用于提供光学辐射的装置的制作方法

本实用新型涉及用于提供光学辐射的装置。

本实用新型特别适用于连续波和脉冲激光器(包括半导体二极管激光器和光纤激光器)，以及适用于利用此类激光器来进行标记、切割、雕绘和焊接。本实用新型还适用于用于加工高反射性材料(诸如铜和金刚石)的激光器，以及适用于在通常被称为增材制造或3d打印的工艺中利用激光器来烧结金属粉末。

背景技术：

工业激光器(诸如光纤激光器和盘形激光器)具有用于在通常被称为增材制造或3d打印的工艺中利用激光器来进行标记、切割、雕绘、焊接、烧结金属粉末、以及材料的其他工业加工的重要应用。激光器用于许多行业，包括消费电子、医疗设备、汽车和航空航天。激光可以是脉冲波或连续波。可达到的典型脉冲长度范围从几皮秒到纳秒、微秒和毫秒。脉冲重复率是电子控制的，并且可在较宽范围上变化。

随着功率电平和强度的增加，与非线性效应(例如，光谱噪声、时间噪声、散斑、光学辐射的非线性波长转换以及自q开关(selfq-switching))相关联的问题也随之增加。这些非线性效应在要求工艺可重复性的工业加工系统中是不期望的。例如，波长转换会在光学聚焦系统中引起错误，并且可降低能够被传递到材料的光学功率，而自q开关可损坏激光系统中的光学放大器和光纤。

在脉冲到达放大器的输出端之前，光纤放大器中的局部反转会大大增加。随着脉冲传播，它会耗尽反转并增加其强度。放大过程还导致显著的脉冲整形和前端锐化。这在定义脉冲宽度和峰值功率时极其重要，并且因此定义了各种非线性(诸如受激拉曼散射(srs)和受激布里渊散射(sbs))的发生。在某个能量水平以上，所有脉冲都会显著整形(锐化)并减小其脉冲宽度。这是由于以下事实：脉冲获取了足够的能量以开始使放大器饱和。已知在此类条件下，能量主要是通过脉冲的前沿提取的，从而导致脉冲整形和失真。峰值功率随脉冲能量非线性增加，并且不可避免地超过srs阈值，该srs阈值通常约为5kw至10kw，这取决于光纤设计和脉冲形状。

限制脉冲光纤激光器的输出功率的另一重要影响是巨脉冲的形成。这些巨脉冲可能会灾难性地损坏系统中的光学组件。该影响被认为是高度取决于激光的峰值功率和光谱特性，并且被认为是源自受激布里渊散射(sbs)。当达到非线性阈值时，前向行进的脉冲被反射。观察到巨脉冲，并且这些巨脉冲会灾难性地损坏脉冲激光系统中的放大器(和其他设备)。不幸的是，该影响本质上是随机的，并且其本身是非常不可预测的。缩短线宽的种子源激光器(诸如激光二极管)的瞬时光谱特性中的单个变化可导致sbs事件，并触发巨脉冲形成和后续灾难性损坏。

美国专利号us7,936,796公开了一种主振荡器功率放大器，其使用其输出由光纤放大器放大的多纵模法布里-珀罗半导体激光器。反射器(诸如光纤布拉格光栅)被插入在半导体激光器与放大器之间。反射器减小了从光纤放大器发射的激光辐射的带宽，并减小了受激布里渊散射(诸如后向行进的随机脉冲)和巨脉冲形成的影响。该结果是出人意料的，因为通常预期更窄的带宽会使受激布里渊散射的影响更差。然而，随着所需的峰值功率和平均功率持续增加，受激布里渊散射和其他非线性效应再次成为问题。

