专利名称：用于均匀化二极管激光器泵浦阵列的方法和系统的制作方法
技术领域：
正在同时提交以下两个正规美国专利申请(包括本申请)，并且通过引用将另一 个申请的全部公开内容合并到本申请中以用于所有的目的參于 2009 年 8 月 19 日提交的题为“Method and System for HomogenizingDiode Laser Pump Arrays” 的第 12/544，147 号申请(代理人案号 027512-001300US)；以及 于 2009 年 8 月 19 日提交的题为 “Diffractive Laser Beam Homogenizerincluding a Photo-Active Material and Method of Fabricating the Same” 的第 12/544，161 号申请(代理人案号 027512-001400US)有关在联邦政府资助的研究或开发下完成的发明的权利的陈述依据美国能源部与劳伦斯.利弗莫尔国家安全有限责任公司之间的 DE-AC52-07NA27344号合同，美国政府拥有本发明的权利。
背景技术：
在高平均功率的二极管泵浦固态激光器中，大的二极管激光器泵浦阵列通常被用 于泵浦大孔径的放大器。二极管激光器泵的开发已经导致适于泵浦高功率固态激光器的高 输出功率。因此，在许多应用中二极管激光器泵已经替代了闪光灯泵。图1是二极管激光器(即半导体激光器)的二维阵列的简化透视图。二极管激光 器阵列100包括与热交换器120 —起堆叠在基底130上的多个二极管激光棒110。热交换 器120可以是主动冷却的微通道热交换器等。可以使用热导体140a和140b来提供用于去 除由激光二极管棒110生成的热的另外的热路径。每个单独的激光棒包括激光器112的水 平布置的阵列，激光器112的每个发射泵浦辐射。因此，二极管激光器阵列100包括MXN 个激光器，其中M是二极管激光棒110的数目，并且N是每个棒的激光器112的数目。虽然二极管泵浦相对于闪光灯泵浦提供了显著提高的效率、寿命、以及降低的热 负荷，但是二极管激光器泵浦阵列通常提供各向异性(不均勻)的照明。如图2所示，由于 激光器端面处的光束的总体上椭圆的形状，来自二极管激光器的输出光束的发散是各向异 性的，其中竖直平面内的发散角(0V)显著大于水平方向上的发散角(eH)。已经使用安装 在二极管激光棒前面的小透镜阵列将竖直平面内的发散角减小到近似等于水平方向上的 发散角的值，其中水平布置的小透镜阵列与每个水平激光棒相匹配。尽管使用小透镜阵列使发散角匹配，但是在本领域需要用于均勻化二极管激光器 泵浦阵列的光束的改进的方法和系统。
发明内容
本发明总体上涉及激光器系统。更具体地，本发明涉及一种用于均勻化二极管激 光器阵列的输出的方法和系统。仅通过示例的方式，已经将该方法和装置应用于光学地耦 合到二极管激光器阵列的衍射光热反射玻璃构件，以提供具有基本上均勻的强度分布的输 出。另外，本发明的实施例提供了制造大的衍射均勻器的方法。将认识到本发明具有广泛得多的应用范围，并可以应用于其它激光器系统。根据本发明的一个实施例，提供了一种光放大器系统。该光放大器系统包括二极 管泵浦阵列，该二极管泵浦阵列包括多个半导体二极管激光棒，该多个半导体二极管激光 棒被布置为阵列结构，并且以相邻半导体二极管激光棒之间的周期性距离为特征。该周期 性距离是沿垂直于多个半导体二极管激光棒中的每个的第一方向测量的。该二极管泵浦阵 列提供泵浦输出，该泵浦输出沿光路传播，并且以根据第一方向测量的并具有大于10%的 变化的第一强度分布为特征。该光放大器系统还包括沿光路布置的衍射镜片。该衍射镜片 包括光热折射玻璃构件。该光放大器系统还包括放大器板条(amplifier slab)，其具有沿 着光路的输入面和位置并且与衍射镜片间隔预定距离。根据第一方向在放大器板条的输入 面处测量的第二强度分布具有小于10%的变化。根据本发明的另一个实施例，提供了一种制造衍射均勻器的方法。该方法包括提 供部分透射光学元件，其上具有预定灰度强度图案；提供透明光学元件；以及导引UV辐射 通过部分透射光学元件以入射到透明光学元件。