CN104678557B - 稳定波长光束组合器 - Google Patents

Abstract

一种高功率波长光束组合系统的稳定化。一种利用后向反射器来稳定波长光束组合系统的系统和方法。

Description

稳定波长光束组合器

技术领域

本发明实施例总体涉及激光系统，并且更具体地涉及波长光束组合系统和方法。

背景技术

波长光束组合(WBC)是一种用于缩放激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠，以及其他以一维或者二维阵列布置的激光器的输出功率和亮度的方法。

WBC方法已经被开发来组合沿每个发射器的慢维度(slow dimension)或者快维度(fast dimension)的光束。光束质量受到单个发射器的光束质量的限制；然而，多个发射器可以被合并以产生多波长输出，该多波长输出具有单个发射器的光束质量但却具有多个发射器的功率输出。WBC系统可以被缩放以产生几千瓦甚至高达几兆瓦的输出功率。然而，所增大的输出功率也为保持通用组件诸如反射镜的稳定带来更大的负担。现有方法包括将这类反射镜安装到具有主动冷却系统的底座或者板材上。

以下应用通过提供用于WBC系统中的增大的功率的稳定化系统以寻求解决所述问题。

发明内容

一种稳定化的波长光束组合器，其可包括多个发射器，每个发射器均产生光束；收集镜片，其被配置为接收光束并将光束传递到色散元件，其中色散元件将光束作为组合光束轮廓(combined beam profile)进行透射；部分反射输出耦合器，其被布置以接收来自色散元件的组合光束、朝向色散元件反射一部分组合光束，该色散元件将组合波束作为包含具有多个波长的光辐射的多波长波束进行透射；以及沿着发射器和部分反射输出耦合器之间的光束的光路设置的至少两个回复反射器。

附图说明

图1A是沿单行发射器的阵列维度的波长光束组合(WBC)方法的示意图。

图1B是沿着发射器的二维阵列的排列维度的WBC方法的示意图。

图1C是沿着发射器的二维阵列的堆叠维度的WBC方法的示意图。

图2是示出沿着二极管激光发射器的二维阵列的堆叠维度的WBC方法中的形变(smile)效应的示意图。

图3A是包括选择性地旋转光束的一维阵列光学旋转器的WBC系统的示意图。

图3B是包括选择性地旋转光束的二维阵列的光学旋转器的WBC系统的示意图。

图3C是包括选择性地重新定向光束的二维阵列的光学旋转器的WBC系统的示意图。

图3D描述在具有或不具有光学旋转器的情况下图3C的系统的输出轮廓视图。

图4A-图4C示出光学旋转器的示例。

图5A-图5E示出与WBC系统一起使用的各种后向反射器。

图6A-图6B示出并入多个反射镜的WBC系统以及相对于理想光束实际光束的角度和空间反馈的基本示意图。

图7A-图7C描述用后向反射器替代反射镜并示出理想光束输出和反馈在空间上和角度上与实际光束输出和反馈的对比。

图8描述被配置为将高达千瓦级或更高的功率光学耦合到具有小数值孔径和小纤芯直径的光纤中的WBC系统的光学示意图，其中所使用的反射镜可以由后向反射器来替换以增加稳定性。

具体实施方式

本发明的多个方面和实施例总体涉及采用波长光束组合技术将激光源扩展到高功率和高亮度的领域。更具体地，本发明涉及用于增加波长光束组合系统的亮度、稳定性以及效率的方法。

本文中所描述的实施例包括解决提高产生包括大于100W、大于500W以及大于1千瓦在内的高功率的波长光束组合系统的稳定度。通过本文中所描述的各种实施例和技术，可以实现稳定的、高亮度的多波长输出激光系统。

本文中所描述的方法和实施例可以应用于沿着慢轴、快轴或者其他光组合维度的一维和二维光组合系统。出于这种应用的目的，光学元件可以是重新导向、反射、弯曲、收集或者以任何其他方式光学地操纵电磁辐射的任意透镜、反射镜、棱镜等等。此外，术语“光束”包括电磁辐射。光束发射器包括诸如半导体元件的任何电磁束发生装置，其产生电磁光束，且可以是或者不是自谐振的。这些也包括光纤激光器、盘式激光器、非固体激光器、激光二极管等等。通常每个发射器均包括后反射表面、至少一个光学增益介质以及前反射表面。光学增益介质涉及增强电磁辐射的增益，并且不限于电磁谱的可见部分、红外部分或者紫外部分。发射器可以包括多个光束发射器，例如被配置为发射多个光束的二极管线阵。本文中使用的示例和实施例中的许多采用二极管线阵进行描述；但是，应当预期的是，可以采用任意发射器，尤其是具有光学增益元件的发射器以及尤其具有宽的增益带宽的那些发射器。

