CN103081261A - 波长光束组合系统与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是有关于一种波长光束组合系统与方法，当使用或组合多个激光元件时，用于增加输出的功率以及增加空间的且/或光谱的亮度。
Description
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日提出的美国专利申请号No.61/310,781、以及2010年11月26日提出的美国专利申请号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
波长光束组合是一种以二极管条与堆叠来调整输出功率与亮度的方法。
波长光束组合(wavelength beam combining，WBC)方法已发展到沿着每一发射极的慢空间维度以及沿着每一发射极的快空间维度来组合光束。参阅例子：美国专利US6，192,062、6,208,679以及US2010/0110556A1。然而，当关系到调整输出功率与亮度以产生千瓦、万瓦、十万瓦、甚至到百万瓦的功率时，本文所述的传统方法无法非常灵活的调整系统整个所占面积以及无法灵活的对应大口径光学仪器。因此，为迎合不同产业、科学以及国防上的应用，需要有改良的方法与系统来增加光谱亮度与输出功率。
本发明所追求的即是解决所述的问题。
发明内容
激光有许多产业、科学以及国防的应用。产业应用包含金属切割、点焊、缝焊、钻孔、精密切割以及激光标记。科学应用包含天文学用的激光导引星、重力波探测、激光冷却与捕捉以及激光式粒子加速器。国防应用包含激光式武器、激光诱导火花以及雷达(LIDAR)。
上述适用例子的激光包含高平均与高峰值功率光纤激光与放大器、高平均与峰值功率视力无害掺铒(Erbium-doped)光纤激光与放大器、准连续波(quasi-continuous wave，QCW)或脉冲式或长脉冲式操作的产业激光、短脉冲式(脉宽为数个到百个十亿分之一秒)操作的产业激光等诸如此类的。
当波长光束组合应用到本文所述的任何激光，包含如上述适用的激光，许多影响激光使用的相关因素都大大的改善了。如功率输出方面能显著地增加，亮度方面能大大地改善，成本方面能急遽地减少、热能与光纤相关的光学仪器方面的挑战能立即克服或减轻到最小、整体尺寸方面能减小等诸如此类的。通过波长光束组合，该些因子可改善两倍或者以上。
激光
激光，在本文描述新颖的实施例中使用的激光如下所述。
激光一般来说可定义成通过光的激发发射以产生可见或不可见光的装置。激光(Laser)原本是「Light Amplification by Simulated Emission ofRadiation」的缩写，由激光的先驱“Gordon Gould”于公元1957年所创造，但是现在一般主要是使用在通过激光原理以产生光的装置。
一般来说，激光的特性使其在不同的应用方面为有用的。激光的特性包含：激光束能传播极远的长度、没有太大的发散以及能聚焦在一非常小的点；相较于大多数产生非常宽带谱的其他光源，激光束具有一非常窄的带宽；激光可连续发射或是发射数千万亿分之一短的突波(脉冲)。
激光有多种类型。常见的激光形式包含半导体激光、固态激光、光纤激光以及气体激光。
半导体激光(主要是激光二极管)以电或光激发以及通常在劣质光束质量的损耗下能有效产生非常高输出功率。半导体激光也能针对激光唱片与数字视频影碟的应用产生具有良好空间特性的低功率激光。而其他半导体激光则可应用于产生高脉冲率，低功率脉冲(如应用于电信产业)。特殊类型的半导体激光包含量子级联激光(用于中红外光)以及面射型半导体激光(VCSEL与VECSEL)，后者也适合高功率脉冲的产生。半导体激光于之后的“激光二极管”段落会更进一步描述。
固态激光是以离子掺杂晶体或玻璃(如掺杂绝缘体激光)为基础以及由放电灯或激光二极管激发以产生高输出功率。或是固态激光也可产生非常高的光束质量、光谱纯净与/或稳定(如量测用途)的低功率输出。一些固态激光可产生兆分之一或千万亿分之一的极短脉冲。常见增益介质所使用的固态激光包含铷-雅克(Nd:YAG)、铷-钒酸钇(Nd:YVO4)、钕-玻璃(Nd:glass)、镱-雅克(Yb:YAG)、镱-玻璃(Yb:glass)、钛-蓝宝石(Ti:sapphire)、铬-雅克(Cr:YAG)与铬-氟铝酸锶锂(Cr:LiSAF)。
光纤激光是以光纤核心掺杂一些激光活性离子的光学玻璃光纤为基础。光纤激光在高光束质量有限制的波长调谐操作下可达到极高输出功率(到千瓦)。窄线宽操作与诸如此类的也同样通过光纤激光所支持。
气体激光包含氦-氖激光、二氧化碳激光、氩离子激光以及诸如此类都是典型以放电激活气体为基础的气体激光。常使用的气体包含二氧化碳、氩、氪以及气体混和物如氦-氖。此外，准分子激光则是以任何氟化氩、氟化氪、氟化氙以及氟气体为组成分子。其他少见激光类型包含化学与核泵激光、自由电子激光以及X-射线激光。
激光二极管
激光二极管，本文所描述新颖的实施例以及提及的展示中激光二极管的使用如下所述。
激光二极管是一种围绕在以提供光子(光)发射的单一二极管结构为基础的激光二极管。然而，为了改善效率、功率、光束质量、亮度、可调谐性等诸如此类，需修改此单一结构以提供各种各样的许多应用类型的激光二极管。激光二极管类型包含小型边缘发射类型，可产生数毫瓦到约0.5瓦输出功率的高光束质量的光束。激光二极管的结构类型包含：双异质结构，其中包含一低能阶材质层夹于二高能阶层之间；量子阱激光，其中包含一非常浅薄的中间层(量子阱层)，用以产生高效能与激光能量的量子化；多量子阱激光，其中包含超过一个以上的量子阱激光，用以改善增益特性；量子线或量子海(点阵)，用线或点阵取代中间层以产生高效能量子阱层；量子级联激光使激光能够作动于相当长的波长中，而此波长是由改变量子层厚度所调谐而来；分离局限异质结构激光，是商业上最常见的激光二极管，且包含另外两层位于量子阱层之上与之下，用以有效限制光的产生；分布式反馈激光，是常见使用在高规格光学通信应用上，且包含一整合式衍射光栅，在制造时通过反射一单一波长回到增益区域，以便易于产生一稳态波长集；垂直腔面射型激光(VCSEL)是一不同于其他激光二极管的结构，其不同处在于光从其的表面发射而不是其的边缘；垂直外部腔体面射型激光(VECSEL)与外部腔体二极管激光同属于调谐型激光，其主要使用双异质结构二极管并包含光栅或多棱镜光栅结构。外部腔体二极管激光常是波长调谐式的且有一明显的小的发射线宽。激光二极管类型也包含多种以二极管为基础的高功率激光，其包含：广域激光，其特征为1x100μm长椭圆形输出端面的多模式二极管、劣质光束质量但是可产生数瓦的功率；锥形激光，其特征为1x100μm锥形输出面的散光模式二极管，当与广域激光比较时，可明显的改善光束质量与亮度；脊形波导激光，其特征为1x4μm椭圆形输出面的椭圆模式二极管；以及平板耦合光学波导激光(SCOWL)，其特征为4x4μm或较大的输出面的圆形模式二极管、以及衍射限制光束下能产生接近一圆形轮廓的瓦特级的输出。除了上述的二极管之外，也还有其他类型的二极管。
激光二极管阵列、条及堆叠
激光二极管阵列、条及堆叠，本文描述的创新实施例以及提及的展示中激光二极管阵列、条及堆叠的使用如下所述。
