用于大面积激光器的光谱变窄和波长稳定化的方法和设备与流程

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年1月29日提交的美国临时申请号62/109,189的优先权，所述申请以引用的方式整体并入本文。

相关领域

大面积激光器的光谱变窄和波长稳定化。

背景

大面积激光器(bal)由于它们的波长选择能力和较高的电到光效率而用于光泵浦和材料处理。然而，它们具有由多模式操作、热感应折射率变化以及由非均匀增益诱导的折射率变化而引起的光谱和空间不稳定发射。这些效应导致9xx带bal，其在峰值操作功率下具有2-6nm的光谱宽度和每开氏温度移位0.3-0.4nm的光谱。当需要与材料的窄吸收峰值的强相互作用时(例如，泵浦镱掺杂光纤激光器)，这些特性可变得有问题。

过去已在至少一些实例和应用中使用选择性激光反馈来改进激光器的光谱特性。在大面积激光器二极管中，两种此类技术包括在二极管上的分布布拉格反射器中或者使用外腔式构型中的立体布拉格反射器。尽管与二极管单片集成的分布布拉格反射器不需要物理对齐以使bal光谱输出变窄，但此类装置仍遭受由于温度以及因此操作功率而导致的波长变化性。可替代地，立体布拉格光栅对于温度变化更稳健，但必须仔细对齐并且倾向于具有降低总输出功率效率的散射损耗。

概述

我们已开发出使用单模光纤布拉格光栅(fbg)以使商用bal的发射波长变窄和稳定的设备和方法。在一些非限制性实例中，不同于立体布拉格光栅(vbg)方法，这种技术还示出来增强输出功率并改进具有改善慢轴光束质量的潜力的远场(ff)发射图样。在一个非限制性实例中，本发明以用于集成到常规封装系统中的新颖的激光泵浦光纤几何结构来体现。

在一些非限制性实例中，可通过利用高度反射的fbg和来自远场的角度选择性反馈来彻底地改变bal的激光性能。这已通过其中3.0a商用bal的光谱成分变窄一定因数(10.6降至0.26nm)的实验而演示。在至少一些实例中，这些技术不受激光二极管温度所支配。在一些实例中，我们的方法包括ff中的空间和光谱选择性反射器，其(在不增加发射角度的情况下)也增强发射功率，并且因此在其意图的操作功率下使bal的空间亮度增加高达13%，并且在至少一些实例中还引起ff分布形状的改变并且改善光束质量。我们的新颖的激光泵浦光纤构造的实施方案可快速地集成到当前制造环境中并显著地增强由用于商用高功率二极管泵浦激光器系统的这种技术的实施方案所获得的益处。

在一个非限制性实施方案中，设备包括：大面积激光源，所述大面积激光源被配置来发射光，所述发射光包括发射轴线和沿着所述发射轴延伸的发射图样，所述发射图样包括远离所述发射轴的中心定位的子孔径部分；单模光纤，所述单模光纤与光纤布拉格光栅相关联，所述光纤布拉格光栅被配置来将来自子孔径部分的光按光谱选择性地反射回所述大面积激光源；以及耦合光学器件，所述耦合光学器件被配置来将子孔径部分的至少一部分耦合到单模光纤。

在一些实例中，所述子孔径部分是子孔径远场部分。

在一些实例中，所述单模光纤是双包层光纤的纤芯。

在一些实例中，所述耦合光学器件被配置来将基本上所有发射光耦合到双包层光纤。

在一些实例中，所述双包层光纤沿着中心纵向轴线延伸，并且所述单模光纤纤芯从所述中心纵向轴线偏移。

在一些实例中，所述双包层光纤还包括从所述双包层光纤的所述中心纵向轴线偏移的第二单模光纤纤芯。

在一些实例中，所述发射图样包括远离所述发射轴的所述中心定位的第二子孔径部分，并且其中所述第二单模光纤纤芯与第二光纤布拉格光栅相关联，所述第二光纤布拉格光被配置来将来自所述第二子孔径部分的光按光谱选择性地反射回所述大面积激光源。

