用于波长光束组合激光系统的光学交叉耦合抑制系统的制作方法

本申请是2017年5月4日提交的申请号为201580060011.1、发明名称为“用于波长光束组合激光系统的光学交叉耦合抑制系统”的专利申请的分案申请。

相关申请

本申请要求在2014年12月10日提交的美国临时专利申请no.62/089,839的权益和优先权。该申请的全部内容通过引用包含于此。

在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别地包括用于抑制光束发射器之间的光学交叉耦合的系统的波长光束组合激光系统。

背景技术：

高功率激光系统用于许多不同应用，诸如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器，来自激光发射器的激光被耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)，以及光学系统，其将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。光学系统通常被设计以产生最高质量的激光束或等价地具有最低光束参数积(bpp)的光束。bpp是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄处的半径(即，束腰，最小光斑尺寸)的乘积。bpp对激光束的质量以及它如何可以聚焦到小的光斑进行量化，通常是以毫米-毫弧度的单位表示(mm-mrad)。高斯光束具有最低的可能的bpp，其由激光的波长除以圆周率给出。在同一波长的实际光束的bpp与理想高斯光束的bpp的比率表示为m²、或“光束质量因子”，其是光束质量的独立于波长的度量，“最好的”质量对应于“最低的”光束质量因子1。

波长光束组合(wbc)是用于对来自激光二极管条、二极管条堆栈、或以一维或二维阵列布置的其他激光器的输出功率和亮度进行调节的技术。wbc方法已经被开发来组合沿着发射器的阵列的一个或两个维度的光束。典型的wbc系统包括多个发射器，诸如一个或多个二极管条，它们使用色散元件来组合以形成多波长光束。wbc系统中的每个发射器单独地谐振，并且通过由色散元件沿着光束组合维度滤波的、来自通常部分反射的输出耦合器的波长特定反馈来稳定。示例性wbc系统在2000年2月4日提交的美国专利no.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利no.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利no.8,670,180、以及2011年3月7日提交的美国专利no.8,559,107中详细描述，所述专利的每一个的全部内容通过引用包含于此。

利用各种wbc技术来形成针对许多不同的应用的高功率激光器。然而，光束发射器之间的光学交叉耦合可能导致具有逊于最优亮度的传统的wbc系统。由此，需要用于wbc激光系统的交叉耦合抑制配置。

技术实现要素：

根据本发明的实施例，波长光束组合(wbc)激光系统特征在于多个发射器(或“光束发射器”)，例如二极管条或二极管条的各个二极管发射器，它们被组合以形成多波长光束。激光系统中的每个发射器单独地谐振并经由来自共用部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，所述反馈通过色散元件(例如，衍射光栅、色散棱镜、棱栅(棱镜/光栅)、透射光栅，或中阶梯光栅)沿着光束组合维度来滤波。有利地，使用非狭缝交叉耦合抑制光学系统来抑制反馈光束之间的串扰。在各种实施例中，交叉耦合抑制系统或其至少一部分被定位在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内，并且输出耦合器被定位在由交叉耦合抑制系统(或其至少一部分)传输的多波长光束的瑞利距离内。以这种方式，根据本发明实施例的激光系统产生具有高亮度和高功率的多波长输出光束。

在各种实施例中，交叉耦合抑制系统包括或主要由第一和第二光学元件(例如，透镜)组成，并且第一光学元件的焦距大于(或甚至远大于)第二光学元件的焦距。在这种实施例中，第一光学元件可以定位在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内，并且输出耦合器可以被定位在由第二光学元件传输的多波长光束的瑞利距离内。

在各种实施例中，光学交叉耦合还经由使用设计的输出耦合器来减小或基本上消除，设计的输出耦合器最小化可能反射回至单独的光发射器的杂散波长的背反射。这种输出耦合器可以在具有或没有这里所述的其他交叉耦合抑制系统的情况下使用。在各种实施例中，部分反射输出耦合器包括在区域中除了部分反射部之外的其表面上的防反射涂层，部分反射部被设计大小并定位以仅拦截多波长光束。部分反射部可以从输出耦合器的剩余部分突出，或者部分反射部可以与剩余部分基本上共面。