激光二极管可个别封装或集体封装，通常分为一空间维度行/阵列(二极管条)或二空间维度阵列(二极管-条堆叠)。二极管阵列堆叠通常是二极管条的垂直堆叠。激光二极管条或阵列与对等单一广域二极管比较，可实现较高功率以及成本效益。高功率二极管条包含广域发射极阵列，其劣质的光束质量却可产生数十瓦功率以及尽管有较高的功率，但其亮度却常常低于广域激光二极管。堆叠高功率二极管条，可产生百瓦或千瓦等极高的功率的高功率堆叠二极管条。激光二极管阵列能设以发射一光束进入一自由空间或是进入一光纤中。光纤耦合二极管激光阵列能当作一激发源于光纤激光与光纤放大器。
二极管激光条是半导体激光的一种类型，其包含一空间维度阵列的广域发射极或是包含具有10-20窄条纹状发射极的子阵列。一般来说，广域二极管条包含19-49个发射极，每一发射极约1x100μm宽。典型的衍射限制是沿着1μm空间维度或快轴的光束质量。典型的衍射限制的多倍数是沿着100μm空间维度或慢轴或阵列维度的光束品质。通常来说，商业上应用的二极管条有一激光共振器，其长度1mm到4mm，宽度约在10mm左右，可产生数十瓦的输出功率。大多数的二极管条操作在波长范围780nm到1070nm，最著名的波长是808nm(以激发钕-雅各布激光)以及940nm(以激发镱-雅克激光)。波长范围915nm到976nm则是使用在泵浦掺铒(pumping erbium-doped)或掺镱(ytterbium-doped)高功率光纤激光与放大器。
通常提到的二极管条特性为输出空间光束轮廓。在大多数应用中，需光束限制光学仪器。此重要成果也因此被用来限制二极管条或二极管堆叠的输出。而维持光束质量时的限制手段包含使用非球面镜来准直光束。微光学快轴准直器是使用来准直沿着快轴的输出光束。非球面圆柱透镜阵列则常使用于沿着阵列或慢轴的每一激光元件的准直。为实现近乎圆形的光束腰部，要求一种对于每一二极管条或阵列的光束质量相称的特殊光束塑形器的。二极管条一不好的特性是“微笑”(即连接发射极轻微弯曲的平面性质)。此“微笑”误差对二极管条聚焦光束的能力有不好的影响。另一不好的特性是慢轴或快轴的准直误差。举例来说，扭曲的快轴准直透镜会导致一有效的“微笑”。这在集中能力上是不好的影响。堆叠中，每一条的”照准“误差有着更显著的影响。照准误差是一准直误差。这会造成阵列或条从快轴透镜上偏移。1μm的偏移如同整个阵列1μm的“微笑”。
二极管条与二极管阵列克服了非常宽的单一发射极的限制，如放大的自发性发射或横向上的寄生激光发射或丝线的形成。因为每一发射极会产生其自己的光束，所以二极管阵列也能产生更多稳态模式轮廓。利用某种程度上相邻发射极相干耦合的技术能得到更好的光束质量。这样的技术可包含在二极管条的工艺上，然而其他的则牵涉到外部腔体。二极管阵列的另一好处是阵列几何可使二极管条或阵列非常适合用于相干或光谱光束组合，以获得更高的光束质量。
除了先前条或阵列的提供之外，二极管阵列还可用在光纤耦合形式，因为这可使其易于每一发射极输出的使用以及二极管条的组设，使得二极管的冷却与使用光的位置有一段距离。通常来说，光耦合进入一单一多模光纤中时，是使用单一快轴准直器同时慢轴方向无光束限制或是使用更复杂的光束塑形器以维持较好地亮度。其也可能从发射极发射小波束进入一光纤束中(一发射极一光纤)。
一二极管条或二极管阵列的发射带宽对于某些应用来说是很重要的考虑。光反馈(如体积式布拉格光栅)能显著增加波长宽容度与发射带宽。另外，带宽与精确的中心波长对光谱光束组合来说也是重要的。
二极管堆叠是多个二极管条的排列，能释放非常高的输出功率。也称为二极管激光堆叠、多条模块或二空间维度激光阵列，最常见的二极管堆叠排列是垂直堆叠，是一种边缘发射极的二空间维度阵列。这样的堆叠是通过安装薄型散热装置于二极管条散热装置并且堆叠这些组件来完成工艺的，这样可获得周期排列的二极管条与散热装置。同样的也有水平二极管堆叠以及二空间维度堆叠。
要有高的光束质量，二极管条必须尽可能的越接近彼此。换句话说，有效的散热意味着在条之间必须要安装更薄的散热装置。这二极管条间距的拿捏平衡可能会导致垂直方向上二极管堆叠的光束质量(以及其的亮度)比单一二极管条的光束品质要低得多。然而，有数种技术可以明显减轻这个问题，例如通过不同二极管输出堆叠于空间交错、通过偏振耦合或通过波长多任务。为了这样的目的，已发展了多种类型的高功率光束塑形器以及相关的装置。使二极管堆叠能提供极高的输出功率(如数百或数千瓦)。
同样也有水平二极管堆叠，其二极管条并排，呈现发射极之一长型线性阵列。由于自然对流冷却发生在垂直定向二极管条之间，这样的排列更易于冷却，也因此允许每一发射极有更高的输出功率。一般来说，水平堆叠的二极管条数目(总输出功率)比垂直堆叠有更多的限制。
二极管条与二极管阵列在没有明显的冷却问题下能实现非常高的功率，通过准连续波的操作，其包含产生一数百微秒间隔的脉冲与一重复率达数十赫兹的脉冲。
波长光束组合
波长光束组合的技术与实施例，本文描述的新颖的实施例以及提及的展示中波长光束组合的使用如下所述。
当激光二极管发射线性偏振光时，可以由一偏振光束分离器组合两二极管的输出，以使光束有两倍的单一二极管功率且获得相同的光束质量(通常称作偏振多任务)。或者，也可以是空间组合由分色镜产生些微不同波长的激光二极管光束。多数的光束组合的系统方法允许组合大量数目的发射极且具有良好的光束质量。
光束组合通过组合多个装置的输出以达到激光源的功率调整。实质上光束组合的原理就是组合多个激光源的输出，且常常是以激光阵列的形式来获得一单一输出光束。本发明的可调式光束组合技术能产生一功率可调式激光源，即使提供组合光束的激光是不可调式的。光束组合要能增加输出功率且须同时维持光束质量，以使亮度的增加可以像输出功率一样。
有许多不同的光束组合与增加亮度的方式，所有的方式可以分类成三种：相干的、偏振的以及波长光束组合。相干光束组合时，光束需互相相干。一简单例子，有相同光学频率的单色光束是可以组合的。然而相干光束组合的某些方法是相当复杂的，其在组合时所有发射极的发射光谱都要一样，且发射存在多个频率上。
偏振光束组合用一偏振片组合两线性偏振光束(如一薄膜偏振片)。当然，产生一非偏振输出时，这方法是不可重复的。因此，严格意义上来说，这方法无法做功率调整的。这三种方法之一都可以提供给不同的激光源，如以激光二极管为基础的(更明确为二极管条)与光纤放大器，甚至是高功率固态体积式激光与垂直外部腔体面射型激光。
波长光束组合(也称为光谱光束组合或不相干光束组合)不需要相互相干，因为其利用非重叠光学光谱的发射极，而其光束是提供给一波长感测式光束组合器用的，如棱镜、衍射光栅、分色镜、体积式布拉格光栅以及诸如此类以产生波长组合光束。波长光束组合发明及实例细节的描述在US6,192,063、US6,208,679以及US2010/0110556A1。波长光束组合可在没有任何光束质量重大损失下，成功的实现简单的光束组合。波长光束组合也比单一高功率激光二极管来的可靠，因为简单地说一发射极的故障则会降低输出的功率。
波长光束组合的原理是产生多个非重复光学光谱的激光二极管光束，并组合其于波长感测式光束组合器，以使其后所有光束朝同一个方向上传播。
多个激光二极管的组合与良好的光束质量的实现。激光二极管的组合，其每一激光二极管的发射带宽是增益带宽的一小部分。而光束组合器的角度色散会更进一步影响波长光束组合的光束质量。有极大色散的光束组合器与波长稳态激光二极管要实现波长光束组合的良好光束质量还有好长一段路要走。调谐激光二极管波长的技术使波长光束组合变得容易，从独立调谐每一激光范围到一特定波长，并依据其组合光束路径的空间位置自动更正每一激光二极管光束的波长。
波长光束组合使用在功率调整。无限制功率调整的例子，如大量独立连续校正激光而得的准直光束，甚至是通过激光数目的比率使组合功率增加。组合输出的光束质量降低，顶多亮度只等于单一激光的亮度。通常来说，系统的亮度是远低于单一元件的。因此一种保存光束组合元件光束质量的功率调整方法是高度需求的。
