二维激光元件的外腔一维多波长光束合并的制作方法

专利名称：二维激光元件的外腔一维多波长光束合并的制作方法
技术领域：
概括起来，本发明涉及一个使用外腔的激光光源领域，特别是涉及合并二维激光源形成外腔一维波长光束的方法和设备。
背景技术：
使用激光阵列的高效多波长激光源具有包括材料加工、激光泵以及多种医疗程序等许多应用。外腔一维波长光束结合二极管阵列和二维二极管堆作为增强激光阵列和激光堆能量和亮度的一种技术已经在美国专利号为6327292的申请中有所描述。用于合并二维激光堆形成外腔一维波长光束的光束合并器的标准架构见附图1A。 附图IA说明了一个闭环波长光束合并腔。该合并腔包含激光堆110，在示例中，激光堆110 包括含3个激光二极管块的竖向堆。每一个二极管块由多个作为发射器的激光二极管组件组合而成。该合并腔同时也包含柱面透镜120、衍射光栅130和一个部分反射输出耦合器 140。柱面透镜120放置在激光堆110和衍射光栅130之间距离等于焦距的位置上。柱面透镜120汇聚来自在激光堆中每一个二极管块的激光二极管组件的光束以便使光束空间重叠，在衍射光栅130上形成一个重叠区域。部分反射输出耦合器140放置在来自衍射光栅130的一阶衍射光束的路径上并将一束光的一部分反射回重叠区域，接着衍射光栅130 将光反射回激光堆110，从而在部分反射输出耦合器140和激光堆110的激光二极管组件之间形成共振腔。这样部分反射输出耦合器140和衍射光栅130提供反馈强制各个二极管块中的每一个激光二极管组件发出可控的单一波长的激光，并使光束在近场(在输出耦合器 140上)和远场重叠。这样，如附图IA所示，通过适当排列柱面透镜120、衍射光栅130和输出耦合器140，对每一个激光堆110中的二极管块即可产生单一的光束。在图IA的示例中，输出光束150包含三个光束，每个光束来自激光堆110中的3 个二极管块中的一个，并且三个输出光束中的每一束都由源自构成各个二极管块的激光二极管组件的空间重叠光束构成。于是实现了沿激光堆110水平方向的波长光束合并。在垂直方向上堆叠多个二极管块可用于放大能量。附图IB说明了开环波长光束合并腔。在该开环腔中，激光组件用波长调制体布拉格光栅(VBG) 160对单一波长进行波长稳定。将体布拉格光栅160尽可能靠近激光堆110放置。柱面透镜120和衍射光栅130与体布拉格光栅160的波长扩展匹配。再次实现了激光组件的波长光束合并，在垂直方向上竖向堆叠多个二极管块实现了能量放大。

发明内容
发明方面和实施方案针对的是通过合并二维激光光源(例如)形成一维波长光束从而增强这些激光源功率和亮度的一种方法和设备。波长光束合并体系的重要特征包括输出光谱、输出光束质量、尺寸和效率。如上所述，对二极管激光阵列，传统的一维波长光束合并器，是沿阵列即横向对波长光束进行合并，也就是，对来自构成单个二极管块的多元激光二极管组件的光束进行合并。相比之下，根据发明方面和实施方案，波长合并是沿正交方向进行，并且对于二极管激光源是沿着阵列的堆叠方向进行，也就是，对来自多元二极管块的光束进行合并，放宽了公差要求，并允许使用低成本、现成的二极管块。特别是，至少某些实施方案是针对一项波长光束合并的实施，其中，当应用于二极管激光光源时，如下文进一步所述，其鲁棒性和效率很大程度上独立于“封装误差”和对准误差。沿堆叠方向的波长光束合并允许高功率的激光在比传统光束合并成本低的条件下实现，并具有广泛的应用。根据一个实施方案，多波长光束合并器包含含有沿激光堆堆叠方向排列的多元激光阵列，每一个激光阵列设定产生具有单波长的光辐射，并且每一个多元激光阵列包含沿激光堆中阵列方向的多元光增益组件。该多波长光束合并器进一步包含设定对每一个多元光增益组件沿其慢轴进行成像的柱面望远镜、设置用于拦截来自每一个多元激光阵列的光辐射并沿激光堆堆叠方向合并该光辐射形成多波长光束的转换透镜以及放置在光辐射重叠区域接收和发送多波长光束的衍射元件。柱面望远镜设置将每一个多元光增益元件成像到颜射元件。堆叠方向也许很大程度上垂直于阵列方向。在一个实施例中，多元激光阵列包含多元激光二极管块，而多元光增益组件包含多元激光二极管发射器。在另一个实施例中，多元二极管阵列包含一个多元光纤维激光阵列，而多元光增益组件包含一个多元光纤维激光发射器。在另外一个实施例中，激光堆包含一个分离半导体激光发射器堆，其可能是半导体模具或半导体封装模具，沿阵列方向成行排列，并且多元激光阵列中的每一个阵列包含一行分离的半导体激光发射器。根据另一个实施例，多波长光束合并器进一步包含放置在激光堆和柱面望远镜之间并设定与产生一系列单一波长的激光堆形成一个自由空间腔室的体布拉格光栅。该体布拉格光栅可以是波长调制体布拉格光栅，在其中波长被调制沿堆叠方向。在一个实施例中， 变换透镜被放置在距激光堆一个焦距的位置上。在另一个实施例中，衍射元件是衍射光栅。 在另一个实施例中，变换透镜是柱面变换透镜。柱面望远镜可以包含第一透镜组件和第二透镜组件，该变换透镜可以放置在第一和第二透镜组件之间。该外腔多波长光束合并器可以进一步包含设置用于接收来自衍射元件的多波长光束的部分反射输出耦合器，将一部分多波长光束反射回重叠区域并传送由多个具有多元化独特波长的光辐射构成的该多波长光束。其中的衍射元件、部分反射耦合器和激光堆一起构成产生多元特定波长的自由空间腔。部分反射耦合器可以是无源光纤输出耦合器。外腔多波长光束合并器可以进一步包括放置在激光堆和柱面望远镜之间的形变扩束器。该外腔多波长光束合并器也可以包含额外的放置在衍射光栅和部分反射输出耦合器之间的柱面望远镜，其中这个额外的柱面望远镜设定将沿阵列方向的多元二极管发射器成像到部分反射输出耦合器。该多波长光束合并器