存在对用于提供避免或减少上述问题的光学辐射的装置的需要。

技术实现要素：

根据本实用新型的非限制性实施例，提供了一种用于提供光学辐射的装置，该装置包括：

·用于提供第一种子辐射的第一种子源；

·用于提供第二种子辐射的第二种子源；

·连接到第一种子源和第二种子源的用于将第一种子辐射和第二种子辐射耦合在一起的耦合器；以及

·用于放大第一种子辐射和第二种子辐射的至少一个放大器。

该装置可包括用于控制第一种子源、第二种子源和放大器的控制器，该装置使得随机光学脉冲在第二种子辐射的峰值功率减少的情况下在频率和幅度上增加。

该装置可包括用于控制第一种子源、第二种子源和放大器的控制器，该装置使得由该装置发射的光学辐射比在该装置不包括第二种子源时具有更高的峰值功率、更高的平均功率、和/或更高的脉冲能量。该装置可包括用于控制第一种子源、第二种子源和放大器的控制器，该装置使得由该装置发射的光学辐射比在该装置不包括第二种子源时具有在超过该装置的损坏阈值之前所能达到的更高峰值功率。

出人意料地，有以下可能：控制第一种子源、第二种子源和放大器，使得在第二种子辐射的峰值功率减小时，随机光学脉冲的频率和幅度增加。此类随机光学脉冲被认为指示受激布里渊散射的存在，该受激布里渊散射可能对该装置造成灾难性损坏。当第二种子辐射的峰值功率增加时，随机光学脉冲以及相关联的受激布里渊散射的存在的减少允许该装置更可靠地提供更高的峰值功率。

同样出人意料地，有以下可能：控制第一种子源、第二种子源和放大器，使得由光学放大器发射的光学脉冲与不包括第二种子源的类似装置相比具有更高的峰值功率和更高的平均功率。可达到的峰值功率的限制在于据信是由受激布里渊散射引起的随机光学脉冲和巨光学脉冲的产生。

第一种子辐射可由第一波长表征。第二种子辐射可由第二波长表征。第一波长可与第二波长相同。

耦合器优选是偏振合路器。该装置可被配置成使得第一种子辐射和第二种子辐射被正交偏振。

该装置可包括位于耦合器与放大器之间的去偏振器。

第一种子源可以是法布里-珀罗半导体激光器。第二种子源可以是法布里-珀罗半导体激光器。

第一种子源可以是超发光二极管。第二种子源可以是超发光二极管。

该装置可包括第一反射器，该第一反射器被配置成将第一种子辐射的一部分反射到第一种子源中。该装置可包括第二反射器，该第二反射器被配置成将第二种子辐射的一部分反射到第二种子源中。

第一种子源和第一反射器可间隔第一距离。第二种子源和第二反射器可间隔第二距离。第一距离可与第二距离相同。这使得在第一种子源和第二种子源被同步脉冲调制的情况下来自第一种子源和第二种子源的脉冲能够叠对(overlay)。替换地，第一距离可不同于第二距离。这使得来自第一种子源和第二种子源的脉冲能够彼此移相或彼此交织。

第一反射器和第二反射器可具有相同的光谱特性或者不同的光谱特性。

第一反射器和第二反射器的光谱特性、以及第一距离和第二距离可被选择成优化光学辐射的峰值功率和脉冲能量。

第一反射器和第二反射器可以是光纤布拉格光栅。

控制器可被配置成发射第一控制信号以驱动第一种子源，以及发射第二控制信号以驱动第二种子源。第一控制信号可不同于第二控制信号。以不同的控制信号驱动第一种子源和第二种子源可帮助确保第一种子源和第二种子源的增益动态互不相同。这可降低受激布里渊散射事件的风险。

该装置可包括用于将第一种子源与后向行进的光学辐射隔离的位于第一种子源与放大器之间的第一光学隔离器。

该装置可包括用于将第二种子源与后向行进的光学辐射隔离的位于第二种子源与放大器之间的第二光学隔离器。

该装置可包括用于将第一种子源和第二种子源两者与后向行进的光学辐射隔离的位于耦合器与放大器之间的第三光学隔离器。

该装置可包括至少一个前置放大器和第四光学隔离器，其中第四光学隔离器位于前置放大器与放大器之间。该装置可包括可见激光二极管和耦合器，其中该耦合器被配置成将从可见激光二极管和前置放大器发射的光学辐射组合，并且将经组合光学辐射传递到放大器。该耦合器可被并入到第四光学隔离器中。