此外，一些现有技术定义了术语“堆叠或者堆叠维度”(“stacking or stackingdimension”)，其被称为堆叠在一起的两个或更多阵列，其中光束的快维度(fastdimension)与堆叠维度相同。这些堆叠被机械或者光学地预先布置。但是出于本申请的目的，堆叠指的是一列光束或者光学增益元件，并且可以沿着或者不沿着快维度。特别地，如上所述，独立的光束或者元件可以在堆叠或者列中旋转。

阵列中的发射器的独立的慢或者快维度也可以沿着阵列维度被对齐，但是并不假定这种对齐。这很重要，因为本文中所述的某些实施例独立地旋转沿阵列或行对齐的每个光束的慢维度。此外，光束的慢轴可以指代该光束的退出光学增益介质的较宽的维度，且典型地也是最慢发散维度，而快轴通常指代该光束的较窄的维度且一般是最快发散维度。慢轴也可指代单模光束。

在一些实施例中，注意到阵列维度和每个发射光束的慢维度最初跨同一轴被定向是有用的；但是，正如在该申请中所述，这些维度可以以相对于彼此的偏离角度被定向。在其他实施例中，最好对齐阵列维度和沿着阵列维度布置的发射器的仅仅一部分。例如，二极管线阵的阵列维度可以具有沿着阵列维度布置的发射器，但是因为形变(smile)(通常为线阵的变形或者弯曲)，独立发射器的慢发射维度轻微地歪斜或者偏离阵列维度。

本文的多个方面和实施例涉及产生从很低的输出功率到几百甚至几兆瓦的输出功率的组合或者同轴光束的高功率和/或高亮度多波长稳定化系统。由于有意地放置在本文描述WBC系统中使用的收集光学器件和色散元件，组合光束可以具有变化的光束产品参数。

波长光束组合方法已经被开发来组合跨其相应的慢或快轴维度的非对称光束元件。本发明寻求提供的一个优点是选择性地在空间上或通过定向重新配置要在慢和快轴WBC方法以及两者的混合中使用的输入波束的能力。本发明的另一个优点是当存在与其他输入光束的固定位置关系时选择性地重新配置输入光束的能力。

图1A表示基本的WBC的架构。在该特定示例中，沿着阵列维度或者宽域(broad-area)发射器的慢维度进行WBC。各条光束104在图中用虚线或者单线表示，其中光束(虚线)的长度或者更长的尺寸表示阵列尺寸或者宽域发射器的慢发散尺寸，而高度或者较短的尺寸表示快发散尺寸。二极管线阵102的发射器以使得每个发射光束104的慢尺寸末端沿着单行(有时被称为阵列)彼此并排对齐的方式对齐。在一些结构中，可以采用准直透镜106来沿着快发散尺寸准直每个光束。准直光学器件进一步地可以包括分离的快轴准直透镜或者慢轴准直透镜。

如图1A进一步所示，光学元件108可用于沿着WBC维度110来组合每个光束，如由输入前视图112所示出的。光学元件108可以是圆柱形或者球面透镜或者反射镜。光学元件108接着将组合光束叠加到色散元件114(在这里示为反射型衍射光栅)上。一阶衍射光束被入射到部分反射镜上。谐振器在光学增益元件的后端面和部分反射镜之间形成。因此，组合光束接着作为单输出轮廓(profile)被透射到输出耦合器116上。然后，该输出耦合器透射组合光束120，如输出前视图118所示。输出耦合器116可以是部分反射镜或表面或光学涂层，并且其作为为二极管阵列102中所有的光学增益元件提供波长稳定反馈的共用前端面。反馈朝向色散元件114，色散元件将其滤波成为唯一波长，并被再次定向回到每个发射器中。

