具有二极管激光条平面阵列的光源的制作方法

相关申请的交错引用

本申请要求2014年5月16日提交的美国申请No.14/279,804的利益，在此通过引用方式将该申请的全部内容并入本文。

技术领域

本发明一般涉及用于材料加工以及高功率光纤激光器和光纤放大器的光泵浦的光源(激光辐射源)。本发明具体涉及具有二极管激光条阵列并且发出大约1千瓦(KW)或更高的总功率的光源。

背景技术：

术语“二极管激光条”是激光领域的实践者用来描述在条状单晶半导体基板中的空间间隔二极管激光器(发射器)的线性阵列的术语。条状二极管激光器的特征为具有传播轴(发射轴)和相互垂直并且垂直于传播轴的快速轴和慢速轴。与沿着慢速轴(例如，大约5°半角)发射的发射器相比，发射器沿着具有较高发散(例如，在大约20°与30°半角之间)的快速轴发射。

二极管激光条一般具有大约10毫米(mm)的长度、大约1-1.5mm的宽度和大约100微米(μm)的厚度。发射器位于二极管激光条中并且发射器的慢速轴在表面上沿着二极管激光条的长度方向相互对齐。在10mm长二极管激光条中的发射器的一般数量为19。二极管激光条的特征通常为“填充因数”，该填充因数为在条上的发射器孔径的宽度的总数除以条的长度。在具有20个宽度相等的发射器的二极管激光条中，每个发射器均具有大约150μm的宽度(即，慢速轴尺寸)。发射孔径的高度(快速轴尺寸)通常为大约1.5μm(即，比宽度小100倍)。

在该背景技术的讨论中以及在下面的本发明详细描述中，将会参考“光束参数乘积”(BPP)。BPP是常用的激光束质量测量标准，并且是光束腰半径与进或出光束腰的光束的发散半角的数学乘积。激光束的BPP的标准单位是毫米-毫弧度(mm.mr)。光束被认为质量越高，BPP越低。BPP基本上独立于通常被称为“亮度”的另一种常用的光束质量测量标准，亮度可以被大致表述为在光束腰区域和立体角中的辐射的总强度。

从上述典型二极管激光-发射器孔径尺寸(实际上是不旋转对称的光束腰)可以清楚，示例性发射器的慢速轴BPP大约比示例性发射器的快速轴BPP大(小)15倍。由于在任何轴上的BPP是增加的，因此对于二极管激光条，该比例被在二极管激光条中的发射器的数量放大。

作为质量测量标准的BPP的主要意义在于，当使单束或包括多个单束的组合束聚焦到具有对称的(在相互垂直的横轴上)数值孔径(NA)的圆孔中时，光束的BPP越对称，能够聚焦到NA中的辐射、亮度越均等。

圆孔通常具有光纤纤芯或包层。从二极管激光条辐射的BPP的高度不对称性已经成为激光技术实践者的特别挑战，激光技术实践者出于光泵浦的目的希望将辐射聚焦到具有掺杂纤芯(增益光纤)的光纤中或者为了运输到将要使用辐射的位置而希望聚焦到具有不掺杂纤芯的光纤中。

在高功率光纤激光器或激光器材料加工的光泵浦中，需要的功率比单个二极管激光条能够提供的功率更多。为了在单个光源中提供如此高的功率，二极管激光条被堆叠使用。二极管激光条堆栈的优选类型是所谓的“垂直”堆栈，其中二极管激光条彼此上下放置，即，无论堆栈的实际物理朝向如何均堆叠在快速轴方向上。从BPP对称性的观点看，这种堆栈是有利的，这是因为快速轴BPP由于快速轴堆叠而增加，同时慢速轴BPP保持相同。在商业上可以获得具有多达26个二极管激光条的垂直堆栈。具有这种堆栈的光源通常需要包括若干折射光学元件的复杂光束成形和聚焦。在转让给本发明的受让人的美国专利No.8,602,592中描述了具有多个垂直二极管激光条堆栈的光源，在此通过引用方式将该专利的全部内容并入本文。