该装置可进一步包括光束传输电缆和输出光学器件，其中光束传输电缆包括用于传输从放大器发射的光学辐射的光纤。该光纤可以是空芯光纤。该输出光学器件可包括光学隔离器。

本实用新型还提供了一种用于提供光学辐射的方法，该方法包括：

·提供来自第一种子源的第一种子辐射；

·提供来自第二种子源的第二种子辐射；

·利用耦合器来将第一种子辐射与第二种子辐射耦合在一起；以及

·利用至少一个放大器来放大第一种子辐射和第二种子辐射。

本实用新型的方法可包括利用本实用新型的装置的上述可任选方面所需的一个或多个步骤。

附图说明

现在仅通过示例并且参照附图描述本实用新型的各实施例，附图中：

图1示出了根据本实用新型的用于提供光学辐射的装置；

图2示出了前向行进的脉冲的现有技术示例；

图3示出了包含附加尖峰的现有技术光学脉冲；

图4示出了巨脉冲的现有技术示例；

图5示出了从本实用新型的装置发射的脉冲；

图6和7示出了偏振保持空芯光纤的横截面；以及

图8示出了根据本实用新型的包括用于监视适当操作的热电偶的用于提供光学辐射的装置。

具体实施方式

本实用新型的优选实施例的详细描述

图1示出了用于提供光学辐射9的装置，该装置包括：

·用于提供第一种子辐射11的第一种子源1；

·用于提供第二种子辐射12的第二种子源2；

·连接到第一种子源1和第二种子源2的用于将第一种子辐射11和第二种子辐射12耦合在一起的耦合器3；以及

·用于放大第一种子辐射11和第二种子辐射12的至少一个放大器4。

该装置可包括用于控制第一种子源1、第二种子源2和放大器4的控制器5。

控制器5可控制第一种子源1、第二种子源2和放大器4，使得第一种子辐射11的峰值功率35大于在不存在由第二种子源2发射的第二种子辐射12导致强度足以损坏该装置的受激布里渊散射的阈值峰值功率36，从而使得由该装置发射的光学辐射9的峰值功率37能够增加。

控制器5可控制第一种子源1、第二种子源2和放大器4，使得光学辐射9的峰值功率37大于不存在由第二种子源2发射的第二种子辐射12时的损坏阈值38。

控制器5可被配置成使得第一种子源1和第二种子源2发射光学脉冲，如图1所示。替换地或附加地，控制器5可被配置成使得第一种子源1和第二种子源2发射连续波光学辐射。

如美国专利号us7,936,796中所述，图2示出了从第一种子源1行进经过放大器4的前向行进的脉冲的光学功率201。在放大器4的输出处测量了输出功率201。图2还示出了在正常操作中朝向第一种子源1行进的后向行进脉冲的输出功率202。在与图1所示的装置类似、然而仅存在第一种子源激光器1的装置中进行了测量。由于输出功率201具有比光学功率202高得多的功率，因此按不同的比例绘制了光学功率201和202。输出功率202包括源自该装置中不同接头的第一反射203和第二反射204。如图2所示的脉冲形状是诸如图1所示的装置中出现的绝大多数脉冲的典型形式。

图3示出了朝向第一种子源1传播的后向行进脉冲211、212的两个示例。脉冲211和212包括如前的光学功率203和204，但是还包含附加尖峰213和214。这些附加尖峰213和214不频繁地出现，并且在出现和幅度两者上都是随机的。可通过改变第一种子源1的操作条件(诸如温度、驱动电流和脉冲形状)来改变出现频率。在25khz的脉冲重复频率处，观察到的附加尖峰的速率介于大约48小时周期内测得一个尖峰到5分钟周期内测得30,000个尖峰之间。附加地，可通过使用由不同或相同制造商供应的不同的第一种子源1来改变发生率。尽管在后向行进方向上观察到附加尖峰213、214，但是在前向行进的脉冲形状201中没有可观察到的证据。据信尖峰213和214是受激布里渊散射(sbs)的证据。尖峰213和214本质上是随机的，通常是不期望的，并且在本文其他地方被称为随机脉冲。