6可以进一步包括连接到激光堆的多元准直微透镜。根据另一个实施方案，外腔多波长光束合并器由激光堆构成，该激光堆包含设定产生具有第一个波长的第一个光束激光阵列和设定产生具有第二个波长的第二激光阵列。 第一个和第二个激光阵列各自包含沿激光堆的阵列方向排列的多元光增益组件。并且设定产生光辐射以便产生第一和第二光束。外腔多波长光束合并器进一步包含设置拦截第一和第二光辐射并对沿阵列方向的多元光增益组件成像的柱面望远镜、设置拦截第一和第二光束并在激光堆的堆叠方向上重叠第一和第二光束以形成多波长光束的变换透镜。另外，该外腔多波长光束合并器包含放置在第一和第二光束重叠区域的衍射元件，以及部分反射输出耦合器，该耦合器设置接收来自衍射元件的多波长光束，将该多波长光束一部分反射回重叠区域，并传送该由具有第一波长和第二波长的光辐射构成的多波长光束。衍射元件、部分反射输出耦合器和激光堆一起形成产生第一波长和第二波长的自由空间，其堆叠方向很大程度上与阵列方向垂直。在一个实施例中，第一和第二激光阵列是激光二极管块，每一个激光二极管块包含多元激光二极管发射器。在另外一个实施例中，激光堆包含沿阵列方向按行设置的半导体激光发射器堆，其中第一和第二激光阵列各自包含一行半导体激光发射器。在另一个实施例中，多元第一和第二激光阵列的多元结构是光纤激光阵列，多元光增益组件包含多元光纤发射器。在一个外腔多波长光束合并器的实施例中，通过合并沿堆叠方向的第一和第二光束，变换透镜设置用来形成多波长光束。在另一个实施例中，柱面望远镜设置对每一个沿光增益组件慢轴的多元光增益组件成像到衍射元件。该外腔多波长光束合并器可以进一步包含放置在激光堆和柱面望远镜之间的形变扩束器。该外腔多波长光束合并器也可以包含一个放置在衍射元件和部分反射耦合器之间的额外的柱面望远镜，并设定在阵列方向上将衍射元件成像到部分反射输出耦合器。在一个实施例中，成像望远镜被放置在激光堆和柱面望远镜之间，并设定在堆叠方向上降低第一光束和第二光是的尺寸。成像望远镜可以包含第一个透镜和第二个透镜，其中第一和第二透镜中至少一个是球面镜。根据另一个实施方案，多波长光束合并器包含多元激光二极管块的堆叠阵列，其中每一个激光二极管包含一个或多个沿该堆叠阵列方向排列并设定产生光先的激光二极管组件，柱面透镜设定接收由一个或多个激光二极管组件产生的光线并沿阵列方向将光线成像和设定接受光线并形成包含由每一个多元激光二极管块产生的光线重叠而成的光束的多波长光束。另一个实施方案是针对波长光束合并的方法。该方法包含用多元激光阵列产生具有特定波长的多元光束、沿第一方向对多元光束成像以及在重叠区域沿第二方向对多元光束空间重叠以便产生具有多元特定波长的多波长光束的行为。在一个实施例中，多元光束的空间重叠包括在重叠区域传导多元光束到放置在重叠区域的衍射元件。该方法可以进一步包括传导多波长光束到设定接收来自衍射元件辐射的部分反射元件、部分反射元件和多元激光阵列一起形成产生多元特定波长的自由空间激光腔以及传送由具有多元特定波长辐射构成的多波长光束通过部分反射元件的行为。在另一个实施例中，该方法进一步包括用波长调制体布拉格光栅稳定多元特定波长的行为。还有其他方面、实施方案以及这些典型方面和实施方案的优点在下文中详细讨论。本发明在此公开的任何实施方案可以与任何符合在此公开的对象、目标和需求的方式的任何其他的实施方案相结合，“一个实施方案”、“某些实施方案”、“一个备选实施方案”、 “各种实施方案”、“某实施方案”之类的引用并不是相互排斥的而是为了表明一个特征、结构。在相关的实施方案描述的特点可以包含在至少一个实施方案中。这些术语的出现在此并不一定都指的是同一个实施方案。附图提供对各个方面和实施方案的说明及进一步理解，并被纳入成为规格的一部分。这些图加上其余的规格用来解释原理、所描述的方法和所要保护的方面和实施方案。