出于亮度考虑，或者仅为了减小垂直堆栈的快速轴的总体尺寸，优选的是二极管激光条的快速轴间隔尽可能接近。这使安装在非常薄的架子上或安装在从共用散热器延伸出来的基板上的二极管激光条冷却装置变得复杂。通常，需要高压微通道水冷。这种微通道冷却需要使用去离子水，以避免在冷却通道中的腐蚀问题。这种垂直二极管激光条堆栈的其他问题包括：在实践中不能灵活改变二极管激光条的快速轴间隔或“间距”；在实践中不能更换故障二极管激光条；以及难以测试和烧焊单个二极管激光条。

二极管激光条的替换组合排列方式为在共用散热器的表面上形成二极管激光条的平面阵列。这允许二极管激光条与散热器紧密热接触，其中该散热器可以允许用低压微通道冷却代替高压微通道冷却。这与二极管激光条相对于大通道电绝缘的结合不需要去电离水，从而允许使用标准自来水(“饮用水”)。

二极管激光条的平面阵列可以具有沿着传播轴方向或沿着慢速轴方向在散热器上间隔排列的二极管激光条。来自二极管激光条的输出光束通过快速轴校准(FAC)透镜在快速轴方向上校准，然后通过慢速轴校准(SAC)透镜阵列在慢速轴方向上校准。多种光学装置可以用于在快速轴方向上“堆叠”来自二极管激光条的光束以形成组合束，通过适当的聚焦光学器件将该组合束聚焦到光纤中。

平面二极管激光阵列的一个特有问题是从每个二极管激光条到聚焦光学器件的光学距离不同，通常从最短距离增加到最大距离。在其他因素中，由于二极管激光条的本身较低的光束质量和FAC和SAC校准光学器件的限制，所以光束不能被完全校准。这在慢速轴方向上尤其典型。

结果，对于每条光束，二极管激光条光束在聚焦光学器件处的慢速轴长度不同。因此，二极管激光条光束在聚焦光学器件处的组合的横截面在快速轴方向上没有平行边，这低于填充光纤NA的理想条件。当然，该问题可以通过在平面阵列中限制二极管激光条的数量得到缓解，但是，除了总功率限制以外，该限制通过快速轴堆叠来自二极管激光条的光束降低了上述BPP不对称性可以降低到的程度。需要一种平面二极管激光阵列光源，该平面二极管激光阵列光源能够改进在提供至聚焦光学器件的组合束中的BPP对称性。

发明目的

在一方面中，根据本发明的光学装置包括光纤和二极管激光条模块的平面阵列，每个二极管激光条模块均发射激光辐射光束。每条光束的特征为具有相互垂直的快速轴、慢速轴和传播轴。第一多个转向镜排列成：使来自所述二极管激光条的光束相互平行地传播，在所述慢速轴方向上对齐并且在所述快速轴方向上间隔开以形成具有快速轴长度和慢速轴宽度的第一组合束。第二多个转向镜排列成：使所述第一组合束划分为慢速轴宽度均小于所述第一组合束的慢速轴宽度的多个光束切片，并且在所述快速轴方向上增加光束切片以形成慢速轴宽度小于所述第一组合束的慢速轴宽度的第二组合束。失真聚焦光学器件排列成使所述第二组合束聚焦到所述光纤中。失真聚焦光学器件的慢速轴方向的光学功率大于所述第二组合束的快速轴方向的光学功率。

附图说明

并入说明书并构成说明书一部分的附图示意性示出了本发明的优选实施例，并且与上面提供的一般描述和下面提供的优选实施例的详细描述一起用于阐述本发明的原理。

图1示意性示出根据本发明的用于光源的平面二极管激光条阵列，包括在平面散热器上沿着传播轴方向间隔的第一组四个二极管激光条和第二组四个二极管激光条，其中二极管激光条的慢速轴相互平行，第一组和第二组二极管激光条在传播轴方向上朝着彼此发射，并且多个转向镜设置成沿着快速轴方向堆叠来自二极管激光条的光束以形成朝着远离平面散热器方向的组合束。