图4示出了叠加在前向方向上出现的正常样子的脉冲201上的巨脉冲221的示例。由后向反射检测器测量的相关脉冲222具有复杂的形状，并且具有比图2所示的脉冲202的幅度高若干数量级的幅度。实际上，光学功率203和204在该标度上不可见。

脉冲222具有尖峰223、后沿224和凹陷225。

这些数据是通过将该装置设置成使得后向尖峰213和214出现在大约100hz处而获得的。在该重复频率处，观察到巨脉冲221和相关联脉冲222大约每五分钟出现一次。换言之，巨脉冲221比后向行进的脉冲213和214不频繁得多，并且是在随机的基础上发生的。

据信凹陷225是sbs的又一证据。后向行进的脉冲222具有足够的能量来经由sbs泵送前向行进的脉冲。这导致在前向行进方向上的巨脉冲221，其因此从后向行进的脉冲222中提取能量，从而导致凹陷225。所有以上脉冲附加地被放大器4中的有源增益介质放大。

参照图4，所示的巨脉冲221的幅度226大约是脉冲201的幅度227的两倍(在不叠加巨脉冲221的情况下)。幅度226是随机变化的，并且可以是脉冲201的幅度227的若干倍。据信巨脉冲221的幅度可足以超过放大器4内的光纤的光学损坏阈值，并且这可能是由与sbs传播相关联的声波所引起的附加能量导致了上述随机和不可预测的灾难性故障。然而，该解释仅是一种理论，并且我们描述可能的故障机制的尝试并不旨在限制本实用新型的范围。

再次参考图1，以下是可能的：控制第一种子源1、第二种子源2和放大器4，使得在第二种子辐射12的峰值功率10减小时，随机光学脉冲213、214的频率和幅度增加。

以下是可能的：控制第一种子源1、第二种子源2和放大器4，使得参照图5所示的由光学放大器4发射的光学脉冲41与不包括第二种子源2的类似装置相比具有更高的峰值功率42、更高的平均功率43、和更高的脉冲能量44。在两种情形中，可达到的峰值功率的限制在于据信是由受激布里渊散射引起的随机光学脉冲和巨光学脉冲的产生。

这些结果是出人意料的，因为据信具有第一种子源1而没有第二种子源2的装置(诸如美国专利号us7,936,796中所述的装置)以由于非线性光学效应而不能进一步增大的峰值功率来操作。限制可达到的峰值功率、脉冲能量和平均功率的非线性效应的示例包括光谱噪声、时间噪声、散斑、光学辐射的非线性波长转换、受激布里渊散射、受激拉曼散射和自q开关。因此出人意料的是，通过引入第二种子源2，在耦合器3中组合第一种子辐射11和第二种子辐射12，并且利用放大器4来放大第一种子辐射11和第二种子辐射12，可以进一步增大峰值功率和/或脉冲能量。

第一种子辐射11可由第一波长13表征。第二种子辐射12可由第二波长14表征。第一波长13可与第二波长14相同。

耦合器3优选是偏振合路器。该装置可被配置成使得第一种子辐射11和第二种子辐射12在偏振合路器的相应输入15、16处正交偏振。

该装置可包括在耦合器3与放大器4之间的去偏振器17。去偏振器17可以是立奥去偏振器(lyotdepolarizer)。立奥去偏振器可包括拼接在一起的两个长度的偏振保持光纤，其中一个长度是另一个长度的两倍。在使用单个种子源时，发现去偏振器在种子辐射进入放大器4之前对种子辐射的偏振进行加扰，并且从而使光学辐射的峰值功率能够在非线性效应(诸如受激布里渊散射)变得成为问题之前增加。