该方法还包括使透明光学元件的预定部分 在UV辐射下曝光，并且对透明光学元件进行热处理以产生衍射均勻器，该衍射均勻器的特 征在于，根据透明光学元件内的位置而连续变化的衍射率分布。通过本发明实现了许多超过常规技术的优点。例如，本技术提供用于二极管照明 的均勻化，导致均勻的强度分布、固态放大器和激光器增益介质的更高的提取效率、以及固 态放大器的输出的改进的光束质量。此外，由本发明的实施例提供的传递效率能够超过 98%。本发明的实施例可应用于高功率固态放大器以及固态激光器。另外，本发明的实施 例提供一种制造具有平滑相位分布的衍射镜片的方法，由此改进均勻化和固态放大器/激 光器的效率。本发明的实施例均勻化二极管照明，导致高平均功率二极管泵浦固态激光器 的均勻的照明和改进的光束质量。均勻的照明使改进的激光器提取效率以及最小化热致波 前畸变的均勻热负荷成为可能。改进的光束质量和波前还用于提高激光器件的可靠性，这 是由于系统中的镜片的能流或强度负荷相对于激光导致的光学损坏阈值是更低的。结合下 文和附图更加详细地描述了本发明的这些和其它实施例以及本发明的许多优点和特征。
图1是二极管激光器的二维阵列的简化透视图；图2是二极管激光器的发散角的简化透视图；图3是根据二极管激光器阵列的两个模块的位置的激光强度的简化曲线图；图4是根据本发明的一个实施例的二极管激光器阵列均勻化系统的简化示意图；图5A是与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输入处的位置有关的激光强 度的简化图像；图5B包括与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输入处的位置有关的激光 强度的简化曲线图；图5C是与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输出处的位置有关的激光强 度的简化图像；图5D包括与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输出处的位置有关的激光 强度的简化曲线图6是图解制造根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的方法的简化流程图；图7是图解制造根据本发明的另一个实施例的衍射均勻器的方法的简化流程图； 以及图8是图解使用根据本发明的一个实施例的主模板(master plate)来制造衍射 均勻器的方法简化流程图。
具体实施例方式图3是根据二极管激光器阵列的两个模块的位置的激光强度的简化曲线图。关于 图3，示出了两个模块300，每个模块包括由散热件120间隔开的激光棒110的阵列。模块 可以与图1所示的二极管激光器泵浦阵列100类似。即使使用小透镜阵列来准直模块，在 模块300垂直下方测量的强度分布也将是不均勻的。如图3所示，强度分布具有与激光棒 110相关联的峰、与激光棒之间的散热件120相关联的谷、以及相邻模块之间的更大的谷。 图3所示的强度分布是不希望的，由于这种泵浦强度分布将会导致放大器的增益分布的不 均勻性。放大器(或激光器)的增益分布中的不均勻性导致较低的放大器效率和降低的光 束质量。为了克服图3所示的不均勻性问题，已经尝试了各种方法。作为示例，可以将来自 每个发射器或来自一组发射器的二极管激光器泵浦光发送到光纤中。虽然用光纤使来自发 射器或一组发射器的光均勻化可以改进光束均勻性，但是单个的光纤受限于功率，并且应 用这种方法是昂贵的和低效率的。另一种方法是对放大器板条横向泵浦，使得板条的二极 管泵浦与激光传播的方向正交。虽然对于小的棒状(例如，棒的直径小于lcm)和小的板条 状激光器和放大器而言横向泵浦在改进增益均勻性方面提供一些益处，但是将这种方法用 于较大的孔径是困难的并且易于在孔径上产生不均勻的增益。又一种方法是使用中空反射 (或固体折射)管道将来自多个发射器的光束混合。虽然这种技术提供了一些益处，但是与 由本发明的实施例提供的技术相比，它是更低效率的和更昂贵的。在本领域已知玻璃在阳光下曝光之后改变着色的能力。近来，已经使用光敏玻璃 在硅酸盐玻璃中记录永久图像。