輸出。WBC系統(tǒng)可以被縮放以產(chǎn)生幾千瓦甚至高達幾兆瓦的輸出功率。然而，所增大的輸出功率也為保持通用組件諸如反射鏡的穩(wěn)定帶來更大的負擔?，F(xiàn)有方法包括將這類反射鏡安裝到具有主動冷卻系統(tǒng)的底座或者板材上。
[0004]以下應用通過提供用于WBC系統(tǒng)中的增大的功率的穩(wěn)定化系統(tǒng)以尋求解決所述問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]一種穩(wěn)定化的波長光束組合器，其可包括多個發(fā)射器，每個發(fā)射器均產(chǎn)生光束；收集鏡片，其被配置為接收光束并將光束傳遞到色散元件，其中色散元件將光束作為組合光束輪廓(combined beam profile)進行透射；部分反射輸出I禹合器，其被布置以接收來自色散元件的組合光束、朝向色散元件反射一部分組合光束，該色散元件將組合波束作為包含具有多個波長的光輻射的多波長波束進行透射；以及沿著發(fā)射器和部分反射輸出耦合器之間的光束的光路設置的至少兩個回復反射器。
【附圖說明】
[0006]圖1A是沿單行發(fā)射器的陣列維度的波長光束組合(WBC)方法的示意圖。
[0007]圖1B是沿著發(fā)射器的二維陣列的排列維度的WBC方法的示意圖。
[0008]圖1C是沿著發(fā)射器的二維陣列的堆疊維度的WBC方法的示意圖。
[0009]圖2是示出沿著二極管激光發(fā)射器的二維陣列的堆疊維度的WBC方法中的形變(smile)效應的示意圖。
[0010]圖3A是包括選擇性地旋轉(zhuǎn)光束的一維陣列光學旋轉(zhuǎn)器的WBC系統(tǒng)的示意圖。
[0011]圖3B是包括選擇性地旋轉(zhuǎn)光束的二維陣列的光學旋轉(zhuǎn)器的WBC系統(tǒng)的示意圖。
[0012]圖3C是包括選擇性地重新定向光束的二維陣列的光學旋轉(zhuǎn)器的WBC系統(tǒng)的示意圖。
[0013]圖3D描述在具有或不具有光學旋轉(zhuǎn)器的情況下圖3C的系統(tǒng)的輸出輪廓視圖。
[0014]圖4A-圖4C示出光學旋轉(zhuǎn)器的示例。
[0015]圖5A-圖5E示出與WBC系統(tǒng)一起使用的各種后向反射器。
[0016]圖6A-圖6B示出并入多個反射鏡的WBC系統(tǒng)以及相對于理想光束實際光束的角度和空間反饋的基本示意圖。
[0017]圖7A-圖7C描述用后向反射器替代反射鏡并示出理想光束輸出和反饋在空間上和角度上與實際光束輸出和反饋的對比。
[0018]圖8描述被配置為將高達千瓦級或更高的功率光學耦合到具有小數(shù)值孔徑和小纖芯直徑的光纖中的WBC系統(tǒng)的光學示意圖，其中所使用的反射鏡可以由后向反射器來替換以增加穩(wěn)定性。
【具體實施方式】
[0019]本發(fā)明的多個方面和實施例總體涉及采用波長光束組合技術將激光源擴展到高功率和高亮度的領域。更具體地，本發(fā)明涉及用于增加波長光束組合系統(tǒng)的亮度、穩(wěn)定性以及效率的方法。
[0020]本文中所描述的實施例包括解決提高產(chǎn)生包括大于100W、大于500W以及大于I千瓦在內(nèi)的高功率的波長光束組合系統(tǒng)的穩(wěn)定度。通過本文中所描述的各種實施例和技術，可以實現(xiàn)穩(wěn)定的、高亮度的多波長輸出激光系統(tǒng)。
[0021]本文中所描述的方法和實施例可以應用于沿著慢軸、快軸或者其他光組合維度的一維和二維光組合系統(tǒng)。出于這種應用的目的，光學元件可以是重新導向、反射、彎曲、收集或者以任何其他方式光學地操縱電磁輻射的任意透鏡、反射鏡、棱鏡等等。此外，術語“光束”包括電磁輻射。光束發(fā)射器包括諸如半導體元件的任何電磁束發(fā)生裝置，其產(chǎn)生電磁光束，且可以是或者不是自諧振的。這些也包括光纖激光器、盤式激光器、非固體激光器、激光二極管等等。通常每個發(fā)射器均包括后反射表面、至少一個光學增益介質(zhì)以及前反射表面。光學增益介質(zhì)涉及增強電磁輻射的增益，并且不限于電磁譜的可見部分、紅外部分或者紫外部分。發(fā)射器可以包括多個光束發(fā)射器，例如被配置為發(fā)射多個光束的二極管線陣。本文中使用的示例和實施例中的許多采用二極管線陣進行描述；但是，應當預期的是，可以采用任意發(fā)射器，尤其是具有光學增益元件的發(fā)射器以及尤其具有寬的增益帶寬的那些發(fā)射器。