第一种子源1可以是法布里-珀罗半导体激光器。第二种子源2可以是法布里-珀罗半导体激光器。

第一种子源1可以是超发光二极管。第二种子源2可以是超发光二极管。

该装置可包括第一反射器17，该第一反射器被配置成将第一种子辐射11的一部分反射到第一种子源1中。该装置可包括第二反射器18，该第二反射器被配置成将第二种子辐射12的一部分反射到第二种子源2中。

第一种子源1和第一反射器17可间隔第一距离6。第二种子源2和第二反射器18可间隔第二距离7。第一距离6可与第二距离7相同。这使得在第一种子源1和第二种子源2被同步脉冲调制的情况下来自第一种子源1和第二种子源2的脉冲能够叠对。替换地，第一距离6可不同于第二距离7。这使得来自第一种子源1和第二种子源2的脉冲能够彼此移相或彼此交织。还可通过由控制器5调整第一和第二控制信号48和49来实现对脉冲进行移相和交织。

第一反射器17和第二反射器18可具有相同的光谱特性或者不同的光谱特性。光谱特性包括中心波长、带宽、反射率和啁啾(chirp)。

第一反射器17和第二反射器18的光谱特性、以及第一距离6和第二距离7可被选择成优化光学辐射的峰值功率和脉冲能量。在第一种子源1和第二种子源2两者都被脉冲调制的情况下的峰值功率可大于在第一种子源1和第二种子源2中的仅一者被脉冲调制的情况下的峰值功率，峰值功率的限制是随机脉冲223、224和巨脉冲221。峰值功率可至少大两倍，并且优选地大五倍以上。

第一反射器17和第二反射器18可以是光纤布拉格光栅。

控制器5可被配置成发射用于驱动第一种子源1的第一控制信号48和用于驱动第二种子源2的第二控制信号49。第一控制信号48可与第二控制信号49相同或不同。以不同的控制信号驱动第一种子源1和第二种子源2可帮助确保第一种子源1和第二种子源2的增益动态互不相同。例如，当对具有多个纵向模式的法布里-珀罗半导体激光器进行脉冲调制时，这可以是有用的。半导体激光器有时可在可引起受激布里渊散射事件的脉冲(诸如参考图2-5所述的随机脉冲或巨脉冲)期间以单个纵向模式发射激光辐射。用不同的控制信号来驱动半导体激光器可帮助降低第一种子源1和第二种子源2在脉冲期间同时以单个纵向模式发射的可能性。可利用无源组件或者通过将电路布局调整成确保电容器或电感针对两个种子源是不同的来使第一驱动信号48和第二驱动信号49不同。

该装置可包括用于将第一种子源1与从放大器4向第一种子源1传播的后向行进的光学辐射9隔离的位于第一种子源1与放大器4之间的第一光学隔离器8。

该装置可包括用于将第二种子源2与从放大器4向第二种子源2传播的后向行进的光学辐射9隔离的位于第二种子源2与放大器4之间的第二光学隔离器52。

该装置可包括用于将第一种子源1和第二种子源2两者与后向行进的光学辐射9隔离的位于耦合器3与放大器4之间的第三光学隔离器53。

该装置可包括至少一个前置放大器21和第四光学隔离器22。第四光学隔离器22位于前置放大器21与放大器4之间。该装置可包括可见激光二极管24和耦合器25，其中耦合器25被配置成将从可见激光二极管24发射的可见光学辐射26和从前置放大器21发射的光学辐射27在由放大器4进行放大之前组合。耦合器25可被并入到光学隔离器22中。耦合器25优选地是波分复用器。波分复用器可以是熔接式光纤耦合器。

该装置可进一步包括光束传输电缆31和输出光学器件32，其中光束传输电缆31包括用于传输从放大器4发射的光学辐射的光纤33。输出光学器件32可包括第五光学隔离器34。

光纤33可以是单模或多模的。光纤33可以是实芯光纤、微结构光纤或空芯光纤。空芯光纤可以是kagome光纤、光子晶体光纤或反共振光纤。此类空芯光纤是有利的，因为它们使得光学辐射能够在显著更长的距离上传输而不会引起非线性光学效应。光学隔离器33可以是偏振保持光纤。