在一些实例中，所述设备还包括：第二大面积激光源，所述第二大面积激光源被配置来发射光，来自所述第二大面积激光源的所述发射光包括第二发射轴和沿着所述第二发射轴延伸的第二发射图样，所述第二发射图样包括远离所述第二发射轴定位的第二子孔径部分；以及第二单模光纤，所述第二单模光纤与光纤布拉格光栅相关联，所述光纤布拉格光栅被配置来将来自所述第二子孔径部分的光按光谱选择性地反射回所述第二大面积激光源。

在一些实例中，所述单模光纤和所述第二单模光纤是双包层光纤的纤芯。

在一些实例中，所述双包层光纤包括输入面，所述发射图样和所述第二发射图样入射到所述输入面上，并且所述发射图样和所述第二发射图样在所述输入面处不重叠。

在一些实例中，所述双包层光纤包括输入面，所述发射图样和所述第二发射图样入射到所述输入面上，并且所述发射图样和所述第二发射图样在所述输入面处包括重叠部分和非重叠部分。

在一些实例中，所述单模光纤和所述第二单模光纤位于所述发射图样和所述第二发射图样在所述输入面处的所述非重叠部分中的至少一些处。

在一些实例中，所述大面积激光源具有发射光谱，所述发射光谱具有光谱宽度，所述光谱宽度具有所述发射光谱的半峰强度处的全宽度；并且所述光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射使所述发射光谱的所述光谱宽度变窄至少3倍。

在一些实例中，所述大面积激光源的所述发射光具有亮度；并且所述光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射使所述发射光的所述亮度增加至少5%。

在一些实例中，所述发射图样具有远场空间分布；并且所述光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射改变所述发射图样的所述远场空间分布。

在一些实例中，所述耦合光学器件包括慢轴傅里叶变换光学器件。

在另一个非限制性实施方案中，双包层光纤包括：包层；多模纤芯，所述多模纤芯在所述包层内；以及偏移单模纤芯，所述偏移单模纤芯嵌入所述多模纤芯中，所述单模纤芯与光纤布拉格光栅相关联。

在一些实例中，所述双包层光纤具有中心纵向轴线，所述双包层光纤沿着所述中心纵向轴线延伸，并且所述单模纤芯从所述中心轴线偏移。

在一些实例中，所述双包层光纤还包括嵌入所述多模纤芯中的第二偏移单模纤芯，所述第二单模纤芯与第二光纤布拉格光栅相关联。

在一些实例中，所述双包层光纤包括输入面；并且所述第一偏移单模纤芯、所述第二偏移单模纤芯以及所述中心纵向轴线在所述输入面处相对于彼此线性地定位。

在一些实例中，所述双包层光纤包括输入面；并且所述第一偏移单模纤芯、所述第二偏移单模纤芯以及所述中心纵向轴线在所述输入面处相对于彼此非线性地定位。

在一些实例中，所述双包层光纤具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，所述中心纵向轴线位于所述第一侧与所述第二侧之间，所述单模纤芯位于所述第一侧中，并且所述第二单模纤芯位于所述第二侧中。

在一些实例中，所述双包层光纤具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧，其中所述中心纵向轴线位于所述第一侧与所述第二侧之间，并且所述单模纤芯和所述第二单模纤芯两者都位于所述第一侧中。

在另一个非限制性实施方案中，设备包括：大面积激光源，所述大面积激光源被配置来发射光，所述发射光包括发射轴线和沿着所述发射轴延伸的发射图样，所述发射图样包括远离所述发射轴定位的子孔径远场部分；以及单模光纤布拉格光栅，所述单模光纤布拉格光栅被配置来将来自所述子孔径远场部分的光按光谱选择性地反射回所述大面积激光源。

在一些实例中，所述大面积激光源具有发射光谱，所述发射光谱具有光谱宽度，所述光谱宽度具有所述发射光谱的半峰强度处的全宽度；并且所述单模光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射使所述发射光谱的所述光谱宽度变窄至少3倍。

