CN103563191B - 用以于泵浦激光阵列中结合光源的方法与设备 - Google Patents

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Abstract

一种用于提供具有第一波长λ1的泵浦光（50）至激光（32）的设备，该激光（32）发出第二波长λ2，该设备含有波长为λ1的第一及第二激光（12a，b），所述激光将光沿着朝第一方向的第一及第二轴线（A，B）导引。该第一及第二轴线定义第一平面P1。为形成具有波长λ1的合成光束（50），滤光设备（40）在第一表面（36）上具有第一滤光片（F1），该第一滤光片（F1）对于该第一及第二轴线（A，B）成一斜角，且该第一滤光片（F1）透射λ1及反射λ2。第二滤光片（F2）位在平行于该第一表面（36）的第二表面（54）上，该第二滤光片（F2）反射λ1及透射λ2。第三滤光片（F3）形成于该第一表面（36）上而与该第一滤光片（F1）共面，该第三滤光片（F3）反射λ1及透射λ2。该滤光设备（40）重新校准该第一及第二轴线（A，B）为沿着第二平面P2，该第二平面P2正交于P1且平行于该第一方向，该滤光设备（40）防止来自泵浦激光（32）的反馈光到达第一及第二激光（12a，b）。

Description

用以于泵浦激光阵列中结合光源的方法与设备
相关申请案的交叉引用
本发明主张申请于2011年5月31日的美国申请案第13/118,939号的优先权权益，该申请案的揭示内容为本案的根据，在此通过引用的方式而整体并入本文。
技术领域
本发明概略地关于用于结合来自多个来源的光的光学设备，且更特定言之，关于用于激光光源的空间结合的设备及方法，该空间结合具有一定程度的免受干扰，例如免于泵浦激光的干扰。
背景技术
有许多应用用于结合激光及其他固态光源。一般而言，当一应用需要比单一激光源所能提供的还要多的能量时，常见的解决方式是结合具有相同波长的二个及二个以上的激光。由于额外的激光位于一实体上相异的位置，将激光输出光束结合并堆迭（stack）在一起就变得必要，以尽可能减少在合并输出光束中的“废置空间”（dead space）。
当以此种方式结合激光时，经常需要尽可能使合并光源小一点（也就是为了有最小的集光率(etendue)），使得合并光束的能量可确实且有效率地集中并转移到另一光学系统。如果激光发出偏振光，一般的结合解决方案是利用偏振光学元件及表面的偏振结合（polarization combining）。若波长差及偏振状态都不能被运用以合并激光，则必须使用空间结合。空间结合必需定位激光源并以一种紧凑、精确的配置重新导向光纤，使得合并光束可尽可能紧密结合在一起，以提供光源能量而又尽可能维持低集光率。
多个来源的空间结合特别有益的其一应用是在用于光纤激光的泵浦激发（pump excitation）中。在光纤激光中，有效的增益介质是掺杂合适的稀土元素的光纤。泵浦能量可从数种类型的来源提供，例如使用一组光纤耦合（fiber-coupled）于增益介质的多个激光二极管。通过使用多个泵浦源，就可将更大光能导引至增益介质。运用多个激光源还允许各个泵浦激光以一较低功率层级运作而得到一既定放大器增益，由此延长泵浦激光的寿命及放大器的可靠性。这样还在该些泵浦激光其中一个故障时，提供某些冗余度。
由于泵浦能量需要单一波长，所以个别来源必须相当匹配，使得激光二极管成为一个实用的选择。然而，激光二极管不提供截面为圆形的光束，亦即，围着一中心轴线具有高度对称的能量分布。相反的，输出光的长宽比极不对称，在垂直方向具有明显不同的发散角，以致产生的输出光束的长度（被认为是沿着“慢”轴）可为其宽度（被认为是沿着“快”轴）的数倍。此种不对称的特性，使得需要尽可能紧密堆迭这些成份输出光束，以形成具有更接近对称的长宽比的合成光束。作为一限制因素，用于接受该泵浦能量的该输入光纤具有相对较小的数值孔径（numerical aperture，N.A.），该数值孔径限制该输入合成光束的角范围（angular extent），且使得需要尽可能减少成份光束之间的废置空间。
在已经实施或提出结合激光源作为泵浦激光使用的解决方案中，其一方案为具有垂直交错的激光二极管及相应的反射镜的模组化泵浦模组。图1A及图1B分别显示此类型的典型泵浦模组10的俯视图及侧视图。以此种作法，三个激光12a、12b及12c的各者，透过对应柱状透镜14a、14b及14c，将光束分别导引至反射镜16a、16b及16c。滤光片30提供免于反馈光（feedback light）FB的一个保护措施，之后会更详细说明。合成光束28接着由透镜18聚焦进入光纤20，以用作泵浦能源。在各个激光12a、12b及12c的末端上还有一额外透镜，在这些附图中并未显示。
如图1B的侧视图所示（图1B中的垂直距离经刻意夸大以清楚显示），该些激光12a、12b及12c及其相应的柱状透镜14a、14b及14c，以及反射镜16a、16b及16c为垂直交错。此类反射组件配置让成份输出光束之间几乎没有容许空间（tolerance）。例如，来自激光12a的光被反射镜16b的顶端所切割。同样地，来自激光12b的光被反射镜16c的顶端所切割。图1A的嵌图W显示如何由来自激光12a的输出光束22a、来自激光12b的输出光束22b及来自激光12c的输出光束22c，形成合成光束28。在该些输出光束之间必然有一些废置空间24，因为需要有容许空间以由该些折迭反射镜16b及16c使这些光束通过。