在UV辐射下曝光随后进行热显影(thermal development) 的两步骤过程导致曝光区域中的晶相沉淀，这与摄影过程类似。已经开发出了多种不同的 光敏玻璃并且将其用在不同的应用中，例如，光致变色眼镜。在本发明的实施例中使用的另一类型的光敏玻璃是光热折射 (photo-thermo-refractive, PTR)玻璃。如果使PTR玻璃在UV辐射下曝光并且然后通过 热处理对其进行处理，则PTR玻璃的折射率将响应于UV辐射/热处理过程而改变。在不限 制本发明实施例的范围的情况下，认为光折射效应基于UV曝光过程中开始的银的氧化还 原反应(即，银离子被转换成银金属的纳米簇)。元素的银粒子用作用于热显影过程中的第 二相生长的核中心，通常在约500°C的温度下进行若干小时。认为该第二相是富含钠、钾卤 化物的，从而导致曝光区域中的折射率比未曝光区域中的折射率更低。通过在曝光过程中 控制UV强度图案，也可以控制折射率变化。利用此过程，将PTR玻璃的平面板条(即长方 体)用作根据本发明的实施例的衍射均勻器。例如，为了制造体布拉格光栅，在PTR玻璃内 产生利用两个平面波UV激光束的干涉图案，以便引起正弦折射率变化。已将光折射玻璃(诸如PTR玻璃)用作光敏介质来制造用在通信系统(例如，波分多路复用(Wavelength Division Multiplexing,WDM)系统)中的高效率相体积全息图。 在这些应用中，在UV辐射下的曝光随后进行热处理之后在PTR玻璃中实现线性折射率调 制。通常，PTR玻璃是基于不同添加物的硅酸盐玻璃。示例性的基于光栅的衍射元 件包括体布拉格光栅(volume Bragg grating，VBG)，其用于角度光束组合、光谱光束组合、 以及锁模。示例性的基于VGB的器件可从佛罗里达的奥兰多的OptiGrate公司和新泽西的 佩宁顿的PD-LD公司购得。常规的体布拉格光栅依据特定的应用是周期的或者是啁啾的，并且通过使用激光 器的曝光(对于光栅结构是典型的)而被制造。本发明的实施例与在PTR中形成的这些常 规的光栅结构形成对比，这是由于图案不是周期的或啁啾的，而是基于出现在衍射均勻器 的输入面处的特定的强度分布以及光学增益介质处的希望的强度分布而被定义的。与基于 光栅的体布拉格光栅相比，由本发明的实施例提供的衍射均勻器是非正弦的。图4是根据本发明的一个实施例的二极管激光器阵列均勻化系统的简化示意图。 该二极管激光器阵列均勻化系统包括激光器二极管阵列100和衍射均勻器410。衍射均勻 器410还被称作衍射光学元件。在本发明的实施例中，衍射均勻器是使用PTR玻璃的板条 (即，PTR玻璃的长方体)来制造的。衍射均勻器的表面412和414是基本上平面的，并且 适于减反射(antireflecti0n，AR)涂层的沉积或其它表面处理。衍射均勻器410是使用如 在本说明书中更加全面描述的基于UV的曝光和热处理过程而制造的。对PTR玻璃或能够 提供根据位置的变化折射率的其它适合的透明材料的使用使得能够制造和使用具有根据 位置连续变化的折射率的衍射均勻器。实质上，衍射均勻器在相对于二极管照明不均勻性 而言较小的空间尺度上改变相位。这与常规刻蚀的衍射光学元件形成对比，在常规刻蚀的 衍射光学元件中，表面特征的不连续导致不连续改变的折射率。衍射均勻器所需的相位改变能够在计算机上被精确地计算出，由此生成期望镜片 的空间相位图。根据该计算，实现所要求的相位改变而需要的要求的因数变化是An=小/ t，其中An是折射率的变化， 是所要求的相位，并且t是PTR玻璃的厚度。在PTR中产 生的折射率变化通常与曝光过程中的入射光强度成比例。二极管激光器阵列均勻化系统400还包括衍射均勻器410与增益介质420之间的 传播路径440。增益介质420可以是用于高功率放大器或激光器的有源部件的放大器板条。 衍射均勻器410的设计将针对由二极管激光器阵列100产生的强度分布而定制。在传播通 过传播路径440之后，由二极管激光器阵列产生的空间依赖的照明将是随机化的，从而产 生用于泵浦放大器板条或其它适合的增益介质的均勻化的光束。依据希望的二极管泵浦通 量，光学透镜430还可以被用于聚集均勻化的二极管泵浦光束。