在一些实例中，所述大面积激光源具有发射光谱，所述发射光谱具有光谱宽度，所述光谱宽度具有所述发射光谱的半峰强度处的全宽度；并且所述单模光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射使所述发射光谱的所述光谱宽度变窄2倍与20倍之间。

在一些实例中，来自所述大面积激光源的所述发射光具有远场强度分布；并且所述单模光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射增强所述远场强度分布的至少一些部分。

在一些实例中，所述单模光纤布拉格光栅的所述光谱选择性反射改变所述大面积激光源的所述发射图样的形状。

在一些实例中，所述单模光纤布拉格光栅嵌入双包层光纤的纤芯中。

在一些实例中，通过所述单模光纤布拉格光栅的所述光的光谱选择性反射被限于来自远离所述发射轴定位的所述子孔径远场部分的光的光谱选择性反射。

附图简述

图1示意性地描绘fbg子孔径反馈的非限制性实例。耦合光学器件可生成远场、近场或中间场的图像。

图2示意性地描绘展示fbg子孔径远场反馈的实验。

图3描绘与来自图2的实验的以3.0a操作的自激bal(虚线)相比，具有窄带、单模、fbg反馈(实线)的bal光谱。

图4描绘针对来自图2的实验的子孔径反馈装置(实线)和自激装置(虚线)的以发射峰值为中心的光谱箱(spectralbin)中的一部分功率。

图5描绘在来自图2的实验的ff反馈位置的范围内自激bal与复合腔bal的光谱fwhm的比率。

图6描绘在来自图2的实验的散热温度的范围内自激bal与复合腔bal的光谱fwhm的比率。

图7将具有通过自激bal的fffbg反馈的bal输出功率的百分比增加描绘为来自图2的实验的驱动电流的函数。

图8用来自图2的实验的反馈(实线)以及同时自激(虚线)描绘balff分布(以零度为中心)的一半的强度分布。

图9描绘具有并入被配置用于子孔径fbg反馈的fbg的离轴嵌入纤芯的传输光纤的非限制性实例。

图10-15描绘用于在子孔径fbg反馈中使用的传输光纤的另外非限制性实例。

详细描述

图1示出设备的非限制性实例，其中bal的慢轴发射的离轴部分被选择性地馈送回bal中(在一些非限制性实施方案中，慢轴发射可以是双叶ff发射)。在图1中，来自并入fbg的单模光纤的反馈用作窄光谱和空间滤波器，它的近高斯变迹法(由光纤模态形状提供)用于减少不希望的空间模式的激发。

图2示意性地描绘展示fbg子孔径远场反馈的实验，其中图3-8描绘来自所述实验的数据中的一些，这在以下章节1中进一步讨论。在图2的实验中，bal的慢轴ff通过自由空间传播而进入，这将通常不是在封装激光器系统中的情况。如以下章节2中进一步讨论的，图9-15示出具有一个或多个离轴单模fbg并入纤芯的光纤的若干非限制性实例，所述纤芯可光学耦合到封装系统中的一个或多个bal，以使bal的发射波长变窄并使其稳定、改进ff发射图样并且捕获bal的所有或几乎所有输出功率。

1.实验结果。

图2示意性地示出实验，其中bal的慢轴双叶ff发射的离轴部分被选择性地馈送回bal中。图2所示的实验设置以及从实验获得的数据(其中一些在图3-8中示出)尽管说明本发明，但仅仅是实例并且不意图限制本发明的范围或应用。本领域技术人员将认识到这个专利中描述的本发明可以多种多样的方式来应用以获得多种多样的效果。

在图2中，facylin.是二极管的快轴中的圆柱形透镜系统。pol.cont.是确保用于耦合回bal中的正确偏振的光纤偏振控制器。诊断套件由可互换功率检测器和光谱分析仪组成。

