CN102986097A - 选择性重新定位与旋转波长光束组合系统与方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是关于一种利用不同波长光束组合技术，重新配置多个电磁光束的系统与方法。该重新配置光束包括相对于光束原始输入位置，一或以上的光束个别旋转以及选择性重新定位。

Description

选择性重新定位与旋转波长光束组合系统与方法
本发明主张2010年3月5日于美国专利商标局提出美国专利申请号No.61/310,777、2010年3月5日于美国专利商标局提出美国专利申请号No.61/310,781、2010年11月26日于美国专利商标局提出美国专利申请号No.61/417,394的优先权，其所揭露的内容均并入本发明中以供参考。
技术领域
本发明是关于一种激光系统，尤指一种波长光束组合系统与方法。
背景技术
波长光束组合(Wavelength beam combining，WBC)是一种以激光二极管条、二极管条的堆叠以及其他激光排列于一或二空间维度阵列以调整输出功率与亮度的方法。
波长光束组合(WBC)方法已发展到沿着每一发射极的慢空间维度以及每一发射极的快空间维度组合光束。参阅例子：US 6,192,062、US6,208,679以及US 2010/0110556A1。在先前的专利当中，US 6,192,062以及US 6,208,679，光束组合是沿着阵列空间维度实施的。如此，外部腔体对于激光元件的缺陷更为敏感。并且，当使用广域激光元件时，光谱使用性差。在先前技术US 2010/0110556A1当中，光束组合沿着堆叠空间维度实施。如此，外部腔体对于激光元件的缺陷是较不敏感。此外，由于光束组合沿着堆叠空间维度或近似绕射极限空间维度时，光谱使用性高。然而，主要缺点之一是输出光束质量受限于单一光束组合元件或单一条的光束质量。典型商规用现成(COTS)条有19到49个发射极。一典型具有19个发射极之条仅能耦合到200μm/0.22数值口径(NA)的光纤或最多为100μm/0.22数值口径的光纤。这样一个系统的亮度勉强足够应付于一些应用，如工业激光切割薄和厚的金属片，包含不锈钢、软钢、铝以及铜。少量发射极的二极管激光有较好的输出光束质量。然而，相比于标准二极管激光，每单位输出功率更高的成本使其不易利用。先前技术中，假设这些个别发射极预先校准或定位于一位置上，那么组合横越这些空间维度而产生的一输出光束轮廓就是这些预先校准或固定位置的发射极的阵列的结果。本发明提出个别的、一空间维度的、二空间维度的以及任意摆放位置发射极于一较好对准导电，以产生一较好的输出光束轮廓。此结果是更加稳固的，且使用多个激光发射极(每条19到49或更高)的商规用二极管激光或堆叠可获得更高的空间亮度。另加的好处于本发明细节描述下将更为清晰明白。
本发明所追求的即为解决所述的问题。
发明内容
光学性与机械性方法已发展到选择性旋转和/或选择性重新定位发射的电磁光束于所欲的方向和/或形态于一空间维度或二空间维度阵列中，使其得以用于不同的波长光束组合系统与方法。
特别是，这些系统与方法可应用至一发射极，该发射极相对于其他发射极，具有一固定的位置。
附图说明
图1A是波长光束组合(WBC)方法沿着单一行发射极的阵列空间维度的示意图。
图1B是波长光束组合(WBC)方法沿着发射极的二空间维度阵列的阵列空间维度的示意图。
图1C是波长光束组合(WBC)方法沿着发射极的二空间维度阵列的堆叠空间维度的示意图。
图2是微笑(smile)的影响在波长光束组合(WBC)方法沿着二空间维度阵列二极管激光发射极的堆叠空间维度中的示意图。
图3A是波长光束组合(WBC)系统包含一光旋转器选择性旋转一空间维度阵列光束的示意图。
图3B是波长光束组合(WBC)系统包含一光旋转器选择性旋转二空间维度阵列光束的示意图。
图3C是波长光束组合(WBC)系统包含一光旋转器选择性定向二空间维度阵列光束的示意图。
图3D显示图3C系统有光旋转器或无光旋转器的输出轮廓面。
图4A-C显示光旋转器的例子。
图5A-C显示放置组合元件以产生一空间维度或二空间维度激光元件的相关方法。
图6显示具有空间重新定位元件的波长光束组合(WBC)实施例。
图7显示发射极的二空间维度阵列在波长光束组合(WBC)步骤之前重新装配与个别光束旋转在波长光束组合(WBC)步骤之后的一实施例。
图8显示慢与快波长光束组合(WBC)的不同。
图9A显示于波长光束组合(WBC)之前使用一光旋转器在单一与堆叠阵列配置下的实施例。
图9B显示于波长光束组合(WBC)之前使用一光旋转器的另一实施例。
图10是单一半导体芯片发射极的说明。
【主要元件符号说明】
100a外部腔体系统            100b外部腔体
100c                        102阵列
104光束                     106准直透镜
108转换光学仪器             110波长光束组合(WBC)空间
                            维度
112输入前视图               114色散元件
116输出耦合器               118输出前视图
120光束                     150堆叠