类似地，图1B表示激光二极管线阵堆叠，每个线阵具有四个发射器，其中每个线阵被堆叠三个高度。与图1A相似，图1B的输入前视图112(其在该实施例中是光束的二维阵列)，被组合以产生输出前视图118或者单列光束120。WBC系统100b中的发射光束沿着阵列维度被组合。在这里光学元件108是用于沿着阵列组合光束的圆柱形透镜。然而，可以采用光学元件或光学系统的组合，使得针对所有光束布置的光学元件重叠到色散元件上并且确保沿着非光束组合维度的所有光束垂直于输出耦合器而透射。这样的光学系统的简单示例包括采用沿光束组合维度具有合适的焦距的单个圆柱形透镜结合沿着非光束组合维度形成无焦望远镜的两个圆柱形透镜，该无焦望远镜使光学系统将图像投影到部分反射镜上。可以采用该光学系统的不同的变型以完成类似的功能。

图1B的阵列维度也是与多模二极管激光发射器的情况下每个发射光束的慢维度相同的轴。因此，这种WBC系统也可以被称为慢轴组合，其中组合维度与光束的维度相同。

与之相比，图1C示出了形成光束的二维阵列的激光二极管阵列102的堆叠150，如由120所示，其中替代图1A-图1B中沿着阵列维度组合，WBC维度现在跟随发射器的堆叠维度。在这里，堆叠维度也与每个发射光束的快轴维度对齐。现在输入前视图112被组合以生成输出前视图118，其中示出单列光束120。

所有这三种结构存在不同的缺点。图1A和1B中所示的结构的一个主要缺点是光束组合沿着阵列维度进行。这样，波长稳定操作很大程度上取决于二极管阵列的缺陷。结构1C的缺点是输出光束质量受限于单个激光器线阵的光束质量，以及可能需要光束对称的外部光束整形以便有效耦合到光纤中。

如图2所示，带有形变或者瞄准误差缺陷的二极管阵列可能会阻碍来自于WBC系统的光学元件(其包括集光透镜，光栅和输出耦合器)的反馈反向耦合到二极管光学增益元件。这种失配耦合的一些负面效应是WBC激光器破坏波长锁定，并且二极管激光器或者相关的封装可能会由于失配耦合或者没有重新进入光学增益介质的未对齐的反馈而损坏。例如，反馈可能会对与二极管线阵接触或者与二极管线阵很接近的一些环氧基树脂或者焊料造成严重影响，其可以使二极管线阵突变失效。

图2的行1表示没有任何误差的单个激光二极管线阵202。所示的实施例是安装在吸热部件上的二极管线阵的示例并且由快轴准直光学器件206进行准直。列A表示穿过准直光学器件206的输出光束211的轨迹的透视图或3-D视图。列D表示穿过准直光学器件206的发射光束211的轨迹的侧视图。列B表示相对于准直光学器件206的、带有每个独立的光学增益元件213的激光器端面的前视图。如行1所示，光学增益元件213理想地是直的。此外，准直光学器件206相对于所有的光学增益元件213居中。列C表示来自具有这种输入的系统的期望的输出光束。行2表示具有瞄准误差的二极管激光器阵列。如行2的列B所示，光学增益元件和准直光学器件彼此轻微偏移。正如所示，结果是发射光束会有不希望的轨迹，该轨迹可能导致多波长稳定系统的激光效率降低。此外，输出轮廓可能被偏移致使系统失效或者导致额外的变形。行3表示具有封装误差的阵列。这种封装误差可能会导致光学增益元件不位于直线上，因此可能会引入线阵的弯曲。这种弯曲有时被称为“形变(smile)”。如行3所示，形变甚至会引入更多轨迹问题，因为不存在系统共同的均匀路径或者方向。行3的列D进一步表示以不同的角度出射的光束211。行4表示以扭曲或者呈角度的方式未与光学增益元件对齐的准直透镜。结果可能是所有中最糟糕的，因为输出光束通常具有最大的准直或者扭曲误差。在大多数系统中，二极管阵列和堆叠中的实际误差是行2、3和4中的误差的组合。如行2和3两者所示，采用VBG的光栅和衍射光栅，带有缺陷的光学增益元件会产生不再指向平行于光轴的方向的输出光束。这些偏离光轴的光束导致每个光学增益元件以不同的波长产生激光。如上所述，多个不同的波长增加要变宽的系统的输出光谱。