波长光束组合可用在不同类型的激光二极管设置，包含二极管条、二极管堆叠等诸如此类。一二极管条是广域激光发射极之一空间维度阵列，其可组合多种光纤与光学系统以产生一或一以上的波长组合光束。二极管条在一线性衬底上可包含二到五十或五十以上的激光发射极。二极管堆叠实质上是二极管的一二空间维度阵列。二极管条可通过垂直堆叠或水平堆叠排列的工艺而成二极管堆叠。
在此叙述的系统与方法加上可调式波长光束组合方法可产生高亮度及功率。本文说明的实施例是使用大量的模块式激光输入装置，其每一装置都包含多个激光元件以形成一可调式系统。模块式激光输入装置使用上的调整性可灵活适应所需要的更高或更低功率，降低光学仪器需求的尺寸以及在某些例子里减少系统的整个尺寸大小，相反的创造一个精实且强健的系统。这个系统可调整出千瓦、十千瓦、百千瓦以及甚至到百万瓦的功率输出与亮度。
附图说明
图1A是沿着一单一二极管激光条发射极的阵列空间维度的波长光束组合方法的示意图。
图1B是沿着发射极的一二空间维度阵列的阵列空间维度的波长光束组合方法的示意图。
图1C是沿着发射极的一二空间维度阵列的堆叠空间维度的波长光束组合方法的示意图。
图2A是显示调整波长光束组合系统到十千瓦或更多千瓦的实施例的示意图。
图2B是显示调整波长光束组合系统到十千瓦或更多千瓦的另一实施例的示意图，其中还包含望远镜式透镜。
图3是显示多种半导体、二极管线以及其他激光阵列发射极的常见缺点的示意图。
图4是显示一外部腔体使用球面透镜与衍射光栅应付“微笑”与其照准误差，以得到波长窄化、二极管阵列与堆叠的稳定以及同时改善每一二极管条的光束质量的示意图。
图5是显示所有激光元件操作在相同狭窄的波长，在某些例子是单一频率的示意图，是不受二极管条与堆叠上缺陷的影响。
图6是显示一空间维度架构且有“微笑”的二极管激光堆叠的示意图，其中波长光束组合是沿着阵列空间维度实行。
图7是显示沿着的阵列空间维度的二空间维度二极管激光元件的一空间维度波长光束组合的基本结构的示意图，其中缺陷通过腔体完全补偿。
图8是显示沿着堆叠空间维度的一空间维度波长光束组合腔体的基本结构的示意图，以产生理想或几乎理想的光束且不受二极管条与堆叠上任何缺陷的影响。
图9是显示使用在二极管阵列与堆叠上修正缺陷的相关技术方法。
图10是显示一非对称光束的发散的示意图。
图11是显示一为了减少缺陷而使用玻璃块的衍射腔体系统的示意图。
图12是显示一具有“微笑”的腔体系统的示意图。
图13是图8实施例的一数值计算的光学模型结构的示意图。
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或二空间维度的外部腔体光束组合方法与装置。实施例进一步关于一种高功率与/或高亮度多波长外部腔体激光，可产生重叠或同轴光束由十瓦到千瓦，甚至是百万瓦的输出功率。
详细来说，实施例是组合个别光束进入模块式单元的方法与装置，其中多个此模块式单元组合成一单一系统，产生可调整亮度与功率的单一输出轮廓。本发明的一个优点在于可调式系统所需的光学元件尺寸的缩减。另一优点则是波长光束组合系统的整体面积大小能够缩减。
多次提到的“缩减”一光学系统来说，即所谓的减少一特定系统中光学元件的数目。增加光学元件的数目似乎增加了系统的复杂度或是系统的可制造性。然而，本文的一些实施例在波长光束组合系统中增加光学元件的数目，以实现先前提到的一些优点，如减少某些光学元件的口径。
举例来说，图1A显示一基本波长光束组合结构。一阵列102显示包含四个激光元件；不过，阵列102也可包含更多的激光元件。阵列102显示是一单一二极管条。然而，可预料阵列或行元件可以为一具有多元件的光纤激光，其中多个个别激光并排校准，或任何其他激光发射极的组合排列成一空间维度阵列，其中每一发射极发射一或一以上条电磁光束以及光束的慢发散空间维度是沿着阵列或行空间维度进行校准的。在图中所显示的个别光束104为一虚线或一条，其中，光束的长度或是较长空间维度代表着慢发散空间维度，以及光束的高度或较短空间维度代表着快发散空间维度。一单一准直光学仪器106使用来准直沿着快空间维度的每一光束。转换光学仪器108可以是一圆柱或球面的透镜或镜或组合，使用以组合沿着波长光束组合空间维度110的每一光束104，如输入前视图112所示。转换光学仪器108重叠组合的光束到一散射元件(如使用衍射光栅)114上，其中组合的光束之后以一单一输出轮廓传送到一输出耦合器116上。输出耦合器之后传送的组合光束120，如输出前视图118所示。在这外部腔体100a系统中此输出耦合器为部分反射且充当了所有激光元件的一常见前端面。一外部腔体属于一个激光发射系统，其中第二镜放置位置与每一激光发射极发射口或面(未标示)有一距离。概括来说，外加的光学仪器放在发射口或面与输出耦合器或部分反射面之间。
同样地，图1B显示三个激光阵列或条102的一堆叠150，其中每一阵列有四个发射极。如图1A，图1B输入前视图112，此次是二空间维度阵列的光束，是沿着光束的阵列空间维度组合以产生如输出前视图118或一单一列光束的单一输出轮廓120。
另一波长光束组合系统如图1C所示，图1C显示了激光阵列102的一堆叠150形成发射极的一二空间维度阵列，取代了图1A与1B中沿着慢空间维度的光束组合，现在的波长光束组合空间维度110是跟随沿着排列成二空间维度轮廓的光束的阵列空间维度。输入前视图112沿着个别快发散空间维度或轴系组合可产生输出前视图118，，其中显示出一单一列的光束120。
先前显示的图1A-1C的方法是使用单一转换光学系统。整个一空间维度或二空间维度输入轮廓是通过一单一转换光学系统简化成一单一输出轮廓。然而，当光束的数目沿着单一空间维度(如列或堆叠或阵列或行的空间维度)增加，口径尺寸的数值必须增加以接受整个一或二空间维度的轮廓。另外，如果发射极之间的间距增加，转换光学仪器的转换口径的数值将同样地需要增加以接受更多分散或空间中有距离的发射极。举例来说，一典型的商规用现成(COTS)二极管堆叠，条间有2mm间距。因此，如果100个条要组合，那么之后转换光学仪器的口径则必须最少有200mm。大多数商规用现成光学仪器直径都少于75mm，且以25mm为最常见的。
如果波长光束组合系统的设计目的之一是产生一个紧密的系统可组合大量的光束或是组合空间中传播的个别光束，而这将会是有问题的。增加光束的数目或光束之间彼此传播会造成一个大的一空间维度或二空间维度的光束轮廓。转换光学仪器因此也必须有足够大的口径。
当转换光学仪器的口径变得太大，制造上会变得更加困难以及光学仪器的成本也会增加。制作大口径光学仪器并有低色差是非常困难的任务。可接受的质量的商规用现成光学仪器的限制，直径上大约5-6英时，而1英时则是最常见的。
根据常见现成的高功率激光二极管阵列或堆叠的激光源都是以广域二极管激光元件为基础。一般来说，这些元件的光束质量是沿着快轴的衍射限制以及沿着激光元件的慢轴的衍射限制的多倍数。虽然接下来的讨论会提及到先前的激光二极管、二极管条以及二极管堆叠，但是本发明的实施例非局限于激光二极管并且可使用许多不同类型的激光发射极，包含光纤激光、个别封装二极管激光、半导体激光以及其他类型的激光。再者，本文所使用的“阵列”是一或一以上个激光元件并排。于图1A-1C中，对于广域发射极，阵列空间维度是沿着慢轴；不过，沿着阵列空间维度被校准的个别发射极也是可以沿着快轴的，一角度偏移于慢轴或沿着阵列或行任意摆放每一发射极。本文所使用的“堆叠”是二或二以上阵列堆叠在一起。堆叠可为机械性或光学性的排列。在一例子中，物理性排列的堆叠包含二或二以上的阵列，其机械性堆叠在另一个堆叠上面以产生输出光束。光学性排列的堆叠则使用光学仪器来实现，如调谐镜，从二或二以上阵列排列输出光束，每一光束来自相对应的阵列，如此输出光束能堆叠在另一个堆叠上面。图1A-1C的堆叠空间维度是沿着快轴的；不过，沿着堆叠或列空间维度被校准的个别发射极也可以沿着慢轴，一角度偏移于慢轴或任意摆放沿着堆叠或列的每一发射极。操作激光当作如一准连续波(QCW)或连续波，其输出功率从亚毫瓦到十瓦或更高。