202条                       206准直光学仪器
211光束                     213激光元件
300a波长光束组合(WBC)系统   300b腔体
300c外部腔体                302条
305光旋转器            306准直透镜
307重新定向前视图      308转换光学仪器
309a光学仪器           309b光学仪器
312输入前视图          314色散元件
316输出耦合器          318输出前视图
319a输出轮廓           319b输出轮廓
350堆叠
411a输入               411b光束
417阶梯镜              419a圆柱透镜
419b圆柱透镜
510光学元件            520镜
530光学元件            540影像
545光束                550影像
560堆叠                570阵列
575阵列                580堆叠
585堆叠
600外部腔体波长光束组合602阵列
(WBC)系统
603空间重新定位元件    606准直透镜
608转换光学仪器        610波长光束组合(WBC)
650堆叠
703空间重新定位步骤    705旋转步骤
707重新配置前视图      710波长光束组合(WBC)步骤
712发射极
715切断
721波长光束组合(WBC)前视
图
1000发射极    1010高度
1020宽度      1030高度
1040宽度      1050口径
1052光束轮廓
具体实施方式
实施例是关于一种可调式激光源领域使用外部腔体以得到高功率与高亮度，尤指一种使用一空间维度与二空间维度激光源的外部腔体光束组合的方法与装置。在一实施例中，外部腔体系统包含一空间维度或二空间维度激光元件、一光学系统、一色散元件以及一部分反射元件。光学系统是一个或一个以上光学元件实行两基本功能的系统。第一功能是沿着光束组合空间维度重叠所有激光元件到色散元件上。第二功能是确保所有元件沿着非光束组合空间维度与输出耦合器正交的传播。需要注意的是确保光学系统尽可能的有较少的损失。如此，这两个功能将可使所有激光元件成为一单一共振腔体。
另一实施例中，波长光束组合(WBC)外部腔体系统包含波长稳定一空间维度或二空间维度激光元件、一光学系统以及一色散元件。一空间维度或二空间维度波长稳定激光元件，有特定的波长，能够由不同的装置完成，如具有反馈的激光元件，反馈从波长啁啾体布拉格光栅而来、分布式反馈(DFB)激光元件或分布式布拉格反射器(DBR)激光元件。此光学系统的主要功能是重叠所有光束到色散元件上。当没有外在于该波长稳定激光元件的输出耦合镜时，具有沿着非光束组合空间维度的平行光束就不是那么重要了。实施例更进一步关于一种高功率且/或高亮度多波长外部腔体激光，可从非常低的输出功率到百瓦特，甚至是百万瓦特的输出功率产生重叠或同轴光束。
特定来说，实施例指向一种方法与装置，操作自外部腔体系统的激光元件发射的光束并使用波长光束组合(WBC)方法将其组合，用于产生所需的输出轮廓。波长光束组合方法已发展到可组合非对称的光束元件横越其各自的慢或快空间维度。本发明的一优点在于提供选择性重新配置输入光束的能力，无论在空间上的或是定向上的，或是两者混合，用于慢轴与快轴波长光束组合(WBC)方法的。另一优点是当与其他输入光束有一固定位置关系时，可选择性重新配置输入光束。
图1A显示一基本波长光束组合(WBC)结构，基于US 6,192,062与US 6,208,679。在此，波长光束组合(WBC)是沿着广域发射极的阵列空间维度或慢空间维度实行的。图中所显示的个别光束104以一虚线或单一线表示，其中长度或光束的较长空间维度代表广域发射极的阵列空间维度或慢发散空间维度，且高度或较短空间维度代表快发散空间维度(也可见图8左边)。在此相关技术中，一二极管条102有四个发射极。该发射极的排列方式是以使每一发射光束104的慢空间维度末端沿着单一行并排排列-有时指的是一阵列。然而，需要考虑的是任何激光发射元件可被使用，特别是具有宽增益带宽的激光元件。一般来说，一准直透镜106用于准直沿着快发散空间维度准直的每一光束。在某些例子中，准直光学仪器可以由不同的快轴准直透镜与慢轴准直透镜所构成。一般来说，转换光学仪器108用于组合由如所示的输入前视图112的沿着波长光束组合(WBC)空间维度110的每一光束。转换光学仪器108可以是一圆柱或球面的透镜或镜。转换光学仪器108接着重叠组合光束到一色散元件114上(在此显示一反射式绕射光栅)。第一阶绕射光束入射到一部分反射镜上。激光共振器形成于激光元件后端面与部分反射镜之间。如此，组合光束接着作为一单一输出轮廓被传播到输出耦合器116上。此输出耦合器接着传播组合光束120，如输出前视面118所示。需要考虑的是，建立一没有输出耦合器的系统。举例来说，具有波长稳定激光元件的一空间维度或二空间维度系统以及每一激光元件都有一特定波长，可透过数种方法来实现。一系统或方法可使用激光元件，该激光元件具有反馈至沿着该光束组合空间维度的一外部波长啁啾体布拉格光栅。另外可使用内部分布式反馈(DFB)激光元件或是内部分布式布拉格反射(DBR)激光元件。在这些系统中，从色散元件传播的单一输出轮廓有如118的相同轮廓。输出耦合器116可以是一部分反射镜或表面或光学镀膜且作为二极管阵列102中所有激光元件的一共同前端面。在外部腔体系统100a中，发射光束的一部分反射成光学增益和/或回到二极管阵列102的激光发射部分。外部腔体是一个激光系统，其中第二镜移置与每一激光发射极的发射口径或面(未标示)有一距离。一般来说，在外部腔体中，外加的光学元件放置于发射口径或端面与输出耦合器或部分反射面之间。