[0022]此外，一些現(xiàn)有技術定義了術語“堆疊或者堆疊維度”(“stacking or stackingdimens1n”)，其被稱為堆疊在一起的兩個或更多陣列，其中光束的快維度(fastdimens1n)與堆疊維度相同。這些堆疊被機械或者光學地預先布置。但是出于本申請的目的，堆疊指的是一列光束或者光學增益元件，并且可以沿著或者不沿著快維度。特別地，如上所述，獨立的光束或者元件可以在堆疊或者列中旋轉(zhuǎn)。
[0023]陣列中的發(fā)射器的獨立的慢或者快維度也可以沿著陣列維度被對齊，但是并不假定這種對齊。這很重要，因為本文中所述的某些實施例獨立地旋轉(zhuǎn)沿陣列或行對齊的每個光束的慢維度。此外，光束的慢軸可以指代該光束的退出光學增益介質(zhì)的較寬的維度，且典型地也是最慢發(fā)散維度，而快軸通常指代該光束的較窄的維度且一般是最快發(fā)散維度。慢軸也可指代單模光束。
[0024]在一些實施例中，注意到陣列維度和每個發(fā)射光束的慢維度最初跨同一軸被定向是有用的；但是，正如在該申請中所述，這些維度可以以相對于彼此的偏離角度被定向。在其他實施例中，最好對齊陣列維度和沿著陣列維度布置的發(fā)射器的僅僅一部分。例如，二極管線陣的陣列維度可以具有沿著陣列維度布置的發(fā)射器，但是因為形變(smile)(通常為線陣的變形或者彎曲)，獨立發(fā)射器的慢發(fā)射維度輕微地歪斜或者偏離陣列維度。
[0025]本文的多個方面和實施例涉及產(chǎn)生從很低的輸出功率到幾百甚至幾兆瓦的輸出功率的組合或者同軸光束的高功率和/或高亮度多波長穩(wěn)定化系統(tǒng)。由于有意地放置在本文描述WBC系統(tǒng)中使用的收集光學器件和色散元件，組合光束可以具有變化的光束產(chǎn)品參數(shù)。
[0026]波長光束組合方法已經(jīng)被開發(fā)來組合跨其相應的慢或快軸維度的非對稱光束元件。本發(fā)明尋求提供的一個優(yōu)點是選擇性地在空間上或通過定向重新配置要在慢和快軸WBC方法以及兩者的混合中使用的輸入波束的能力。本發(fā)明的另一個優(yōu)點是當存在與其他輸入光束的固定位置關系時選擇性地重新配置輸入光束的能力。
[0027]圖1A表示基本的WBC的架構(gòu)。在該特定示例中，沿著陣列維度或者寬域(broad-area)發(fā)射器的慢維度進行WBC。各條光束104在圖中用虛線或者單線表示,其中光束(虛線)的長度或者更長的尺寸表示陣列尺寸或者寬域發(fā)射器的慢發(fā)散尺寸，而高度或者較短的尺寸表示快發(fā)散尺寸。二極管線陣102的發(fā)射器以使得每個發(fā)射光束104的慢尺寸末端沿著單行(有時被稱為陣列)彼此并排對齊的方式對齊。在一些結(jié)構(gòu)中，可以采用準直透鏡106來沿著快發(fā)散尺寸準直每個光束。準直光學器件進一步地可以包括分離的快軸準直透鏡或者慢軸準直透鏡。
[0028]如圖1A進一步所示，光學元件108可用于沿著WBC維度110來組合每個光束，如由輸入前視圖112所示出的。光學元件108可以是圓柱形或者球面透鏡或者反射鏡。光學元件108接著將組合光束疊加到色散元件114(在這里示為反射型衍射光柵)上。一階衍射光束被入射到部分反射鏡上。諧振器在光學增益元件的后端面和部分反射鏡之間形成。因此，組合光束接著作為單輸出輪廓(profile)被透射到輸出耦合器116上。然后,該輸出率禹合器透射組合光束120,如輸出前視圖118所不。輸出I禹合器116可以是部分反射鏡或表面或光學涂層，并且其作為為二極管陣列102中所有的光學增益元件提供波長穩(wěn)定反饋的共用前端面。反饋朝向色散元件114，色散元件將其濾波成為唯一波長，并被再次定向回到每個發(fā)射器中。
[0029]類似地，圖1B表示激光二極管線陣堆疊，每個線陣具有四個發(fā)射器，其中每個線陣被堆疊三個高度。與圖1A相似，圖1B的輸入前視圖112 (其在該實施例中是光束的二維陣列)，被組合以產(chǎn)生輸出前視圖118或者單列光束120。WBC系統(tǒng)10b中的發(fā)射光束沿著陣列維度被組合。在這里光學元件108是用于沿著陣列組合光束的圓柱形透鏡。然而，可以采用光學元件或光學系統(tǒng)的組合，使得針對所有光束布置的光學元件重疊到色散元件上并且確保沿著非光束組合維度的所有光束垂直于輸出耦合器而透射。這樣的光學系統(tǒng)