在至少一个实施方案中的各个方面将参照附图在下面讨论，附图并未按比例绘制。在图中的技术特征、详细描述或任何权利要求附有参考符号，这些参考符号已包括为销售记者目的而提高图的可懂性、详细描述及生命。因此，这些参考符号本身及其是否出现均不对任何权利要求的范围起限制作用。在这些图中，每一个在各图中出现的相同或接近相同的部件仅代表大致的数值。为清晰起见，不是把每个部件在图中标出。提供这些图是为了说明和解释之目的，并不是为了定义对发明的限制。在图中附图IA是一个传统的沿激光二极管堆的阵列方向合并一维多波长光束闭环基准架构的实施例。附图IB是一个传统的沿激光二极管堆的阵列方向合并一维多波长光束开环基准架构的实施例。附图2是一个因“封装误差”而形成高效自反馈的说明图，作为开环和闭环传统的波长光束合并器架构的实施例附图3是根据本发明的关于闭环一维波长光束合并腔的实施例的图。附图4A是根据本发明的附图3中合并腔的沿堆叠方向上波长光束合并的等效光路图。附图4B是根据本发明的附图3中的合并器在非波长光束合并方向或堆叠方向上的光路图。附图5A是根据本发明的在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的实施例的等效光路图。附图5B是附图5A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图6A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的实施例的另一个等效光路图。附图6B是附图6A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图7A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图7B是附图7A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图8A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图8B是附图8A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图9A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图9B是附图9A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图10是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图IlA是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的光路图。附图IlB是附图IlA合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图12A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，闭环一维波长光束合并腔的另一个实施例的光路图。附图12B是附图12A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图13是根据本发明的开环一维波长光束合并腔实施例的光路图。附图14A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，开环一维波长光束合并腔的另一个实施例的光路图。附图14B是附图14A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图15A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，开环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图15B是附图15A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图16A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，开环一维波长光束合并腔的另一个实施例的等效光路图。附图16B是附图16A合并腔实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图17A是根据本发明在波长光束合并方向或堆叠方向上，引入开环一维波长光束合并腔的主振荡器功率放大器的一个实施例的等效光路图。附图17是B附图17A的放大器实施例的在非波长光束合并或阵列方向上的一个等效光路图。附图18A是根据本发明的由独立光学元件排列而成的光堆实施例的顶视图。附图18B是根据本发明的由二极管阵列或块排列而成的光堆实施例的顶视图。附图18C是根据本发明的由激光堆排列而成的光堆实施例的顶视图。附图18D是根据本发明的由二极管阵列或块排列而成的光堆另一个实施例的顶视图。
附图19是根据本发明说明实现一维波长光束合并腔的方法之实施例的流程图