在此参考图1A及图1B所介绍的解决方案已被证明有效，但是仍有改善空间。制造上的容忍度有限，几乎没有生产变化空间。各组件必须精确地校准，使得光正确地自反射镜16a、16b及16c重新导向。由于各激光反射自不同反射镜，在操作期间反射镜16a、16b及16c之间的温度变化负面地影响该系统的校准。由于实际的理由，显然此类型的解决方案只允许合并有限数量（三个或三个以下）的激光。该合成输出光束的长宽比由结合系统的设计所固定。
其他所提出用于光束成形及结合的解决方案，诸如运用有角光管或运用结合反射镜的各种配置，这些解决方案欠缺所需要的条件且定出其他限制，例如限制能被合并的激光的数目及配置，或固定所产生光束的长宽比。这些用于合并个别光束以用于激光泵浦的光的常规解决方案，没有解决由该光纤激光本身所产生的反馈光所造成的可能伤害的问题。在该激光中以高能量产生的激光的光的波长不同于该泵浦激光波长。甚至若此光纤激光的光的一小部分找到回到这些泵浦激光的路，对于这些泵浦激光的伤害也可能发生。为弥补该问题，泵浦激光二极管模组的制造商经常在该泵浦模组的输出端增加一或更多个滤光片，以减弱任何来自该光纤激光的反馈。出于此目的，图1A显示沿合成光束28的路径所提供的滤光片30，来减弱并阻挡反馈光FB。然而，此解决方案增加了泵浦光模组设计的成本及组件。
一般而言，滤光片越能有效减弱非所欲波长且透射所欲波长，则滤光片越为复杂且高成本。在透射与反射之间具有特别急剧转折的滤光片，也能在非所欲波长上展现更多明显的“振铃”（ringing）或纹波（ripple）。此外，滤光片的效能随时间的衰减，诸如由于高能量层级集中于滤光片表面的小区域，使得此解决方案在某些应用上较不令人满意，且导致组件寿命缩短。
因此，能看出需要一种用于空间上合并光源的方法及设备，而该方法及设备适合使用可变数量的激光二极管或其他激光源，并有助于解决减少或消除来自光纤激光或其他泵浦激光源的反馈光的问题。
发明内容
本发明的一个目的是增进激光光束组合的技术。以此目的为依归，本发明案提供一种用于提供具有第一波长λ1的泵浦光至激光的设备，该激光发出第二波长λ2，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在该经导引光的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一滤光片，该第一滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第二滤光片，该第二滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中该第二滤光片反射λ1并透射λ2；
(iii)第三滤光片，该第三滤光片形成于该滤光设备的该第一表面上而与该第一滤光片共面，且其中该第三滤光片反射λ1并透射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面正交于P1且平行于该第一方向。
在另一实施例中，本发明提供一种用于提供具有第一波长λ1的泵浦光至激光的设备，该激光发出第二波长λ2，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在该经导引光的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一短波长穿透滤光片，该第一短波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一短波长穿透滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第一长波长穿透滤光片，该第一长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中该第一长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
(iii)第二长波长穿透滤光片，该第二长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的该第一表面上，且其中该第二长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面正交于P1且平行于该第一方向。
本发明的一特征是运用短波长穿透及长波长穿透滤光片组件的组合以自个别成份光束形成该合成泵浦光束。
本发明的一优点是能够调整自个别激光光束所形成的该合成光束的长宽比，以及增加或减少在成份光束之间的废置空间量。
本发明的另一优点是能够合并来自一可变数目的激光源的光，且无需极度昂贵的滤光片就能为这些光源提供一定程度的保护。
对于本领域技术人员，本发明的其他所欲目的、特征及优点可显得或变得显而易见。本发明由随附权利要求所定义。
附图说明
图1A是常规激光泵浦模组的俯视方块图，该模组用于合并激光以提供合成光束。
图1B是图1A所示的常规激光泵浦模组的侧视方块图，该模组用于合并激光以提供合成光束。
图2A显示常规光学滤光片的光谱特性，该图显示在远离陡峭转折的波长处有纹波。
图2B是经简化的透视示意图，该图显示符合本发明的一实施例的滤光设备的操作原理。
图2C是透视示意图，该图显示一种用于利用滤光设备来合并光的设备，并显示按照本发明的一实施例的光径。
图2D是图2C所示的用于合并光的设备的俯视图。
图2E是图2C所示的用于合并光的设备的后视图。
图3A是图形，显示图2B-2E符合本发明的一实施例的滤光设备中的短波长穿透滤光片的光谱特性曲线。