可以使用衍射均勻器410 来改变光束的形状(在截面中测量的)。作为示例，来自二维二极管激光器阵列的正方形或 矩形光束截面可以在增益介质420 (例如，放大器板条)处维持或在增益介质420处转换成 圆形光束。衍射均勻器410能够进行对光束的均勻化和成像。在典型的二极管激光器泵浦阵 列应用中，微透镜阵列被用于准直或部分准直来自二极管激光器的光。在图4所示的系统 400中，该衍射均勻器能够包括衍射率变换，其对于准直光束以及去除由二极管激光器阵列 的几何排列所引起的不均勻性是有效的。因此，本发明的实施例不要求使用微透镜阵列来 准直来自二极管阵列的光。
已经使用PTR玻璃来制造体布拉格光栅，以用于在波分复用系统中使用。依据特 定的应用，这些体布拉格光栅或者是周期的或者啁啾的，并且通过使用激光器的曝光(对 于光栅结构是典型的)而被制造。本发明的实施例与在PTR中形成的这些常规的光栅结构 形成对比，这是由于图案不是周期的或啁啾的，而是基于出现在衍射均勻器的输入面处的 特定的强度分布以及光学增益介质处的希望的强度分布而被定义的。参照图4，衍射均勻器 中的折射率分布因此是依据表面412处的强度分布和表面422处的希望的均勻强度分布而 被定义的。与周期光栅结构(甚至是啁啾光栅结构)相比，本发明的实施例使用非正弦的 折射率分布来实现所希望的衍射效果。刻蚀的衍射结构具有多个缺点，这些缺点在高功率激光器应用中呈现出使用的问 题。刻蚀的表面的形状在激光束通过衍射均勻器时产生衍射效应。为了控制表面特征，将 刻蚀掩膜的一个级与刻蚀掩膜的其它级进行配准(registration)需要高水平的控制。刻 蚀掩膜的不对准导致错误限定的表面形状，由此降低传递光束的质量。同样，刻蚀深度控制 是进入最终表面轮廓的关键输入。对于衍射特征的总高度为约1 P m的8级刻蚀过程，最终 的台阶高度为250nm，这难以以高水平的可重复性来刻蚀。假定关于刻蚀掩膜对准和刻蚀深度实现适当的控制，刻蚀衍射结构的锐利特征导 致入射光的散射，由此不利地影响衍射均勻器的传递效率。发明人使用刻蚀衍射结构进行 的研究已经证明在通过变形望远镜、刻蚀的衍射均勻器、聚集透镜、以及反射镜之后的传递 效率约为60% (输出光除以输入光)。来自光学元件的散射损失通常是通过使用薄膜AR 涂层来降低的。然而，刻蚀衍射结构的高度结构化的表面不利地影响薄膜涂层的可获得性 和质量。因此，在某些刻蚀衍射光学元件中，界面处的菲涅耳反射损失可构成能量传递效率 降低的显著因素。本发明的实施例减少或消除刻蚀衍射光学元件的缺点。与使用PTR玻璃制成的衍 射均勻器相关联的平面表面良好地适合于高功率激光器应用。因为镜片的表面是平坦的， 所以减小了常见于刻蚀表面的污垢和灰尘的收集。另外，平坦的表面提供适于AR涂层沉积 的基底，从而降低了界面处的菲涅耳反射损失。由在此所述的衍射均勻器提供的平坦的表 面和“内”因数改变导致比与刻蚀衍射结构相关联的传递效率大得多的传递效率。与由发 明人测试的16级二值板(其特征在于，传递效率约为80% )相比，本发明的实施例提供> 90%,> 92%,> 94%,> 96%、或> 98%的传递效率。另外，与常规的刻蚀衍射元件相比，降低了 PTR玻璃中制造的衍射均勻器的散射 损失。由在此所述的制造方法引起的折射率的连续改变消除了出现在刻蚀结构中的不连 续，由此提高了在PTR玻璃中制造的衍射均勻器的传递效率。如上所述，常规的刻蚀衍射镜片受限于其传递效率，这是由于制造它们所使用的 刻蚀过程造成的。使用本发明的实施例，可以利用包括针对半导体光刻而开发的技术的 各种技术来产生灰度主幻灯片，并且在具有连续变化的折射率的PTR玻璃中制造衍射均勻 器。可以均衡(leverage)以显著成本开发的用于光刻的打印和成像技术，诸如图像中继、 步进重复(stepand repeat)等。在这些衍射均勻器中的平滑相位分布因此将比常规板有 效得多。本发明的实施例将可应用于多种高功率激光器和放大器应用。作为示例，劳伦 斯.利弗莫尔国家实验室正在开发的LIFE程序将使用非常大的二极管阵列并且将得益于将均勻的光传送到放大器的能力。放大器的均勻照明将使高的光束质量和高效率成为可 能。