具体实施例方式本发明及其实施方案涉及用一个外腔放大激光光源到高功率和高亮度状态的领域，特别是，用二维激光源合并成外腔一维波长光束的方法和设备。本发明及其实施方案进一步涉及高功率和/或高亮度并产生一个重叠或同轴光束的多波长外腔激光。特别是，本发明及其实施方案是针对一种合并二维激光光源形成一维波长激光的方法及其设备。其中的二维激光光源可以以机械或光学方式按行或裂排列成阵列或堆，以提高功率和亮度。例如，基于一般现成的高功率激光二极管阵列和堆的激光光源就是基于广域激光元件。通常情况下，这些元件的光束质量是沿快轴衍射限制的并且数倍于沿慢轴的衍射限制。必须明确尽管以下讨论主要针对的是激光二极管、二极管块和二极管堆，但本发明的实施方案并不限于激光二极管并且可以使用许多不同类型的激光发射器，包括光纤激光、独立封装的二极管激光、半导体激光和其他类型的激光。此外，在此使用的术语“阵列”是指一个或多并排放置的激光元件。阵列的方向是沿慢轴的。如在此使用的术语“堆” 是指两个或多个整列堆叠在一起。堆可以以机械或光学方式排列而成。在一个实施例中， 以机械方式排列而成的堆包括两个或多个阵列，它们自然地一个堆叠在另一个上方产生一个堆叠在另一个上方的输出光束。一个以光学方式排列的堆可以使用光学器件对来自两个多个阵列的输出光束进行排列得到，每一个光束来自对应的阵列，这样使输出光束一个堆叠在另一个光束的上面。参见附图18A 18D，图示了光学排列堆的实施例。附图18A说明了一个由独立光学元件1810排列而成的光学堆。反射镜1820用于排列来自光学元件1830的光束，每一个光学元件1830具有一个近场像1840，形成像1850 (包含来自每一个光学元件的光束)对应于独立光学元件1810构成的堆1860(在水平方向上)。尽管光学元件1830可能不是排列在一个堆中，反射镜1820排列光线使得像1850形成，对应于光学组件1810构成的堆1860。 类似地，在附图18B中，反射镜1820可以用来排列来自二极管块或阵列1870的光束形成像 1850对应于二极管块或阵列1875构成的对1860。在这个实施例中，每一个二极管块或阵列1870具有一个包含来自在块或阵列中每个独立元件的光束的近场像1840。类似地，如附图18C所示，反射镜1820也可以用来以光学方式排列激光堆1880形成一个明显较大的整体堆对应于像1850。另一个光学排列堆的实施例见附图18D。在这个实施例中，排列在不同高度上的折叠镜1890用来排列光束二极管阵列或块1870生成像1850相当于显然是二极管阵列或块1870的自然堆。如上所述，每一个二极管阵列或块1678具有像1840，对应于来自阵列或块中独立元件的光束1845阵列。附图18D中所示的排列可类似地应用于对立光学元件1830和/或光学堆1880。因此，必须明确，本发明讨论的任何激光堆可以以机械或自然方式排列成堆或根据上文讨论的实施例或正如本领域的技术人员所熟知的、本发明权益所规定的其他光学堆叠排列方式以光学方式排列。如上所述，传统波长光束合并器把来自单个二极管块的独立激光元件的光线合并以便为每一个二极管块形成单光束。以此方式，波长光束合并传统上是沿激光堆的阵列方向或慢轴实现。这种光束合并的类型给二极管阵列附加了严格的公差容限并对二极管块的完美制造和二极管块构成的精准的堆叠提出了要求，导致增加成本。如下文进一步讨论，相
10比之下，根据一个实施方案，波长光束合并沿堆叠方向或激光堆的快轴方向实现，可以构建低成本、鲁棒的腔室，这可以提供优于传统波长光束合并腔的显著效益。波长光束合并系统的重要性质包括输出光谱、输出光束质量、尺寸和效率。如果堆中的激光元件沿两个轴(即快轴和慢轴)都具有衍射限制的光束质量，那么输出光谱、输出光束质量和尺寸可能很大程度上类似与沿阵列方向实现波长光束合并的传统架构和本发明实施方案中沿堆叠方向实现波长光束合并的架构。然而，如下文进一步所述，沿堆叠方向实现波长光束合并的实施方案可以提高效率和生产能力。另外，如果激光元件没有沿慢轴的衍射限制，在两个方向上的输出特定可能有很大的不同，沿堆叠方向进行波长光束合并可提供显著的优点，包括比沿阵列方向实现波长光束合并的传统结构较优越的性能和降低的成本。因此，如下文进一步所论述，某些方面和实施方案，可以比使用传统波长光束合并技术，至少在显著较低的成本下实现一个显著较高功率的激光光源。必须明确，本发明所讨论的方法和设备的实施方案并不局限于在下文的描述中阐述或在附图中说明的部件的构建或排列的详细应用。这些方法和设备也能在其他实施方案中以多种方式实施和实行或实现。在此提供的具体实施方案为了说明之目的而不是为了限制。特别是，在任何一个或多个相关的实施方案中所讨论的行为、元件和特征不是为了排除在任何其他实例中的类似作用。另外。在此使用的用语和属于是为了描述之目的而不应该认为是限制。任何对本系统提到的单数方法的实施方案或元件或行为的引用也包括包含这些多元元件的实施方案。而且对任何实施方案或元件或行为的任何复数引用也包含仅包括单个元件的实施方案。以单数或复数形式的引用不是为了限制目前公开的系统或方法、其构件、行为或元件。 这里使用的包括、包含、具有、含有、涉及及其变体意指包含列在其后的项目及其等同物，也包含额外的项目。引用“或”可以解释为包括，所以任何使用“或”描述的项目可以说明任何单个、多余一个即所有描述的项目。任何对前和后、左和右、顶部和底部、上部和下部的引用是为了描述的方便，不是限制目前的系统和方法及其构件对任何东西的位置和空间的定位。传统的用二极管阵列和堆进行稳健和高效的波长光束合并非常需要的两个关键特性是具有低封装误差，这里称之为“封装误差”以及低对准误差(也称为准直误差)。在封装过程中出现的阵列弯曲产生的封装误差及对准误差会导致阵列的准直的微透镜未对准，从而降低输出光束品质及减少光束合并效率。