图3B是图形，显示图2B-2E符合本发明的一实施例的滤光设备中的长波长穿透滤光片的光谱特性曲线。
图4是用于以滤光设备合并光的设备的透视图，显示用于调整成份光束间距的倾斜轴。
图5是剖面方块图，显示倾角对于合成光束的间隔及长宽比的影响。
图6A及图6B是以滤光设备成两不同倾角下，该合成输出光束的空间轮廓线的剖面图。
图7是显示一不同实施例的透视图，在该实施例中结合设备具有超过三个激光光源。
图8是俯视图，显示图7的另一实施例中的光径。
图9是显示另一实施例的透视图，在该实施例中结合设备具有超过三个激光光源。
图10是俯视图，显示图9的另一实施例中的光径。
图11是显示另一版本的透视图，该版本具有经反射输出光束。
具体实施方式
在此所显示与介绍的附图，供以说明按照各不同实施例的光学设备的主要操作原理及制造，而附图中有若干个刻意并未绘制成显示实际大小或比例。为了强调基本结构关联性或操作原理，某种程度的夸大可为必须。例如，某些共面的结构可能在这些结构重迭时的视图中显示为彼此稍微位移。
在本发明的情境中，“顶部”及“底部”或“上方”及“下方”等用词为相对的，并不表示组件或表面的任何必要方位，但仅用以指称及分辨相对表面，或是在组件或材质块里的不同光径。同样地，关于该些附图可使用“水平”及“垂直”等用词，例如，用以描述在不同平面中校准的组件或光束的相对正交关系，但不表示组件相对于真正水平线及垂直线的任何必要方位。
“第一”、“第二”等等用词的使用，不一定代表任何顺序或优先关系，而是用于更清楚辨识各个元件或时间间隔。在此所教示者并无固定的“第一”或“第二”元件；该些描述词仅为在本发明的情境中清楚辨识某元件及其他相似元件。同样地，在附图及以下描述中，滤光片称号F1、F2、F3及F4被指定以识别不同滤光片，并协助识别滤光片功能；在此种部件编号中，并无隐含顺序或优先关系，或是在光径中的必要顺序。
在本发明的情境中，被认为可于特定波长“反射”或具反射性的表面，将反射至少约95%具有该波长的入射光。被认为可于特定波长“透射”或具透射性的表面，将透射至少约80%具有该波长的入射光。对于光学滤光片，“短波穿透”（short wave pass）、“短波长穿透”（short wavelength pass）及“SWP”等用词被认为等效；同样地，“长波穿透”（long wave pass）、“长波长穿透”（long wavelength pass）及“LWP”等用词被认为等效。
在本发明的情境中，“斜角”（oblique angle）一词用以表示一个自法线倾斜的非正交角度，亦即，沿至少一轴线，距离90度或90度的整数倍至少约2度。以此概略定义，斜角可为小于90度。
本发明的实施例提供用于对光纤激光或其他类型的激光提供激光泵浦光，作为由多个激光源所发出的光所形成的合成光束的设备及方法。本发明的实施例进一步提供该些泵浦激光源的滤光片防护，防止光纤激光或其他类型的泵浦激光泄出光（leakage light）。
回头参看图1A，滤光片30的功能是透射来自该泵浦光源、激光12a、12b及12c的光，以及阻挡来自该高功率泵浦激光的反馈光FB。理想情况下，所有泵浦光被透射，而所有反馈光FB被阻挡。如光学领域技术人员所众知，可接近100%透射一波长范围，且提供一不同波长范围的接近100%衰减的高效能滤光片，可能昂贵且具备在自锐缘移除的波长处经常展现高度纹波的光谱特性。
作为范例，图2A显示一短波长穿透滤光片的光谱特性曲线80，对应于波长描绘出反射率百分比。曲线80显示在约990nm的低反射率及超过约1010nm的高反射率之间有一陡峭转折。此种类型的滤光片可被用于，例如，减弱来自激光的反馈光FB，该激光需要990nm的泵浦光并发出1030nm或以上的高功率激光。然而在实际中，用于1030nm激光的激光泵浦光可具备不同波长，诸如在一典型应用中为976nm，而与该所发出波长之差超过50nm。再参看图2A，光谱特性曲线80显示对于接近976nm的光有几乎20%的反射率。因此，尽管自此种滤光片可具对反馈光FB的良好阻绝，但是在光谱特性曲线80中明显的纹波，也具有减弱激光激发所需的该泵浦光（976nm）的意外效果。
要减少成本并达成良好效能，一方面又减少纹波的效果，一种方式是以“堆迭”方式使用一系列低成本滤光片，沿该光径依序放置两个或两个以上滤光片。堆迭滤光片对于减弱的净效益为相乘的；若第一及第二滤光片各具有0.01的透射率，则该些滤光片堆迭之后的组合产生的总透射率为0.0001。此外，较低效能的滤光片经常比在图2A所示的例子展现较少明显的纹波。此堆迭滤光片的作法能帮助利用较低效能的滤光片；然而，此作法对激光泵浦模组设计可能不合实际，因为不只对该设计增加了组件，并且需要额外体积或“占用空间”以用于该光学装置。
本发明的实施例以用于光纤的适当填充因数（fill factor），解决有效率地结合激光泵浦光的问题，同时减少或消除反馈光。这些功能的进行，是利用在紧凑套件中透射及反射滤光片的配置。本发明的实施例中所提供的发明性解决方案优势在于，致使滤光片的使用而不须陡峭的转折，同时对非所欲波长提供可观的减弱。此外，本发明的实施例允许一种具可调整性的措施，以导引来自多个泵浦激光的光至一光纤的孔，或至某些具有一有限数值孔径的其他系统的输入端。