同样的，图1B显示堆叠的激光二极管条，每一个都有四个发射极，其中这些激光二极管条堆叠三倍高(也可见图8左边)。如图1A，图1B的输入前视图112在此实施例是一二空间维度阵列的发射极，是组合以产生输出前视图118或单一列的发射极120。外部腔体100b中的发射光束沿着阵列空间维度作组合。而转换光学仪器108是一圆柱透镜使用来组合沿着阵列的光束。然而，光学元件或光学系统的组合可作为使得光学元件排列可让所有光束重叠到色散元件上并确保所有光束沿着非光束组合空间维度正交于输出耦合器作传播。以一个简单的例子来说，如一光学系统可以是有一适当焦距沿着光束组合空间维度的单一圆柱透镜以及两圆柱透镜形成沿着非光束组合空间维度的一无焦望远镜，其中光学系统投影影像到部分反射镜上。此光学系统上的许多变化都可以设计来实现同样的功能。
在多模二极管激光发射极的情况下，图1B阵列空间维度与每一发射光束的慢空间维度有相同的轴。因此，此波长光束组合(WBC)系统也叫慢轴组合，其中组合空间维度与光束有相同空间维度。
相对之下，图1C显示激光二极管阵列102的一堆叠150形成一二空间维度阵列的发射极，如120所示，其中取代图1A-B沿着阵列空间的组合，此时的波长光束组合(WBC)空间维度是沿着发射极的堆叠空间维度的。而堆叠空间维度也是随着每一发射光束的快轴空间维度来校准。输入前视图112的组合产生输出前视图118，其中显示了单一列120的发射极。
这三种结构有不同的缺点。图1A与1B结构的主要缺点之一，光束组合是沿着阵列空间维度实施。这样外腔运作是高度相关于二极管阵列缺陷的。如果使用广域半导体激光发射极，波长光束组合(WBC)系统的光谱使用性就不如光束组合沿着快轴空间维度实行来的有效率。图1C结构的主要缺点之一，为了有效耦合进入光纤，则需要外部光束塑型以使光束对称。具有大量发射极的高功率系统所需要的光束对称光学仪器是复杂且非平凡的。图1C结构的另一缺点为输出光束质量限制于单一激光条的输出光束质量。一般来说，半导体或二极管激光条在一空间维度中具有每条19到49个发射极并具有近似绕射极限的光束质量，而且光束质量为沿着阵列空间维度的绕射极限数百倍数。光束对称之后，输出光束120耦合于最多为一100μm/0.22数值口径(NA)的光纤。而为获得较好光束质量，需要少量的发射极条。举例来说，要耦合进入50μm/0.22数值口径光纤，则需要五-发射极输出光束的。许多工业激光应用要求较高亮度激光束。举例来说，在有些应用中，一二-发射极输出光束用来取代19或49个。此二-发射极输出光束能耦合到一较小核心直径光纤，其光纤具有更多工程上的公差与限度。此核心直径与数值口径的另外的限制是于高功率(千瓦特级)的功率水平上稳定操作为关键。当实现五-发射极或二-发射极条，由于每条显著减少的功率，其成本与复杂度与标准19或49发射极条来比相对的高。在此揭露的方法是要减低上述不足。先前图1A-C显示的是预先排列或固定位置的激光发射极阵列与激光发射堆叠。一般来说，阵列或堆叠是机械性或光学性的排列以产生特定一空间维度或二空间维度的轮廓。因此，固定位置是使用来描述激光元件的一预设条件，而激光元件相对于彼此是机械性固定的，如半导体或有多个发射极的二极管激光条或光纤激光机械性间隔开于V形沟槽中，以及其他激光发射极封装发射极于固定位置上。
又或者，在波长光束组合(WBC)系统中，固定位置可能与一激光发射极的稳固结构有关，其中，激光发射极是固定不动的。预先排列指的是光学阵列或轮廓，该光学阵列或轮廓用于作为波长光束组合(WBC)系统的输入轮廓。多次提到的预先排列位置是发射极配置于一机械性固定位置上的结果。预先排列与固定位置是可以交换使用的。例如在图5A-C的例子所显示的固定位置或预先排列的光学系统。
图5A-5C关于先前技术显示光学排列一空间维度与二空间维度阵列的例子。图5A是个别光学元件510的光学排列堆叠。镜520是用于排列来自光学元件530的光学光束，每一光学元件530都有一近场影像540，以产生一影像550(其包含来自每一光学元件530的光学光束)对应于个别光学元件510的堆叠560(在水平空间维度)。虽然光学元件500可能没有排列成一堆叠，但镜520能排列该光学光束以使得影像550对应到光学元件510的堆叠560。同样的，在图5B中，镜520是用于排列来自二极管条或阵列570的光学光束以创造一影像550对应到二极管条或阵列575的一堆叠560。在这个例子中，每一二极管条或阵列570有一近场影像540，其包含来自条或阵列中每一个别元件的光学光束545。同样的，镜520可用于光学排列激光堆叠580进入到个别堆叠585的一明显较大的整体堆叠560，其对应到影像550，如图5C所示。