在本发明的各种实施例中，输出耦合器可以包括或主要由光纤组成，光纤的核心被设计大小和定位以仅拦截多波长光束。核心的表面可以是部分反射的，和/或核心可以在其中包括光纤布拉格光栅以提供光束的实现反馈的反射。光纤的包层可以涂布有防反射涂层以防止从其产生的杂散光反射和光学交叉耦合。端盖可以存在于光纤上以用于例如环境保护和/或减小光纤的端部处的功率密度。在各种实施例中，光纤可以包括模式消除器和/或与模式消除器一起使用，模式消除器基本上消除从在光纤内传播的光的不想要的模式。

本发明的实施例将多波长输出光束耦合至光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个核心的多个包层、单个包层内的多个离散核心区域(或“核心”)、或由多个包层围绕的多个核心。在各种实施例中，输出光束可以被输送至工件以用于诸如切割、焊接等的应用。

这里，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜和光栅等中的任一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。这里，光束发射器、发射器、或激光发射器、或激光器包括诸如半导体元件的任何电磁光束生成装置，其生成电磁光束，但可以或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器、垂直腔面发射激光器(vcsel)等。通常，每个激光器包括背反射表面、至少一个光学增益介质、以及前反射表面。光学增益介质增大电磁辐射的增益，电磁辐射不限于电磁光谱的任何特定部分，而可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括或主要由多光束发射器组成，诸如被配置为发射多光束的二极管条。在这里的实施例中接收到的输入光束可以是单波长或使用本领域中已知的各种技术组合的多波长光束。

诸如在以下通用描述中描述的激光二极管阵列、条和/或堆栈可以与这里所述的创新的实施例相关联地使用。激光二极管可以单独地或分组地封装，通常以一维行/阵列(二极管条)或二维阵列(二极管条堆栈)。二极管阵列堆栈通常是二极管条的垂直堆栈。激光二极管条或阵列通常比等价的单一宽域(broadarea)二极管实现基本上较高的功率并且成本有效。高功率二极管条通常包含宽域发射器的阵列，以相对差的光束质量生成几十瓦特；尽管功率较高，但亮度通常低于宽域激光二极管的亮度。高功率二极管条可以堆叠以产生高功率堆叠的二极管条以用于生成几百或几千瓦特的极高的功率。激光二极管阵列可以被配置为将光束发射至自由空间或至光纤中。光纤耦合的二极管激光器阵列可以传统地用作用于光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。

二极管激光器条是一种类型的半导体激光器，其包含宽域发射器的一维阵列或可替换地包含具有例如10-20个窄带发射器的子阵列。宽域二极管条通常包含例如19-49个发射器，每个发射器具有例如1μm×100μm的级别的尺寸。沿着1μm维度或快轴的光束质量通常是衍射受限的。沿着100μm维度或慢轴或阵列维度的光束质量通常是多次衍射受限的。通常，用于商业应用的二极管条具有1-4mm的级别的激光谐振器长度，约10mm宽，并生成几十瓦特的输出功率。大多数二极管条在从780至1070nm的波长区域中操作，其中808nm(用于泵浦钕激光器)和940nm(用于泵浦yb:yag)的波长是最突出的。915–976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱高功率光纤激光器和放大器。

二极管堆栈简单地是可以输送非常高的输出功率的多个二极管条的布置。也称为二极管激光器堆栈、多条模块或二维激光器阵列，最常用的二极管堆栈布置是垂直堆栈，其有效地是边缘发射器的二维阵列。这种堆栈可以通过将二极管条附接至薄的散热器并且堆叠这些组件以获得二极管条和散热器的周期阵列来制造。也存在水平二极管堆栈以及二维堆栈。针对高光束质量，二极管条通常应当尽可能地相互靠近。另一方面，有效的冷却需要安装在条之间的散热器的一些最小的厚度。二极管条空间的该折衷导致二极管堆栈在垂直方向上的光束质量(以及随后其亮度)远低于单一二极管条的光束质量。然而，存在用于显著地缓解该问题的几种技术，例如通过不同二极管堆栈的输出的空间交错，通过偏振耦合或通过波分复用。各种类型的高功率光束成形器和相关装置已经被开发用于这种目的。二极管堆栈可以提供极高的输出功率(例如，几百或几千瓦特)。