图2B的简化示意图显示结合设备60的组件，并显示激光的相关路径，该结合设备60使用滤光设备40，并具有滤光片以减弱非所欲波长，并重新校准光以形成合成光束50。滤光片表面之间的距离经过夸大，以显示光径重新导向的原理。为显示操作原理的目的，只显示两个激光12a及12b，各激光经通电分别透过柱状透镜14a及14b沿相应轴线A及B导引光。激光12a及12b发出具有波长λ1的光，该些激光用以透过光纤20提供激光泵浦光。滤光片F1、F2、F3及F4经形成并配置以在图2B中所显示的路径内选择性地维持波长λ1，并自该路径移除波长λ2。滤光片F1-F4形成于透明折射体（诸如玻璃板或块）68的表面上，导致光径的折射而使轴线A折射至折射体68内的一重新导向轴线A1，而轴线B折射至折射体68内的一重新导向轴线B1。选择性的第一滤光片F1是短波长穿透滤光片，该滤光片放置为与该第一及第二轴线A及B成一斜角，并透射较短波长λ1及反射较长波长λ2。第二滤光片F2放置为远离并平行于滤光片F1。滤光片F2是长波长穿透滤光片，该滤光片反射较短波长λ1并透射较长波长λ2。第三长波长穿透滤光片F3共面于选择性的短波长穿透滤光片F1，且反射λ1及透射λ2。第四短波长穿透滤光片F4透射较短波长λ1，并反射较长波长λ2。若组件有适当间距，则滤光设备40沿第二平面重新校准经重新导向的轴线A1及B1，该第二平面垂直于轴线A及B的第一平面并平行于轴线A及B延伸，该两轴线初始沿轴线A及B的该第一平面校准。共面具有其常规涵义；平行的第一及第二薄膜滤光片可被认为共面，若该第一滤光片的任一层沿包含该第二滤光片的任一层的相同平面延伸。
在此所提供的描述及范例中，假设泵浦激光12a、12b的波长λ1小于泵浦激光波长λ2。此乃泵浦激光的一般状况；然而，应能理解本发明的滤光设备40可被设计用于其他情况，在该些情况下λ1大于λ2，而滤光片F1-F4的光谱特性也具相应的改变。不论在何种情况，滤光片F1、F2、F3及F4可经形成并配置以在图2B中所显示的路径内选择性地维持波长λ1，并自该路径移除波长λ2。
图2B的两激光模型可经延伸以允许合并三个或以上的已通电激光，并具备滤光功能以保护该些泵浦激光免于反馈光的能量。参见图2C的透视方块图，及相应的图2D的俯视图和图2E的后视图，显示用于激光泵浦模组的结合设备60，该结合设备使用符合本发明的一实施例的滤光设备40。在泵浦激光阵列70中的泵浦激光12a、12b及12c的各者朝滤光设备40的入射表面36发出光。泵浦激光12a沿发射轴A发出；泵浦激光12b沿发射轴B发出；而泵浦激光12c沿发射轴C发出。泵浦激光12a、12b及12c发出具第一波长λ1的光；此光用以作为至泵浦激光32的泵浦光，泵浦激光32发出具第二波长λ2的光，如图2D所示。泵浦激光一般比提供的泵浦光具备更长的波长。泵浦激光32是按照本发明的一实施例的光纤激光。来自各激光12a、12b及12c的光分别透过其相应柱状透镜14a、14b及14c而经导引。滤光设备40形成于透明体或透明板42上，诸如玻璃板。具第一波长λ1的光透射穿过选择性的短波长穿透滤光片F1，并进入透明板42的折射材质。随着后续在滤光设备40内的长波长穿透滤光片F2及F3间的反射，以及后续于短波长穿透滤光片F4的滤光，一开始平行透射并在第一平面或第一方向互相校准的激光光束，彼此沿第二平面或第二方向重新校准，该第二平面或第二方向基本正交于该第一平面，即离正交方向在约正/负2度内。任何来自泵浦激光32而具备第二波长λ2的散射反馈光FB，通过反射自短波长穿透滤光片F4，经过长波长穿透滤光片F3及F2透射，并反射自选择性的短波长穿透滤光片F1，而自滤光设备40内的光径移除。如此阻绝反馈光FB，可胜过利用滤光设备40表面的多重堆迭滤光片的保护效果。
在图2D的俯视图中，所发出激光光束的轴线沿第一方向校准，该第一方向定义第一平面P1，P1包含轴线A、B及C（该第一平面在图2C的视图中是一大致水平平面，而在图2D是在页面的平面上）。发射轴A、B及C在平面P1中彼此等距离，而如图2D所示由一轴线间距26分隔。在滤光设备40的输出端，该些合并光束在第二正交方向重新校准，即轴线沿正交平面P2（如图2D所示及图2E所代表，自页面朝外垂直延伸）校准，而其中在平面P2中经滤光及合并的光的轴线间的距离小于在平面P1中入射光的轴线间距26。合并光束沿一合成轴线C2形成合成光束50。成份光束沿此方向间隔开，如图1A的范例中的嵌图W中所示。对于图2D及以下的类似俯视附图，滤光片F1及F3可能显示成彼此偏离以允许更佳可见性。在本发明的实施例中，滤光片F1及F3共面。
因此，在参考图2B说明基本模式之后，图2C和图2D及图2E的俯视及后视图显示在结合设备60中光束如何依次在滤光设备40内转移，且从一滤光片导引至下一滤光片。沿轴线A的光经折射而沿一重新导向轴线A1朝长波长穿透后滤光片F2在板42或其他折射体内行进，F2形成于后表面54上。自激光12a所发出具有第一波长λ1的光，自长波长穿透后滤光片F2朝长波长穿透前滤光片F3沿轴线A1反射。轴线A1接着入射到前滤光片F3上，刚好在来自具第一波长λ1的激光12b的光沿轴线B的进入点下方。后滤光片F2及前滤光片F3经处理或形成以反射来自光源12a–12c具备波长λ1的光回至滤光设备40中，并从滤光设备40往外透射来自泵浦激光32所发出的波长λ2的激光。如图2C所示，沿轴线B的光入射到板42上的位置正好在长波长穿透前滤光片F3上方或通过F3的边缘。板42的折射接着重新导引来自轴线B的入射光至与重新导向轴线A1校准的一重新导向轴线B1，其中轴线A1及B1的校准方向正交于轴线A、B及C的初始校准方向（平面P1）。