图1A示意性示出在图1的平面二极管激光阵列中的二极管激光条模块的细节。

图1B示意性示出大致沿着图1的方向1B-1B观看的组合束的横截面。

图2是三维视图，示意性示出在根据本发明的利用图1所示平面二极管激光条阵列的光源的优选实施例中的慢速轴光束切片、光束重组和聚焦光学器件，其中聚焦光学器件包括球形凹面镜，在球形凹面镜后面具有柱形凹面镜。

图2A示意性示出与图1B类似的进入图2的慢速轴光束切片-重组光学器件的组合束的横截面。

图2B示意性示出在通过图2的光束切片-重组光学器件进行切片和重组之后的图2A的光束的横截面。

图2C示意性示出在图2的柱面镜处的慢速轴切片-重组光束的横截面。

图3是侧面图，示意性示出根据本发明的光源的另一个优选实施例，类似于以下实施例：其中图2的慢速轴光束切片-快速轴光束重组光学器件被替换为慢速轴光束切片-慢速轴重组光学器件，在该慢速轴光束切片-慢速轴重组光学器件的后面为单体慢速轴光束切片-快速轴交错元件。

图4是大致沿着图3的方向4-4观看的端面视图，示意性示出图3的慢速轴光束切片-慢速轴重组光学器件以及单体慢速轴光束切片-快速轴交错元件的细节。

图5是三维视图，示意性示出图3的单体慢速轴光束切片-快速轴交错元件的更多细节。

图6是三维视图，示意性示出利用图1的平面二极管激光条阵列和图4的光束切片-重组光学器件的根据本发明光源的另一个优选实施例，其中聚焦光学器件包括球形凹面镜，在球形凹面镜后面具有柱形凹面镜。

具体实施方式

现在参考附图(其中，相同的部件由相同的附图标记表示)，图1和图1A示意性示出用于根据本发明的光源的平面二极管激光条阵列10。平面阵列10包括8个位于平面散热器12的表面12A上的二极管激光条模块14。如上文所述，二极管激光条的特征为快速轴、慢速轴和传播轴(见图1A)。

二极管激光条模块14在传播轴方向上间隔分开，而二极管激光条的慢速轴相互平行。这里，每个二极管激光条模块均包括位于导电导热基板18上的二极管激光条16。基板18焊接在导热电绝缘板20上，该导热电绝缘板又焊接在散热器上。在板20上焊接正电极22，而在正电极22上经由一层玻璃填充环氧树脂28焊接负电极26。通过多条引线27(在附图中仅示出其中一条引线)进行负电极26与二极管激光条16的电接触。

对于理解本发明的原理而言，在散热器上“封装”(安装)二极管激光条的更多详细描述不是必要的，因而这里没有提供。在2014年5月20日提交的、转让给本发明的受让人的美国专利申请No.14/221,152中提供了图1A的封装方式的详细描述，在此通过引用方式将该专利申请的全部内容并入本文。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以使用其他二极管激光条封装方式。

继续参考图1和图1A，每个二极管激光条模块14均包括快速轴校准(FAC)透镜30和慢速轴校准(SAC)透镜阵列32。从SAC阵列32看出，来自二极管激光条中的每个发射器的校准后光束在慢速轴方向上是大致连续的并且可以被认为是一条光束42(在图1和图1A中描绘成一条主射线)。

每条光束42被转向镜34拦截并且这里在二极管激光条模块的快速轴方向上朝着远离散热器12的方向变向。朝着快速轴变向的光束又被相应的转向镜36拦截。这里，转向镜36沿着相互平行的传播轴方向使光束42变向，其中左手侧四条光束从左向右传播，而右手侧四条光束沿着相反方向从右向左传播。