值得注意的是，对于从激光系统中调整功率与亮度来说，激光元件的波长光束组合是一值得注意的方法。亮度是由N x P/(λ2x M2 x x M2 y)i所产生，其中N是组合元件的总数目、P是每一元件的输出功率、λ是操作的波长以及M2 x、M2 y是沿着二空间维度的光束质量，而N x P是功率。图1是三种变化的波长光束组合腔体，使用一常见外部的具有部分反射的耦合器1)图1A显示波长光束组合的一空间维度阵列，其光束组合沿着阵列空间维度来射行，阵列空间维度同时也是慢空间维度。输入前视图112与输出前视图118在图1A的左边部分。输出光束是一单一元素。2)图1B显示用于沿着阵列空间维度的波长光束组合的一基本腔体，阵列空间维度同时也是慢空间维度，其结果是一单一列的光束。3)图1C显示一第三波长光束组合的外部腔体，其波长光束组合沿着堆叠空间维度来实施，堆叠空间维度同时也是快空间维度。外部腔体100a与100b所示波长光束组合为相对。其结果输出是一光束阵列。
一般来说，这三种波长光束组合腔体包含一阵列或堆叠的激光元件、一转换光学仪器(圆柱或球面的透镜或镜)、一色散元件(如使用衍射光栅)以及一部分反射的输出耦合器。转换光学仪器放在激光阵列之后。转换光学仪器的位置与光源有关。在一理想点光源中，其置于距离光源的一焦距上。而色散元件放置在所有光束空间上重叠的地方，其额定地在转换光学仪器的后焦平面上。如果色散元件没有放在此额定位置上则会导致输出光束质量的降低。而输出耦合器放置在第一阶衍射光束的路径上。理想上，所有来自激光元件的输出光束通过转换光学仪器空间上会重叠于光栅上，如图1A-1C所示。而部分反射的输出耦合器与光栅提供反馈给激光元件的独特的波长控制以及重叠光束于近场(在输出耦合器)与远场。此结果理想上来说，输出光束与一单一光束组合元件有相同光束质量但总和功率则来自所有的激光元件。
为了调整出更高的功率以及更高亮度，这三种波长光束组合腔体的基本光学架构是有极限的而且有时也不切实际。使用图1C的腔体作为一个例子来说明。假设需求一个3千瓦特的波长光束组合系统。典型的商规用现成包含多个发射极的激光二极管条额定功率为每条1百瓦特的总输出功率。因此，为了达到3千瓦特，则需要30个这种1百瓦特的激光二极管条。一般来说，这类型的二极管条间距大约2.0mm。因此，堆叠30个条配置如图1C，沿着堆叠空间维度的堆叠宽度变成了29x2＝58mm。转换光学仪器的直径因为需要接收整个光束轮廓，所以需要稍大些，如此75mm或3英寸的规格尺寸可能是适合的尺寸。此直径的低色差光学仪器商业上是可用的，但是会非常贵以及少见的。
调整先前3千瓦特到10千瓦特系统，将使光学仪器的尺寸放大3.3倍或大约191.4mm(～10英时)。完成一直径10英时且低色差的光学仪器是非常昂贵的且需要耗时订制光学构造。这让一10千瓦系统在市场上无法竞争。此外，假设3千瓦特与10千瓦特光谱带宽一样，直径10英时的聚焦也将增加转换光学仪器/镜到衍射光栅间大约3倍的距离。
图2A显示一实施例附加使用较大口径的光学元件。其中，一外部腔体200a使用波长光束组合方法调整多个发射极得到一单一输出轮廓，并设以使用多个且较小的转换光学仪器208。通过剖析，个别模块中堆叠的发射极具有较小光束输入轮廓允许使用具有一较小数值口径的光学元件。此外，堆叠的模块化是允许系统有较大的灵活性的。当需要增加功率以及其他优点在本领域中变成明确技术时，此灵活性包含能一次替换一模块以及增加附加额外的模块到系统的能力。
腔体200a包括多个激光元件250、一转换光学仪器、一色散元件(如衍射光栅)以及一输出耦合器。多个激光元件250以产生一或二空间维度的一轮廓，而转换光学仪器对应每一组的激光元件250。腔体200a的个别激光输入模块252包含一组多个激光元件250，其是以形成一或二空间维度轮廓以及一单一转换光学仪器208。另外，如图2A显示，一激光输入模块包含准直光学仪器，举例来说，如一快轴准直光学仪器(FAC)206，快轴准直光学仪器206是沿着快轴设以准直光束。其他光学元件也包含在内，不过一激光输入模块包含至少二个发射极以及一单一转换光学仪器。每一组的激光发射极250与转换光学仪器208是定向的，以使所有激光发射极的所有光束是空间上重叠到衍射光栅214上。转换光学仪器的每一堆叠放置在距离从快轴准直光学仪器206的后焦平面的一单一焦距上。衍射光栅214可放置于所有光束重叠的地方；意义上来说，这是在每一转换光学仪器208的焦平面上。输出耦合器216放置于第一阶衍射光束的路径上。在本实施例中，输出耦合器是部分反射的以及当与衍射光栅214组合时提供反馈给激光元件的独特的波长控制波长。有时这可以当锁波器。此外光栅与输出耦合器产生重叠光束于近场(在输出耦合器)与远场，由此形成一单一输出轮廓。
继续先前显示使用的激光二极管条，假设最大光学元件可允许的是3英时，那么激光元件250可由30个二极管条的一堆叠。因此每一激光输入模块252可产生总功率3千瓦特，以及图2A所显示的外部腔体200a可具有三个激光输入模块以产生9千瓦特，假设效率达100％。另外，增加一第四个或第n个激光输入模块可增加一额外3千瓦特的外部腔体输出。
另一实例显示在图2B。设计高功率激光系统时的一些实际考虑包含：激光元件的有限增益带宽、色散元件的可接受角度、色散元件上的光斑大小以及系统的整体尺寸大小。外部腔体200b包含一第二望远镜式光学仪器262，其设以形成一望远镜式系统264，望远镜式系统264可减小整体轮廓的口径大小以及从每一激光输入模块252来的个别光束。此减少的轮廓可让转换光学仪器208有一较小的口径，顺带帮助降低转换光学仪器208与衍射光栅214之间的距离270。外部腔体200b的激光输入模块252，其组成有激光元件250、快轴准直光学仪器206以及一主要望远镜式光学仪器260，其中当主要望远镜式光学仪器260与第二望远镜式光学仪器262组合可形成望远镜式系统264。同样相似于图2A的实施例，图2B的激光输入模块250包含附加的光学元件，但是最基本架构需要至少二个激光发射极以及一光学元件，空间上可减少沿着至少一空间维度的光束之间的距离。在这基本激光输入模块中，这些光学元件可能包含一圆柱或球面的透镜或镜。而附加的望远镜则可帮助减轻多数该些情况。整体的尺寸大小是由转换光学仪器的焦距所决定。举例来说，使用10mm宽的一位于波长976nm的二极管阵列、一焦距f＝100mm的转换光学仪器以及每毫米1600条的光栅，将产生一沿着一空间维度的尺寸大小大约是转换光学仪器焦距的2倍或是约200mm。然而，使用f＝10mm与f＝1mm的一望远镜以及f＝10mm的转换光学仪器则会产生一更小尺寸约42mm。而输出光束的特性相同于单一f＝100mm的转换光学仪器。上述两例的光谱带宽约39nm。39nm约是二极管激光在波长976nm的增益带宽。因此，增加更多激光元件到单一转换光学仪器腔体是不可行的。不过，如果在第二例子中，转换光学仪器换成f＝20mm，则光谱带宽将减少2xnm或相同光谱带宽下可用二个10mm宽的条做波长光束组合。这会增加整体尺寸大小约从42nm变成62mm。如果传播透镜换成100mm，比较于单一转换光学仪器设计，则整体尺寸大小约222mm，但是可以组合10倍以上的激光元件或大约10x倍亮度的系统。