继续描述图2C、2D及2E中的光径，具第一波长λ1的光的光轴A1及B1反射自长波长穿透后滤光片F2朝前滤光片F3回去。轴线A1及B1现在反射自长波长穿透前滤光片F3，正好在来自激光12c的光沿轴线C的进入点下方。又如图2C所示，沿轴线C的光入射到板42上的位置正好在前滤光片F3上方或通过F3的边缘。板42的折射接着重新导引来自轴线C的入射光至与重新导向轴线A1及B1校准的一重新导向轴线C1，其中轴线A1、B1及C1的校准方向正交于轴线A、B及C的初始校准方向（平面P1）。在图2C、2D及2E的三个激光实施例中，沿重新导向轴线A1、B1及C1的波长λ1的光再次自长波长穿透后滤光片F2反射至前滤光片F3，并穿过短波长穿透滤光片F4离开板42，以此形成合成光束50。选择性的透镜48将合成光束50朝光纤或其他装置聚焦以导引至泵浦激光32，如图1A所示。
跟随图2C-2E中所示的实施例的各光径，可看出各光径遇到全部四个滤光片F1-F4。来自各激光源12a-12c的入射光入射到短波长穿透滤光片F1及F4上各一次。来自激光12c的C-C1光径也入射至长波长穿透后滤光片F2上一次，并入射至长波长穿透前滤光片F3上一次。来自激光12b的B-B1光径入射至长波长穿透后滤光片F2上两次，并入射至长波长穿透前滤光片F3上两次。来自激光12a的A-A1光径入射至长波长穿透后滤光片F2上三次，并入射至长波长穿透前滤光片F3上三次。应能理解因有此类配置，来自泵浦激光的反馈光FB可被大大减少，且实质上免于到达该些泵浦激光。因此，如图2B所示的该四个滤光片F1–F4的配置有效地对于任意数目的激光提供堆迭滤光片的效能。如先前所说明的，短波长穿透滤光片F1是选择性的。在另一实施例中，仅提供一个短波长穿透滤光片，该短波长穿透滤光片可位在如图2B-2E中滤光片F1或滤光片F4的位置。若未使用短波长穿透滤光片F1，则一般在该对应表面上将提供抗反射（AR）涂层。
图2A显示当使用在一小范围的波长内有相对急遽转折的滤光片时可能发生的问题。若使用图2B-2E的实施例，则考量由滤光设备40提供的堆迭滤光片效应如何减弱非所欲反馈光FB（甚至当长波长穿透滤光片F3及F2具适中品质时）是有益的。
参看图3A，图3A显示符合本发明的一实施例的短波长穿透（SWP）滤光片F1及F4的关于透射率的光谱特性曲线82。如曲线82所显示，非所欲的1030nm反馈光FB有部分透射。然而，在光径中有两个短波长穿透滤光片的实施例中，即使各滤光片允许3%的透射率（.03），1030nm的光将透射穿过该两个短波长穿透滤光片F1及F4的百分比将为：
(.03)2=0.0009或0.09%
参看图3B，图3B显示符合本发明的一实施例的长波长穿透（LWP）滤光片F2及F3的仍是关于透射率的光谱特性曲线84。如曲线84所显示，非所欲的1030nm反馈光FB仍有部分反射。然而，堆迭滤光片效果在此也发挥效益。考量图2C的范例性系统，当长波长穿透前滤光片F3及长波长穿透后滤光片F2通过透射96%的光来减弱FB，以及短波长穿透滤光片F1及F4通过反射97%的光来减弱FB，由泵浦激光12c所可能接收的FB光的百分比为乘积：
(.04)2(.03)2=0.00000144或0.000144%
由泵浦激光12b所可能接收的FB光的百分比如下：
(.04)4(.03)2=2.304E-7=0.0000002394或0.00002394%
由泵浦激光12a所可能接收的FB光的百分比如下：
(.04)6(.03)2=3.6864E-12=0.0000000000036864或0.00000000036864%
因此，已能看出滤光设备40对于减弱来自泵浦激光的散射反馈光提供明显优势，本质上将任何反馈光FB减少至可忽略的程度，由此助以保护泵浦激光12a-12c免于破坏。通过在此配置中堆迭滤光片而提供反馈光FB的极度减弱，因此即使所使用的滤光片具备中等的个别效能，所述滤光片的组合所提供的总合光谱特性也可能超过使用单一滤光片所能达成的光谱特性。
图2D还显示所提供的选择性吸收器56的位置，该吸收器作为一种光泵浦组件，以吸收来自泵浦激光32的散射反馈光FB。一个吸收器56放置于靠近后表面54，以吸收透射穿过长波长穿透后滤光片F2的光。另一吸收器56显示为放置于靠近入射表面36，并校准于长波长穿透前滤光片F3的一部分的顶边缘。吸收器56可被形成于长波长穿透滤光片F3或F2的后表面上，或是单独形成并间隔放置于滤光设备40表面旁边。
仍是参看图2D，本欲吸收来自泵浦激光32而不经意地透射穿过前及后滤光片F3及F4的反馈光FB的吸收器56，将于更靠近该泵浦光的离开点Q处接收来自反馈光FB的更高比例的能量。在由长波长穿透滤光片F3及F2的重复减弱之后，举例而言，反馈光FB仅有一可忽略部分可能透过表面36或透过进一步远离离开点Q的表面54被透射。因此，吸收器56不一定延伸滤光片F3及F2的完整长度，或是例如可能依照其距点Q的距离而有可变的厚度。
如图2C-2E所显示，光以一入射斜角经导引朝向滤光设备40。在至少由轴线A及B所定义的平面，即图2D中的平面P1内的倾斜入射，使光沿各轴线折射重新导向，因此来自第一轴线的光与沿相邻轴线的入射光校准，该来自第一轴线的光自长波长穿透滤光片F3及F2反射。在图2D中沿轴线C的角度显示为相对于表面36的法线的角度而标示为α，且在入射表面36及任何入射轴线A、B及C之间，而落在平面P1内。在本揭示案的情境中，入射角度α被认为是平面内（in-plane）角度。
