本申请总体涉及激光系统，更具体地涉及用于窄带宽激光束稳定和多个激光束合并的系统和方法。
背景技术：
密集波长射束合并(dwbc)技术在空间上使得多个输入射束叠加以产生单一、合并的高功率输出射束。为了确保合并的高功率输出射束对于所期望的应用场合具有足够高的品质，即具有足够小的射束参数积(bpp)，dwbc技术为发射多个输入射束的单独发射器提供波长锁定。波长锁定指的是通过使发射器发射其在窄波长谱内的绝大部分辐射而使得发射器的发射光谱关于特定的波长变窄。dwbc技术通过向以窄光谱范围内的波长激励辐射发射的每个单独发射器提供反馈来实现波长锁定，从而降低处于不期望波长辐射的相对总数。
如果没有波长锁定，单独的反射器将以不期望的波长发射较大部分的辐射。不期望波长下的辐射增大了由光谱角色散元件即衍射光栅产生的合并射束的bpp。另外，具有不期望波长的辐射可通过相邻发射器之间的光谱串扰引起输出功率在时间上的波动。光谱串扰指的是这样的情形，即一个单独发射器发射的辐射的一部分作为反馈被引导进一个不同的单独发射器。为了限制以不期望波长发射的辐射的水平并由此提高波长锁定过程的保真度，dwbc技术可以采用波长过滤元件。波长过滤元件设计成当低功率输入射束通过外置腔体传播时从这些输入射束去除具有不期望波长的辐射。譬如，美国专利申请no.14/053,187、no.14/087,985以及no.14/521,487记载了包括波长过滤元件的dwbc技术和设备，所有这些文献通过引用并入本申请。
技术实现要素：
提供一种根据本发明实施方式的外腔激光设备。所述外腔激光设备包括：共同发射多个发射射束的多个射束发射器，所述发射射束的每个包括主分量发射射束并且具有波长；角色散镜片，其布置在所述多个主分量发射射束的光学路径中并且配置成将所述多个主分量发射射束合并成合并输入射束，所述合并输入射束包括多个分量输入射束；第一偏振镜片，其布置在所述合并输入射束的光学路径中并且配置成：旋转所述合并输入射束的多个分量射束中每个分量射束的偏振以产生旋转的合并输入射束，所述旋转的合并输入射束包括多个旋转分量输入射束，以及旋转所述旋转的合并输入射束的多个旋转分量输入射束中每个的反射的偏振以产生具有第一线性偏振的第一合并反馈系统输出射束和具有第二线性偏振的第二合并反馈系统输出射束，其中所述第一合并反馈系统输出射束包括多个第一反馈系统输出分量射束，并且其中第二合并反馈系统输出射束包括多个第二反馈系统输出分量射束。根据本发明实施方式的外腔激光设备进一步包括偏振射束分束器，其配置成将所述第一合并反馈系统输出射束引导为合并输出射束，和将所述第二合并反馈系统输出射束作为第一合并反馈射束引导至所述角色散镜片并且引导回到所述多个射束发射器从而稳定所述多个发射射束的波长。
提供一种根据本发明实施方式的用于稳定由多个发射器共同发射的多个发射射束的波长的方法。该方法包括由多个发射器共同发射多个包括多个主分量发射射束的发射射束，以及通过布置在所述多个主分量发射射束的光学路径中的角色散镜片将所述多个主分量发射射束合并成合并输入射束，所述合并输入射束包括多个分量输入射束。根据本发明实施方式的方法还包括：通过第一偏振镜片旋转所述合并输入射束的多个分量射束以产生旋转的合并输入射束，所述旋转的合并输入射束包括多个旋转分量输入射束；以及通过所述第一偏振镜片旋转所述旋转的合并输入射束的所述多个旋转分量射束从而产生具有第一线性偏振的第一合并反馈系统输出射束和具有第二线性偏振的第二合并反馈系统输出射束，其中所述第一合并反馈系统输出射束包括多个第一反馈系统输出分量射束，并且其中所述第二合并反馈系统输出射束包括多个第二反馈系统输出分量射束。根据本发明实施方式的方法还包括：通过所述偏振射束分束器将所述第一合并反馈系统输出射束引导为合并输出射束；以及通过所述偏振射束分束器将所述第二合并反馈系统输出射束作为第一合并反馈射束引导至所述角色散镜片并引导回到所述多个射束发射器从而稳定所述多个发射射束的波长。
提供一种根据本发明实施方式的外腔激光设备。所述外腔激光设备包括：共同发射多个发射射束的多个射束发射器，所述发射射束的每个具有波长并且包括主分量发射射束和次分量发射射束；角色散镜片，其布置在所述多个发射射束的光学路径中并且配置成将所述多个发射射束合并成合并输入射束，所述合并输入射束包括主合并输入射束和次合并输入射束；第一偏振镜片，其布置在所述主合并输入射束的光学路径中，并且配置成旋转所述主合并输入射束以产生旋转主合并输入射束以及旋转所述旋转主合并输入射束的反射以产生具有第一线性偏振的第一合并反馈系统输出射束和具有第二线性偏振的第二合并反馈系统输出射束，其中所述第一合并反馈系统输出射束包括多个第一反馈系统输出分量射束，并且其中所述第二合并反馈系统输出射束包括多个第二反馈系统输出分量射束。根据本发明实施方式的外腔激光设备进一步包括偏振射束分束器，其配置成：在第一反射元件处引导通过所述第一偏振镜片的所述主合并输入射束；和在第二反射元件处引导所述次合并输入射束，所述第二反射元件配置成将所述次合并输入射束反射为第三合并反馈系统输出射束；将所述第一合并反馈系统输出射束引导为合并输出射束；将所述第二合并反馈系统输出射束作为第一合并反馈射束引导至所述角色散镜片，并且引导回到所述发射器从而稳定所述发射射束的波长；以及将所述第三合并反馈系统输出射束作为第二合并反馈射束或作为所述合并输出射束的分量的其中之一引导至所述角色散镜片。
附图说明