在先前技术所使用的术语“阵列空间维度”定义是关于一或一以上激光元件并排放置，其阵列空间维度亦为沿着慢轴。定义这术语的一个原因是具有多个发射极的二极管条以每一发射极并排校准的方式排列，使得每一光束的慢空间维度沿着行或阵列。本发明的目的，一阵列或行指的是个别发射极或光束的排列横越一单一空间维度。发射极阵列的个别慢或快空间维度也是沿着阵列空间维度校准，但该校准不应被假设。这是关键因为本文一些实施例于此描述个别地旋转沿着阵列或行校准的每一光束的慢轴。此外，一光束的慢轴指的是光束较宽的空间维度并且通常来说也是最慢发散空间维度，而快轴指的是光束较窄的空间维度并且通常来说是最快发散空间维度。慢轴也可以是单模光束。
另外，一些先前技术定义的“堆叠或堆叠空间维度”是指当二或二以上阵列堆叠在一起，而光束的快空间维度相同于堆叠空间维度。这些堆叠是机械性或光学性预先排列的。然而，本发明的目的中，一堆叠是指一列光束或激光元件且可能是或者不是沿着快空间维度。具体的说，如上述所述，个别光束或元件在堆叠或列内旋转。
在一些实施例当中，是有益于注意到阵列空间维度与每一发射光束的慢空间维度原始的方向横越于相同轴；不过，这些空间维度如本发明所述，相对于彼此的方向都会有一偏移角度。在其他例子当中，在波长光束组合(WBC)系统中阵列空间维度与部分的发射极的排列是沿着阵列或在一特定位置上完全校准成相同轴。举例来说，阵列空间维度的二极管条，其发射极沿着阵列空间维度排列，但是因为“微笑”(即，一变形或弧形的条)个别发射极的慢发射空间维度与阵列空间维度比较有轻微的弯曲或偏移。
激光光源如一般商规用现成(COTS)的高功率激光二极管阵列与堆叠是以广域半导体或二极管激光元件为基础的。一般来说，这些元件的光束质量是沿着快轴的绕射极限以及沿着激光元件慢轴的绕射极限多倍数。虽然接下来的说明主要提到的是单一发射极激光二极管、二极管激光条与二极管激光堆叠，但本发明的实施例并不限于半导体或激光二极管以及可能使用到的许多不同类型的激光与放大器发射极，包含光纤激光以及放大器、个别封装二极管激光，以及其他类型半导体激光包含量子级联激光(quantum cascade lasers，QCLs)、锥形激光、脊型波导(ridge waveguide，RWG)激光、分布式反馈(DFB)激光、分布式布拉格反射器(DBR)激光、光栅耦合面射型激光、垂直腔面射型激光(VCSEL)以及其他类型的激光与放大器。
本文描述的所有实施例可提供二极管激光单一发射极、条与堆叠以及发射极阵列的波长光束组合(WBC)。这些实施例中，所使用的二极管激光元件的堆叠之中，可使用机械性堆叠或光学性堆叠的方法。此外，一二极管激光元件的端面所需的一高反射(high reflection，HR)镀膜，可以置换成一抗反射(anti reflection，AR)镀膜，提供外部腔体光学组件包含但不限于准直光学仪器与体积式高反射镜与抗反射镀膜的组合使用。举例来说，此方法可使用在二极管放大器元件的波长光束组合(WBC)。而慢轴也被定义成激光发射上较糟光束质量的方向。一般来说，慢轴对应的方向平行于二极管激光元件发射口径平面的半导体芯片。快轴定义成激光发射上较好光束质量的方向。快轴通常对应的方向垂直于二极管激光元件发射口径平面的半导体芯片。
一单一半导体芯片发射极1000的例子如图10所示。口径1050也表示出初始光束轮廓。在1050的高度1010是沿着堆叠空间维度量测。在1050的宽度1020是沿着阵列空间维度量测。在1050中高度1010是比宽度1020短的空间维度。不过，高度1010较快地扩张或发散光束轮廓1052，其与初始口径1050有段距离。因此，快轴是沿着堆叠空间维度的。宽度1020有较慢比率的扩张或发散，也就是宽度1040比高度1030来说是一个较小空间维度。因此，光束轮廓的慢轴是沿着阵列空间维度的。虽然未显示出，多个单一发射极如1000在条中可沿着阵列空间的并列排列。
组合光束沿着其慢轴空间维度的主要缺点包含，由照准误差、微笑(smile)与其他失准引起的激光发射无效率而使功率与亮度降低。如图2所显示的，具有微笑(smile)的激光二极管阵列，一个经常是由中间弯曲的二极管阵列所引起的，而有时由二极管激光条的安装过程所引起的，是一个个别发射极沿着阵列形成一代表性的弯曲微笑(smile)。照准误差是指个别发射极沿着二极管条，其从激光发射点垂直以外的一个角度发射光束。照准误差可能与微笑(smile)是有关系的，举例来说，当条通过一水平快轴准直透镜以作调整，沿着具有微笑(smile)的二极管激光条的条方向有不同照准的效果。这些误差会引起外部腔体的反馈，其包含转换透镜、光栅以及输出耦合器，但不耦合回二极管激光元件。这些不当耦合的负面影响为波长光束组合(WBC)激光破坏了锁波器，以及从非重新进入光学增益介质的不当耦合或失准反馈所引起二极管激光或相关封装上的损坏。例如反馈会击中一些接触或接近二极管条的环氧化物或接合物以及引起二极管条灾难性的失效。