沿着二极管激光器线阵的堆叠的堆叠维度(这里也主要是快维度)实施WBC的一个优点是其补偿如图2中所示的形变。瞄准或者其他对齐误差不能通过沿着阵列维度(主要也是慢维度)执行WBC而得到补偿。二极管线阵阵列可以具有一般从19到49甚至更多的发射器的范围。正如所述，二极管线阵阵列通常被形成使得阵列的维度是在该维度上每个发射器的慢维度与其它发射器并排对准。结果，当沿着阵列维度执行WBC时，不论二极管线阵具有19还是49个发射器(或者任意其他数目的发射器)，结果与单个发射器的结果类似。相反，当沿着相同的单个二极管线阵阵列的正交或者快维度执行WBC时，结果是每个发射光束的光谱亮度增大或者光谱带宽变窄，但是光束的数目没有减少(相当于，没有增加空间亮度)。

图3A中示出了解决该问题的本发明的一个实施例，该实施例示出在用300a处表示的WBC系统的示意图，WBC系统包括被放置在准直透镜306之后且在光学元件308之前的光学旋转器305。应当注意的是，光学元件308可以包括多个透镜或者反射镜或者其他光学组件。光学旋转器305独立地旋转在输入前视图312中所示的每个发射光束的快和慢维度以产生重新定向的前视图307。应当注意的是，光学旋转器能够选择性地独立旋转每个光束而不考虑其他光束，或者在有些情形下，有可能通过相同的角度同时旋转所有的光束。还应该注意的是，可以同时旋转两个或者更多光束的簇。在沿着阵列维度执行WBC之后，产生的结果在输出前视图318中被视为单个发射器。色散元件314被示为反射衍射光栅，但是也可以为色散棱镜、棱栅(棱镜+光栅)、透射光栅，或者阶梯光栅(Echelle grating)。

图3A中所示的特定实施例仅示出四个激光发射器；但是，如上所述，该系统能够利用包括更多个元件(例如49个)的激光二极管阵列。此外，该实施例示出具有特定波段(例如，976nm)的单个线阵，但是在实际应用中其可包括均处在同一特定的波段、并排设置的多个线阵。此外，多个波段(例如976nm，915nm和808nm)可以在单个腔内组合，其中每个波段包括多个线阵。当跨每个波束的快维度执行WBC时，设计具有更高亮度(更高的效率，源于对线阵缺陷的不敏感)的系统变得更加容易；此外，通过该过程还实现了更窄的带宽和更高的输出功率。

图3B示出除激光器阵列302的堆叠350形成二维输入轮廓312之外与图3A类似的实施方式。WBC系统300b包括(一个或多个)准直透镜306、光学旋转器305、光学元件308、色散元件314(这里是衍射光栅)以及具有部分反射表面的输出耦合器316。每个光束由光学旋转器305独立地旋转以形成旋转器之后的轮廓307。在该示例中，WBC维度沿着阵列维度，但是通过旋转，每个光束可以跨其快轴被组合。快轴WBC产生具有很窄的线宽和高谱亮度的输出。这对于工业应用诸如焊接通常是理想的。在光学元件308将旋转光束重叠到色散元件314上之后，产生单个输出轮廓，并且通过腔体部分反射回到光学增益元件中。输出轮廓318现在包括具有三个(3)光束的线，这三个光束可以相对非对称。

图3C示出当应用到2-D光学增益元件时相同的实施方式。该系统包括2-D光学增益元件、光学旋转器305、光学系统(308和309a-b)、色散元件314和部分反射镜316。图3C表示激光二极管线阵302的堆叠350，其中每个线阵具有光学旋转器305。如WBC系统300c中所示的每个二极管线阵302(共计三个)均包括四个发射器。在输入前视图312被光学旋转器305重新定向之后，重新定向的前视图307现在是每个光束的慢维度并且沿着堆叠维度被对齐。然后，可以沿着这一维度执行WBC，这一维度现在为每个光束的慢轴维度，并且输出前视图现在包括单列光束，每个光束的慢维度沿着堆叠维度被定向。

光学器件309a和309b提供圆柱形望远镜从而沿着阵列维度成像。这三个圆柱形透镜的作用是提供两个主要功能。第一，中间的圆柱形透镜308是聚光透镜并且其主要功能是收集所有的光束并将其引导到色散元件上。第二，另外两个圆柱形透镜309a和309b沿着非光束组合维度形成无焦圆柱形望远镜。其主要的功能是确保沿着非光束组合维度的所有的光学增益元件垂直于部分反射镜而传播。因此，图3C中所示的实施方式具有与图1C中的实施方式相同的优点。