在下文将基于示例性的附图更详细地描述本发明。本发明并不局限于示例性的实施例。本文所记载和/或示出的特征可以单独使用，或者可以在本发明的实施方式中以不同的组合方式进行组合。通过阅读以下参照所附附图的详细描述本发明的各种实施例的特征和优势将变得显而易见。在附图中：
图1示出根据本发明实施例的用于通过密集波长射束合并(dwbc)技术产生单一、多波长输出激光束的设备，所述输出激光束包括多个均具有窄波长谱的、空间上和方向上重叠的射束；
图2a和2b示出了用于外腔激光设备中的激光源的构型，其中激光源为通过水平堆叠的二极管线阵(diodebar)形成的二极管激光器的阵列；
图3a、3b和3c示出了用于外腔激光设备的激光源的构型，其中激光源为通过竖直堆叠的二极管线阵形成的二极管激光器的阵列；
图4示出了用于外腔激光设备中的激光源的构型，其中激光源为通过二维堆叠的二极管线阵形成的二极管激光器阵列；
图5示出了根据本发明实施例的、用于通过密集波长射束合并(dwbc)技术产生包括多个空间上和方向上重叠的射束的单一、多波长输出激光束的设备，所述射束均具有窄波长谱；和
图6示出了根据本发明实施例的、用于通过密集波长射束合并(dwbc)技术产生包括多个空间上和方向上重叠的射束的单一、多波长输出激光束的设备，所述射束均具有窄波长谱。
具体实施方式
本文记载了涉及将多个单独输入射束合并成单一的合并输出射束的多种密集波长射束合并(dwbc)技术和设备。为了产生各种不同应用场合所需求的兼有足够高的功率和足够高的射束品质的合并输出射束，必须通过空间和方向上的精确重叠合并大量功率相对低的输入射束。特定应用场合例如材料加工场合(如激光切割厚度约为10mm的金属片)需要小于5mm·mrad的射束品质以及在kw范围内的激光功率。dwbc技术和设备通常经由外置谐振器腔体提供低功率输入射束在空间和方向上的精确重叠，该外置谐振器腔体配置成向发射低功率输入射束的各个发射器提供反馈。然而，每个单独的发射器所接收的反馈量很大程度上取决于多种因素，包括外置谐振器腔体的成像质量、外置谐振器腔体中使用的各种光学元件的反射率和透明度、以及反馈信息进入各个发射器所通过的表面的反射率。
在制造dwbc设备期间，各种原因能引起dwbc设备向各个发射器所提供的反馈量的差异。为了限制反馈信息进入内置谐振器腔体所通过的表面的反射率，可向各个发射器的表面涂覆抗反射(ar)涂层。然而，即使涂覆了ar涂层，各个发射器的表面仍保持有残余的反射性。残余的反射性可因为涂覆ar涂层的工艺以及ar涂层自身而呈现不同。dwbc设备所提供的反馈量的差异也可能因为制造或其他方面所导致的细微错位呈现不同。在dwbc设备运行期间，部件会变热，且由此产生dwbc设备所提供的反馈量的变化。
dwbc结构的技术发展水平取决于具有固定反射率以向各个发射器提供反馈的介电输出镜。然而，在实践中，由于在制造、运行期间或由其他因素引起的系统差异所导致的向各个发射器提供的反馈量的降低能潜在地引起一个或多个发射器的光谱非稳定(自由运行)运行模式。由此，这种发射器所发射的射束不能适当地组合成合并输出射束，并且合并输出射束的射束参数积(bpp)将会增大。因此dwbc设备的性能对于特定应用场合可能是不合适的。
原则上，制造和操作公差所导致的反馈量的减少可通过增大外置反馈元件的发射率进行补偿从而重新获得所需的光谱锁定范围。但是，为了提供增大外置反馈元件的有效反射性的灵活性，需要能提供可调节的反馈水平的外置谐振器。根据本发明的实施方式，提供了具有可变反馈系统的dwbc设备，该可变反馈系统依赖于偏振的射束分离。dwbc设备中使用的发光激光二极管通常被强横电(te)偏振，并且仅这种激光二极管发射的光学功率的小部分被反馈耦合进发射器，而大部分作为合并输出射束从外置谐振器腔体耦合出。通过偏振射束分束器、双折射镜片和高反射(hr)镜的顺序布置可实现这种功能性。
离开角色散光学元件的合并射束的线性偏振光可通过偏振射束分束器被全部反射进反馈支路或反馈系统。在反馈系统中，通过双折射镜片对线性偏振光去偏振。去偏振光能通过可选的空间频率滤波器引导以排除非选择的角频率模式。随后，去偏振光被hr镜反射，并且通过四分之一波片第二次去偏振。在(第二次)去偏振之后，去偏振光所承载的光学功率作为由两个具有正交线性偏振状态的分量形成的合并射束而从四分之一波片射出。四分之一波片的旋转允许对每个分量所承载的相对光学功率进行调节。由于一个分量通过偏振射束分束器传输而另一个分量通过偏振射束分束器反射回多个单独的发射器中，由此能通过双折射镜片的简单旋转调节外置谐振器腔体的有效反射率。外置谐振器的有效反射率的可调性可用于补偿各种系统部件制造公差的差异并且使得能在系统构造中采用低成本的部件。外置谐振器的可调节有效反射率也使得能够提高成品制造率。
图1示出了根据本发明实施例的用于通过密集波长射束合并(dwbc)技术产生单一、多波长、合并的输出激光束的设备，所述输出激光束包括多个空间上和方向上重叠的独立激光束。dwbc设备100包括输入生成系统101、射束合并系统102、可调节反馈系统103、和分束系统104。
输入生成系统101提供用于产生在形成合并的输出激光束时使用的多个独立激光束中的每个激光束的装置。在图1的描述中输入生成系统101产生的多个独立激光束指代外置谐振器输入射束或发射射束151。输入生成系统101包括激光源111，还包括位置到角度转换镜片112和双折射镜片113。然而，位置到角度转换镜片112和双折射镜片113可以可代替地或附加地认为是射束合并系统102和/或可调节反馈系统103的一部分，因为这两个镜片均以影响它们的下游性能的方式与多个外置谐振器输入射束或发射射束151相互作用，下游性能例如为射束合并器输入射束152的性能以及合并输入射束153的性能。