在一个方面，本发明的实施例的特征在于激光系统，其包括或主要由以下组成：各自发射光束的光束发射器的阵列(例如，一维阵列或二维阵列)、用于朝向色散元件聚焦光束的聚焦光学器件、用于接收和分散聚焦光束由此形成多波长光束的色散元件、以及用于接收多波长光束的光纤。光纤包括或主要由以下组成：(i)核心，用于接收多波长光束、将其第一部分朝向色散元件反射回，以及将其第二部分作为由多个波长组成的输出光束传输，核心具有部分反射表面，以及(ii)围绕核心的包层，具有对于多波长光束的小于1％的反射率。

本发明的实施例可以以各种组合中的任一个包括以下中的一个或多个。核心的一部分可以从包层突出。核心的表面可以大致与包层的表面共面。光纤可以被定位为使得，在核心的部分反射表面处，核心的直径(或其他横向维度，例如宽度)不小于多波长光束的直径(或其他横向维度，例如宽度)。核心的直径可以大致等于或大于多波长光束的直径。端盖可以附接至光纤并设置在核心的部分反射表面的光学上游。防反射涂层可以设置在光纤的包层上。模式消除器可以围绕光纤的核心的至少一部分设置。模式消除器可以围绕光纤的包层的至少一部分设置。聚焦光学器件可以包括或主要由一个或多个柱面透镜、一个或多个球面透镜、一个或多个球面反射镜、和/或一个或多个柱面反射镜组成。色散元件可以包括或主要由衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)组成。

激光系统可以包括用于在减小其交叉耦合的同时接收和传输多波长光束的交叉耦合抑制系统。光纤的核心的部分反射表面可以设置在由交叉耦合抑制系统传输的多波长光束的瑞利距离内。交叉耦合抑制系统的至少一部分可以设置在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内。交叉耦合抑制系统可以是无焦的。交叉耦合抑制系统可以包括或主要由无焦望远镜组成。交叉耦合抑制系统可以包括或主要由具有第一焦距的第一光学元件和具有第二焦距的第二光学元件组成。第一光学元件可以设置在第二光学元件的光学上游。第一焦距可以比第二焦距大至少两倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光学元件的每一个可以包括或主要由透镜(例如，柱面透镜或球面透镜)组成。第一光学元件可以设置在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内。光纤的核心的部分反射表面可以设置在由第二光学元件传输的多波长光束的瑞利距离内。第一和第二光学元件之间的光学距离可以大致等于第一和第二焦距的总和。

在另一方面，本发明的实施例的特征在于激光系统，其包括或主要由以下组成：各自发射光束的光束发射器的阵列；聚焦光学器件，用于朝向色散元件聚焦光束；色散元件，用于接收和分散所聚焦的光束，由此形成多波长光束；交叉耦合抑制系统，用于在减小其交叉耦合的同时接收和传输多波长光束；设置在交叉耦合抑制系统的光学下游的光纤，用于接收多波长光束；以及设置在光纤内的光纤布拉格光栅，用于接收多波长光束，将其第一部分朝向交叉耦合抑制系统反射回，并将其第二部分作为由多个波长组成的输出光束传输。