传统的光束合并腔，如附图IA和IB所列举的，并未补偿封装误差和对准误差，这样二极管阵列和堆具有非常低的封装误差和对准误差用作稳健和高效的波长光束合并。因此传统架构对组件及组件的排列施加了苛刻的公差以便满足功率和/或亮度目标的要求。相比之下，本发明及其实施方案陈述的方法和架构其中的波长光束合并腔的稳健性和效能不受封装误差和对准误差的影响，因此，放宽了使用低成本现成部件的公差要求。图2中画出了高效闭环腔(曲线210)和开环腔(曲线220)的自反馈作为二极管块封装误差函数的曲线图。这里术语“自反馈”是指一定量来自独立激光元件的光从输出耦合器140反射回激光元件。曲线210对应于闭环波长光束合并器(如附图IA所示)，其中输出耦合器140放置在距离激光堆110的前端面IOOOmm的位置。IOOOmm是闭环波长光束合并腔中输出耦合器的典型放置位置。曲线220对应于开环波长光束合并器(如附图IA所示)，其中体布拉格光栅160放置在距激光堆110的前端面Imm的位置上，在这两种情况下，假定激光堆中的每一个二极管块用焦距910微米的柱面透镜120进行校准。这是一个用于商业二极管阵列或堆的典型焦距。由附图2可以看出，对一个闭环实施例(曲线210)而言，即使是封装误差为零， 自反馈的量也只有大约22%。这是由于高斯光束的自然发散。封装误差大约在0.3微米时，自反馈基本上为零而合并腔将不再发挥正常作用，对于开环的实施例来说，体布拉格光栅放置在距激光堆110端面Imm的位置，激光发射对封装误差的依赖灵敏度较小。但是当封装误差仅为0. 2微米左右时，自反馈就降低50%左右。获得稳定地低于0. 2微米封装误差的激光二极管困难且昂贵。目前现有的单个二极管阵列具有0. 5到1微米左右的封装误差。单个阵列可以以光学方式堆叠形成堆。封装误差的数值限制了波长光束合并系统的性能。当单个阵列以机械安装成一片以形成堆时，在堆中每一个阵列最先进的封装水平在1 到2微米左右。大多数常见的现成的堆以机械方式安装。以机械方式堆叠的形式即使封装误差为零，通常在准直柱面透镜120放置后仍存在对准误差。假定在堆中的阵列具有零封装误差，如果柱面透镜的精度补偿为0. 3微米，那么整个阵列实际上具有0. 3微米的封装误差。于是，由于有效反馈实际上为零使阵列中所有的元件将不能正常工作。目前最先进的二极管阵列和堆的准直误差为1微米左右的补偿范围。这样，传统的波长光束合并受二极管阵列和堆的封装质量的严重限制。此外，由于存在降低自反馈的封装误差和对准问题，激光腔可能对如何放置二极管块非常敏感，从而导致生产可靠、稳健的波长光束合并器的生产困难且昂贵。根据一个实施方案，提供对封装误差和对准误差都能完全进行补偿的波长光束合并技术和架构，可以用来增强激光二极管阵列和堆的功率及亮度。在一个实施方案中，一维波长光束合并腔包含一个二维激光堆，其中波长光束沿堆叠方向(即激光二极管的快轴) 进行合并。合并腔中的自反馈可以很大程度上不受封装误差和对准误差大小的影响。在一个实施例中，光栅和输出耦合器完全自动地补偿任何封装和对准误差。在一个实施方案中， 如前所述，合并腔可处理在阵列方向上的衍射损失，以及沿堆叠方向的封装误差和对准误差。图3说明了一个闭环波长光束合并腔300的实施例。这个说明的实施例中的合并腔只展示了沿激光堆350堆叠方向的三个激光阵列305，然而，必须明确，本发明并没有如此的限制，而且激光堆310可以含有任何数量的激光阵列305。每一个激光阵列305含有多个沿阵列方向并排排列的激光反射器315。在一个实施方案中，激光阵列是激光二极管块， 每个块含有一个或多个激光二极管元件。在激光二极管阵列305中，每一个阵列/ 二极管块305可以平行于快轴，即沿快轴摄影，或与快轴和慢轴方向都平行(附图3中没有显示)。 在一个实施方案中，合并腔含有的光学元件包含一个焦距分别为和f3的柱面透镜32 和32 构成的柱面成像望远镜320和焦距为f2的柱面变换透镜330。合并腔可以进一步含有一个具有沿堆叠方向具有分散能力的衍射光栅；340，以及一个部分反射输出耦合器350。 波长光束合并沿堆叠方向进行。如上所述，这是对比于附图IA中的传统波长光束合并腔， 其中的光束合并方向是沿阵列方向。附图4A说明了一个在附图3中的合并腔在堆叠方向上的(波长光束合并方向) 等效光路图。附图4中的衍射光栅340可以清晰的传输，然而，需要明确的是光栅340可以像附图3 —样反射。如附图4A所示，焦距为fm的准直透镜370用来对准激光堆310的激光阵列305。该说明的实施例包括三个激光阵列305a，30 和305c ；然而，必须明确，激光堆310可以含有任何数量的可以以机械方式或光学方式堆叠而成的激光阵列305。在二极管堆的情况下，当透镜370的光轴与对应的二极管块的光轴没有对齐时，会产生对准误差。 如FIG 4B所示，在阵列方向，柱面成像透镜320(32 和325b)对准发射器315的光束以降低沿阵列方向的因发射器315产生的光纤发散而造成的光损失。如附图4A所示，在一个实施方案中，沿堆叠或波长光束合并方向，柱面透镜330在空间上将来自所有激光堆310中的激光阵列305的光束，包括含有封装误差的阵列(即二极管块)的光束，重叠到衍射光栅 340。