另外，对于国防应用有利的大孔径激光器还可以得益于均勻泵浦以提高光束质量，这还 提高用于战术战争的对目标的激光强度。其它二极管泵浦固态激光器应用(诸如激光加 工、打标记、钻孔、和焊接)也能够通过改进的输出能量和光束质量而得益于本发明的实施 例。图5A是与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输入处的位置有关的激光强 度的简化图像。如图5A所示，激光强度根据位置很大程度地改变。强度分布的特征是根据 位置而变化的能量，其中一些区域中的光束比其它区域亮得多。事实上，激光束的若干部分 表现为几乎是黑色的，表明在光束的这些部分处的较低的能量。在此示例中，来自二极管激光器泵浦阵列的光已经传播给定的距离，并且衍射和 传播已导致所示的不均勻的强度分布。如果这个强度分布被成像在放大器板条上，那么放 大器板条的增益将是以高增益的区域和低增益的区域为特征的，从而导致放大器中的增益 介质的低效率的泵浦。此外，光束强度的变化将导致放大器中不可预测的增益分布，从而不 利地影响系统性能。图5B包括与根据本发明的实施例的衍射均勻器的输入处的位置有关的激光强度 的简化曲线图。用虚线522图示了沿水平方向获得的强度分布，其表示输入光束的宽度，并 且用实线524图示了沿竖直方向获得的强度分布，其表示输入光束的高度。如图5A所示， 沿宽度的测量(虚线522)的特征在于具有在边缘区域处的峰以及在曲线的中间处强度降 低的大致双峰分布。沿高度的测量(实线524)的特征在于光束的上部分中的大部分能量 以及下区域中的中心的低强度。在光束的下边缘处的尖峰在激光强度曲线中是可见的。激光束上的强度变化较大，其中某些强度尖峰比其它强度值大三倍以上。参照与 通过光束的竖直测量相关联的实线524，在约-20mm处的尖峰具有大于三的归一化强度值， 而在约-10mm处的强度小于一。对于平均归一化强度值大约为一的虚线522，某些峰达到 该值的两倍，其中谷下降到约该值的一半。因此，强度的变化可以大于100%。如关于图5A 所讨论的，具有如图5B所示的强度分布的激光束在用作泵浦光束或用于其它高功率应用 时将导致较差的性能。图5A和图5B所示的输入光束的聚焦将导致非衍射限制光斑，其中 高阶波瓣中具有显著的功率值。因此，对目标的功率将远小于使输入光束均勻的情况下可 获得的功率。图5C是与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输出处的位置相关的激光强 度的简化图像。提到的衍射均勻器的输出处的激光束，这不是要求输出束位于衍射均勻器 的表面处，而是可以理解为在与衍射均勻器间隔开的输出位置处的光束。参照图4，输出光 束可以位于增益介质420的表面422处。已将激光束从大致矩形的光束形状转换成圆形光 束。本发明的实施例不要求光束形状的转换，但是可以如此图所示的那样来提供。如图5C 所示，激光束强度的图像示出了根据位置的均勻强度图案，这对于许多应用来说是希望的。图5D包括与根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的输出处的位置相关的激光 强度的简化曲线图。用虚线532和实线534图示了根据圆形光束上的位置的激光强度。用 虚线532图示了沿水平方向获得的强度分布，并且用实线534图示了沿竖直方向获得的强 度分布。与图5B相比，在水平和竖直两个方向上的强度分布基本上是均勻的，其中根据位 置只有较小的变化。取决于针对衍射均勻器的具体的设计标准，使用在此所述的衍射均勻器提供光束的小于20%、小于15%、小于10%、小于5%、小于4%、小于3%、小于2%、或小