但是，不同于图1C中所示的实施方式，输出光束与输入光束不同。图3C中的输出光束318中的发射器的数目与堆叠中的线阵的数目相同。例如，如果2-D激光源包括3-线阵堆叠，其中每个线阵包括49个发射器，则图1C中的输出光束是具有49个发射器的单个线阵。但是，图3C中的输出光束是仅具有3个发射器的单个线阵。因此，输出光束质量或者亮度要高于一个数量级。这种亮度提高对于光纤耦合是很重要的。为了更高的功率和亮度扩展，可以并排设置多个堆叠。

例如，为了进一步地阐明这种结构，假定对3-线阵堆叠执行WBC，其中每个线阵具有19个发射器。目前为止，存在三个选项。第一，如图1B中所示，可以沿着阵列维度进行波长光束组合以产生3个光束。第二，如图1C中所示，可以沿着堆叠维度进行波长光束组合以产生19个光束。第三，如图3C中所示，可以沿着阵列维度采用光学旋转器进行波长光束组合以产生19个光束。针对所有这三种结构存在不同的权衡。第一种情形给出最高的空间亮度但是最低的光谱亮度。第二种情形给出具有适度的光谱亮度的最低的空间亮度，其中不需要光束对称以耦合到光纤中。第三种情形给出最低的空间亮度但是最高的光谱亮度，其中要求光束对称以耦合到光纤中。在某些应用中这更可取。

为了阐明非对称性的减少，图3D示出其中300b的系统不具有光学旋转器的最终输出轮廓319a和其中系统包括光学旋转器的输出轮廓319b。尽管这些图没有按比例绘制，然而在具有跨每个光束的慢维度执行WBC的这种结构的系统中，它们仍然表现出了通过利用光学旋转器所获得的优势。更短且更宽的319b比更高且更细的319a更加适用于光纤耦合。

图4A-图4C表示各种光学旋转器的示例。图4A表示使输入光束411a被旋转至411b处的新定向的圆柱形透镜(419a和419b)的阵列。图4B同样表示输入411a以一定角度进入到棱镜中，该棱镜产生新的定向或者旋转光束411b。图4C表示采用一组阶梯形镜417来使得输入411a与其他输入光束以80-90度角旋转，产生波束411b的沿着它们各自的快轴的并排新的对齐。这些装置和其他装置能够通过非偏振敏感或偏振敏感装置产生旋转。如果入射光束在至少快维度上被准直，则这些器件中的许多会变得更加有效。也应当理解的是，光学旋转器能够选择性地将光束旋转不同的角度，包括小于90度、90度或者大于90度。

在前述实施例中的光学旋转器能够选择性的旋转单个光束、光束的行或者列，以及光束的群组。在一些实施例中，一组旋转角度诸如80-90度的范围可以被应用于整个轮廓或者该轮廓的子集。在其它实例中，不同的旋转角度被唯一地应用到轮廓的每个光束、行、列或者子集。例如，一个光束可以以顺时针方向被旋转45度而相邻的光束可以以逆时针方向被旋转45度。也可以预期，一个波束可以被旋转10度而另一个光束可以被旋转70度。系统提供的灵活性可以被应用到各种输入轮廓，其进而帮助确定如何形成输出轮廓。例如，沿着发射光束的慢和快维度之间的中间角度进行WBC也正好在该应用的范围内。

在上述WBC的实施例中，折叠镜或者光学器件没有被表示出来。然而，在很多实际应用中，折叠镜被用来将光路限制在单个盒体中，该盒体更加便携或封闭以便在各种应用中使用。例如，在上述的一些实施例中，导向圆柱形透镜108可以被放置在发射器和色散元件之间以聚焦或者使得沿着光束组合维度的多个光束在色散元件上或者其附近会聚。如果该透镜108被放置使得在每一侧距离发射器和色散元件一焦距长度，这意味着发射器和色散元件之间的最小路径长度是108的焦距的至少两倍。该路径长度可以长达1米。因此，为了减小WBC系统的总体覆盖区(footprint)，可以在这些光学元件之间插入多个折叠镜以将路径长度从1米减小到1/3米，这就容许WBC系统被放置在一个更加紧凑的壳体内。被放置在色散元件后的额外的折叠镜也可以与其它光学元件联合用于各种其它目的。