本发明的实施例可以以各种组合中的任一个包括以下中的一个或多个。端盖可以附接至光纤并设置在光纤布拉格光栅的光学上游。聚焦光学器件可以包括主要由一个或多个柱面透镜、一个或多个球面透镜、一个或多个球面反射镜、和/或一个或多个柱面反射镜组成。色散元件可以包括或主要由衍射光栅(例如，透射式衍射光栅或反射式衍射光栅)组成。模式消除器可以围绕光纤的至少一部分设置。光纤布拉格光栅可以设置在由交叉耦合抑制系统传输的多波长光束的瑞利距离内。交叉耦合抑制系统的至少一部分可以设置在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内。交叉耦合抑制系统可以是无焦的。交叉耦合抑制系统可以包括或主要由无焦望远镜组成。交叉耦合抑制系统可以或包括主要由具有第一焦距的第一光学元件和具有第二焦距的第二光学元件组成。第一光学元件可以设置在第二光学元件的光学上游。第一焦距可以比第二焦距大至少两倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光学元件的每一个可以包括或主要由透镜(例如，柱面透镜或球面透镜)组成。第一光学元件可以设置在由色散元件传输的多波长光束的瑞利距离内。光纤布拉格光栅可以设置在由第二光学元件传输的多波长光束的瑞利距离内。第一和第二光学元件之间的光学距离可以大致等于第一和第二焦距的总和。

这些以及其他目标连同这里公开的本发明的优点和特征将通过参考以下说明书、附图和权利要求而变得更加明显。此外，可以理解，这里描述的各种实施例的特征不相互排斥，并且可以以各种组合和排列存在。如这里使用的，术语“基本上”和“大约”意味着±10％，并且在一些实施例中为±5％。术语“主要由…组成”意思是排除对功能有贡献的其他材料，除非另外在这里定义。但是，这种其他材料可以总地或单独地以微量存在。这里，术语“辐射”和“光”互换使用，除非另外指出。这里，“下游”或“光学下游”被使用以表示光束在遇到第一元件之后撞击的第二元件的相对放置，第一元件是第二元件的“上游”或“光学上游”。这里，两个部件之间的“光学距离”是光束实际经过的两个部件之间的距离；光学距离可以是但不必须等于由于例如来自反射镜的反射或由从部件中的一个行进至另一个的光经历的在传播方向上的其他改变引起的两个部件之间的物理距离。

附图说明

在图中，相同的附图标记在不同的视图中通常指的是相同的部件。而且，图不需要按比例，而是通常强调示出本发明的原理。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各个实施例，其中：

图1a是根据本发明的实施例的在非光束组合维度的波长光束组合(wbc)方法的示意图；

图1b是根据本发明的实施例的在光束组合维度的波长光束组合(wbc)方法的示意图；

图2是根据本发明的实施例的包括光学交叉耦合抑制系统的wbc激光系统的示意图；

图3是根据本发明的实施例的用于wbc激光系统的示例性光学交叉耦合抑制系统的示意图；

图4是根据本发明的实施例的用于wbc激光系统的光学交叉耦合抑制系统和输出耦合器的示意图；

图5是根据本发明的实施例的用于wbc激光系统的光学元件和输出耦合器的示意图；以及

图6-8是根据本发明的实施例的用作用于wbc激光系统的输出耦合器的光纤的部分的示意图。

具体实施方式

方面和实施例通常涉及使用外腔将激光源调节至高功率和高亮度的领域，以及更特别地涉及用于使用一维或二维激光源的外腔光束组合的方法和设备。在一个实施例中，外腔系统包括一维或二维激光元件、光学系统、色散元件和部分反射元件。光学系统是执行两个基本功能的一个或多个光学元件。第一个功能是将所有激光元件沿光束组合维度重叠到色散元件上。第二个功能是确保沿着非光束组合维度的所有元件与输出耦合器正交地传播。在各种实施例中，光学系统引入尽可能少的损耗。因此，这两个功能将使单个谐振腔用于所有激光元件。

在另一实施例中，wbc外腔系统包括波长稳定的一维或二维激光元件、光学系统和色散元件。具有独特波长的一维或二维波长稳定激光元件可以使用各种部件来实现，诸如具有来自波长啁啾体布拉格光栅的反馈的激光元件、分布反馈(dfb)激光元件、或分布布拉格反射(dbr)激光元件。这里的光学系统的主要功能是将所有光束重叠到色散元件上。当不存在波长稳定激光元件外部的输出耦合镜时，具有沿非光束组合维度的平行光束不太重要。方面和实施例进一步涉及高功率和/或高亮度的多波长外腔激光器，其生成从非常低的输出功率到数百甚至兆瓦的输出功率的重叠或同轴光束。