附加的望远镜也减少了光栅上的光斑大小。举例来说，一典型的二极管条有一附加的f＝900μm准直光学仪器。假设理想准直，则准直光束约有1毫弧度(mrad)的一发散角度。因此，使用一f＝100mm转换光学仪器，光栅上沿着波长光束组合空间维度的光斑大小约100μm。如此小的光斑是不需要的。光栅上的光斑小，也因此光栅上的功率密度将会非常高。这结果会增加对光栅光学损害的风险。
通过附加的望远镜，光栅上的光斑能通过望远镜的放大倍率而增加。在先前例子中使用f＝10mm与f＝1mm或10x放大倍率，光栅上的光斑从100μm变成1mm。同时光谱带宽也从每条39nm变成3.9nm。因此，如先前陈述的，10个条的组合可使用所有39nm的带宽。图2B所示的例子由多个二极管堆叠、一使用一阵列的透镜与一常见的透镜的望远镜、一转换光学仪器、一光栅、一沿着波长光束组合空间维度的望远镜、一沿着非波长光束组合空间维度的望远镜以及一输出耦合器。如图2B所示，沿着波长光束组合空间维度，一透镜阵列260与一常见的透镜262形成一望远镜阵列264。每一激光模块都有属于其自己的望远镜。激光模块与望远镜阵列的放置，使得所有光束额定地在穿过望远镜之后彼此互相平行。因此，其功能是降低每一发射极的尺寸以及所有激光模块的整体尺寸到一适当需求的尺寸大小。穿过望远镜之后光束的缩减会在光栅上产生较大的光束，也因此依据同样因素会有较低的功率密度。堆叠尺寸的缩减会有较好的光谱带宽利用性如显示于上述例子。因此，堆叠的缩减影像会形成在望远镜的常见的透镜的焦平面上。而转换光学仪器会重叠其至衍射光栅上。而光栅与输出耦合器驱使每一激光条操作在一独特且可控制的波长上。在这样的方法中，所有的光束系空间上重叠于近场与远场。而位于光栅与输出耦合器之间沿着光束组合空间维度的望远镜，则用来减少光束的尺寸。需要沿着非波长光束组合空间维度的附加的光学仪器，使得所有光束沿着非光束组合空间维度与输出耦合器作正交传播。举例来说，如显示的位于光栅与输出耦合器之间的沿着非波长光束组合空间维度的望远镜重新成像激光阵列到输出耦合器上。用这样的方法，组合的输出光束相同于一单一二极管条。需要注意的，可能需要一附加光学仪器(未显示)以形成一更强大且低损耗的腔体。
如一设计例子，假设透镜阵列是一球面透镜、具有一3英时直径以及一焦距300mm。堆叠由30条组成以及30条彼此有2mm间距。假设一般望远镜式光学仪器为具有一焦距2.8mm的圆柱形光学仪器。再假设光栅具有每毫米1760条的刻线密度。转换光学仪器具有一200mm的焦距。因此，激光堆叠的带宽大约是0.78nm。对于10个30条的堆叠，其带宽大约10x0.78/ff，其中ff是堆叠式填充因子。堆叠式填充因子为0.9时，则带宽大约是8.7nm。而在光栅上的光束尺寸大约是100mm。如果使用空间上的交错以及偏振多任务，可有10(堆叠数目)x30(每一堆叠的条数目)x2(空间交错的影响)x2(偏振)＝1200条能够组合成一单一二极管条的输出光束质量具有1200x100瓦＝120000瓦的条功率以及光谱线宽约8.7nm。
低成本、高可靠度、高亮度二极管激光系统
高可靠度二极管激光系统在产业应用上具有高度需求。一般来说产业上的客户需求系统能持续达100,000小时或超过11年。而激光的寿命取决于激光的类型。使用微通道冷却器的主动式冷却二极管激光的寿命约10,000小时或更久。被动式冷却二极管激光的有大约20,000小时或更久的寿命。密封管二氧化碳激光的寿命约35,000小时。而这些都很少在维护。密封管二氧化碳激光受限于只有数百瓦特。高功率、千瓦级二氧化碳激光系统通常可持续达100,000小时或更久。然而，其都需要每1,000小时进行维护以及每8,000小时进行完全光学重组。灯泵固态激光与高功率二氧化碳激光有约相同周期。包含光纤与体固态的二极管泵固体激光的寿命，远短于二氧化碳激光。但充其量其寿命都限于二极管激光的寿命。在此将揭露不需要任何维护下高亮度波长光束组合二极管激光的寿命能有50,000小时、100,000小时或更长的寿命。
图1显示一基本波长光束组合腔体。此腔体为本发明新的波长光束组合的外部腔体，其沿着堆叠空间维度来组合光束。一般来说，每一光束的快轴都是对准于堆叠空间维度。此波长光束组合腔体包含光源二极管激光堆叠，其为机械性或光学性堆叠或是机械性与光学性堆叠的组合。此外部腔体也包含一转换光学仪器、一光栅以及一输出耦合器。而在输出耦合器之后，光束输出需要一光束塑型器、光纤耦合光学仪器以及输出处理光纤。或是自由空间输出可能也是光束输出的选项之一。波长光束组合的腔体可使用的范围为本发明的波长光束组合的腔体，包含新的波长光束组合、旧的波长光束组合、新-新的波长光束组合以及新-旧的波长光束组合，以及本发明二极管激光束组合与亮度增强技术的范围。
在大部分的事例中，二极管激光的输出功率为一线性时变如下：
P(t)≈P0-βt，
其中P0是初始功率、P(t)是t时间之后的激光功率，以及β是减少比率。对于被动式冷却的二极管条，其减少比率β大约每小时1x10-5瓦特。因此对于被动式冷却的二极管条，其寿命的结束发生约20,000小时，寿命结束的定义为输出功率为初始功率的80％。为了显示本系统本身的优势，考虑1,000瓦特的一系统。假设二极管激光的成本是每瓦特10元。那么对这个1,000瓦特的系统，其二极管成本为10,000元。假设本系统要持续100,000小时。如果这1,000瓦特的二极管激光的系统需要每20,000小时替换二极管激光。那么，必须替换4,000瓦特的二极管激光。替换的成本因此变成40,000元加上人力。所有二极管泵浦固态激光，包含体积式铷-雅克、薄盘以及光纤激光，必须遵循此模型。这是二极管泵浦固态激光的激光共振器基本原理。举例来说，在体积式铷-雅克激光中，只要二极管到达其寿命结束的条件时，则此二极管就必须替换。除了必须替换之外，还必须对整个激光进行光学性校正。基本上，这条件不适用波长光束组合系统。在本系统中，输出光束相对于激光条的数目、元件的数目或系统的输出功率来说是不变的。举例来说，如果本发明的1,000瓦特系统，能安装多种1,000瓦特二极管激光组在系统中且在一个时间只打开一组。也就是在到达20,000小时的寿命直接关掉第一组二极管激光并打开第二组或是组合。因此，替换与/或校正对于系统来说是不必要的。这是本系统的基本特性。本系统的优势，甚至尽管二极管激光只持续20,000小时，本发明也可使本系统持续100,000小时或是任何需求的时间长度。从上述例子可减少替换二极管激光的次数的需求。举例来说，当建造二极管激光系统时，安装总达2,000瓦特功率的二极管激光。此2,000瓦特激光包含5组二极管激光。第一群组为1,200瓦特的功率级，其余群组都为200瓦特。对于第一个20,000小时，可先运转第一群组1,200瓦直到其的寿命结束，其功率级剩1,000瓦特。在20,000小时结尾的部分时，运转第1群组及第2群组。在40,000小时结尾的部分时，运转第1、2、3群组。在60,000小时结尾的部分时，运转第1、2、3、4群组。在80,000小时结尾的部分时，运转所有的群组。此系统的输出功率在任何时间都是约1000瓦特。在这个例子中，二极管激光的成本20,000元取代了先前的例子的50,000元(10,000元的最初二极管成本外加40,000元替换的二极管成本)。更重要的是不需要定期维护。也不需要打开密封激光系统去替换或校正系统。作为该系统的一部分，群组的运作是通过一具有简单功率临界值侦测器的计算机进行设计与控制。如果二极管激光证明比预计的平均寿命要来的可靠，那计算机就不需要打开额外的群组直到系统功率低于一预设临界值，可更进一步的延长操作时间。上述例子只是操作多种群组的一可能序列。多种可能的系统方案存在着。因此可以组合此方法以评估每一群组二极管激光的功率，可引导更进一步改善每一群组预期的寿命底线。