右手侧四条光束42被一个转向镜38R拦截。左手侧四条光束42被一个转向镜38L拦截。转向镜36的个体高度以及转向镜38R、38L的传播轴位置和入射角度选择成8条光束42光学“堆叠”在快速轴方向上以形成一个组合束40，在图1B中示出了该组合束的横截面。

组合束40中的光束42之间的间隔或“间距”(与光束的快速轴高度一致)选择成光束在快速轴方向上大致相互临近。二极管激光条模块在传播轴方向上相互对齐，因此光束在42在传播轴方向上相互对齐。组合束40的快速轴BPP是光束42的大约八倍，而慢速轴BPP大约相同。

在图1的方式中，左侧和右侧转向镜36的高度是逐渐增加的，使得光束42的中心光束40传播最短距离到达组合平面，而光束42的端部光束42传播最长距离。由于组合束的慢速轴尺寸随着传播距离增加，因此这会将某种“桶形畸变”施加给组合束的横截面。然而，如果所有8条光束42在连续地组合之前沿着相同的方向传播，那么畸变为大约一半，并且在降低组合束的有效慢速轴BPP方面是有用的。这里，有效慢速轴BPP被认为由任何光束42的最长慢速轴长度决定。

在图1B中，组合束的慢速轴宽度W可以被认为是分光束42的平均慢速轴宽度。应当注意，转向镜36的高度可以不对称地设置，从而提供畸变明显减少的光束40的替换横截面。本文将在下文进一步论述该替换横截面的实例。还应当注意，虽然在图1中示出左侧和右侧的4个二极管激光条模块彼此相对，但是所有二极管激光条模块可以朝着相同的方向，其中通过转向镜的适当朝向来实现右侧组和左侧组的4条光束42的反向传播。

图2示意性示出在根据本发明的利用图1所示平面二极管激光条阵列10的光源的优选实施例50中的慢速轴光束切片、光束重组和聚焦光学器件。光学器件在总体上可以被认为是光束成形光学器件和聚焦光学器件。通过转向镜对52R和54R、52C和54C、52和54L进行光学器件的光束成形功能的第一部分。

在图2A中示出的组合束40的横截面被转向镜52R、52C和52L拦截，这些转向镜沿着光束传播轴方向交错排列并且尺寸和位置设置成将光束40在慢速轴方向上划分为三个相等慢速轴宽度的“切片”。这些切片被转向镜54R、54C和54L拦截，这些转向镜设置成在快速轴方向上连续地重组和对齐52R、52C和52L切片以形成组合束40T。在图2B中示出组合束40T的横截面，组合束40T的快速轴BPP是光束40的三倍，而慢速轴BPP是其三分之一，也就是说，快速轴BPP是来自图1所示二极管激光条模块14的原始光束42的二十四倍，而慢速轴BPP是其三分之一。

组合束40T被导向球形凹面镜56，该球形凹面镜将光束收敛到凹面柱形(仅一条横轴上的功率)镜58上，以最终聚焦到光纤62中。这使光束在快速轴方向上比在慢速轴方向上压缩得更多，从而在转向镜58上提供近似形状对称的光束横截面40S。这在图2C中示出，其中转向镜58的圆柱轴(光学功率为零的轴)被描绘为与光束40S的快速轴方向对齐。此外，在图2C中用虚线描绘的是与光纤62的NA相对应的圆形在转向镜58上的投影60。转向镜58的焦距比转向镜56的焦距小大约10倍，在图2C所示的轴线排列方式中，转向镜58用于大致匹配在聚焦到光纤62的光束的慢速轴和快速轴上发散。转向镜56和转向镜58可以被统称为光学功率在输入光束的慢速轴上比在快速轴上更大的失真反射聚焦光学器件。