图2中第1行显示没有任何误差的一单一激光二极管条202。此实施例为示范的二极管条组设于一散热装置上并且由一快轴准直光学仪器206来准直。第A列显示输出光束211的轨迹穿过准直光学仪器206的透视或3D视图。第D列显示发射光束211轨迹通过准直光学仪器206的侧视图。第B列显示关于准直光学仪器206的每一个别激光元件213的激光端面的前视图。如第1行所显示的，激光元件213相当笔直。此外，所有激光元件213对应到准直光学仪器206的中央。第C列显示从这样输入的一系统下，所预期的输出光束。第2行显示二极管激光阵列有照准误差。第B列第2行显示激光元件与准直光学仪器彼此有轻微的偏移。如显示的结果，发射的光束并不在一预期的轨迹上，这会造成外部腔体激光效率的降低。另外，输出轮廓的偏移会让系统变得无效率的或引起额外的变异。第3行显示一阵列具有封装上的误差。激光元件不再位于一笔直在线且为有曲率的条。这有时被称为微笑(smile)。如第3行所显示，微笑(smile)能引起更多轨迹问题，如系统没有一致的路径或共同方向。第D列第3行更进一步显示光束211于不同的角度离去。第4行显示准直透镜与激光元件以一扭曲或转角度而未校准。这状况可能是所有输出光束中最糟的，也会产生更多准直或扭曲上的误差。在大多数的系统中，二极管阵列或堆叠实际上的误差如第2、3、4行的误差组合。在方法二跟三中，使用体积式布拉格光栅与绕射光栅，有缺陷的激光元件会导致输出光束不再平行照准于光轴。这些偏离光轴的光束会导致每一激光元件发射出不同波长的激光。大量不同波长增加会使系统的输出光谱变宽如上述提及的。
波长光束组合(WBC)沿着二极管激光条堆叠的堆叠空间维度(在此主要也是指快空间维度)实行的优点之一是如图2所示微笑(smile)的补偿。照准与其它校准误差无法由波长光束组合(WBC)沿着阵列空间维度(在此主要也是指慢空间维度)实行来补偿。一般来说，二极管条阵列的发射极的范围从19个到49个或更多。正如所指出，二极管条阵列的建立使阵列空间维度其每一发射极的慢空间维度与其它发射极并排校准。因此，当使用波长光束组合(WBC)沿着阵列空间维度，不管二极管条阵列有19或49个发射极(或任何其他数目的发射极)，其结果都是一单一发射极。相反的，当波长光束组合(WBC)沿着相同单一二极管条阵列的正交或快轴空间维度实施，其结果是每一发射的光束增加了光谱亮度或窄缩了光谱带宽，但是在光束的数目上没有减少(相同地，在空间亮度上无没有一增加)。
这一点显示于图8。图8左边显示发射极1跟2之一阵列的前视图，其中波长光束组合(WBC)是沿着慢空间维度实施。沿着右边使用相同的阵列1跟2，波长光束组合(WBC)沿着快空间维度实施。当比较阵列1时，波长光束组合(WBC)沿着慢空间维度将输出轮廓简化为一单一光束，然而波长光束组合(WBC)沿着快空间维度缩窄了光谱带宽如一起显示于右边阵列1，但是并没有将输出轮廓尺寸简化为一单一光束。
使用商规用现成(COTS)的条与堆叠，沿着堆叠空间维度来自光束组合的输出光束通常是高度不对称的。当试着耦合组合的输出光束轮廓进入光纤，对称或减少光束轮廓比率接近相当于1的光束轮廓是重要的。在一扩充系统中许多组合多个激光发射极的应用于某些点上需要光纤耦合。因此，具有输出轮廓的控制权是本发明的另一优点。
进一步，分析图8的阵列2所显示的每激光二极管阵列发射极数目上的限制，假使需要输出轮廓非常高亮度对称下，实际上在波长光束组合(WBC)沿着快空间维度实施。如上所述，通常来说在激光二极管条中的发射极是沿着其慢空间维度并排校准的。二极管条每一外加的激光元件会增加输出光束轮廓的不对称性的。当沿着快空间维度实施波长光束组合(WBC)，即使许多激光二极管条彼此堆叠，产生的输出轮廓将仍是单一激光二极管条。举例来说，如果一个使用商规用现成19个发射极的二极管激光条，可预期最多是耦合输出进入100μm/0.22数值口径光纤。因此，为了耦合进入一较小核心光纤，是需要每条具有较少数目的发射极。为了帮助对称比率，可以简化固定激光二极管阵列发射极数目为5个发射极。不过，每激光二极管条阵列具有较少的发射极会导致每条成本增加或每瓦特输出功率的成本增加。例如，具有5个发射极的二极管条成本大约$2,000元，就具有49个发射极的二极管条成本大约也是相同价钱。然而，具有49个发射极的条的总功率输出大于具有5个发射极的条。因此，使用大量数目发射极的商规用现成二极管条与堆叠，有益于波长光束组合(WBC)系统能够实现非常高亮度的输出光束。有具有大量数目发射极的条的另一优点是减低每发射极功率的能力以实现每条的一特定功率层级，以符合一给定光纤耦合功率层级，从而增加二极管激光条的寿命或条的可靠度。
图3A是解决此问题的一个实施例，其显示一个波长光束组合(WBC)系统300a具有一光旋转器305，放置于准直透镜306之后与转换光学仪器308之前。需要注意的是，转换光学仪器308可包含数个透镜或镜或其他光学组件。光旋转器305个别旋转每一发射光束的快与慢空间维度于输入前视图312所显示，以产生重新定向前视图307。需要注意的是，光旋转器可选择性旋转个别的每一光束而不管其他的光束或能同时旋转所有光束同一角度。还需要注意的是，二或二以上为一组的光束能同时旋转。实施沿着阵列空间维度的波长光束组合(WBC)后，此输出结果是于输出前视图318中显示为一单一发射极。色散元件314为一反射式绕射光栅，但也可以是一色散棱镜、一棱镜(棱镜+光栅)、传输光栅以及中阶梯光栅。此特定的实施例显示仅四个激光发射极；然而，如上述所说明，此系统使用一激光二极管阵列能包含更多的元件，如49个。此特殊实施例显示一单一条在一特定波长频带(例如在976nm)，但在实际上它可由多条组成，所有都在同一特定波长频带、并排排列。