光学元件可以按使来自所有激光阵列的光束在衍射光栅340表面上形成重叠区域的方式排列，并且将部分反射耦合器350放置在来自衍射光栅340的一阶衍射光束的路径上。 在一个实施例中，将柱面变换透镜330放置距激光堆310和衍射光栅340近似等于焦距f2 的位置上。与其余的光学部件相比准直透镜的370的焦距通常很短。例如，准直透镜的370 的焦距fm的典型值可以短于其它光学组件焦距的100到1000倍。因此，准直透镜370和柱面变换透镜330之间的距离如附图4A所示是fm+f2，通常，由于fm与f2相比是如此小，这样可以近似为f2。因此，在以下的讨论中，由于准直透镜370以光学器件放置的角度而言的贡献很小而基本被忽略。因此，各种光学构件和激光堆之间的距离大致为每个光学部件的焦距。然而本领域的技术人员将明白，有关光学部件和激光堆310之间的实际距离也包括准直透镜320的焦距。部分反射耦合器350将每一束光的一部分反射回重叠区域，而衍射光栅340接着将光反射会激光堆310，于是，在部分反射输出耦合器350和激光元件315的后端面之间形成共振腔。附图4B说明了附图3中合并腔阵列(非波长光束合并)方向上的等效光路图。在该说明的实施例中，激光堆310的每一个激光阵列305包含三个发射器31^1、31恥和315c。 然而，应该明确，激光阵列可以包含任何数量的发射器。在阵列(非波长光束合并)方向上， 柱面成像望远镜320对每一个激光发射器沿发射器的慢轴成像到输出耦合器350。柱面成像望远镜的第一个元件32 可以放置在距激光堆第一个焦距的位置上。柱面成像望远镜的第二个元件32 可以放置在距输出耦合器第二个焦距f3的位置上。第一个元件32 和第二个元件352b之间的距离是焦距和焦距f3之和。如上所述，和f3分别是柱面成像望远镜320的第一个和第二个元件32 ，325b。沿阵列方向，柱面变换透镜330和衍射光栅340什么也不做。在附图4A中，虚线380显示了来自称作“有封装误差的发射器”的光路，也就是， 那些发射器的光辐射由于二极管块(有封装误差)的曲率偏离于理想路径。根据一个实施方案，给定二极管块中的所有元件，包括具有封装误差的元件，发射名义上具有相同波长的激光。由于存在位置和光谱一一对应，在输出耦合器350后面，导致阵列方向上光束的尺寸变大，如附图4A所示。然而在堆叠方向上，对所有具有封装误差的发射器的高效反馈可以基本上是100%，独立于封装误差的大小。这是因为共振腔在堆叠方向上运行，而封装误差出现在阵列方向上，这样，给定二极管块的所有的发射器包含在共振腔内，独立于封装误差。因此，由于可以省却经完美生产的具有最小封装误差的二极管块的需求，可以使用低成本的现成的二极管块和堆。相比而言，在传统的波长光束合并器中，光束合并和共振腔的圆形在与封装误差方向即阵列方向相同，如在上文附图2中所讨论的，封装误差对自反馈导
13致严重的退化。另外，由于没有封装误差和对准误差的影响，沿快轴波长光束合并架构的效率将大于传统的波长光束合并架构的效率。如上所述，波长光束合并系统的重要性质包括输出光谱、输出光束质量、尺寸和效率。根据一个实施方案，使用广域发射器沿快轴实施波长光束的合并具有更窄的输出光谱、 更好的输出光束质量，更好的效率和更小的尺寸。—个波长光束合并腔(WBC)的输出光谱由下式给出
χJgCOS^(工)在⑴式中，χ是相关的空间尺寸，f是变换透镜的焦距(即附图3中的变换透镜 330)，g是光栅340的沟槽密度，θ是光的入射角。空间尺寸可以写成
ΜΛ N* 2^ BPP X■
‘FF^NA, ~ FF*NA.(2)在( 式中，N是相关激光元件的数量，W是激光元件的光束宽度，FF是近场填充因子。光束参数积(BPP)定义为光束宽度乘以数值孔径(N.A.)或激光元件的半角发散。 常见的现成广域发射器在1微米运行波长时的光束宽度在快轴方向一般为0. 5微米左右， 在慢轴方向为45到500微米左右。在一个实施例中，沿快轴的N. A.为0.5弧度，沿慢轴为 0. 1弧度左右。于是，沿快轴的BPP为0. 5 μ m*0. 5rad ^ 0. 25mm. mrd沿慢轴的BPP为45-500 μ m*0. Irad ^ 4. 5 to 50mm. mrd这两个BPP的比例，即18比200提高了每个元件频谱利用率。因此，假定FF'、N. A.、N、f、g和θ对一个阵列方向波长光束合并(WBC)架构(即， 沿阵列方向进行波长合成的架构)和一个堆叠方向的WBC架构(即，沿堆叠方向进行波长合成的架构)都相同，沿堆叠方向WBC的输出光谱比两BPP之比窄18到200倍。另外，对一个固定输出光谱，假定BPP的比值是20，则一个堆叠方向WBC架构的尺寸可能比其小20 倍。窄的光谱带宽可能是首选，这样，堆叠方向WBC架构可在光谱带宽内提供显著的改善。 此外，如果两个架构的输出光谱是固定在相同的宽度，根据本发明，堆叠方向WBC架构的尺寸可以小20倍。因此，一个堆叠方向WBC架构在尺寸和/或输出光谱方面提供显著的改善。根据一个实施方案，光束质量(B. Q.)