于的强度变化。根据本发明的实施例，通过使用具有强度或相位变化并且将预定强度分布成像在 光折射玻璃基底上的主模板来制造衍射均勻器，由此产生了具有单次曝光的新的衍射均勻 器。图6是图解制造根据本发明的一个实施例的衍射均勻器的方法的简化流程图。在图6 所示的方法中，一个或更多个衍射均勻器能够被制造用于使来自二极管激光器泵浦阵列的 光均勻化。该方法包括提供部分透射幻灯片(610)和一片PTR玻璃(612)。部分透射幻灯 片可以是适于在灰度光刻技术中使用的摄影图像。使用这种摄影图像，可以使用灰色阴影 来产生根据PTR玻璃中的位置的连续的折射率变化。基于根据PTR玻璃中的位置的希望 的折射率的计算，作为结果的部分透射幻灯片的密度以及PTR玻璃的照明强度将根据要在 PTR玻璃的不同部分上曝光的光量而变化。该方法还包括导引UV辐射通过部分透射幻灯片以入射到PTR玻璃(614)。强度图 案是对于PTR玻璃中的希望的折射率图案适当的预定的图案。使PTR玻璃的预定部分在UV 辐射下曝光(616)并且对经曝光的PTR玻璃进行热处理以产生希望的根据位置的折射率分 布。本发明的一些实施例提供折射率根据位置的连续变化。由这些衍射均勻器提供的平滑 变化的相位分布使得生成希望的均勻光束分布过程中的更高的传递效率成为可能。可以用于在PTR玻璃上产生希望的强度分布的另一种方法是使用空间光调制器 来阻止UV光束的部分并且在PTR玻璃上产生连续变化强度图案。被用作光刻过程的一部 分的图像中继技术可以被用于放大或缩小通过使用部分透射幻灯片或使用空间光调制器 而产生的图像。作为示例，对于适于在LIFE中使用的大孔径镜片，在此所述的方法可以使 用步进器(stepper)进行缩放以便将一个曝光位置适当地配准到下一个曝光位置，由此一 起为完整的大面积衍射均勻器定时。如关于图7更全面描述的，使用倾翻过程制造的大面 积主模板于是可以用于使用单次曝光来产生复制板。在PTR玻璃中制造的衍射均勻器还比常规刻蚀衍射结构更坚固的。根据本发明的 实施例提供的衍射均勻器的平坦表面比具有细微特征的刻蚀结构更难于损坏。作为可选的方法，可以提供另一片PTR玻璃(620)。使用相同的部分透射幻灯片， 可以导引UV辐射通过部分透射幻灯片以入射到另一片PTR玻璃。使另一片PTR玻璃的部 分在UV辐射下曝光并且然后对该曝光的PTR玻璃进行热处理以提供第二衍射均勻器。可 以多次执行此可选路径。使用此可选过程，可以使用作为主幻灯片的单个部分透射幻灯片 来制造多个衍射均勻器。对于大面积镜片，可以使用基于部分透射幻灯片的较小部分的步 进重复过程来制造部分透射幻灯片。因此，所公开的制造衍射均勻器的方法(包括用于二 极管激光器阵列和激光束的空间光束均勻器)使得能够以仅受限于基底(例如，PTR玻璃 基底)大小的尺度进行低成本批量生产。应该理解，图6所示的具体步骤提供了制造根据本发明的一个实施例的衍射均勻 器的具体方法。根据本发明的可替选实施例也可以执行其它顺序的步骤。例如，本发明的 可替选实施例能够以不同的顺序执行上面概括的步骤。此外，图6所示的单个步骤可以包 括多个子步骤，可以以对于该单个步骤适当的不同的顺序执行这些子步骤。此外，可以依据 具体的应用添加或去除另外的步骤。本领域的普通技术人员将认识到许多修改、改进、以及 替代。
图7是图解了制造根据本发明的另一个实施例的衍射均勻器的方法的简化流程 图。该方法包括提供部分透射幻灯片(710)和第一片PTR玻璃(712)。如下所述，将处理第 一片PTR玻璃，然后在制造用作衍射均勻器的其它片PTR玻璃时将第一片PTR玻璃用作主 模板。该方法还包括导引UV辐射通过部分透射幻灯片以入射到第一片PTR玻璃(714)，并 且使第一片PTR玻璃的预定的部分在UV辐射下曝光(716)。为了在第一片PTR玻璃上产生希望的强度图案，可以使用除了使用部分透射幻灯 片之外的方法。例如，可以使用二维空间光调制器在第一片PTR玻璃上产生希望的强度图 案，由此使第一片PTR玻璃的预定部分在UV辐射下曝光。在PTR玻璃曝光之后，对其进行热处理以产生根据PTR玻璃内的位置的预定折射 率图案(718)。第一片PTR玻璃设置有这样的折射率图案通过衍射在特定的成像面上产 生预定的强度分布。因此，在该方法的实施例中包括计算，以便产生在第一片PTR玻璃上的 强度图案，其导致随后被用于产生如下面更全面描述的第二强度图案的折射率图案。本发明的实施例可以使用若干不同的方法来产生主模板。为了生成用于主模板的 希望的光强度分布，可以使用空间光调制器、光刻印刷技术、标准光刻刻蚀技术、磁流变最 终加工技术等。