此外，多个波长频带(例如976nm、915nm以及808nm)，每一频带由多条组成，可在一腔体中作结合。因为波长光束组合(WBC)横越每一光束的快空间维度实行，使得更容易设计一高亮度的系统(高效率基于对条缺陷的不敏感)；此外，较窄带宽与较高功率输出都能实现。如先前说明的，需要注意的是一些实施例，波长光束组合(WBC)系统300a可不包含输出耦合器316和/或准直透镜306。进一步，照准误差与“微笑”误差都可通过沿着堆叠空间维度(在此实施例也是快空间维度)作组合来补偿。图3B显示一与图3A相似的实施例，除了激光阵列302的堆叠350形成一2-D输入轮廓312以外。腔体300b同样包含准直透镜306、光旋转器305、转换光学仪器308、色散元件308(绕射光栅)以及一部分反射面的输出耦合器316。光旋转器305个别旋转每一光束以形成一于旋转器后的轮廓307。波长光束组合(WBC)空间维度是沿着阵列空间维度的，但随着旋转每一光束将被组合横越其快轴。快轴的波长光束组合(WBC)产生非常窄线宽与高光谱亮度的输出。这些通常适用于工业应用如焊接。转换光学仪器308重叠旋转的光束到色散元件314上之后，将产生一单一输出轮廓以及部分反射回穿透腔体进入激光元件。现在输出轮廓318包含三条光束的线且很不对称。
当考虑使用2-D激光元件时，图3C显示相同的结构。此系统由2-D激光元件302、光旋转器305、传播光学系统(308与309a-b)、一色散元件314以及一部分反射镜316组成。图3C显示激光二极管条302的一堆叠350有一光旋转器305。在外部腔体300c内每一二极管条302(总数3)包含四个发射极。在光旋转器305定向输入前视图312之后，现在定向前视图307每一光束的慢空间维度沿着堆叠空间维度作校准。波长光束组合(WBC)沿着此空间维度实施，此空间维度为每一光束的慢轴以及输出前视图318，且输出前视图318包含单一列光束，单一列光束具有每一光束的沿着堆叠空间维度定位的慢空间维度。光学仪器309a与309b提供一圆柱望远镜沿着阵列空间维度映射。这三个圆柱透镜的功能是以提供两个主要功能。中间的圆柱透镜是转换透镜，它的主要功能是重叠所有光束到色散元件上。另外两个圆柱透镜309a与309b是沿着非光束组合空间维度形成一无焦圆柱望远镜。它的主要功能是确保所有激光元件沿着非光束空间维度与部分反射镜正交传递。如此图3C的实现与图1C所显示的有相同优点。然而，不同于图1C的地方是输出光束不同于输入光束。在图3C中，输出光束318的发射极数目与堆叠中条的数目相同。举例来说，如果2-D激光源由一3-条堆叠组成，且每一条包括49个发射极，那么图1C的输出光束就是有49个发射极的单一条。然而，在图3C中输出光束是只有3个发射极的单一条。因此，输出光束质量与亮度都是高一个数量级以上。对光纤耦合来说，此亮度改善是非常显著的。为了高功率与高亮度比例，多个堆叠可以并排排列。
为了更进一步显示此结构，举例来说，假设波长光束组合(WBC)是实行3-条堆叠，每一条包含19个发射极。到目前为止，有三个选项。第一，波长光束组合能沿着阵列空间维度实施以产生3光束如图1B所示。第二，波长光束组合能沿着堆叠空间维度实施以产生19光束如图1C所示。第三，波长光束组合能沿着使用光束旋转器的阵列空间维度实施以产生19光束如图3C所示。这三种配置有许多不同的平衡拿捏。第一个例子有最高空间亮度但有最低光谱亮度。第二个例子有最低空间亮度、一般的光谱亮度以及不需要光束对称以耦合进入光纤。第三个例子有最低空间亮度但有最高光谱亮度以及是需要光束对称以耦合进入光纤的。在某些应用中这是非常需要的。
为了说明非对称性的降低，图3D显示出300b的系统没有光旋转器的最终输出轮廓319a以及系统有光旋转器的输出轮廓319b。虽然这些图没有按比例绘制，其显示了使用光旋转器的优点，系统中有这个配置，波长光束组合(WBC)横越每一光束慢空间维度实行。较短较宽的319b相对于较高较窄的319a更适合光纤耦合。
多种光旋转器的一例子如图4A-4C所显示。图4A显示圆柱透镜的一阵列(419a与419b)引导输入光束411a旋转到一个新的方向411b。图4B同样的显示输入411a以一个角度进入棱镜，引导一个新方向的旋转光束411b。图4C显示一实施例使用一组阶梯镜417以引导输入光束411a旋转一80-90度的角度，而使得新校准的光束沿着其各自的快轴并排。这些装置或其他可能会经由非偏振敏感以及偏振敏感方式而引起旋转。如果进来的光束于至少快空间维度被准直，那么大多数的装置都会变得有效的。另外需要了解的是光旋转器能选择性旋转光束的角度，包含少于90度、90度以及大于90度。
在先前实施例的光旋转器可选择性旋转个别的、行或列以及群组的光束。在一些实施例中，一组旋转的角度如80-90度范围可使用在整个轮廓或部分的轮廓。在其他情况下，不同旋转的角度可提供给每一光束、行、列或部分的轮廓(见图9A-9B)。例如，一光束顺时针方向旋转45度，而邻近光束逆时针方向旋转45度时。也可以一光束旋转10度，另一光束旋转70度。系统的灵活性能提供不同的输入轮廓，顺带帮助定义输出轮廓的形成。