单一频率二极管阵列与堆叠
在许多应用中充分利用的二极管条或堆叠，如泵浦碱金属蒸气激光与自旋交换光学泵浦，其受限于宽输出光谱。二极管条与堆叠的输出光谱带宽约3nm到5nm。对于某些应用来说，要求少于0.05nm的输出光谱带宽。进一步，通常来说输出光谱为非波长稳定的。因此中心波长的改变可当作操作温度的一函数。在许多应用中，这是不需要的而且也可能导致激光系统灾难性的破坏。一般波长改变与温度的关系为每摄氏1度约0.33nm。在某些应用中，像泵浦碱金属蒸气激光，0.05nm的偏移将会使激光系统停止发射。
有三种线窄缩与波长稳定二极管阵列与堆叠的产生方法。第一种方法使用内部光栅当作激光制作程序的一部分，举例来说，分布式反馈(DFB)激光与分布式布拉格反射激光。有数家公司提供内部波长稳定二极管阵列与堆叠。第一种方法的缺点为增加的内部光栅会干扰二极管激光的效能。第二种方法是使用外部体积式布拉格光栅(VBG)。有许多公司提供此类型外部体积式布拉格光栅。这两种方法都是耗时且昂贵。此外，产生的线宽约0.5nm，且具有每摄氏1度0.1nm的波长与温度系数。一般来说，外部体积式布拉格光栅吸收热，因此有时主动式冷却是必须的。第三种方法是使用外部衍射光栅。第三种方法具有高度色散且原理上会导致非常窄线宽。
在方法二跟三中，产生的线宽远宽于系统所能够接受。宽阔的输出光谱主要是因为激光发射极的缺陷。激光二极管条上的一些缺陷显示于图3中。图3中第1行显示没有任何误差的一单一激光二极管条302。此实施例为示范的二极管条组设于散热装置上并且由一快轴准直光学仪器306来准直。第A列显示输出光束311的轨迹穿过准直光学仪器306的透视或3D视图。第D列显示发射光束311轨迹通过准直光学仪器306的侧视图。第B列显示关于准直光学仪器306的每一个别激光元件313的激光端面的前视图。如第1行所显示的，激光元件313相当笔直。此外，所有激光元件313对应到准直光学仪器306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”。如第3行所显示，“微笑”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311存在着不同的角度。第4行显示准直透镜与激光元件以一扭曲或转角度方式而未被校准。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，使用外部体积式布拉格光栅与衍射光栅，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。
图4显示一外部腔体400系统试着解决图3所示的缺陷。外部腔体400是设计成使用使得波长窄化的衍射光栅414、稳定的二极管条402以及二极管条的堆叠450。此光学仪器包含一球面望远镜409、衍射光栅414以及输出耦合器416。二极管阵列402与堆叠450放置在第一球面透镜410a的焦平面加上准直光学仪器406的焦距的总和的位置上。两光学仪器的间隔就是其焦距的总和。光栅414放置在近约第二球面透镜410b的焦平面上。输出耦合器416放置在衍射光束的输出范围内。这样的安排，有任何缺陷的激光元件会照准不同角度到光栅上，如图上的虚线所示。举例来说，考虑在堆叠450上的一第一二极管阵列403具有一“微笑”。在准直光学仪器的焦平面上，所有光束空间上是重叠的。球面望远镜410将此重叠光束射入光栅414。衍射光栅与输出耦合器的组合使所有光束与输出耦合器正交传播。这方法可实现的是由腔体主导使有缺陷条的激光元件能不得不操作于独特的波长上。换句话说，每一条的输出光谱的变宽取决于不良率。
提出一种分析(使用ZEMAX光学设计软件)比较有“微笑”系统400的影响。此模型包含三-条的二极管堆叠。每一发射极的中心波长为980nm。每一条有10μm峰对谷值的“微笑”。每一条通过f＝1mm的快轴准直光学仪器来准直。球面望远镜包含两个f＝100mm的透镜。光栅有每毫米600条的刻线密度。最上面的元件有+5μm的“微笑”使波长不得不操作在大约为972.16nm上，以及元件有-5μm的“微笑”使波长不得不操作在大约为987.82nm上。无任何“微笑”的元件，波长操作在980nm。因此，现在每一条与整个堆叠的光谱大约是15.66nm。一班来说，单一激光元件的光谱带宽是3-5nm。现今的二极管阵列与堆叠，其“微笑”的范围大约3微米，在此模型下会导致约5nm的一光谱带宽。因此，这类光谱亮度用途的系统并不会比自由运作光谱要来的好。
图5显示一新的基准腔体500，使用衍射让波长窄化的衍射以及具有波长稳定的二极管阵列与二极管堆叠，此与缺陷完全无关。此光学配置包含一沿着色散方向的圆柱透镜阵列533、两圆柱望远镜509、一衍射光栅514以及一输出耦合器516。圆柱透镜阵列533之间的间距与二极管堆叠550之间的间距相同。这里有两个圆柱望远镜509。第一圆柱望远镜(510c与510d)沿着阵列空间维度成像(射出纸张的)。第二圆柱望远镜(510a与510b)沿着堆叠空间维度成像(垂直于图5)。
圆柱透镜阵列533放置在圆柱透镜阵列的焦平面与准直光学仪器506的焦距的总和的位置上。二极管堆叠550也位于阵列望远镜的第一光学仪器510c的焦平面上。输出耦合器位于阵列望远镜的第二光学仪器510d的焦平面上。此间隔就是其焦距的总和。如图5显示，沿着堆叠空间维度，堆叠望远镜的第一光学仪器510a放置在圆柱透镜阵列533的焦距与堆叠望远镜的第一光学仪器510a的焦距的总和的位置上。堆叠望远镜的二光学仪器的间隔是其焦距的总和。光栅514放置在圆柱望远镜的最后一个光学仪器510b与输出耦合器516之间。输出耦合器516放置在衍射光束的输出范围内。这样的安排，有任何缺陷的所有元件在光栅514上都会照准相同角度。当所有元件都照准相同角度，则其会有相同波长。
并且，此配置之一ZEMAX模型作分析。参数都与先前模型相同且包含圆柱透镜阵列533。圆柱透镜阵列具有一一焦距为100mm。所有的元件都操作在相同的波长。理论上，输出光谱为单一频率。这有许多波长操作在兆赫与千赫需求高光谱亮度的应用。这类型的系统也耐用在其变得对热不敏感或不易随着温度增加或减少而改变激光的波长。
表1比较了这光学腔体与竞争的技术。图5的腔体结构是广义的；如此，其可以普遍应用在所有的二极管激光条与堆叠。其可操作在良好的阵列以及极不完善的阵列或堆叠如先前所叙述的。输出光谱产生具有可调整的以及对热不敏感特性的单一频率，这在许多应用是非常需要的。
表1：图5所述的方法与竞争技术在二极管激光条与堆叠的波长稳定与窄化的比较表
使用在波长光束组合外部腔体中沿着二空间维度阵列二极管激光元件的阵列空间维度的圆柱透镜阵列