除了在平面P1中相对于进入光的倾斜入射，滤光设备40相对于平行于平面P1的轴线也有倾斜量。有利的是，此倾斜可调整，且给予滤光设备40能力去控制合成光束50的长宽比。如此调整在成份光束之间的距离，即图1A中显示的废置空间24。图4的透视图显示用于调整倾斜的倾斜轴52。倾斜轴52平行于包含光轴A、B及C的平面（图2D及2E中的平面P1）。绕倾斜轴52的旋转改变了入射表面36相对于光沿轴线A、B及C的入射角度，并对于波长λ1的光从长波长穿透前滤光片F3及长波长穿透后滤光片F2反射的角度产生相应改变。在一实施例中，诸如在结合设备60的初始校准及设定期间，随同滤光设备40所提供的装配硬件允许绕倾斜轴52旋转调整。一或更多个吸收器56也可随滤光设备40旋转时绕倾斜轴52旋转。
图5的剖面图显示绕倾斜轴52倾斜对成份光束50的影响。在图5顶部所示，有第一倾角θ1，其中倾角θ1是相对于一法线（在图5的表示图中垂直）的倾角，而输出光束22a、22b及22c以废置空间24的量间隔开。如在图5下方部分所示，若倾斜至一较小倾角θ2，则因此减少在输出光束22a、22b及22c之间的废置空间24的量。如此改变光束50的长宽比，该长宽比可以例如由滤光设备40形成的合成光束的x对y的比例或高对宽的比例表示。作为参考，倾角θ1及θ2是相对于图2D的平面P1的一垂直线而倾斜，该垂直线在图5中显示为虚线L1。在图5的剖面图中平面P1正交于页面，且沿A、B及C轴线。
如图5所示，以单一倾斜调整而能改变长宽比的能力，对于塑形合成光束50以输入至光纤20或其他光学装置为有利的。举例而言，图6A及图6B显示自具有三个激光的设备所量测到的能量强度空间分布，该具有三个激光的设备以两不同倾角使用滤光设备40。如图6B所示，使用较小倾角θ来压缩或去除成份输出光束之间的废置空间。作为比较，图6A及图6B的各者中的圆圈代表光纤的适当数值孔径（N.A.）。
使用具有滤光片F1-F4的滤光设备40的进一步优点，是关于使用超过3个激光的能力，而不能使用超过3个激光是针对（诸如）图1A及图1B先前所描述的常规装置的现有限制性。参看图7的透视图及图8的侧视图，结合设备60在泵浦激光阵列70中有四个激光12a、12b、12c及12d。各激光12a、12b、12c及12d具有相应柱状透镜14a、14b、14c及14d。自此不同角度视觉地呈现出，光轴A、B、C及D于滤光设备40的输入表面垂直地校准，并在合成光束50中水平地重新校准。在图7的视图中为求清晰而未显示的选择性吸收器56，也可提供于此一实施例中。
应理解，使用具有滤光片F1-F4的滤光设备40，并适当地调整长波长穿透前滤光片F3及长波长穿透后滤光片F2的大小，可增加额外的激光，即超过4个。图9及图10分别显示在泵浦激光阵列70中具有五个激光12a、12b、12c、12d及12e的结合设备60的透视图及侧视图。各激光12a、12b、12c、12d及12e具有相应柱状透镜14a、14b、14c、14d及14e，并沿其相应轴线A、B、C、D或E导引光。在图9及图10的实施例中，激光12e不受长波长穿透滤光片F3及F2的保护。此为可能的实施例，但需要短波长穿透滤光片F4及选择性的短波长穿透滤光片F1具有对于具激光波长λ2的反馈光的高阻绝率。
图11的透视图显示另一实施例，其中该输出合成光束50反射自长波长穿透后滤光片F2，且其中短波长穿透滤光片F4共面于短波长穿透滤光片F1及长波长穿透滤光片F3。在此实施例中，后表面54可被长波长穿透滤光片F2部分或完全覆盖。短波长穿透滤光片F1及F4可选择性地合并以形成单一滤光片，该单一滤光片具有足够的长度用以过滤入射光及输出光。此实施例可以针对图2C-2E的实施例所描述的相同方式，提供超出堆迭滤光片的效果，并可对封包（packaging）及光径折迭（folding）有所助益。然而，此实施例不允许在不同时改变输出合成轴线C2的角度（相对于垂直平面P2）下调整合成光束50的长宽比。
本发明的结合设备60提供一些特征，以及优于用于合并多个激光源以形成单一合成光束的常规解决方案的优点。这些优点包括：
(i)沿相同平面定位激光并平行导向激光，以允许使用激光阵列，并从如参考图1B所述的用于早期激光二极管配置的梯级高度（stepped height）需求，简化了激光校准。
(ii)使用低成本的透明板，诸如具有滤光涂层的玻璃板。薄膜涂层的使用允许对进入光束呈现非常锐利的边缘，而减少散射或其他效应。
(iii)可调整的长宽比，例如之前针对图4至图6B所述。
(iv)可调整规模，激光的数目可变，至少两个激光或更多，包括有使用4个或更多个激光的实施例，如参考图7及图8所述。
(v)改善热稳定性，因为所有泵浦激光透过相同滤光片组件来导引光。
(vi)对于光的干扰波长的内建保护，特别是免受泵浦激光所发出的泄出光。
(vii)经简化的制造及校准。
(viii)改善的组件寿命。比起常规的单一滤光片或堆迭滤光片配置，寿命的改善同时适用于泵浦激光本身以及滤光片表面F1、F2、F3及F4。例如，薄膜滤光片优于其他滤光片类型之处是具有对于激光的高破坏临界值。
制造
滤光设备40的透明板42一般是玻璃板，根据所欲的激光波长适当地选择该透明板。可使用其他的透明材质，包括例如结晶材质和塑胶。常规的装配技术可用以将滤光设备40定位为相对于该所发出的激光光束成一适当倾斜的平面内角度α，如之前参看图2C及图2D所描述的。平面内角度α由被用为透明板42或其他透明体的所选玻璃或其他透明块状材质的折射率n所决定。