在制造主模板之后，提供具有根据板上的位置的预定相位变化的相位板，主 模板被用作母板以生成几乎无限多个复制板，其中复制版的成本接近用于复制板的基底的 成本。该方法还包括提供第二片PTR玻璃(720)以及导引UV辐射通过第一片PTR玻璃 以入射到第二片PTR玻璃(722)。第一片PTR玻璃因此以类似于部分透射幻灯片使用的方 式用作主模板。将理解，部分透射幻灯片被用于产生第一片PTR玻璃上的预定强度图案。在 本发明的此实施例中，第一片PTR玻璃现在被用于产生第二片PTR玻璃上的第二预定强度 图案。穿过第一片PTR玻璃的UV辐射的衍射被用于形成第二预定强度图案。另外的光学 元件可以被用作光学系统的部分以便形成第二预定强度图案。本领域的普通技术人员将认 识到许多修改、改进和替代。使第二片PTR玻璃的预定部分在穿过第一片PTR玻璃的UV辐射下曝光(724)并 且在曝光之后对第二片PTR玻璃进行热处理(726)。因此，第二片PTR玻璃包括根据位置的 折射率分布，其适于用作衍射光学元件，例如衍射均勻器。为了将第一片PTR玻璃用作主模 板，过程720-726可选地被其它片PTR玻璃重复以形成另外的衍射均勻器。因此，在初始主 模板制造之后，与常规技术相比，第二片PTR玻璃的多个复制件可以被容易且廉价地制造。 如关于图6所讨论的，可以在PTR玻璃在UV辐射下曝光的过程中使用包括图像中继、放大、 缩小等的光刻技术。应该理解图7所示的具体步骤提供了制造根据本发明的实施例的具体方法。也可 以根据替代实施例执行其它顺序的步骤，例如，本发明的替代实施例能够以不同的顺序执 行上面概括的步骤。此外，图7所示的单个步骤可以包括多个子步骤，可以以对单个步骤适 当的不同的顺序执行这些子步骤。此外，可以依据具体的应用添加或去除另外的步骤。本 领域的普通技术人员将认识到许多修改、改进和替代。图8是图示了使用根据本发明的主模板来制造衍射均勻器的方法简化流程图。本 方法包括提供以根据位置的预定相位分布为特征的主模板(810)。可以使用PTR材料来制 造主模板，或者该主模板可以是常规的多级刻蚀衍射元件。该方法还包括提供一片PTR玻璃(812)，以及导引UV辐射通过主幻灯片以入射到PTR玻璃(814)。主模板的相位分布是 预定相位分布，其将导致通过主模板透射的光衍射并在该片PTR玻璃处提供强度分布。该方法还包括使PTR玻璃的预定部分在UV辐射下曝光(816)并且对曝光的PTR 玻璃进行热处理(818)以形成衍射均勻器。图8所示的方法具有与图6和图7所示的共同 的特征并且与这些图相关联的描述适用于图8。为了制造另外的衍射均勻器，提供其它片的PTR玻璃(820)，重复过程814到818 来制造另外的衍射均勻器。使用单个基于相位的主模板，多个相同的衍射均勻器，其中衍射 均勻器的成本接近在制造过程中使用的基底的成本。虽然图8所示的方法在制造衍射均勻 器的过程中使用了主模板的单次曝光，步进重复的方法可以被用于制造比主模板更大的衍 射均勻器。应该理解图8所示的具体步骤提供了使用根据本发明的实施例的主模板来制造 衍射均勻器的具体方法。也可以根据替代实施例执行其它顺序的步骤。例如，本发明的替 代实施例可以以不同的顺序执行上面概括的步骤。此外，图8所示的单个步骤可以包括多 个子步骤，可以以对单个步骤适当的不同的顺序执行这些子步骤。此外，可以依据具体的应 用添加或去除另外的步骤。本领域的普通技术人员将认识到修改、改进和替代。应该理解，在此所述的示例和实施例仅用于说明的目的，并且将使本领域的技术 人员想到关于本发明的不同的改进或修改，并且其包括在本申请的精神和权限以及所附权 利要求的范围之内。
权利要求
1.一种光放大器系统，包括二极管泵浦阵列，其包括多个半导体二极管激光棒，所述半导体二极管激光棒被布置 为阵列结构并且以相邻半导体二极管激光棒之间的周期性距离为特征，所述周期性距离是 在垂直于所述多个半导体二极管激光棒中的每个的第一方向上测量的，其中所述二极管泵 浦阵列提供泵浦输出，所述泵浦输出沿光路传播并且以根据所述第一方向测量的、具有大 于10%的变化的第一强度分布为特征；沿所述光路布置的衍射镜片，其中所述衍射镜片包括光热折射玻璃构件；以及放大器板条，其具有沿所述光路的输入面和位置，并且与所述衍射镜片间隔预定距离， 其中根据所述第一方向在所述放大器板条的所述输入面处测量的第二强度分布具有小于 10%的变化。