先前外部腔体的一空间维度波长光束组合架构，其波长光束组合沿着阵列空间维度实行如图1B所示。其腔体包含具有快轴准直(FAC)透镜的激光元件的一堆叠、一圆柱传播透镜/镜、一衍射元件/光栅以及一部分反射的输出耦合器。圆柱传播透镜/镜位于快轴准直透镜的背焦平面的一焦距的距离上。衍射光栅放置在圆柱转换光学仪器的背焦平面上。输出耦合器放在第一阶衍射光束的路径上。如此来自激光元件的输出光束透过转换光学仪器可空间上重叠于光栅上。反射输出耦合器与光栅提供反馈于激光元件的独特波长控制且重叠光束于近场(在输出耦合器)与远场。波长光束组合沿着阵列空间维度实行。而堆叠是为了功率调整而非为了亮度调整。
一分析图1B模型(使用ZEMAX光学设计软件)，假设三个具有零“微笑”与无准直误差的二极管条。快轴准直光学仪器106有一焦距为1mm，其为一常见商规用现成的快轴准直光学仪器。此模型包含三个具有快轴准直光学仪器106的二极管条102、一转换光学仪器108、一衍射光栅114以及一输出耦合器116。转换光学仪器108有一焦距为100mm。如此能看出输入与返回的光束的完全重叠以及因此满足激光共振器的需求。
有低“微笑”与照准误差的准直二极管元件是强健且有效率的波长光束组合高度需要的两个主要特征。封装的过程中二极管激光阵列会有“微笑”或物理性弯曲，以及无校正准直微透镜引起的照准误差都会降低输出光束质量与降低光束组合效果。外部腔体操作是高度相关“微笑”与准直误差的数值上的。先前波长光束组合腔体如图1B能容忍一非常小数值的“微笑”与准直误差。腔体能容忍的误差数值的数量级可能比本领域当前的技术要更严格。
先前波长光束组合腔体(图1B)的主要缺点是二极管阵列与堆叠的不良率高度影响此外部腔体。甚至现今可用的最好的二极管阵列与堆叠(约1微米的“微笑”)都不够好，如讨论实行的第二光学模型。本发明揭露一波长光束组合架构的实施例，其外部腔体操作与“微笑”和准直误差无关。
图6显示与图1B一样的波长光束组合腔体，沿着非波长光束组合空间维度，是具有“微笑”。图6虚线对应于具有“微笑”的元件603。由于“微笑”的关系，从输出耦合器616返回的光束637将不会与射入的光束重叠。因此，外部腔体操作是不可行的。
第二光学模型(使用ZEMAX)依据图1B包含每一具有2微米峰对谷值“微笑”的条。另外，三个元件以零、1与-1微米的“微笑”进行建模。零“微笑”的元件回到其自己本身。有1微米“微笑”的元件错失了快轴准直光学仪器(图1B的元件106)整体(快轴准直光学仪器的直径1mm)以及因此外部腔体操作是不可行的。有-1微米“微笑”的元件也错失了快轴准直光学仪器。
图7显示沿着非光束组合空间维度的基本光学设计。此腔体设计来增加空间亮度。腔体700包含一具有准直光学仪器706的二极管堆叠750、一圆柱透镜阵列733以及一输出耦合器716。圆柱转换光学仪器708与光栅714都是沿着光束组合空间维度的。圆柱透镜阵列733放置在距离准直光学仪器706的背焦平面的一焦平面上。圆柱透镜阵列733之间的间距与二极管堆叠750之间的间距相同。二极管堆叠750与光栅714放置在圆柱转换光学仪器708的焦平面上。这样的腔体不受外部腔体与二极管条或堆叠的缺陷影响。
建构图7(使用ZEMAX)的腔体700，包含具有快轴准直光学仪器706的二极管条703，其具有20微米的“微笑”(峰对谷值)的参数。注意这是比起先前讨论的图1B第二光学模型“微笑”的10倍多。这里的圆柱透镜阵列733有100mm的焦距。这结果可得到返回的光束737与射入的光束重叠且允许外部腔体自由操作并且不受“微笑”和准直误差影响。这类型的激光腔体设计在高功率激光切割工业上及其他领域都有很多的应用。
不受二极管阵列与堆叠缺陷影响的二空间维度二极管激光元件的外部腔体一空间维度波长组合
如图1C所示二空间维度激光元件的外部腔体一空间维度波长光束组合架构的先前技术，其光束组合是沿着堆叠空间维度实行。此腔体包含二空间维度二极管激光元件或具有快轴准直光学仪器的二极管激光堆叠、一圆柱传播透镜/镜、一衍射元件/光栅(沿着快轴或堆叠空间维度色散)以及一部分反射的输出耦合器。传播透镜/镜放置在快轴准直光学仪器的背焦平面的一焦距上。衍射光栅放置在转换光学仪器的焦平面上。输出耦合器放置在第一阶衍射光束的路径上。如此，理想地，来自激光元件的所有输出光束透过转换光学仪器空间上于光栅上重叠，如图1C所示。反射的输出耦合器与光栅提供反馈给激光元件的独特波长控制并且重叠光束于近场(在输出耦合器)与远场。波长光束组合是沿着堆叠空间维度实行，对于每一光束而言也是快轴空间维度。阵列空间维度使用在功率调整而非亮度调整。外部腔体操作不受“微笑”、照准误差或快轴准直扭曲误差影响如图3所示。为了减少衍射损失，一圆柱望远镜沿着阵列空间维度映射沿着阵列空间维度或慢轴的每一发射极到输出耦合器之上。沿着这个维度，圆柱望远镜与衍射光栅则甚么也不做。
光学建模图1C(使用ZEMAX)显示来自二极管堆叠，其输出光束将是一单一衍射限制的光束。针对此模块的某些用途，假设三个二极管条都具有零“微笑”以及无准直误差。快轴准直光学仪器106有1mm的焦距，其是一常见的商规用现成的快轴准直光学仪器。转换光学仪器108有一焦距为100mm。假设所有构成要件都是理想的(只为了验证概念)。则此模型并没有包含输出耦合器116。此外，在转换光学仪器的焦平面上或在衍射光栅上所有光束都完全重叠。来自所有元件的所有光束空间上重叠于衍射光栅上，那么当腔体运作时输出光束将会是一单一衍射限制光束。
图12显示同样的腔体，沿着波长光束组合空间维度，具有“微笑”、除了圆柱透镜望远镜109a、109b之外。圆柱望远镜之所以不影响是因为其是沿着非光束组合方向。图12的虚线对应于具有“微笑”的元件1203。当建模图12时，其参数使用与先前图1C模型相同，除了每一条具有20微米峰对谷值的“微笑”。具有“微笑”的元件1203或准直误差空间上无法重叠光束于衍射光栅1214上，如图12所示。不过由于光栅1214与输出耦合器1216的功能，这些元件仍然继续运作于外部腔体。不过，输出光束耦合器上仍会有所损失。如显示的输出轮廓1291，输出光束将不在是一单一光束。而包含具有“微笑”元件的条内的所有元件额定上发射出相同波长的激光。由于位置与光谱之间为一对一的对应关系，因此这会导致输出耦合器之后光束大小的扩大。然而，本质上具有“微笑”或准直误差的所有元件，有效的反馈是100％且不受“微笑”或任何准直误差的数值影响。
此波长光束组合腔体主要的缺点在于输出光束质量的会因二极管条与堆叠的缺陷(“微笑”与准直误差)多寡成比例地下降。这些误差会降低输出光束质量高达10倍数。尽管具有低“微笑”与准直误差的二极管条与堆叠(典型来说会致使输出光束质量降低2x到3x倍)，其仍然非常昂贵。在本发明中，一实施例的新的波长光束组合架构描述沿着光束组合空间维度的输出光束质量是接近衍射限制的且不受“微笑”和准直误差的数值影响。
图8显示基本光学规划图。此腔体包含一具有快轴准直光学仪器806的二极管堆叠850、一圆柱透镜阵列833、一圆柱转换光学仪器808、一光栅814(沿着堆叠空间维度色散)以及一输出耦合器816。圆柱望远镜809沿着阵列或非光束组合空间维度是使用以映射阵列到输出耦合器816上。圆柱透镜阵列833放置在距离快轴准直光学仪器806的背焦平面的一焦平面上。圆柱透镜阵列之间的间距与二极管堆叠850之间的间距相同。转换光学仪器808放置在从圆柱透镜阵列833的背焦平面的一焦距上。光栅814放置在转换光学仪器808的背焦平面上。
图13显示此衍射限制输出轮廓沿着光束组合空间维度波长光束组合腔体的一ZEMAX模型。图13左边部分显示一具有快轴准直光学仪器的二极管条，且具有20微米的“微笑”(峰对谷值)。图13的中间部分显示腔体的部分。圆柱转换光学仪器与圆柱透镜阵列都有100mm的一焦距。图13右边部分显示所有光束空间上重叠于衍射光栅上。忽略“微笑”或准直误差，来自所有元件的所有光束空间上重叠于衍射光栅上，那么当腔体运作时输出光束将是一单一衍射限制光束。