长波长穿透前滤光片F3及长波长穿透后滤光片F2经形成或处置以反射具有第一较短波长λ1（在此指泵浦光波长）的光，并透射具有第二较长波长λ2（在此指泵浦激光波长）的光。在一实施例中滤光片F3及F2能形成自二向色涂层，优点在于提供一具备高度滤光选择性、反射性及透射特性的极薄表面。用于提供一指定光谱特性的薄层二向色涂层的设计，为薄膜设计技术领域的技术人员所知，且一般牵涉从一近似设计开始，透过一系列最佳化而逐渐进阶，直到达成所欲的光谱特性。
一可调整的机制可得以提供以允许调整倾角，即图5中所说明的倾角θ1及θ2。该调整可以手动进行，或是经使用一电动或其他自动化装置而提供。一锁定设备可提供以固定一倾斜调整。
如以上所述，结合设备60的滤光设备40合并两个或两个以上激光光束以将所述激光光束沿单一输出轴线导向，且特别适合用于合并来自激光二极管的泵浦激光，在此用途上所发出光束在一轴线上伸长，允许该些光束被堆迭在一起而形成具有可变长宽比的合成光束。以上所提供的本发明的实施例描述了滤光设备40对于合并同时产生的光束的用途。光学领域的技术人员已显见，滤光设备40的合并动作可代以用于导引来自具有多个激光的集合的任何非空真子集的光，该些激光的发射轴沿相同平面。因此，例如，使用单一泵浦激光以于一功率层级透射，而用两个激光以于一较高功率层级进行泵浦光透射，可能是有用的。或者，可选择具有不同波长的激光以沿轴线C2透射。
本发明已特别参考上述的特定较佳实施例来仔细描述，但应理解在如上所述的本发明的范畴内，及如随附的权利要求范围内，本领域技术人员可实施不同变化及修改，而并不背离本发明的范畴。本发明由权利要求所定义。
因此，在此提供一种用于合并激光的设备及方法，特别适用于使用激光泵浦源，以及其他使用固态激光源的合并应用。

Claims (20)

1.一种用以提供具有第一波长λ1的泵浦光至激光的设备，该激光发出第二波长λ2，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在所述第一轴线和所述第二轴线的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一滤光片，该第一滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第二滤光片，该第二滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中该第二滤光片反射λ1并透射λ2；
(iii)第三滤光片，该第三滤光片形成于该滤光设备的该第一表面上而与该第一滤光片共面，且其中该第三滤光片反射λ1并透射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面P2正交于P1且平行于该第一方向。
2.如权利要求1所述的设备，进一步包含第四滤光片，该第四滤光片形成于该滤光设备的该第二表面上，且该第四滤光片透射λ1并反射λ2。
3.如权利要求1所述的设备，其中该滤光设备的该第一及第二表面实质上平行。
4.如权利要求1所述的设备，其中该滤光设备进一步具有一倾斜轴，该倾斜轴平行于该第一平面P1，且其中绕着该倾斜轴的旋转调整了在该第二平面P2中经重新校准的该第一及第二轴线之间的距离。
5.如权利要求1所述的设备，其中所述滤光片的至少一者是二向色滤光片。
6.如权利要求1所述的设备，进一步包含具有该第一波长λ1的第三激光，该第三激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第三轴线导引，且其中该第二滤光片进一步反射来自该第一及第二激光的光，以将该来自该第一及第二激光的光校准于来自经折射重新导引的该第三轴线的光。
7.如权利要求1所述的设备，进一步包含一或更多个吸收器，所述吸收器经配置于紧靠该第一表面、该第二表面或两者。
8.如权利要求1或7所述的设备，进一步包含透镜，该透镜朝光纤导引该合成光束。
9.如权利要求1所述的设备，其中该第一及第二波长之差大于50nm。
10.如权利要求9所述的设备，其中该第一滤光片是短波长穿透滤光片，而该第二及第三滤光片是长波长穿透滤光片。
11.一种用于提供具有第一波长λ1的泵浦光至激光的设备，该激光发出第二波长λ2，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在经导引的该光的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一短波长穿透滤光片，该第一短波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一短波长穿透滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第一长波长穿透滤光片，该第一长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中该第一长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
(iii)第二长波长穿透滤光片，该第二长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的该第一表面上，且其中该第二长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面P2正交于P1且平行于该第一方向。