射束合并系统102提供用于从在图1的描述中称为射束合并器输入射束152的多个独立激光束生成单一、多波长、合并输入射束的(即合并输入射束153)装置。射束合并系统102包括角色散射束合并镜片114。在图1所示的实施例中，角色散射束合并镜片为与偏振相关的镜片。然而，在可替换实施例中，可以使用与偏振无关的镜片。
可调节反馈系统103提供这样的装置，其用于分别在包括多个第一反馈系统输出分量射束的第一合并反馈系统输出射束157a和包括多个第二反馈系统输出分量射束的第二合并反馈系统输出射束157b之间分配在图1的描述中称为合并反馈系统输入射束或旋转合并输入射束154的合并、多波长激光束所承载的光学功率。可调节反馈系统103包括可调节双折射镜片116和高反射(hr)镜121。可选地，可调节反馈系统103还可包括空间滤波元件117。
分束系统104包括将第一合并反馈系统输出射束157a和第二合并反馈系统输出射束157b分离的偏振射束分束器115。分束系统10还将合并的外置谐振器输出射束158引导出外置谐振器，并且在角色散射束合并镜片114处指引合并反馈射束159。
在图1所示的实施例中，输入生成系统101包括多个单独的发射器(例如111a和11in)，每个发射器都发射单一的激光束，并且这些发射器一起组成激光源111。激光源111中的各个发射器所发射的各个单独射束为外置谐振器输入射束151的构成成分。为了简单起见，在图1余下的描述中外置谐振器输入射束151将被简称为发射射束151。发射射束151例如包括发射射束151a和发射射束151n。
激光源111的各个发射器可为二极管激光器、光纤激光器、固态激光器或任何其它类型的激光器。多个单独的发射器可以以一维阵列、二维阵列或多种其它的构型布置。例如，激光源111可以为通过竖直或水平堆叠的二极管线阵所形成的二极管激光器阵列，每个二极管线阵具有多个单独的二极管激光发射器。激光源111可为二极管激光器阵列，如同在图2a-b、3a-c和图4中的任一个所描绘的那样布置。然而，激光源111并不限于这种构型，本文所记载的实施例使人能够想到也可采用各种可代替的激光源构型。图2a-b、3a-c和图4中所描绘的激光源111的构型可以为几何堆叠构型(几何堆叠)、光学堆叠构型(光学堆叠)或其它构型中的任意一种。
在图1描绘的实施例中，二极管激光发射器可用于激光源111。二极管激光发射器(以及其他类型的发射器)相对于它们所发射的射束的偏振态通常被市售为横电(te)或横磁(tm)的。然而，由于制造公差，市售为te的二极管激光器也能发射包括较少tm分量的射束，反之亦然。在图1剩下的描述中，假定激光源111的每个发射器发射具有te偏振态的射束，换言之，假定发射射束151的组分的任何tm分量是可忽略的。因而，在图1中发射射束151为多个单独的、均具有te偏振态的单波长激光束。
激光源111的多个发射器中的每个均发射发射射束151的、包括优选谐振模式分量和替代谐振模式分量的构成成分。优选谐振模式分量由波长落入与激光源111的发射构成射束的发射器的优选谐振模式相对应的窄光谱带中的光子组成。替代谐振模式分量由波长在与激光源111的发射构成射束的发射器的优选谐振模式相对应的窄光谱带之外的光子组成。通过外置谐振器传播的发射射束151的构成成分的替代谐振模式分量在从偏振射束分束器115产生时不会在空间上和方向上重叠，反而具有剩余角谱。因此，发射射束151的构成成分的替代谐振模式分量能增大合并输入射束153和合并外置谐振器输出射束158的bpp。为了提高系统输出的射束的品质，能够通过将空间滤波元件117并入可调节反馈系统103而降低这种替代谐振模式分量的影响，这将在下文进行描述。
激光源111中的每个发射器相对于位置到角度转换镜片112具有特定的固定位置。因而，发射射束151具有与激光源111中的发射器的空间分布相对应的位置光谱。例如，发射射束151a的位置对应于单独发射器111a的位置，而发射射束151n的位置对应于单独发射器111n的位置。
虽然未在图1描绘的实施例中示出，但本发明的实施例可包括多种用于在激光源111发射的射束与位置到角度转换镜片112相互作用之前操纵这些射束的镜片。通常，二极管激光器发射的射束具有不对称的射束轮廓，即射束沿着垂直于其传播方向定义的两条轴以不相干的速率发散。所述两条轴可被标示为快轴和慢轴，射束沿快轴更快地发散，相比较而言射束沿慢轴更慢速地发散。射束的这种操作可称为预处理并且例如可包括：射束的旋转以使得下游处理沿快轴而非沿慢轴执行、沿着快轴对射束准直、和沿着慢轴对射束准直。各种现有技术的文献讨论了用于二极管激光发射器发射的射束的预处理技术。例如，美国专利申请no.14/053,187或美国专利no.8,724,222和no.8,553,327记载了对激光源111发射的射束的操纵，所有这些文献通过引用并入本申请。
位置到角度转换镜片112将发射射束151的位置光谱转换成射束合并器输入射束152的角谱。在图1描绘的实施例中，射束合并器输入射束152的角谱指代射束合并器输入射束152相对于位置到角度转换镜片112的传送角度的集合。位置到角度转换镜片112将发射射束151中每个射束的位置(相应于激光源111的一个发射器的位置)转换为相对于射束合并系统102的角色散镜片114的入射角。特别地，射束合并器输入射束152的角谱确定了相对于角色散镜片114的一组入射角。因而，射束合并器输入射束152具有由激光源111中的发射器的空间分布和位置到角度转换镜片112确定的角谱。例如，位置到角度转换镜片112将发射射束151a的位置转换成射束合并器输入射束152相对于角色散镜片114的入射角。