这里应当注意，为了方便示例，在图2中仅示出了很短长度的光纤62。光纤62可以是增益光纤激光器，其中纤芯直径比包层小并且光被聚焦到包层中。光纤62也可以是多模传输光纤，其中包层的纤芯直径远大于包层厚度并且光被聚焦到包层中。在任一种情况下，在光纤尖部可以具有一些特殊的防损坏耦合装置，例如本技术领域已知的端帽等。

在实施例50的计算出的实际实例中，对于均具有30％填充因数的10mm二极管激光条(其中，光纤62具有0.22的NA和500μm的直径)，光束40具有大约12mm的快速轴高度和大约12mm的慢速轴宽度。转向镜56具有大约100mm的焦距，而58具有大约10mm的焦距。转向镜56和58在轴向上分开大约90mm。从转向镜58聚焦到光纤62中的光束的慢速轴BPP是快速轴BPP的1.5至2.0倍。在实践中，该比例受到相对于二极管激光条中的发射器的绝对慢速轴准直偏离的影响。该偏离被本技术领域的实践者戏称为“微笑”。

上述示例性尺寸不硬的认为是对本发明的限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域技术人员可以选择其他焦距和间距。可以使用在商业上可获得的光学设计软件(例如，可从Zemax Corporation of Bellevue，Washington获得的ZEMAX)计算出实例。

图3是侧视图，示意性示出根据本发明的光源的另一个实施例70。这里，平面二极管阵列(仅部分示出)排列成提供组合束40A，其中，8个单束42在快速轴上分开距离(2P)，即，大致连续的光束需要2倍的距离P。光束40A的总快速轴长度是图1所示光源10的光束40的总快速轴长度的2倍。光束40A被发送到光束切片和交错单元72。单元72产生慢速轴宽度是输入光束40A的四分之一的组合束40Q，其中16个分光束42Q在快速轴方向上大致连续地堆叠。

图4是端视图，示意性示出光束切片和交错单元72的一些细节。在图4A中示出输入光束40A在平面43上的横截面。光束40A入射在转向镜74上并且中途介入到慢速轴的光束中。光束的一半宽度绕过转向镜74，而另一半被反射。绕过的一半光束被二分之一波片76偏振旋转90°，然后被转向镜28转向并被偏振光束组合器82透射。另一半光束40A从转向镜74经由另一个转向镜80反射到偏振光束组合器82，该偏振光束组合器反射这一半光束40A，从而与透射的一半光束40A重叠。

这种切片和重叠的结果是在平面84上具有组合束40H，该组合束40H的慢速轴宽度是光束40A的一半，而快速轴长度相同。由于将相反偏振的两半光束40A重叠，所以光束40H的分光束42H的亮度是光束40A的分光束42的2倍。平面84内的光束比平面43内光束亮2倍。光束40H被本发明的光束切片-交错装置90处理，该装置将光束40的分光束的慢速轴宽度切分成两个半宽度并且使半宽度交错以形成在图3的横截面中示出的16分量的光束40Q。下面参考图5描述切片和交错实现方式的详细说明。

这里，光束切片-交错装置90包括安装在安装基座92上的带平行边的透明基板91。带平行边的板相对于输入光束40H的快速轴以角度θ安装，相对于慢速轴以角度φ安装。在板91的表面94上布置有8个快速轴空间间隔的反射带96，顶部三个反射带按顺序指定为96A、96B和96C。这些带具有快速轴宽度，带之间的间隔大致等于组合束40H的分光束42H的快速轴高度。在板91的表面98上布置有反射带100，该反射带具有沿着组合束40H的快速轴方向的长度。

装置90相对于光束40设置成：除了最上面一个分光束(这里，指定为分光束1)以外，光束40H的分光束对准反射带92之间的空间，从而允许分光束1的全部宽度能够在带96A上方透射，而其他所有分光束的全部宽度能够在反射带之间透射。如图5所示，分光束2在反射带96A与96B之间透射。出于简明的目的，仅示出了两个分光束。