12.一种用于提供具有第一波长λ1的泵浦光至激光的设备，该激光发出第二波长λ2，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在所述第一轴线和所述第二轴线的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一滤光片F1，该第一滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第二滤光片F2，该第二滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中F2反射λ1并透射λ2；
(iii)第三滤光片F3，该第三滤光片与F1共面，且该第三滤光片反射λ1并透射λ2；
(iv)第四滤光片F4，该第四滤光片透射λ1并反射λ2；
其中该合成光束沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面P2正交于P1且平行于该第一方向。
13.如权利要求12所述的设备，其中该滤光设备进一步具有一倾斜轴，该倾斜轴平行于该第一平面P1，且其中绕着该倾斜轴的旋转调整了在该第二平面P2中经重新校准的该第一及第二轴线之间的距离。
14.如权利要求12所述的设备，进一步包含一或更多个吸收器，所述吸收器经配置于紧靠该滤光设备的该第一表面、该第二表面或两者。
15.如权利要求12所述的设备，其中所述滤光片的至少一者是二向色滤光片。
16.一种用于将来自多个激光源的具有第一波长λ1的泵浦光耦合至光纤的设备，该设备包含：
具有该第一波长λ1的第一激光，该第一激光可通电以将光沿着朝第一方向的第一轴线导引；
具有该第一波长λ1的第二激光，该第二激光可通电以将光沿着平行于该第一轴线的第二轴线导引，
其中该第一及第二轴线定义第一平面P1；
及
滤光设备，该滤光设备经配置以形成具有该第一波长λ1的合成光束，该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置在所述第一轴线和所述第二轴线的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一滤光片F1，该第一滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与该第一及第二轴线成一斜角，且该第一滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第二滤光片F2，该第二滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中F2反射λ1并透射λ2；
(iii)第三滤光片F3，该第三滤光片与F1共面且反射λ1并透射λ2；
(iv)第四滤光片F4，该第四滤光片透射λ1并反射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准该第一及第二轴线，该第二平面P2正交于P1且平行于该第一方向；
(v)倾斜轴，该倾斜轴平行于该第一平面P1，且可旋转以调整在该第二平面P2中经校准的该第一及第二轴线之间的距离；
一或更多个吸收器，该吸收器经配置于紧靠该第一表面及该第二表面中的一或更多者的至少一部分，以吸收具有第二波长λ2的光；
及
结合透镜，该结合透镜经配置以朝该光纤导引该合成光束。
17.如权利要求16所述的设备，其中该第二波长λ2自泵浦激光发出，而其中该第一波长λ1及该第二波长λ2之差大于50nm。
18.如权利要求16所述的设备，其中该第一及第二轴线彼此等距离而相距第一距离，且其中经重新校准的所述轴线彼此等距离而相距第二距离，该第二距离小于该第一距离。
19.一种用于提供合成光束作为泵浦光至泵浦激光的方法，该泵浦光具有第一波长λ1，该泵浦激光发出第二波长λ2；该方法包含以下步骤：
将多个激光通电，以沿着各自的发射轴导引具有该第一波长λ1的光，所述发射轴平行延伸而定义第一平面P1，其中一个激光将光沿着朝第一方向的发射轴导引；
通过相对于所述发射轴成一斜角来配置滤光设备，形成具有该第一波长λ1的合成光束，其中该滤光设备形成于透明体上，该透明体配置于所述发射轴的路径中，且该滤光设备包含：
(i)第一短波长穿透滤光片，该第一短波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第一表面上，该第一表面经配置与所述发射轴成斜角，且该第一短波长穿透滤光片透射λ1并反射λ2；
(ii)第一长波长穿透滤光片，该第一长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的第二表面上，该第二表面平行于该第一表面，其中该第一长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
(iii)第二长波长穿透滤光片，该第二长波长穿透滤光片形成于该滤光设备的该第一表面上，且其中该第二长波长穿透滤光片反射λ1并透射λ2；
其中该滤光设备沿第二平面P2重新校准所述发射轴，该第二平面P2正交于第一平面P1且平行于该第一方向；
其中该滤光设备通过沿第二平面P2重新校准所述发射轴以形成该合成光束；
及
朝光纤导引该合成光束。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包含以下步骤：依照该滤光设备的旋转角度的改变，改变经校准的所述发射轴之间的距离。
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