例如可称作第二偏振镜片的双折射镜片113将发射射束151的偏振态旋转以使得射束合并器输入射束152的每个构成成分的偏振态相对于发射射束151的相应分量旋转。在图1描绘的实施例中，双折射镜片113为半波片，其旋转发射射束151的te偏振态从而为射束合并器输入射束152提供tm偏振态。可在不同的实施例中使用不同的双折射镜片。
射束合并系统102包括角色散镜片114。角色散镜片114将射束合并器输入射束152具有的角谱(其由位置到角度转换镜片112赋予)转换为与波长相关的角谱。角色散镜片114相对于位置到角度转换镜片112布置成使得射束合并器输入射束152的每个构成成分的优选谐振模式分量以共同的传播方向、并且作为合并输入射束153的分量从角色散镜片114射出。在图1描绘的实施例中，角色散镜片114为与偏振相关的镜片，特别为依赖偏振的光栅。然而，在替代实施例中，可使用与偏振无关的镜片，例如与偏振无关的光栅。合并输入射束153为包括多个单独构成射束的合并多波长射束，所述构成射束中的每个相当于发射射束151的构成成分。合并输入射束153在tm偏振态中承载其光学功率。
在图1描绘的实施例中(其包括可选空间滤波元件117)，输入生成系统101的转换镜片112、射束合并系统输入102的角色散镜片114、和可选空间滤波元件117的相对定位和性能由此能选择允许通过外置谐振器系统传播的每个发射射束151的优选谐振模式分量。从外置谐振器系统中滤除发射射束151中每个发射射束的替代谐振模式分量。特别地，射束合并器输入射束152的每个构成成分的替代谐振模式分量相对于合并输入射束153的公共传播方向成角度地从角色散镜片114射出，随后通过可调节反馈系统103的可选空间滤波元件117从系统滤除。
可调节反馈系统103接收合并的反馈系统输入射束154。合并的反馈系统输入154为合并输入射束153在偏振射束分束器115上的反射，在图1描绘的实施例中该偏振射束分束器配置成反射具有tm偏振态的射束分量并且传输具有te偏振态的射束分量。合并的反馈系统输入射束154为包括多个具有tm偏振态的独立构成射束的合并多波长激光束9(每个构成射束相当于发射射束151的构成成分)。可调节反馈系统103包括可调节双折射镜片116，其旋转合并反馈系统输入射束154的偏振态从而产生合并的空间滤波输入射束或旋转的合并输入射束155。在图1描绘的实施例中，可调节双折射镜片116为可旋转的四分之一波片，该波片将合并的反馈系统输入射束154的偏振态旋转成te和tm偏振态的组合并且在te和tm偏振态之间引起相位转换，由此提供具有椭圆(如圆形)偏振态的合并的空间滤波输入射束、或旋转的合并输入射束155。因而，合并的空间滤波输入射束或旋转的合并输入射束155为合并的多波长激光束，其包括多个独立构成射束(即旋转分量输入射束)、并且在te和tm偏振态的组合中承载其光学功率。
在图1描绘的实施例中，可调节双折射镜片116为提供入射束的偏振态的宽带消色差旋转的消色差镜片(具体为消色差四分之一波片)。这种消色差四分之一波片可由双折射材料制成的多个板构成。譬如，可调节双折射镜片116可由石英制成的第一薄板和硅制成的第二薄板构成，从而提供入射束的偏振态的宽带消色差旋转。在一些实施方式中，可调节双折射镜片116可由多个表面截然不同的部件形成。但是，替代实施方式可以使用其他各种双折射镜片，并且可由其他各种材料构成。这种替代的镜片可以以不同方式对合并的反馈系统输入射束154的偏振态和其构成成分产生影响。
在首次穿过可调节双折射镜片116之后，合并的空间滤波输入射束或旋转的合并输入射束155被hr镜121反射成反射的合并空间滤波输出射束、或旋转的合并输入射束156的反射，其带有处于te和tm偏振态的组合中的光学功率并且在其间具有相对的相位偏移。在图1描绘的实施例中，可调节双折射镜片116使得旋转的合并输入射束的反射或反射的合并空间滤波输出射束156的偏振态旋转，并且消除反射的合并空间滤波输出射束156的te和tm偏振态之间的相位偏移，从而产生第一合并反馈系统输出射束157a(其具有te偏振态)和第二合并反馈系统输出射束157b(其具有tm偏振态)。第一合并反馈系统输出射束157a和第二合并反馈系统输出射束157b一起构成合并的反馈系统输出射束157。第一合并反馈系统输出射束157a包括多个第一反馈系统输出分量射束，且第二合并反馈系统输出射束157b包括多个第二反馈系统输出分量射束。通过对可调节双折射镜片116的调节可改变第一合并反馈系统输出射束157a和第二合并反馈系统输出射束157b所承载的光学功率的相对量。例如，为了将相对较大或较小的光学功率量转变成合并的反馈系统输出射束157的不同分量，可以旋转图1描绘的实施例中的四分之一波片。
分束系统104包括偏振射束分束器115。偏振射束分束器115通过传输作为合并输出射束158(在te偏振态中承载其光学功率)的第一合并反馈系统输出射束157a并通过反射作为合并反馈射束159(在tm偏振态中承载其光学功率)的第二合并反馈系统输出射束157b来分离第一合并反馈系统输出射束157a和第二合并反馈系统输出射束157b。在实践中，有必要返还发射射束151所承载的少于50％的光学功率以作为反馈，从而将发射射束151所承载的少于50％的光学功率引导到第二合并反馈系统输出分量射束157b(因此到合并反馈射束159)中是有必要的。为了实现dwbc系统100的高操作效率，优选返还发射射束151所承载的少于15％的光学功率以作为反馈，从而将发射射束151所承载的少于15％的光学功率引导到合并反馈射束159中是有必要的。通过产品测试和试验，已经确定当发射射束151所承载的光学功率的大约4％至大约10％被引导到合并反馈射束159中时，能实现dwbc系统100的最优运行。