实行波长光束组合(WBC)沿着发射光束的慢与快空间维度之间的一中间角度也含在本发明的范围内(见图9B例子6)。在这里所描述的一些激光元件是产生电磁辐射的与包含一光学增益介质。当辐射或光束离开光学增益部分时，通常其准直是沿着慢和/或快空间维度并穿过一连串的微透镜的。从这点来看，此实施例在此节已描述包括一光旋转器，该光旋转器可于光束通过转换透镜沿着慢或快空间维度上重叠到色散元件之前，选择性地并旋转每一光束。输出耦合器可镀膜或不镀膜以部分反射光束回到系统的激光元件，其中返回的光束促使产生更多的外部腔体回馈到光学增益元件上直到其于激光元件背面部分的全反射镜反射。光学元件的位置都列举于上述，而其他未列举的是关于第二部分反射表面帮助决定光学元件是在外部腔体系统内或是激光发射腔体外部。在一些实施例中(未显示)，第二部分反射镜位于光学增益元件的末端以及准直或旋转光学仪器之前。
其他运用光束与结构方法，以使用不同波长光束组合(WBC)方法，包含有使用一空间重新定位元件。此空间重新定位元件放置在外部腔体一个与光旋转器相近的位置上。举例来说，图6显示在外部腔体波长光束组合(WBC)系统600中，一空间重新定位元件603放在准直透镜606之后与转换光学仪器608之前。此空间重新定位元件的目的是配置阵列元件呈一个新的结构。图6显示三-条堆叠有N个元件重新配置成六-条堆叠有N/2个元件。空间重新定位于实施例600中是特别有用的，其中堆叠650是一个机械性堆叠或二极管条阵列602与其输出光束，以机械性或光学性放置于彼此顶部。有了这样的配置，激光元件彼此有一固定位置。使用空间重新定位元件形成一新的结构，对波长光束组合(WBC)沿着快空间维度是更理想的。此新的结构使输出轮廓更适合用在光纤耦合。
举例来说，图7显示一实施例，其中透过由一空间重新定位光学元件的空间重新定位步骤703后，一二空间维度阵列的发射极712重新配置如潜望镜式阵列。此重新配置阵列如重新配置前视图707所示，且可准备实行波长光束组合(WBC)步骤710横越波长光束组合(WBC)空间维度，在此为每一元件的快空间维度。在此实施例700中原始的二空间维度轮廓是一具有12个发射极高与5个发射极宽的阵列。阵列在透过空间重新定位元件传播或反射之后，一具有4个元件高与15个元件宽的阵列就此产生。在这两个阵列中，发射极的排列使得每一慢空间维度是垂直的，每一快空间维度是水平的。波长光束组合(WBC)沿着快空间维度实行，其中在第二阵列中将15列发射极折迭成1列有4个发射极高。此输出相较于当波长光束组合(WBC)是在原始阵列实行，已经更为对称，产生15个发射极高的单一列。如显示的，此新的输出透过个别旋转步骤705旋转每一发射极90度会更进一步对称。接着，产生的波长光束组合(WBC)前视图721是沿着慢空间维度有单一光束的宽度以及堆叠四个元件的高度，此非常适合耦合进入光纤的。
一种重新配置元件呈一空间维度或二空间维度的方法是“切断”或破坏轮廓成为区块以及再校准每一区块。举例来说，在图7中，的两个“切断”715加入于713中。每一区块并排放置以形成707。如713的元件有预先排列或固定位置的关系，这些光学“切断”是可以辨识的。在此范围内推想任何数目的”切断“来重新定位初始输入光束轮廓是可行的。如果有需要的话，每一区块除了并排放置之外，也可放置顶部或随机放置。
光学重新定位元件是由多种光学元件组成，包含都是偏振与非偏振的潜望镜式光学仪器以及其他重新定位光学仪器。图4a所示阶梯镜可重新配置以变成空间重新定位元件。
设想空间重新定位元件与光旋转器使用在相同外部腔体系统或腔体系统内部与外部的组合。元件出现的顺序并不重要而且是由所需输出轮廓定义的。
额外实施例包含但不限制本发明的范围，如显示在图9A-9B。图9A的系统1显示4光束的单一阵列沿着慢空间维度并排校准。一光旋转器个别旋转每一光束。之后光束组合沿着快空间维度以及经由波长光束组合(WBC)变成单一光束。在此排列下，注意的重点是4光束可以是49或更多的光束。还需要注意的是，如果一些发射极与其他发射极物理上相互不连接，那机械性旋转个别发射极则可以配置呈一理想轮廓。机械性旋转器具有多种元件，包含摩擦滑块、锁定轴承、管线以及其他机械性装置以旋转激光元件。一旦达到期望的位置，激光元件然后就可固定到位。设想一自动旋转系统的实现能依照所需轮廓来调整光束轮廓。此自动系统可以是机械性重新定位一激光或光学元件的或一新的光学元件嵌入或移出系统以改变所需要的输出轮廓。
图9A的系统2显示二空间维度阵列具有3堆叠阵列，该堆叠阵列具有4光束，且每一光束皆沿着慢空间维度进行校准。(相似于图3C)这样的堆叠阵列通过光旋转器且波长光束组合(WBC)沿着快空间维度，则产生了一沿着慢空间维度从上到下被校准3光束高的单一列。再者可以理解的是，如果此系统的三个堆叠阵列有50个元件，也会产生相同的输出轮廓，尽管一个较亮以及有较高的输出功率。
图9B系统3显示四光束菱形图案，其中光束大致上平行于彼此。此图案也可以是一个随机图案。此光束可沿着快空间维度旋转以及组合，其导致3光束之一列沿着慢空间维度从上到下作校准。由于发射极故障或其他原因，遗漏的二极管激光条与堆叠的元件，如系统3的例子。系统4显示此系统的光束并未校准，但一光束旋转并对准于第二光束，以使两光束组合沿着快空间维度以形成单一光束。系统4显示扩展波长光束组合(WBC)方法除了使用二极管激光阵列之外的一些可能性。例如，系统4的输入光束可以从二氧化碳(CO2)激光、半导体或二极管激光、二极管泵浦光纤激光、灯泵浦或二极管泵浦铷-雅客(Nd:YAG)激光、盘形激光以及等等。能够混合与匹配激光类型与激光波长并组合的是包含在本发明范围的另一优点。