在图2中，bal的反射前表面和后表面限定一个光学激光腔。光纤中的bal和fbg的后表面限定第二激光腔，这些表面中的所有三个形成复合腔，并且有助于变窄系统的操作。本领域技术人员将认识到具有光学反馈的激光器表示与复合腔激光器相同的物理系统。然而，本发明不限于复合腔设备和方法。例如，在一些实施方案中，bal的发射侧反射表面可替代地具有减反射涂层，从而导致图2的设置更接近单腔设计。

图2的实验中使用的fbg被测量为具有98%反射率、1.0nm全宽半峰反射率以及973.9nm的峰值反射率。在其他实施方案中，可采用具有其他特性的fbg。在一些实例中，根据具体应用和所需效果，fbg可具有大于60%的反射率、大于70%的反射率、大于80%的反射率、大于90%的反射率或大于95%的反射率、大于或小于1.0nm的全宽半峰反射率(例如，0.01nm与4nm之间)以及在其他波长下的峰值反射率。在其他实施方案中，例如当使用双fbg时或者当使用具有ar涂布刻面的fbg时，可采用具有较低反射率(在一些实例中具有低至5%的反射率)的fbg。本领域技术人员认识到存在用于产生具有窄线宽的fbg的许多方法，包括具有光谱重叠特征的级联fbg等。

图2的实验中使用的bal专用于在977nm下以全功率(大约3w)来操作，但冷却成更紧密地匹配fbg波长。在其他实施方案中，可使用具有或不具有温度控制的其他bal。由于商用bal上的低反射率涂层，在此特定实例中仅需要相对较小数量的外部反馈以急剧地改变激光特性。在允许通过fbg的反馈之前，适度的3.2%的bal输出功率被耦合到单模光纤。光谱宽度被测量为半峰全宽度(fwhm)。图2的实验中使用的bal仅是可与本发明一起使用的bal的一个非限制性实例。

图3示出图2的实验中的子孔径fffbg反馈的光谱影响。以3.0a操作，bal发射光谱在反馈的情况下具有0.26nm的光谱宽度，比隔离发射的2.8nm的宽度窄10.6倍。在所有情况下，对于一定操作功率范围和在14.2℃至20.8℃的范围内的温度，未观察到光谱峰值从974.4nm移位或显著加宽，而不管在此范围内的自激激光波长的移位。

对于泵浦应用中所采用的一些实施方案感兴趣的是发射的光谱强度。为具有和不具有图2的实验中的反馈的bal发射计算发射到指定光谱箱(以发射峰值为中心)中的输出光谱的一部分。图4将两种情况的结果示出为光谱箱宽度的函数。为包含95%的大多数发射使用实际度量，具有反馈的bal的光谱宽度小于自激bal的光谱宽度的一半。考虑到图3中示出的反馈光谱的非常窄的fwhm但是较宽的消隐，预期更大的反馈将消除至少一些实例中的消隐，从而进一步使总光谱变窄，以便允许在至少一些实例中的常规(非反馈)情况下的窄吸光带的更大利用和显著益处。

在至少一些实例中，实际激光器体系结构的一个方面是对特定构造的敏感性。图5示出常规bal的fwhm与图2的复合腔装置的fwhm的比率，其中从ff中的一系列位置提供反馈。位置1位于发射的中心轴线附近，并且增加对应于逐渐离轴反馈的位置指数。位置14在远场的边缘附近，意味着指示的ff位置的范围覆盖几乎额定激光输出(半)ff的整个跨度。可能由于对优先激光空间模式的增加的耦合和反馈，在ff发射的峰值附近观察到在此非限制性实施方案中变窄的最佳光谱。在此实例中，耦合的范围覆盖额定ff发射的大部分(大约25%)，从而指示针对常规制造和定位公差，这种技术的商用应用将更稳健。

在图5中，常规bal的光谱fwhm与具有从一系列位置提供的反馈的复合腔装置的光谱fwhm的比率对应于ff中的离轴反馈角度。这个最佳反馈位置的实施方案可在0.5度离轴与来自所使用二极管的最大支持离轴发射之间(通常但不限制于3度至6度之间)。