装置90相对于光束40A还设置成：反射带90中途介入到透射穿过表面94的分光束的慢速轴宽度中。这允许任何分光束42H的仅一半宽度能够直接透射穿过板91。在图5中用粗实线指出入射和直接透射光束的边界。

角度θ和φ选择成：分光束的被带100拦截的部分向下反射距离P(一半或2P)并且错开距离W/4(光束40H的宽度W/2的一半)。在图5种用粗虚线指出这些被反射光束部分的边界。向下反射并错开的每条光束部分均被反射带96拦截，相应的完整分光束42H已经通过该反射带上方。反射带引导被拦截部分通过表面98，以便平行于相应直接透射部分并且在慢速轴上与相应直接透射部分对齐。

分光束的直接透射和间接透射(透射和反射)部分42Q在快速轴方向上间隔距离P，如图5所示，使得光束横截面是连续的。分光束2的直接透射部分与分光束1的间接反射部分也分开数量P。考虑光束40H的全部8个分光束，这具有使间接透射分光束42Q与直接透射分光束42Q“交错”的效果，使得具有慢速轴宽度W/2和相互之间快速轴间隔2P的8个分光束42H进入装置90，而具有慢速轴宽度W/4和相互之间快速轴间隔P的16个分光束42Q离开装置90，从而提供组合的输出光束40Q。

光束40Q被直接发送到如图6所示的失真反射聚焦光学器件。该反社聚焦光学器件在整体上由总附图标记50A指定，并且除了没有切片-重组转向镜52和54以外，基本上与图2的光学器件50相同，当然，切片-重组转向镜已经被替换成图4的切片-交错单元72。在装置50A中，转向镜56和58的优选焦距分别为60mm和6mm，而转向镜之间的轴向间隔大约为54mm。

光束切片-交错单元72形成具有以下慢速轴BPP和快速轴BPP的输出光束：慢速轴BPP是来自上述平面二极管激光条阵列的输入光束的四分之一，快速轴BPP是输入光束的2倍。对于示例性的8分量的输入光束，这样在焦点处提供比图2的光束切片-重组装置所实现的BPP更对称的BPP，从而使输入光束的慢速轴BPP降低因数3，同时使在聚焦光学器件的焦点处提供较小BPP对称性的快速轴BPP增加因数3。在本实施例中，慢速轴BBP和快速轴BPP均小于图2的方式。与在图2方式中的600μm直径光纤相比，这能够使组合束聚焦到400μm直径的光纤中。BPP的降低是由于增加亮度的偏振组合步骤。

特别由于光束切片-交错装置90的成本以及由于二分之一波片和偏振敏感光束组合器的需要，实现聚焦能力的提高以略微更昂贵的光束切片-重组装置为代价。

在上述任何一种结构中，根据本发明的光源在两个方面上优于现有技术的垂直二极管激光条堆栈光源。一个方面是来自二极管激光条模块的光束以堆叠光束的间隔进行堆叠而与在平面阵列中的二极管激光条模块的间隔无关。这提供了二极管激光条模块的冷却的优化并且允许相对简单地制造(通过使用自动化的过程)、测试和更换在阵列中的二极管激光条模块。另一个方面是使用反射光学器件而不是折射光学器件来进行光束成形和聚焦。可以几乎没有故障地制造聚焦镜，从而不需要复杂的非球面折射元件。反射光学器件可以处理高功率而不用担心大量吸收。

应当注意，出于上述原因，以下平面二极管激光条阵列是优选的：在快速轴堆叠镜的相对方向上传播的光束的数量相等。然而，如果所有光束沿着与单个快速轴堆叠镜相同的方向传播，那么可以使用任何一种上述用于慢速轴BPP减小而快速轴BPP增加的切片-重组方式。

总之，上面结合优选和其他实施例描述了本发明。然而，本发明不限于这里描述和描绘的实施例。相反，本发明仅限于所附的权利要求书。