可定义为B. Q. =N*BPPe/FF'(3)在式(3)中，BPPe是发射器的BPP。传统WBC架构的输出光束质量(即沿快轴的 BPP与沿慢轴的BPP之积)由下式给出B. Q.(乘积)=BPPs*Nb*BPPf/FFf = 2. 5* (mm. mrd) 2*NB (4)在式⑷中，假定BPPf = 0. 5是沿阵列方向的填充因子，BPPs = 5mm. mrd是发射器沿慢轴的BPP，Nb是二极管块的数量，BPPf = 0. 25mm. mrd是每个二极管块沿快轴的BPP。 根据一个实施方案，则一个堆叠方向WBC架构的输出光束质量(即沿快轴和慢轴的BPP之积)由下式给出B. Q.(乘积)=BPPf*Ne*BPPs/FFe = 2.5 (mm. mrd) 2*NE (5)在式(5)中，FFe = 0. 5是沿阵列方向的填充因子，Ne是每个二极管块中发射器的数量。这样，如果二极管块的数量与发射器的数量相同，那么两个架构的输出光束质量大致相同。然而，在实践中，目前使用更大数量的二极管块比使用含有更大数量发射器的二极管块更实际。在这种情况下，使用堆叠方向WBC架构的实施方案可以大幅度地提高输出光束质量。下表1-4列出了不同配置的传统阵列方向WBC架构和本发明一个堆叠方向WBC架构实施例的某些对比。在所有的比较中，因为输出光束质量退化对两种架构的影响相近，故任何由光学部件和机械误差导致的输出光束质量退化都被忽略。对于列于表1-4的任何实施例，服从如下假设f = 200mm,g = 18001/mm,以及e = 60 度·表1对一个使用了一个Icm宽含有49个广域激光元件的二极管块的传统阵列方向WBC系统与一个使用49个二极管块的堆叠方向WBC系统进行了比较，每个二极管块含有一个发射器。两个系统的填充因子都是50%。计算基于上述公式进行。输出光谱的谱线宽度，Δ λ，用公式(1)计算。假设传统WBC的尺寸是χ = 10，而沿堆叠方向WBC的尺寸假设为χ = 10/20(其中20是BPP之比)。表 1比较49个发射器，1个块堆(块宽1cm，填充因子50% )传统WBC和1个发射器， 49个块堆(填充因子50% )堆叠方向WBC
权利要求
1.一种多波长光束合并器，其包括沿堆叠方向排列的多元激光阵列构成的激光堆，每个激光阵列设定产生具有特定波长的光辐射，每个多元激光阵列由多元光增益部件沿激光堆阵列方向排列构成；柱面望远镜，其被设定沿光增益元件的慢轴对每个多元光增益元件成像；变换透镜，其被安排拦截来自每个多元激光阵列的光辐射并沿激光堆堆叠方向合并光辐射形成多波长光束；以及放置在光辐射重叠区域的衍射元件，其用于接收和传送多波长灌输；其中柱面望远镜设定将每个多元光增益元件成像到衍射元件。
2.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，可以进一步包括放置在激光堆和柱面望远镜之间的体布拉格光栅，该体布拉格光栅被设定与激光堆形成自由空间腔生成多元特定波长光束；其中体布拉格光栅是波长调制体布拉格光栅；以及波长调制是沿堆叠方向。
3.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于变换透镜放置在距激光堆一个焦距的位置上。
4.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于堆叠方向本质上与阵列方向垂直。
5.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于衍射元件是一个衍射光栅。
6.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于变换透镜是一个柱面变换透镜；其中的柱面望远镜包含一个第一透镜元件和一个第二透镜元件；以及其中的柱面变换透镜放置在第一和第二透镜元件之间。
7.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，进一步包含部分反射输出耦合器，该部分反射输出耦合器设置用于接收来自衍射元件的多波长光束，反射一部分多波长光束回到重叠区域，并传送包含具有多元特定波长光辐射的多波长光束；其中衍射元件、部分反射输出耦合器和激光阵列一起形成产生多元特定波长光束的自由空间腔。
8.根据权利要求7所述的多波长光束合并器，进一步包含放置在激光堆和柱面望远镜之间的形变扩束器。
9.根据权利要求7所述的多波长光束合并器，进一步包含附加的放置在衍射元件和部分反射耦合器之间的柱面望远镜；其中，附加的柱面望远镜设定用来沿阵列方向将多元光学增益元件成像到部分反射输出華禹合器。
10.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于多元激光阵列包括多元激光二极管块；以及其中的多元光学增益元件包含多元激光二极管发射器。
11.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于多元激光阵列包括多元激光阵列；以及其中的多元光学增益元件包含多元光纤激光发射器。