图6将常规bal的fwhm与图2的复合腔bal的fwhm的比率示出为14.2℃至20.4℃的范围内的散热温度的函数。在测量的温度范围内，具有fbg反馈的bal的光谱峰值保持固定为974.4nm，即使自激bal的波长移位大约4nm。实验的耦合系统表现出一些随温度的变化性，注意最显著的是15.3℃处的18.8倍的改善，其中在10倍改善周围获得更多可再现的结果。这些结果指示在至少一些实例中：(a)封装系统将得到比在光学台上获得的那些更多可再现的结果，(b)增加系统力学(例如，在封装系统中)的热稳定性将帮助耦合并允许增加的性能和热波长稳定性；以及(c)尽管常规并稳定地观察到10倍的光谱变窄，但考虑到更加热稳定和机械稳定的封装，光谱可能够变窄可能两倍的另一因数。

除了图2的实验中的这个fbg反馈的光谱影响之外，测量发射功率的(对于至少一些应用和实例有利的)有利变化，如ff慢轴发射图样的变化。图7示出外部反馈bal与自激bal的功率输出的增加。在1.4-3.0a方案中测量到发射功率的7-13%的增加，其中在3a(可获得的最大)电流下测量到13%。由于bal的发射图样，此相对功率增加展示变化，并且因此由于对于此实验测量将光纤固定在远场中的一个位置处，反馈的相对影响也会随电流变化。由于输出功率增加，高强度ff特征可继续移动并远离单模光纤移动，从而导致对bal的反馈的变化。在这些中等至高功率水平下，耦合的相对数量随功率变化保持得相当高，从而指示位置调谐对于这种配置的主要益处是不必要的。然而，在至少一些实例中，可能希望针对每个给定bal设计优化光纤在ff平面中的位置。在图2的配置中，从二极管的ff发射的一半获得功率测量，并且因此潜在地仅示出输出的对称性变化。然而，bal中的增益指数耦合的无序性质暗示输出应主要通过装置的增益模式且不直接通过反馈来进行空间分布，如图8中所指示的。

由于来自图2的系统中的单模光纤fbg的反馈，对bal的内部空间特性的干扰由图8中记录的半ff分布来指示。这个图示出反馈导致在ff反馈的位置处的增强峰值。在此实例中，ff分布的变化的性质取决于ff的馈送回bal的区段。此外，在此非限制性实例中，选择ff反馈位置以使性能最大化，这在标准情况下通过增强激光器中的现有主导空间分布来完成。尽管仅示出ff分布的轻微变化，但增加的反馈可潜在地同时改善ff叶的清晰度以及功率和效率。结果可以是具有改善的光谱纯度的显著更高亮度的bal。例如，在一些实施方案中，利用单fbg反馈，可实现亮度的7-30%的增加。在一些实施方案中，利用双fbg反馈，诸如以下在图15中讨论的，可预期亮度的500-1000%的增加。

2.使用具有并入fbg的一个或多个离轴单模纤芯的光纤的设备。

尽管由图2所示的实验通过自由空间传播进入bal的慢轴ff，但在至少一些实施方案中，可在圆柱形透镜的傅里叶平面中进入慢轴ff，诸如图10中示出的实例所示。如图10所示，所述设备包括与常规快轴光学器件结合的慢轴傅里叶变换光学器件，以聚焦所需慢轴ff用于耦合到高功率传输光纤中。然而，为了允许此特定实施方案中所提出技术的有益光谱变窄效果，这种多模传输光纤具有并入fbg的嵌入离轴单模纤芯，如图9和图10针对本发明的一些实施方案所描绘的。在至少一些实例中，这种设备为其意图目的(诸如光泵浦或机加工)捕获从bal发射的基本上所有光。在一些实施方案中，所述设备捕获从bal发射的光的多于50%、从bal发射的光的75%或更多、从bal发射的光的90%或更多、从bal发射的光的95%或更多或者从bal发射的光的99%或更多。换句话说，不管反馈配置如何，概念的双包层光纤状实现方式捕获从二极管激光器发射的所有光。图9和图10中示出的这些非限制性实例与仅可使用一半光或者滤波技术引起较大腔内损耗的许多反馈技术形成鲜明对比。图9和图10中所示的实例相比于使用立体布拉格光栅应具有更低数量的散射光，所述立体布拉格光栅在标准情况下相对于自激激光器导致降低的输出功率。此外，本配置中的任何剩余散射可能仍由多模传输光纤捕获。