本发明的实施例抑制了wbc激光系统中非起源发射器的意外和/或不期望的反馈的量。例如，在wbc系统中，两个单独的光束发射器共享共用部分反射镜(诸如输出耦合器)，存在来自一个发射器的反馈光进入另一个发射器的可能性。来自“非起源”发射器的这种不期望的反馈(或“串扰”或“交叉耦合”)降低了系统的效率。本文所述的方法和实施例可应用于沿慢速发散维度(或“方向”)、快速发散维度或其它光束组合维度的一维和二维光束组合系统。为了该应用的目的，发射光束具有以下形式：一个维度接近或完全是衍射受限，而另一个维度是多次衍射受限。另一种描述这一点的方法可以是轴和/或维度。例如，输出光束可以具有慢速和快速发散轴或尺寸。

在使用术语远大于时，在谈及一个光学元件的焦距与另一光学元件的焦距相比(f1>>f2)的情况下，可以理解为至少2、3、4、5、7倍或更大的因子。例如，f1的焦距可以是100mm或更大，而f2的焦距是50mm或更少。在另一示例中，f1的焦距可以是200mm或更大，而f2是20mm或更少。术语“角滤波器”指的是针对反馈光束创建指定数值孔径。该数值孔径的大小可以将允许的反馈限制为仅对应于最初发射的光束。即，角滤波器防止相邻或附近的发射光束返回至该最初的发射器(即，串扰)。发射器的稳定化指的是由已被限缩至不同波长的每个发射器接收到的反馈。这可以是利用特定波长播种发射器的形式，其导致所发射光束的一部分被重定向回至发射器，并干涉反馈，诸如将光栅放置在路径中，以产生要作为反馈被引导至发射器中的不同波长。通常，反馈被反射回最初的发射区域，其中其在进入回至最初的发射器的光学增益介质部分之前穿过色散元件或衍射光栅。在一些wbc实施例中，反馈源可以是共用反射表面，其将反馈提供至多个发射器，反馈光束的每一个独立地转向特定波长。

图1a-1b示出外腔一维(1-d)wbc系统，包括或由以下组成：具有背反射表面104、具有例如两个或更多个二极管发射器105的增益介质106、前反射表面108的一维光束发射器102(例如，二极管条)、组合光学器件110、色散元件112、以及部分反射输出耦合器114。在该实施例中，组合光学器件或透镜110与二极管条102的前反射表面108距离焦距120a放置，而在透镜110的背板或其他侧面上，色散元件112距离焦距120b放置。输出耦合器114被放置在离色散元件112的特定距离处，并将所生成的光束的一部分(反馈116)反射回至色散元件112。

在该实施例中，组合透镜110的放置完成两个功能。第一个功能是将来自所有二极管元件的所有主光线重叠到色散元件112。第二个功能是校准两个轴上的每个光束。图1a和1b示出非光束组合维度130的视图(图1a)和光束组合维度140的视图(图1b)的示意图。发射器102包括或主要由以下组成：多个发射器(例如，二极管发射器)105、背反射表面104、增益介质106和前表面/小面108。

在wbc谐振器中，邻接的发射器可能会光学地彼此交叉耦合。这可能严重地降低输出光束质量。图2是具有两个邻接的发射器202a和202b的wbc谐振器的示意图，发射器202a和202b将其标称在轴主光线260a和260b(示出为实线)发射至透镜210，透镜210将它们聚焦在色散元件(例如，衍射光栅)212的中心上。从这里，两个主光线以它们自己的独特波长被衍射以沿着相同的轴240传播，通过交叉耦合抑制光学器件250，其代表光栅212和部分反射耦合器214之间的任何和所有透镜或光学元件。两个光线之后被部分反射回至它们本身，向后传播以自耦合至它们各自的发射器中。图2中的虚线261a和261b示出将导致两个发射器之间的光学交叉耦合的主光线——即，从一个发射器发射的主光线耦合回至另一发射器。