合并反馈射束159在从偏振射束分束器115射出之后入射到角色散镜片114上，该反馈射束159保持了第二合并反馈系统输出射束157b的tm偏振态并且包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束(即第二反馈系统输出分量射束)。合并反馈射束159的多个空间上和方向上重叠的单波长射束作为反馈射束160从角色散镜片114射出，反馈射束160一起具有与波长相关的、由角色散镜片114赋予的角谱。朝着激光源111引导反馈射束160穿过双折射镜片113和位置到角度转换镜片112。双折射镜片113旋转反馈射束160的每个构成成分的偏振，并且位置到角度转换镜片112将反馈射束160的每个构成成分引导到激光源111的各个发射器中。由此，合并反馈射束159被引回到激光源111的多个射束发射器，从而稳定发射射束151的波长。
具体地，位置到角度转换镜片112将反馈射束160成像到激光源111上。具体而言，位置到角度转换镜片112通过将由角色散镜片114在反馈射束160上赋予的与波长相关的角谱转换成与优选谐振模式波长的集合和激光源111中每个发射器的空间位置相对应的波长-位置光谱而引导反馈射束160的每个构成成分到激光源111的各个发射器中。通过这种方式，反馈射束160的每个构成成分被引导进激光源111中发射发射射束151的相应成分的发射器。由此，激光源111中的每个发射器(或通道)调节其所发射的发射射束151的构成成分的波长以匹配外置谐振器为其选择的波长。虽然每个通道调节至单一波长，构型不会排除多通道均发射波长相同的射束的可能性。例如，在激光源111为堆叠的二极管线阵的情形下，来自不同二极管线阵的各个发射器发射波长相同的射束也是有可能的。
如上所述，为了通过降低替代谐振模式分量的影响而提高射束品质，可选空间滤波元件117可被集成到可调节反馈系统103中。在图1描绘的实施例中，空间滤波元件117包括两个位置到角度转换镜片118和120，它们沿着可调节双折射镜片116和hr镜121之间的光学路径绕着孔119的任一侧布置。孔119通过仅允许具有合并的空间滤波输入射束(或旋转的合并输入射束)155(其从合并输入射束153得到)的共同传播方向的射束通过而过滤发射射束151的每个成分的替代谐振模式分量。这两个位置到角度转换镜片118和120通过(相对于合并的空间滤波输入射束155的共同传播方向)增大替代谐振模式分量所具有的角谱提高孔119滤除替代谐振模式分量的保真度(从而确保这种分量不会通过孔119)。通过这种方式，从合并输出射束158除去发射射束151的构成成分的替代谐振模式分量。也防止替代谐振模式分量作为反馈到达激光源111的发射器，从而防止替代谐振模式分量引起光谱串扰。
在替代实施例中，空间滤波元件117可以为波导结构、具有梯度层的一组镜子、或任何其它能够滤除不期望的替代谐振模式分量的部件或部件组。在图1所描绘实施例的替代实施例中，发射射束151的每个成分的替代谐振模式分量通过沿着足够长的光学路径使角色散镜片114与hr镜121分开被滤除，而没有使用空间滤波元件117。在这种实施例中，在从角色散镜片114射出后，替代谐振模式分量在到达高反射镜121之前从合并输入射束153的光学路径(因而从合并的反馈系统输入射束154和旋转的合并输入射束155)发散，由此没有被反射。在这些替代实施例中，可以省略例如包括孔、波导结构、具有梯度层的一组镜子等的空间滤波元件117。
图2a和2b示出了用于外腔激光设备中的激光源的构型，其中激光源为通过水平堆叠的二极管线阵形成的二极管激光器的阵列。图2a和2b都示出了通过水平堆叠n个二极管线阵构成的mⅹn二极管激光器阵列，每个二极管线阵具有m个单独的二极管激光发射器。图2a和2b中描绘的激光源的构型可为几何堆叠构型(几何堆叠)、光学堆叠构型(光学堆叠)或任何其它成形多个射束的设备中的任意一种。在图2a所示的构型中，二极管激光器200a阵列的m个单独的发射器中的每个发射器具有与水平堆叠方向平行的慢轴。当合并轴线与发射器的慢轴平行时，用元件201a描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成二极管激光器200a阵列的激光源。在图2b所示的构型中，二极管激光器200b阵列的m个单独的发射器中的每个发射器具有与水平堆叠方向平行的快轴。当合并轴线与发射器的慢轴平行时，用元件201b描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成二极管激光器200b的阵列的激光源。但是，通过使用适当的转换镜片例如光束旋转器或光束旋光器(beamtwister)，图2a所示的构型能产生具有轮廓201b的合并输出射束，图2b所示的构型能产生具有轮廓201a的合并输出射束。