图10中所示的实例可以是复合腔或单腔装置。在单腔配置的一些实施方案中，并入fbg的嵌入离轴单模纤芯用作共振腔反射镜中的一个，其中bal的发射侧包含ar涂层。

图9和图10示出单待发反馈的实例。在一些实例中，可从双待发反馈获得极大增强的空间和光谱特性。尽管在类似于图2的系统中实现这一点将由于具有来自发射两侧的反馈的几何结构而导致在标准情况下严重限制可提取功率，但在至少一些实施方案中，本文呈现的本发明将使用传输光纤体系结构捕获基本上所有发射。双待发反馈可例如利用围绕多模光纤的中心轴线成镜像的第二fbg并入纤芯而容易地完成。

对于更高功率系统中典型的空间倾斜的多个bal，可使用标准多纤芯光纤制造技术为每个激光器包含多个此类fbg并入纤芯。

图11-15示出具有各自并入被配置用于子孔径fbg反馈的fbg的多个离轴嵌入纤芯的传输光纤的各种非限制性实例。图11示出双反馈的一个实例，其示出光纤剖视图，其中参考数字1指示多模光纤的外部包层，参考数字2指示内部包层，参考数字3指示并入光纤布拉格光栅的嵌入纤芯，并且参考数字4指示半导体激光束在光纤输入面上的入射位置。在图11的实例中，两个嵌入纤芯距离内部包层的中心等距离间隔。在其他实施方案中，两个或更多个纤芯可距离内部包层的中心以不同距离间隔。在图11中，两个嵌入纤芯是双侧的，即它们被布置在距离内部包层的中心的相对侧上。在其他实施方案中，例如如图12中所示，多个纤芯可位于内部包层的一侧上(如左边的实例中所示)或者可以是单侧和双侧的组合(如右边的实例中所示)。图11和图12表示用于增加进入bal中的总反馈和/或使用多个fbg来减少净发射带宽的替代布置。

图13示出多光束反馈的两个实例，并且图14示出多光束双反馈的两个实例。如图13和图14所示，嵌入纤芯的中心和内部包层的中心不需要完全相对于彼此共线。还如图13和图14所示，多个激光器可耦合到单个光纤中。图13(左)示出用于bal阵列的高亮度堆叠构造的单纤芯反馈构造。图13(右)示出与图13(左)相同的用于空间地旋转90度使得它们可偏振组合到单个光纤中的两个bal阵列。图14示出用于与图13相同情况的双纤芯反馈的实例。其他双纤芯和多纤芯布置也是可能和可设想的。例如，图12中所示的纤芯布置可在类似于图13和图14的那些bal阵列中实现。

在具有改进光束质量的潜力的情况下，本技术的实施方案还可允许使用多模光纤的更小直径，从而增强总体光纤耦合二极管激光器系统的亮度。图15示出具有显著增强的亮度的双反馈的一个实例。在此实例中，内部包层在尺寸上显著减少(并且在其他实例中，可完全去除)，并且每个输出可稍后耦合到匹配纤芯和内部包层参数的额外光纤。在此实例中，可为有效激光发射降低光纤布拉格光栅的反射率。在此实例中，所描绘输出来自单个激光器。

对本领域技术人员将显而易见的是，可在不背离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改和变更。并不意图将本发明局限于所公开的一种或多种具体形式，但相反，意图涵盖落在本发明的精神和范围内的所有修改、替代构造和等效物，如所附权利要求书中所限定。因此，旨在本发明涵盖本发明的修改和变更，只要所述修改和变更在随附权利要求书和其等效物的范围内即可。