以下参数被如下定义：

d＝两个发射器之间的距离(在轴之上和之下+/-(d/2)对称地布置)。

ε＝偏离角(在发射器处的实线主光线和虚线主光线之间的角度)。

θ1/2＝发射器在wbc方向上的半发散远场角。

l0＝从发射器到透镜l1的距离。

f1＝透镜l1的焦距。

在图2中，光栅被示出如同其在法向入射时工作。这里，假设系统在利特罗(littrow)配置下操作，其中入射角和衍射角是相等的(以及非零的)。在利特罗配置中，入射角的小的改变通过衍射角的相等改变被匹配至第一级。在展开示意图中，在利特罗处操作的任何光线将似乎笔直地传播通过光栅。清楚的是，仅中心光线202c(从在两个发射器202a和202b之间的虚构发射器发射的光线)在利特罗处自耦合。

图2中的对称性是故意的，因为其在独特偏离角ε的分析中允许多次重要的简化，以该偏离角ε主光线可以离开一个发射器并返回至另一发射器。第一次基于对称性的简化是偏离的(虚线)主光线必须在其中心撞击耦合器。第二次简化是交叉耦合波长必须是两个自耦合波长的平均。这将反过来是两个发射器之间的虚构发射器的波长，两个发射器如上所述将在利特罗处自耦合。因此，图2中的虚线主光线必须在利特罗处穿过光栅，意味着它们将似乎直线地传播通过所示出的光栅。通过使用该简化，传统的“y/y-条”(主光线高度/主光线斜率)分析可以用于追踪顶部虚线主光线：

离开顶部发射器：

进入透镜l1：

离开透镜l1：

进入和离开光栅(从以上论述回想到，虚线主光线在光栅处不改变方向)：

为了完成在耦合器处的涉及传播通过交叉耦合抑制光学器件的计算，回想到虚线主光线在其中心横穿耦合器。因此，仅在耦合器处的光线斜率是非零的，并且注意在光栅处的光线高度和光线斜率必须都与在耦合器处的光线斜率成比例。这意味着在光栅处的高度与斜率的比率必须是常数。并且，可以将该常数非常直观地解释为耦合器离光栅的有效距离的负数，如由交叉耦合抑制光学器件所确定的。换句话说，

其中，lcplr_eff是耦合器超出光栅(的右边)的有效距离。

实际上，lcplr_eff可以利用光线追踪或利用光栅后透镜的y/y-条分析来计算。但是在任何情况下，等式9允许针对偏离角ε求解等式7和8，具有以下结果：

既然导致交叉耦合的偏离角ε已经被确定，则可以计算交叉耦合的量。交叉耦合的一个合理的定义是自耦合强度和交叉耦合强度的乘积的在发射器处对立体角的积分，其通过自耦合强度的平方的积分来标准化。在计算该积分之前，重要的是注意以简化对称性的名义，假设在交叉耦合发射器处的出射和入射光束同等地偏离。由此，针对重叠积分，考虑未偏离的一个光束(自耦合光束)以及要被偏离两倍的角度ε的另一光束(交叉耦合光束)。将该段放入等式形式提供：

(注意，等式11涉及在单个角上的一维积分，而不是在立体角上的二维积分。这是因为在与光束偏离正交的方向上的在角度上的积分得到落到等式11中的比率之外的常数。)等式11可以被简化以得到：

总之，可以根据等式10按照已知的参数来计算相关偏离角ε。所得到的重叠(overlap)之后可以根据等式12来计算。这给出交叉耦合强度与自耦合强度的比率，假定在自耦合情况下，在耦合器处存在完美的束腰。

当靠近但不完全在将发射器放置得从l1向后一个焦距的通常配置处时，存在对交叉耦合具有大的影响的非常有趣的可能性。如果我们正好将发射器放在那里，则等式10的分母中的第一项将是零，并且等式10将减少至：