系统5显示系统的光束没有旋转并完全校准同波长光束组合(WBC)空间维度。此结果是一混和输出并维持沿着快空间维度波长光束组合(WBC)的优点。在许多实施例中，光束旋转90度且校准同波长光束组合(WBC)空间维度，其中经常拥有与快空间维度同方向或同空间维度。不过，系统5与系统6显示光束的光学旋转可以是整体的(系统6)或个别的(系统5)，可能会使一或一以上光束的快空间维度与波长光束组合(WBC)空间维度有一角度θ或偏移若干角度。90度偏移将波长光束组合(WBC)空间维度对准于慢空间维度，而45度偏移将使波长光束组合(WBC)空间维度的角度位于一光束的慢与快空间维度的中间，而这些空间维度彼此正交。在一实施例中，波长光束组合(WBC)空间维度具有一偏移一光束的快空间维度的角度，此角度约3度。
上述实施例仅是为了方便说明而举例而已。如上所述，本发明的各种形式以及实施例，本领域技术人员可据其进行各种改变、修改与改良。上述的各式改变、修改与改良，只要不悖于本发明的精神以及发明范围，皆属于本发明所揭露。因此，上述的形容以及附图仅为本发明的范例。

Claims (20)

1.一种波长光束组合器，其特征在于，包括：
一光学旋转器，设置以选择性旋转由多个激光元件发射的光束；
一转换透镜，设置以接收与组合沿着一光束组合空间维度的该选择性旋转的光束；
一色散元件，置以接收与传送该组合光束，其中形成一输出轮廓。
2.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，还包括一输出耦合器，设置以接收来自该色散元件的该输出轮廓，以及部分地反射一部分的该输出轮廓回到该激光元件。
3.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，该至少二个激光元件有一固定位置关系。
4.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，该激光元件包含一第一反射面与一光学增益介质。
5.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，还包含一准直透镜，设置以接收来自该激光元件的光束及沿着该光束的一快空间维度准直一个或以上光束。
6.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，还包含一空间重新定位元件，设置以被该转换透镜接收之前空间重新定位一个或以上光束。
7.根据权利要求1所述的波长光束组合器，其特征在于，该发射的光束有一非对称性轮廓。
8.一种波长光束组合器，其特征在于，包括：
一空间重新定位元件，设置以空间重新定位由多个激光元件发射的光束；
一转换透镜，设置以接收该空间重新定位光束与沿着一光束组合空间维度组合该光束；
一色散元件，置于一该组合光束重叠的区域以接收与传送该组合光束。
9.根据权利要求8所述的波长光束组合器，其特征在于，还包含一光学耦合器，设置以部分地反射一部分的该光束回到该激光元件。
10.根据权利要求8所述的波长光束组合器，其特征在于，该多个激光元件产生一二空间维度轮廓及该空间重新定位元件沿着一第一空间维度减少该光束数目，当增加该光束数目越过一第二空间维度时。
11.根据权利要求8所述的波长光束组合器，其特征在于，该至少二个激光元件有一固定位置关系。
12.根据权利要求8所述的波长光束组合器，其特征在于，还包含一光学旋转器，设置以被该转换透镜接收之前选择性旋转光束。
13.一种波长光束组合器，其特征在于，包括：
多个激光元件，其中每一个发射一电磁光束；
一元件旋转器，设置以选择性旋转每一激光元件；
一转换透镜，设置以接收该选择性旋转激光元件的该光束及沿着一光束组合空间维度组合他们；以及
一色散元件，置以一该组合光束重叠的区域以接收与传送该组合光束。
14.一波长光束组合方法，其特征在于，包含：
选择性旋转由多个激光元件发射的电磁光束；
由一转换透镜沿着一光束组合空间维度组合该选择性旋转光束；以及
用一色散元件色散该组合光束。
15.根据权利要求14所述的波长光束组合方法，其特征在于，还包含：
选择性旋转该光束之前沿着一快空间维度个别准直该发射的光束。
16.根据权利要求14所述的波长光束组合方法，其特征在于，该至少二个激光元件有一固定位置关系。
17.根据权利要求14所述的波长光束组合方法，其特征在于，所有该光束被旋转90度。
18.一种用于波长光束组合的方法，其特征在于，包含：
选择性重新定位由多个激光元件发射的电磁光束；
沿着一光束组合空间维度组合该选择性重新定位光束；以及
用一色散元件色散该组合光束。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，该多个激光元件产生一二空间维度轮廓及该空间重新定位步骤沿着一第一空间维度减少该光束数目，当增加该光束数目越过一第二空间维度时。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，一潜望镜阵列被用在该选择性重新定位步骤。
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