在图6和7中示出了反共振光纤的示例。反共振光纤160和170包括毛细管161、以及围绕毛细管161的内表面162的多个反共振管163。有利地，反共振光纤160和170是具有被布置成在光纤的横截面中提供双重旋转对称组件的反共振管163的偏振保持光纤。这可通过结合第一反共振管164和第二反共振管171来实现，其中第一反共振管164具有与第二反共振管163相比更大和/或不同的形状，如图6所示。替换地或附加地，第一反共振管可以是如图7所示的嵌套管171。嵌套管171可由吸收或散射材料制成，以便产生沿光纤传播的光的一个偏振与另一偏振相比的损失。使用偏振保持光纤在材料加工应用(诸如标记、切割和焊接)中可以是有利的，因为材料加工性能常取决于入射光学辐射的偏振。向工件传送经偏振光学辐射的能力以及通过旋转光纤和/或偏振光学器件(诸如半波片)来调整偏振的能力在其中材料加工取决于光学辐射的偏振的应用中是极其有利的。图8示出了用于提供光学辐射9的装置的示例，其中第一种子源和第二种子源是半导体激光二极管。控制器5经由激光二极管驱动器81来控制第一种子源1和第二种子源2。激光二极管驱动器81优选是高速激光二极管驱动器。

前置放大器21经由控制由至少一个泵浦二极管83传导的电子电流的电子泵浦二极管驱动器82来控制。泵浦二极管83优选是多横模半导体激光二极管。泵浦二极管83可以是前置放大器21的集成组件，并且在图1中未示出。

放大器4经由控制由多个泵浦二极管83传导的电子电流的电子泵浦二极管驱动器82来控制。泵浦二极管83的输出由泵浦合束器84组合在一起，该泵浦合束器84优选为多模至多模光纤泵浦合束器。泵浦二极管83优选是多个横模半导体激光二极管模块，其包括多个多横模半导体激光二极管。泵浦二极管83和泵浦合束器84可以是放大器4的集成组件，并且在图1中未示出。

输出光学器件32包括第一温度传感器85，其输出被反馈到控制器5。温度传感器85被用于确保由第五光学隔离器34提供适当的光学隔离。温度传感器85可以是热电偶或热敏电阻。

提供第二温度传感器86以监视泵浦二极管83附连到的散热器(未示出)的温度。第二温度传感器86的输出被连接至控制器5。控制器5可利用泵浦二极管83的已知温度功率依赖性来调整流入泵浦二极管83的电流，以确保输出辐射9在环境温度和时间上稳定。替换地或附加地，控制器5可使用在校准该装置时获得的测量数据。

示出的光束传输电缆31包括弯曲限制(bend-restricting)的坚固软管87，以便确保光纤33不会弯曲得太紧。如果光纤31的弯曲半径太紧，则光学辐射9可从光纤31的芯中逸出，这可导致光纤31的热损坏。

光纤31可以是单模光纤。替换地，光纤31可以是多模光纤，在该情形中，可提供可任选的模式适配器88，以便确保由光纤31引导的光学模式被适当地激发，以便在输出辐射9中给出期望的光学功率空间分布。例如，如果期望的输出辐射9是礼帽(tophat)分布，则期望由光纤31引导的光学模式被均等地激发。模式适配器88可以是包括至少一个弯曲部的光纤模式加扰器，以将由内部光纤引导的光学模式一起加扰。

未示出的附加特征包括用于控制可见激光二极管24的激光二极管驱动器、以及用于冷却该装置的风扇。

应当领会，以上参照附图描述的本实用新型的各实施例已经仅通过示例给出，且可以提供修改及附加组件来加强性能。附图中示出的个别组件不限于它们在附图中的用途，并且可以用在其他附图以及本实用新型的所有方面中。本实用新型还扩展至以上单独或以任何组合方式提及和/或示出的个体组件。