图3a、3b和3c示出了用于外腔激光设备的激光源的构型，其中，激光源为通过竖直堆叠的二极管线阵形成的二极管激光器的阵列。图3a、3b和3c均示出了为mⅹn二极管激光器阵列的激光源，所述二极管激光器阵列通过竖直堆叠均具有m个单独的二极管激光发射器的n个二极管线阵形成。图3a、3b和3c中描绘的激光源的构型可为几何堆叠构型(几何堆叠)、光学堆叠构型(光学堆叠)或任何其它成形多个射束的设备中的任意一种。在图3a所示的构型中，二极管激光器300a阵列的m个单独的发射器中的每个发射器具有与竖直堆叠方向垂直的慢轴。当合并轴线平行于发射器的慢轴时，用元件301a描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成二极管激光器300a阵列的激光源。在图3b所示的构型中，二极管激光器300b阵列的m个单独的发射器中的每个发射器具有与竖直堆叠方向平行的快轴。当合并轴线平行于发射器的快轴时，用元件301b描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成二极管激光器300b阵列的激光源。在图3c所示的构型中，二极管激光器300c阵列的m个单独的发射器中的每个发射器具有与竖直堆叠方向垂直的快轴。当合并轴线平行于发射器的快轴时，用元件301c描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成二极管激光器300c阵列的激光源。然而，通过使用适当的转换镜片例如光束旋转器，图3a-c中所示的各种构型能产生具有各种不同轮廓的合并输出射束。例如，美国专利no.8,553,327中记载了这种转换镜片以及它们所能产生的转换效果，该专利通过引用并入本申请。
图4示出了用于外腔激光设备中的激光源的构型，其中激光源为通过二维堆叠的二极管线阵形成的二极管激光器阵列。图4示出了为阵列400的激光源，该阵列由均具有m个单独发射器的三列n个二极管线阵组成。换言之，阵列400包括n个二极管线阵的三个竖直堆叠的水平堆叠，或可替换地，阵列400包括三个二极管线阵的n个水平堆叠的竖直堆叠。在图4所示的构型中，3*m*n个单独的二极管发射器中的每个发射器具有与水平堆叠方向平行的快轴。图4中描绘的激光源的构型可为几何堆叠构型(几何堆叠)、光学堆叠构型(光学堆叠)或任何其它成形多个射束的设备中的任意一种。当合并轴线平行于发射器的慢轴时，用元件401描绘由dwbc激光设备产生的合并输出射束的轮廓，该dwbc激光设备具有配置成阵列400的激光源。然而，假如使得发射器的快轴对齐成垂直于水平堆叠方向，即与竖直堆叠方向平行，则图4所示的构型将能够产生具有不同轮廓的合并输出射束。进一步地，通过使用适当的转换镜片例如光束旋转器，图4所示的构型能产生具有各种不同轮廓的合并输出射束。例如，美国专利no.8,724,222和no.8,553,327中记载了这种转换镜片以及它们所能产生的转换效果。
所提出的波长稳定和合并系统能结合任何类型的堆叠激光二极管线阵一起使用。因而，即能在沿着各个线阵的发射器阵列尺寸的方向上，又能在与其垂直的方向上合并单独的射束。由此，最终合并的射束可具有或虚拟线阵或虚拟发射器的外观。对于一些应用场合，为了在射束合并过程后获得期望的射束品质，可取的是最终成为需要多个二极管线阵的水平堆叠的虚拟发射器。对于传统宽发射域二极管激光器线阵(bals)的水平堆叠阵列，一个通常将沿着所有单独的发射器的慢轴(sa)与这些发射器合并。对于一些应用场合，该合并方案具有这样的缺点，即沿着每个发射器的慢轴的射束品质已经接近期望值(～3mm·mrad)。因而，由过量线宽和像差引起的任何射束品质降低会导致射束品质的进一步变差，这能将有效耦合限制到5mm·mrad光纤。对于宽发射域二极管线阵而言，通过使用微光学射束旋转器可解决该问题，所述旋转器将各个发射器绕着它们的传播轴线旋转90度。于是，能沿着每个发射器的期望轴线进行射束合并的方向，使得在射束品质轻微下降的同时能产生射束参数积小于2mm·mrad的射束。然而，当使用替代的二极管激光器线阵结构例如单模二极管激光器阵列、片状耦合光波导激光器阵列(scowl)、或旋转的单发射器bal阵列时，能省略射束旋转微光学元件并且使用发射射束从而直接合并波长射束。
图5示出了根据本发明实施例的、用于通过密集波长射束合并技术产生包括多个空间上和方向上重叠的射束的单一、多波长输出激光束的设备，所述射束均具有窄波长谱。图5中描绘的dwbc设备500几乎包括所有图1中所描绘的相同部件。然而，在图5描绘的实施例中，外置谐振器输入射束或发射射束151承载了其在主外置谐振器分量发射射束161(处于tm偏振态)中的大部分光学功率，还承载了在次外置谐振器分量发射射束171(处于te偏振态)中不可忽视的一部分光学功率。次外置谐振器分量发射射束171由于制造过程中和运行环境中的微小变化以及由于制造期间在安装过程中作用于各个发射器上的外部应力所引起。这种外部应力由在制造过程中二极管线阵的硬钎焊引起。硬钎焊的二极管线阵提供了长期的运行稳定性，但在硬钎焊安装过程期间产生的机械应力可导致发射射束大约10％-20％的消偏振(也就是说，发射射束的光学功率的10％-20％被承载在与承载发射射束的剩余光学功率的偏振态正交的偏振态中)。
为了使用次外置谐振器分量发射射束171中承载的光学功率，dwbc设备500利用射束再循环系统505。射束再循环系统505提供一种用于将次外置谐振器分量发射射束171耦合进合并的外置谐振器输出射束158的装置。射束再循环系统505包括双折射镜片511和高反射(hr)镜512。