二极管阵列与堆叠光束误差校正
在许多应用中充分利用的二极管条或堆叠，如泵浦固态激光与直接使用在材料加工上，其限制在于劣质的输出光束。进一步，对于每一个别发射极的光束质量来说，二极管阵列与堆叠的输出光束质量比真正的输出要来得非常糟糕。降低的主因是由于封装与准直误差。这些误差如图3所示且如上述说明。
图9显示常见方法使用在校正二极管阵列与堆叠缺陷的相关技术。图9左手部分显示一来自Power Photonic(http://www.powerphotonic.co.uk/)的商业产品。此产品是一片具有相位变化的玻璃。此相位板能校正大多数的缺陷。图9右手部分显示可校正“微笑”的两种类型的塑形光学仪器。而塑形光学仪器并不能校正照准与扭曲误差。所示的三个方法都需要特殊订制的。每一二极管阵列与堆叠的缺陷都需要精密的量测。只要缺陷被知晓，那么就可以定义制作相位板或塑形透镜。不过此相位板或塑形透镜不能使用在其他的阵列或堆叠。
图11显示为了校正大多数二极管阵列与堆叠缺陷的另一基本光学配置实施例。此光学结构包含一球面望远镜1109、玻璃块1181、一光栅1114以及一输出耦合器1116。另一可能的结构包含二球面望远镜。此望远镜沿着色散空间维度重叠条内的所有光束到衍射光栅上。此望远镜沿着非光束组合空间维度映像每一发射极到具有部分反射的镜上。二极管阵列1102与1103放置在第一球面透镜1110a的焦平面加上准直透镜1106的焦距的总和的位置上。两透镜的间隔是其焦距的总和。光栅1114放置在第二球面光学仪器1110b的焦平面上。因为光栅1114的位置与光轴有角度的偏移，所以需要玻璃块的一阵列。输出耦合器1116放置在衍射光束的输出范围内。这样的排列可完全的校正二极管阵列与堆叠的缺陷。举例来说，考虑的例子是具有“微笑”的第一二极管阵列1103。其所有的光束空间上重叠于准直光学仪器的焦平面上。球面望远镜1109将使得此重叠光束定位到光栅1114上。而衍射光栅1114与输出耦合器1116的组合使所有的光束与输出耦合器1116作正交传播。所以，输出光束是一单一光束。这条件可实现的唯一方法是透过腔体的运作让一具有缺陷的条内每一激光元件不得不操作在独特的波长上。
建构图11概念与本质的一结构，其包含一三-条二极管堆叠并操作在980nm波长与无缺陷之下。每一条通过f＝1mm快轴准直光学仪器进行准直。球面望远镜包含两个f＝100mm的光学仪器。光栅是每毫米600条。如此，腔体的输出光束相同于输入光束。当建构相同腔体但是二极管阵列有缺陷下，如最上面与最下面阵列有100μm峰对谷值的“微笑”，比现今的二极管条与堆叠要高50倍左右的“微笑”，中间条有50毫弧度的照准误差。这比现今的二极管条与堆叠多25倍的照准误差。尽管有这样大数值的“微笑”与照准误差，所得出的结果相同于没有“微笑”与照准误差的第一模型。为了实现此结构，举例来说，最上面与最下面条的元件有50μm“微笑”且操作在901.08nm波长，或是最上面与最下面条的元件有-50μm“微笑”且操作在1057.5nm波长。没有任何“微笑”的元件操作在980nm波长。有50毫弧度的照准误差的中间条操作在901.08nm波长。要提醒的是这是额外例子，以显示此功率技术对条与堆叠误差的补偿。实际上，现今条的“微笑”在2微米范围内以及实际校正腔体所得到的线宽约在0.5nm。有更多实际例子显示此技术的窄带宽能力。本文所述并使用的这个实施例，在不管“微笑”、照准或扭曲误差下，输出光束质量是可以完全补偿的且相同于单一元件。
表1显示本发明的光学腔体与其竞争技术。本发明光学腔体的配置唯一缺点只在于其较大。本配置能完全补偿“微笑”、照准与扭曲误差。本配置是通用的。在原理上，本配置可用于所有激光。以及不需要量测二极管激光阵列与堆叠的缺陷以及制造特定校正的光学仪器。本方法可操作于理想阵列与堆叠到极有缺陷的阵列与堆叠。尽管本配置需要衍射光栅，然而输出光谱却是窄线宽的、可调谐的以及对热不敏感的。这些特征在许多应用上是高度需求的。
表1：二极管线与堆叠校正方法比较图
Claims (10)
1.一种可调式波长光束组合系统，其特征在于，包括：
多个模块式激光输入设备，其中每一模块式激光输入设备包括：
至少一激光元件，设置以产生一电磁光束；以及
至少一光学组合元件，定位以接收与导引每一光束沿着一光束组合空间维度作汇集；
一色散元件，沿着该光束组合空间维度而定位，用于接收该多个汇集光束并传送该光束；以及
一部分反射输出耦合器，设置以接收来自该色散元件的该光束以朝向该色散元件反射该传送光束的一部分、并且以传送一多波长光束，而该多波长光束包含具有多个波长的光辐射。
2.根据权利要求1所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，该激光元件是一二极管条。
3.根据权利要求1所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，每一激光输入模块设置以选择性开启或关闭。
4.一种可调式波长光束组合系统，其特征在于，包括：
多个模块式激光输入设备，其中每一模块式激光输入设备包括：
一个或一个以上激光元件，每一激光元件设置以发射一电磁光束；以及
一第一光学元件，设置以接收并传送来自该一个或一个以上激光元件的光束；
一第二光学元件，与每一模块式激光输入设备的该第一光学元件定位以构成一光学望远镜式系统，其中，该光学望远镜式系统所校准的发射光束彼此互相平行，该光学望远镜式系统并传送该校准的光束；
一光学组合元件，定位以接收该平行光束并导引每一平行光束沿着一光束组合空间维度而汇集；
一色散元件，沿着该光束组合空间维度定位，用于接收多个汇集光束并传送该光束；以及
一部分反射的输出耦合器，设置以接收来自该色散元件的该光束、以反射该传送光束的一部分而朝向该色散元件、并且以传送一多波长光束，而该多波长光束包含具有多个波长的光辐射。
5.根据权利要求4所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，该光学组合元件具有一小于或等于5英时的直径。
6.根据权利要求4所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，该光学组合元件是一具有小于或等于5英时的直径的曲面镜。
7.根据权利要求4所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，每一激光输入模块设置以选择性开启或关闭。
8.根据权利要求4所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，还包含一感测系统，设置以检测该多波长光束的信息。
9.根据权利要求8所述的可调式波长光束组合系统，其特征在于，还包含一控制器，设置以接收输出信息以及选择性开启或关闭激光输入模块。
10.一种可调式波长光束组合系统的方法，其特征在于，其步骤包括：
配置多个光学组合元件，每一光学组合元件接收并重叠多条发射电磁光束到一色散元件上；
传送重叠的光束到一具有部分反射的输出耦合器；
反射该发射光束的一部分回到该色散元件，其中每一反射光束的一部分回到每一激光元件，由此形成一外部腔体；以及
传送来自该部分反射的输出耦合器的一多波长光束。
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