12.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，其特征在于激光堆包含沿阵列方向按行排列的分离半导体激光发射器堆；以及其中每一个多元激光阵列中的激光阵列包括一行分离半导体激光发射器。
13.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，进一步包含多元连接到激光堆的多元准直微透镜。
14.根据权利要求1所述的多波长光束合并器，进一步包含设定接收来自衍射元件的多波长光束的无源光纤输出耦合器，并反射一部分多波长光束回到重叠区域，以及传送由多元特定波长的光辐射构成的多波长光束；其中的衍射元件、无源光纤输出耦合器和激光堆一起形成产生多元特定波长的自由空间腔。
15.一种波长光束合并器，包括设定产生具有第一波长的第一个光束的第一激光堆，以及设定产生具有第二波长的第二个光束的第二激光阵列，第一和第二激光阵列的每个包含沿激光堆阵列方向设置的多元激光增益元件，并设置产生光辐射来生成第一和第二光束；设置拦截光辐射并沿阵列方向对每个多元光增益元件成像的柱面望远镜；设置拦截第一和第二光束并在激光堆的堆叠方向对第一和第二光束进行空间重叠形成多波长光束的变换透镜；放置在第一和第二光束重叠区域的衍射元件；以及设置用来接收来自衍射元件的多波长光束、反射一部分多波长光束回到重叠区域并传送由具有第一和第二波长的光辐射构成的多波长光束的部分反射输出耦合器；其中的衍射元件、部分反射输出耦合器和激光堆共同形成一个产生第一和第二波长的自由空间腔；以及其中的堆叠方向本质上以阵列方向垂直。
16.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，其特征在于部分反射输出耦合器是无源光纤输出耦合器。
17.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，进一步包含一个放置在激光堆和柱面望远镜之间的形变扩束器。
18.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，进一步包含放置在衍射元件和部分反射输出耦合器之间的附加柱面望远镜，并设置在阵列方向将衍射元件成像到部分反射输出華禹合器。
19.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，进一步包含放置在激光堆和柱面望远镜之间的成像望远镜，并设置在堆叠方向降低第一和第二光束的尺寸；其中的成像望远镜包括一个第一和一个第二透镜；以及其中第一和第二透镜至少有一个是球面透镜。
20.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，其特征在于第一和第二激光阵列是激光二极管块，每个激光二极管块包括多个激光二极管发射器。
21.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，其特征在于激光堆包含沿阵列方向按行排列的分离半导体激光反射器堆；以及其中第一和第二激光阵列的每个包含一行分离半导体激光发射器。
22.根据权利要求15所述的多波长光束合并器，其特征在于第一和第二激光阵列是光纤激光阵列；以及其中的多元光增益元件含有多个光纤激光发射器。
23.一种波长光束合并的方法，该方法包括由多元激光阵列产生的多元光束，每个多元光束具有特定波长； 由柱面望远镜沿第一方向对该多元光束成像；以及用柱面变换透镜沿第二个方向在重叠区域对该多元光束进行空间重叠，从而生成包括多元特定波长的多波长光束。
24.根据权利要求23所述的方法，其特征在于多元光束的空间重叠包括将该多元光束传播到放置在重叠区域的衍射元件。
25.根据权利要求23所述的方法，进一步包括将该多波长光束传播到一个放置用于接收来自衍射元件的辐射的部分反射元件，该部分反射元件和多元激光阵列共同构成一个产生多元特定波长的自由空间激光腔；以及通过该部分反射元件传送含有多元特定波长的辐射构成的多波长光束。
26.根据权利要求23所述的方法，进一步包括用波长调制体布拉格光栅对特定波长的多元光束进行稳定。
全文摘要
一个外腔一维多波长光束合并器沿一个多元激光阵列构成的激光堆的堆叠方向实施波长光束合并，每个激光阵列设置用来产生含有特定波长的光辐射，并且每个激光阵列包括沿一个激光堆阵列方向排列的多元激光反射器。该多光束合并器包括一个设置用来沿激光发射器慢轴方向对每个激光发射器成像的柱面望远镜，一个设置用来拦截来自每个多元激光阵列的光辐射变换透镜并沿激光堆堆叠方向合并该光辐射从而形成一个多波长光束，以及一个放置在一个光辐射重叠区域接收和传送该多波长光束的衍射元件。
文档编号G02B27/10GK102273030SQ200980153513
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月3日 优先权日2008年11月4日
发明者A·桑切兹-鲁比欧, B·查恩, T·Y·范恩 申请人:麻省理工学院