在图5描绘的实施例中，激光源111的多个单独发射器发射外置谐振器输入射束151。为了简单起见，在对图5剩下的描述中外置谐振器输入射束151将简称为发射射束151。发射射束151例如包括发射射束151a和发射射束151n。在图5描绘的实施例中，发射射束151承载主外置谐振器分量发射射束161(处于tm偏振态)和次外置谐振器分量发射射束171(处于te偏振态)这两者中的光学功率。主外置谐振器分量发射射束161和次外置谐振器分量发射射束171的相应偏振态可为例如通过双折射元件(如图1的双折射元件13)旋转激光源发射的光学功率的结果。如图5所示，既包括tm偏振的主外置谐振器分量发射射束161又包括te偏振的次外置谐振器分量发射射束171具有关于角色散镜片114的角谱。
角色散镜片514(其代替图1的角色散镜片114)将tm偏振的主外置谐振器分量发射射束161和te偏振的次外置谐振器分量发射射束171具有的角谱转换成与波长相关的角谱。在图5描绘的实施例中，角色散镜片514为偏振不灵敏镜片，特别为偏振不灵敏光栅。角色散镜片514如此定位使得主外置谐振器分量发射射束161每个成分的和次外置谐振器分量发射射束171每个成分的优选谐振模式分量以公共的传播方向、并且作为合并输入射束153的分量从角色散镜片514射出。合并输入射束153为包括多个单独构成射束的合并多波长射束，构成射束中的每个射束相当于发射射束151的构成成分。合并输入射束153在tm偏振的主合并输入射束163(其相当于外置谐振器分量发射射束161)和te偏振的次合并输入射束173(其相当于外置谐振器分量发射射束171)这两者中承载其光学功率。
偏振射束分束器115通过将主合并输入射束163反射为合并的主反馈系统输入射束164并通过将次合并输入射束173传输为合并的射束再循环输入射束184而将合并输入射束153分离。合并的主反馈系统输入射束164为包括多个单独构成射束的合并多波长激光束，构成射束的每个相当于具有tm偏振态的分量发射射束161的构成成分。合并的射束再循环输入射束184为包括多个单独构成射束的合并多波长激光束，构成射束的每个相当于具有te偏振态的分量发射射束171的构成成分。
图5的合并的主反馈系统输入射束164以与图1的合并的反馈系统输入射束154相同的方式与可调节双折射镜片116和高反射(hr)镜121相互作用。当首次横穿可调节双折射镜片116、从hr镜121反射并且第二次穿过可调节双折射镜片116后，合并的主反馈系统输入射束164所承载的光学功率作为第一合并反馈系统输出射束167a(其具有te偏振态)和第二合并反馈系统输出射束167b(其具有tm偏振态)从可调节双折射镜片116射出。包括多个第一反馈系统输出分量射束的第一合并反馈系统输出射束167a和包括多个第二反馈系统输出分量射束的第二合并反馈系统输出射束167b一起构成合并的主反馈系统输出射束167。通过对可调节双折射镜片116进行调节可改变第一合并反馈系统输出射束167a和第二合并反馈系统输出射束167b所承载的光学功率的相对量。
在图5描绘的实施例中，可选空间滤波元件117置于可调节双折射镜片116和hr镜121之间。图5中的可选空间滤波元件117通过以与上文针对图1的描述相同的方式降低替代谐振模式分量的影响而提高了射束品质。
偏振射束分束器115以与在图1描绘的实施例中偏振射束分束器115分离第一合并反馈系统输出分量射束157a和第二合并反馈系统输出分量射束157b相同的方式将在图5描绘的实施例中的第一合并的主反馈系统输出射束167a和第二合并的主反馈系统输出射束167b分离。因而，第一合并的主反馈系统输出射束167a被传输为合并的外置谐振器输出射束158的分量，且第二合并反馈系统输出射束157b被反射为合并反馈射束159。合并反馈射束159以与图1描绘的实施例中传播合并反馈射束159相同的方式在图5描绘的实施例中传播。合并反馈射束159承载的光学功率最终会作为反馈提供给发射发射射束151的多个发射器。
合并的射束再循环输入射束184通过双折射镜片511传输，并且被hr镜512反射回并通过双折射镜片511。合并的射束再循环输入184承载的光学功率每当其通过双折射镜片511时就被旋转使得其作为合并的射束再循环输出射束177射出，该合并的射束再循环输出射束可被称为第三合并的反馈系统输出射束并且在图5描绘的实施例中为在tm偏振态中承载其光学功率的合并多波长激光束。合并的射束再循环输出射束被偏振射束分束器115反射为合并的外置谐振器输出射束158的分量。
图6示出了根据本发明实施例的、用于通过密集波长射束合并技术产生包括多个空间上和方向上重叠的射束的单一、多波长输出激光束的设备，所述射束均具有窄波长谱。图6中描绘的dwbc设备600包括很多与图1中相同的部件。然而，与图5描绘的实施例一样，在图6描绘的实施例中，外置谐振器发射射束151承载了其在主外置谐振器分量发射射束161(处于tm偏振态)中的大部分光学功率，还承载了在次外置谐振器分量发射射束171(处于te偏振态)中不可忽视的一部分光学功率。如同在图5中，角色散镜片514(其为偏振不灵敏镜片)代替了角色散镜片114。
为了使用次外置谐振器分量发射射束171中承载的光学功率，dwbc设备600利用第二反馈系统605。第二反馈系统605提供一种用于将次外置谐振器分量发射射束171耦合进合并反馈射束159的装置。第二反馈系统605包括空间滤波元件611和高反射(hr)镜610和615。
在图6描绘的实施例中，激光源、例如图1中描绘的激光源111的多个单独发射器发射外置谐振器发射射束151。为了简单起见，在剩下对图6的描述中外置谐振器发射射束151将简称为发射射束151。发射射束151例如包括输入射束151a和输入射束151n。在图6描绘的实施例中，发射射束151承载主外置谐振器分量发射射束161(处于tm偏振态)和次外置谐振器分量发射射束171(处于te偏振态)这两者中的光学功率。