将等式13代入等式12得到：

这里，d’是在近场处的发射器直径，以及zr是光束的瑞利距离。由此，为了减少交叉耦合，近场填充因子(d/d’)应当很高，光栅和耦合器之间的光路长度应当很长，并且瑞利距离应当很短。通常，近场填充因子是固定的。作为示例，如果假定为wbc系统包括20个二极管条以及具有2000mm的焦距的变换透镜，则在光栅处的光束尺寸大致为40mm(假定20毫弧度全光束散度)。这种光束的瑞利距离(1μm波长和衍射受限)是约160m。光栅和输出耦合器之间的距离应当与用于交叉耦合抑制的瑞利距离差不多。这种长度将使得wbc系统实质上不切实际。然而，如果光束在光栅和输出耦合器之间被缩小40×，则光路长度被缩短160×或约1m。光路长度的进一步减小可以使用光束尺寸的较大的减小来实现。光束缩小可以使用诸如透镜、棱镜或它们的组合的各种机构来实现。仔细的设计必须被考虑以使得每个发射器的自耦合不削弱以使得腔性能受损。

但是，如果发射器轻微从该位置离开，则等式10的分母中的第一项实际上可以抵消第二项，使得所需的偏离角无限大并且交叉耦合重叠为零。具体来说，这种情况当满足以下时发生：

换句话说，当至耦合器的有效距离lcplr_eff非常大时，等式14给我们可能的配方，用于从l1的前焦点轻微地往回拉发射器，以破坏交叉耦合。

图3示出在图2中由框示出的交叉耦合抑制系统250的一个示例。这里，光学元件302可以是具有焦距f1304的透镜。第二光学元件306也可以是透镜并具有焦距f2308。302和306之间的距离确切地或大约是焦距f1和f2的和。如之前论述的，优选的是，f1与f2的比率(f1/f2)是至少两倍或更大。系统250可以是无焦点伸缩系统。在其他实施例中，多个光学元件可以被使用，其中，系统的效果仍保持具有大比率的无焦点伸缩系统的特性。

在各种实施例中，期望将透镜302放置在从色散元件(例如，衍射光栅)传输的光束的瑞利距离内，同时也将部分反射输出耦合器或其他反射表面放置在从透镜306出来的光束的瑞利距离内。通过适当地将具有f1>>f2关系的透镜放置在这些位置内，有效的系统被创建以减小并在一些情况下消除从进入非起源发射器或源的任何交叉耦合反馈。

图4示出根据本发明的实施例的稳定系统400(其可以是wbc激光系统的一部分)，其中，光学交叉耦合抑制系统(其可以包括或主要由光学元件410、420组成)与部分反射输出耦合器430结合使用，部分反射输出耦合器430被设计为最小化可能导致不想要的反馈的反射。如所示出的，输出耦合器430包括部分反射光束接收部分434，其被设计尺寸并定位成接收来自光学元件420的光束。具体地，光束接收部分434通常具有与其接收的光束的直径(或其他横向维度)大致相同的尺寸的直径(或其他横向维度)。可以大致居中在输出耦合器430的表面上的光束接收部分434被非反射部分(或表面)432围绕，非反射部分432具有对所接收到的光束的波长的1％或更少的反射率。例如，非反射部分432可以涂布有防反射涂层以防止可能导致光学串扰的不期望的背向反射。由此，在光束接收部分434之外传播至输出耦合器430的任何杂散光将不被反射回至wbc系统的光束发射器。光束接收部分434可以从耦合器430的表面的剩余部分突出(即，可以相对于非反射部分432升高)，如图4中所示出的，或者光束接收部分434可以大致与非反射部分432共面。

光束接收部分434可以对光束的波长具有小于大约15％的反射率，例如在大约2％至大约10％的范围中，以提供来自相关联发射器的光束的期望波长稳定。可以理解，所接收光束的剩余部分将穿过输出耦合器430并传输至下游的光学系统部件(例如，光纤或工件)。

图5示出根据本发明的实施例的稳定系统500(其可以是wbc激光系统的一部分)，其中，光学元件510(例如，柱面或球面透镜)简单地将光束聚焦在部分反射输出耦合器430上，并且在它们之间不存在第二个准直光学元件。以这种方式，输出耦合器430可以在不使用光学交叉耦合抑制系统(例如，包括或主要由诸如透镜的两个或更多个光学元件组成)的情况下在wbc激光系统中使用。