2.根据权利要求1所述的光放大器系统，其中，所述光热折射玻璃构件包括折射率的连续变化。
3.根据权利要求1所述的光放大器系统，其中，所述光热折射玻璃构件基本上没有正 弦光栅结构。
4.根据权利要求3所述的光放大器系统，其中，所述光栅结构是周期的或者啁啾的。
5.根据权利要求1所述的光放大器系统，还包括沿所述光路在所述衍射镜片与所述放 大器板条之间布置的一个或更多个透镜。
6.根据权利要求1所述的光放大器系统，其中，所述光热折射玻璃构件具有与第二平 面表面相对的第一平面表面。
7.根据权利要求1所述的光放大器系统，其中，所述第一强度分布具有10%与300%之 间的变化。
8.根据权利要求7所述的光放大器系统，其中，所述第一强度分布具有10%与100%之 间的变化。
9.根据权利要求8所述的光放大器系统，其中，所述第一强度分布具有10%与50%之 间的变化。
10.根据权利要求1所述的光放大器系统，其中，所述第二强度分布具有与10%之 间的变化。
11.根据权利要求10所述的光放大器系统，其中，所述第二强度分布具有2%与5%之 间的变化。
12.一种制造衍射均勻器的方法，所述方法包括提供部分透射光学元件，其上具有预定灰度强度图案；提供透明光学元件；导引UV辐射通过所述部分透射光学元件以入射到所述透明光学元件；使所述透明光学元件的预定部分在所述UV辐射下曝光；以及对所述透明光学元件进行热处理以制造所述衍射均勻器，所述衍射均勻器的特征在 于，根据所述透明光学元件内的位置而连续变化的折射率分布。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述连续变化的折射率分布的特征在于，与针 对光学辐射的衍射效应相关联的尺寸。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，所述透明光学元件包括一片光热折射(PTR)玻璃
15.根据权利要求12所述的方法，还包括使所述透明光学元件的第二预定部分在所述 UV辐射下曝光。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述预定灰度强度图案的面积小于所述透明 光学元件的所述预定部分的面积并且小于所述透明光学元件的所述第二预定部分的面积。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，所述部分透射光学元件包括摄影图像。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，所述部分透射光学元件包括空间光调制器阵列。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，所述透明光学元件包括PTR玻璃。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述PTR玻璃包括长方体，并且所述UV辐射在 垂直于所述长方体的最小维的面上入射到所述长方体。
全文摘要
一种光放大器系统包括二极管泵浦阵列，该二极管泵浦阵列包括多个半导体二极管激光棒，该多个半导体二极管激光棒被布置为阵列结构并且以相邻半导体二极管激光棒之间的周期性距离为特征。周期性距离是在垂直于多个半导体二极管激光棒中的每个的第一方向上测量的。该二极管泵浦阵列提供泵浦输出，该泵浦输出沿光路传播并且以根据第一方向测量的并具有大于10％的变化的第一强度分布为特征。该光放大器系统还包括沿光路布置的衍射镜片。该衍射镜片包括光热折射玻璃构件。该光放大器系统还包括放大器板条，其具有沿光路的输入面和位置，并且与衍射镜片间隔预定距离。根据第一方向在放大器板条的输入面处测量的第二强度分布具有小于10％的变化。
文档编号H01S3/00GK101997266SQ20101025926
公开日2011年3月30日 申请日期2010年8月19日 优先权日2009年8月19日
发明者安迪·J·贝拉米安 申请人:劳伦斯·利弗莫尔国家安全有限责任公司