图6中的主外置谐振器分量发射射束161以与它们通过图5的dwbc设备500传播相同的方式通过dwbc设备600传播。因而，图6的主外置谐振器分量发射射束161承载的光学功率最终在合并的外置谐振器输出射束158和第一合并反馈射束169之间划分。
图6中的次外置谐振器分量发射射束171以与它们通过图5的dwbc设备500传播相同的方式通过dwbc设备600传播，直至它们作为次合并输入射束173到达偏振射束分束器115。在图6中，次合并输入射束173通过偏振射束分束器被传输为合并的次反馈系统输入射束174。合并的次反馈系统输入射束174为由多个均被te偏振化的构成射束组成的合并、多波长射束。
在图6描绘的实施例中，可选空间滤波元件611通过以与上文针对图1的可选空间滤波元件117的描述相同的方式降低替代谐振模式分量的影响而提高了射束品质。可选空间滤波元件611包括两个沿着hr镜610和615之间的光学路径绕着孔613的任一侧定位的位置到角度转换镜片612和614。孔613通过仅允许具有合并的次反馈系统输入射束174(其从次合并输入射束173得到)的共同传播方向的射束通过而过滤次外置谐振器分量发射射束171的每个成分的替代谐振模式分量。这两个位置到角度转换镜片612和614通过(相对于合并的次反馈系统输入射束174的共同传播方向)增大替代谐振模式分量所具有的角谱而提高孔613滤除替代谐振模式分量的保真度(从而确保这种分量不会通过孔613)。通过这种方式，从合并的次反馈系统输出射束或第三合并的反馈系统输出射束177中去除了次外置谐振器分量发射射束171的成分的替代谐振模式分量。
在替代实施方式中，空间滤波元件611可以为波导结构、具有梯度层的一组镜子、或任何其它能够滤除不期望的替代谐振模式分量的部件或部件组。在替代实施方式中，次外置谐振器分量发射射束171的每个成分的替代谐振模式分量通过沿着足够长的光学路径使角色散镜片114与hr镜615分开而被滤除，而没有使用空间滤波元件611。在这种实施例中，在从角色散镜片114射出后，替代谐振模式分量在到达hr镜615之前从次合并输入射束173(因而合并的次反馈系统输入射束174)的光学路径发散，由此没有被反射。
在通过空间滤波元件611之后，合并的次反馈系统输入射束174被hr镜615反射回并通过空间滤波元件611，随后被hr镜610反射回并作为合并的次反馈系统输出射束或第三合并反馈系统输出射束177进入偏振射束分束器115。图6的第三合并反馈系统输出射束177为由多个空间上和方向上重叠的、te偏振的构成射束组成的合并、多波长激光束。第三合并反馈系统输出射束177被偏振射束分束器115作为第二合并反馈射束179传输。第二合并反馈射束179在te偏振态中承载光学功率。第二合并反馈射束179中承载的光学功率最终作为反馈(通过经由dwbc设备600的传播，与图1中描绘的合并反馈射束159经过dwbc设备100传播的方式相同)提供给发射发射射束151的多个发射器。
在实践中，有必要返还发射射束151所承载的少于50％的光学功率以作为反馈，从而将发射射束151所承载的少于50％的光学功率引导到第一合并反馈射束分量169和第二反馈射束分量179的组合(由此到合并反馈射束159)中是有必要的。为了实现dwbc系统100的高运行效率，优选返还发射射束151所承载的少于15％的光学功率以作为反馈，从而将发射射束151所承载的少于15％的光学功率引导到合并反馈射束159中是有必要的。通过产品测试和试验，已经发现当发射射束151所承载的光学功率的大约4％至大约10％被引导到合并反馈射束159中时，能实现dwbc系统100的最优运行。在图6描绘的实施例中，第二反馈射束分量179具有的光学功率的量为发射发射射束151的单独发射器的去偏振度的函数。因此，为了获得所期望的反馈量，对可调节双折射镜片116进行调节使得第一合并的主反馈系统输出射束分量167a和第二合并的主反馈系统输出射束分量167b中的每个所承载的相对光学功率向发射发射射束151的各个发射器传输所期望的总反馈量。
因而，可以想到本发明的其它实施方案可以在细节上与前述示例不同。同样，对于本发明的所有引用旨在引用在说明书中的那点所讨论的本发明的具体示例，而并非旨在意味着对于本发明的范围的更概括的任何限制。相对于特定特征的所有区分和贬抑用语旨在表明这些特征没有优选选择，但是除非另有指示，否则并非是将这些特征从本发明的整个范围排除。
权利要求中使用的术语将理解成具有与上述说明一致的、最宽泛的合理解释。譬如，在介绍元件时使用的冠词“一个”和“所述”不应解释成排除了多个元件。同样，“或”的使用应解释成包含性的，以至于“a或b”并不排除“a和b”，除非从上述说明的上下文中可清楚获知仅需要a和b中的一个。进一步地，使用“a、b和c中的至少一个”时应解释成由a、b和c组成的元件组中的一个或多个，而不解释成需要所列元件a、b和c中每种的至少一个，不管a、b和c是否与类别或其他方式相关。并且，使用“a、b和/或c”或“a、b或c中的至少一个”时应解释成包括来自所列元件的任何单一整体例如a、来自所列元件的任何子集例如a和b、或元件a、b和c的整个目录。
因此，本发明包括由适用法律允许的、所附的权利要求中记载的保护主题的所有修改方案和等价方案。而且，除非在此另有指明或与文本明确相反，本发明包含以上描述的元件在其所有可能变型中的任何结合。