图6示出wbc激光系统600的一部分，其中，光学元件610将光直接聚焦至光纤的核心650中，光纤包括作为部分反射输出耦合器操作的一个或多个特征。如示出的，光纤还可以具有围绕核心650的包层640；通常，包层640具有小于核心650的折射率的折射率，以使得核心650内的光被限制。核心650的端面可以与包层的端面642大致共面，或者核心650可以从表面642轻微突出。为了提供波长稳定，核心650的端面可以对光束的波长是部分反射的(例如，在大约2％和大约10％之间反射，或者在大约4％和大约10％之间反射)。在各种实施例中，部分反射率可以由核心的端面上的涂层提供。

在本发明的各种实施例中，代替部分反射涂层或除了部分反射涂层以外，光纤布拉格光栅654可以设置在核心650内以提供期望的部分反射率。如本领域技术人员已知的，光纤布拉格光栅包括或主要由光纤的一部分(例如，在核心650内)的折射率的周期变化组成。周期变化可以是例如所接收到的光束的波长(或波长之一)的一半的级别，并且光栅由此引起菲涅尔反射。反射的波长依赖性和/或幅度可以通过特定光栅图案和其中的折射率变化来选择。在各种实施例中，多个光纤布拉格光栅654可以设置在核心650内，并且每个光栅654可以具有不同的折射率变化和/或波长选择性。

在各种实施例中，包层640的表面642可以涂布有防反射涂层以防止从反射回的光偏离至相邻的发射器或光束的任何偏离光。例如，表面642可以被涂布以具有针对光束的波长的小于1％的反射率。

图7示出波长稳定系统700(其可以是wbc激光系统的一部分)，其中，光学元件710将光聚焦至光纤的核心650中。在系统700中，端盖720设置在核心650上并与核心650(以及在一些实施例中，包层640的表面642)接触；在一些实施例中，端盖720附接至光纤，它们之间具有折射率匹配材料。在其他实施例中，光纤的至少一部分(例如，核心650)被直接熔融至端盖720。如图7中所示，端盖720的存在实现光纤和入射光束之间的有效接口(即，光束进入端盖的点)以在其具有更大直径(或宽度)时接收光束，由此减少光束在进入光纤时的功率密度。端盖720的存在还可以保护光纤的其他部分以防止热量、湿气和/或其他环境污染物。

图8示出波长稳定系统800(其可以是wbc激光系统的一部分)，其中，光学元件810将光聚焦至光纤的核心650中。系统800包括模式消除器820以进一步增大光纤对于光束的纯度和传输能力。可以理解，随着光束改变传输介质，各种折射指数和至光纤中的光入射角可能导致包层模式，即，光在包层的材料内行进。该包层模式可能是不期望的，因为这种光可能导致波长失真和原始光束的污染。如本领域技术人员所知道的，模式消除器820可以包括、主要由、或由以下组成：具有折射率不小于(即，等于或大于)包层640的折射率的材料；以这种方式，可能通常以包层模式在包层内传播的光将优先地进入模式消除器并且从光纤辐射出去。在各种实施例中，模式消除器820将具有比包层640的折射率大的折射率。如图8中所示，折射率匹配材料830可以设置在核心650(或在一些实施例中，包层640)和模式消除器820之间。(如这里使用的，术语“折射率匹配材料”指的是设置在两种其他材料之间并且具有折射率在两种材料的折射率之间或大致等于一种或两种材料的折射率的材料。)尽管图8示出直接围绕核心650的模式消除器820，在多种实施例中，包层640的至少一部分设置在核心650和模式消除器820之间。

在前述波长稳定系统中的任一个中，可以理解，光束可以经由被配置为实现期望光束质量的光学和/或色散元件的增加以各种方式操纵。例如，诸如光栅和/或准直器的光学元件可以存在于wbc系统和/或稳定系统中。还可以理解，部分反射元件可以通过包括但不限于提供光栅、涂层等许多手段设置有部分反射性质，以实现期望的传输和期望的反射质量。

这里使用的术语和表达用作描述的术语并且没有限制，并且在使用这些术语和表达时，没有意图排除所示出和描述的特征的任何等价或其部分，但可以理解，各种修改可以在所要求保护的本发明的范围内。