用于增加稳定性的后向反射器

图5A-图5E表示不同的后向反射器，其可用于WBC系统以增加稳定性。图5A表示后向反射器500a，其中两个反射表面502a-b之间的角度为90度。这种类型的后向反射器通常被称为普罗棱镜(porro prisms)；然而，为了本应用的目的，具有小于90度(图5C)或者大于90度(图5B)的角度的至少两个反射表面可以被用来帮助稳定WBC系统。此外，一些后向反射器具有相对于彼此被安装在固定的位置中的两个反射表面，但是具有开口504而不是如图5A-图5C中所示的其他反射表面相交的顶点。其他后向反射器包括多角度(multi-angle)表面或者关于彼此具有固定位置的多个反射表面，例如图5E中所示的后向反射器500e。这里500e具有四个反射表面502a-d，具有替代顶点的开口504和位于反射表面相交且形成角度的位置的顶点506，反射表面关于该开口504被定位。一些后向反射器(未示出)包括哪些具有曲面的后向反射器，这些曲面包括曲率在其表面变化的一些曲面。在本文中，2-D和3-D后向反射器都是预期的。

图6A-B描述并入多个反射镜的WBC系统的基本示意图，从而说明相对于理想光束实际光束的角度和空间反馈。二极管线阵602发射多个光束，该多个光束穿过SAC 604并且遇到第一反射镜606，第一反射镜606是一种能够将来自多个二极管线阵的发射光束交错以减小系统中发射器之间的空间距离的交错器反射镜(interleaver mirror)。光束从反射镜606离开，遇到另一反射镜608，其将光束重新导向到反射镜610上然后重新导向到反射镜612上，反射镜612被示为穿透镜。可替换地，在一些实施例中，反射镜612可以被用来将光束重新引导到平面外然后重新引导到部分反射输出耦合器614，部分反射输出耦合器614透射输出光束并将其一部分朝向初始发射器602反射回去。在WBC系统中，正确的反馈允许每个发射器适当地激射唯一的波长，这进而帮助产生高功率多波长输出光束轮廓，其在某些情况下可以具有与单个发射器相似的光束质量。

然而，如上所述，多个反射表面虽然减小了WBC系统的覆盖区，然而反而增大了跨多个光学元件维持准确的光学位置的需求。在每个光学元件被安装在其中的刀体(blade)或者其他壳体系统中，加热、冷却、振动或者其他压力可能会导致安装底座位移，因此将理想光路620变成实际光路622，如图6B中所示。图6B表示反射镜610的斜度，δθ630或距竖直的位置(position-from-normal)，为了本示例的目的，可假定其对于每个所示的反射镜都是相同的。关于图6C-图6D中所示的公式，N等于反射镜的数目，其被用来确定输出光束和反馈光束的空间位移δx。

如果在一种情形中采用下述参数：

光束散度约为2.8mrad，因此2*N*2*δθ<＝0.28mrad或者δθ<＝0.014mrad

反射镜总的数目N＝5

因为有双通路，反射镜造成2阶乘(δθ斜度变成2*δθ)

反射镜之间的间距是

交错器到耦合器的距离为606-614～1200mm

M1到耦合器的距离为608-614～1000mm

M2到耦合器的距离为610-614～700mm

M3到耦合器的距离为612-614～400mm

耦合器到SAC的距离为604-614～1500mm

输出耦合器处的光束尺寸约为3.5mm，因此δx”<＝0.35mm

δx”＝2*δθ*(a+b+c+d+e)<＝0.35mm

δx”＝2*0.014mrad*4800mm＝0.13mm<＝0.35mm

如果在最差时δθ～0.2mrad

则反馈角度偏移～4mrad，并且

反馈空间重叠偏移～1.9mm，其将导致到每个发射器的零反馈。

因此，上述示例有助于阐明在具有多个反射镜的WBC系统中的帮助保持稳定的解决方案的需求。

在图7A中示出用于图6A-图6D中所示的设置的解决方案，其中用后向反射器替代5个反射镜中的3个。输出耦合器614可以由四分之一波片718、后向反射器716和偏振分束器立方体717替代。这种设置通过使反射镜708、710和716比较不易受到如图7B中空间或者角度的偏移的影响来帮助增加系统的稳定性，在图7B中，每个反射镜均被旋转，但是光路仍然运行平行以保持且不延续角度或者空间偏移。

图7C进一步示出与理想光束相比，基于后向反射器对一些反射镜的替换，实际光束输出和反馈路径可以招致的偏移的量。例如，造成空间偏移(δx)的反射镜的数目或者N能够从5减小到2，如果假定两个反射镜的斜度(δθ)相同，则其减少60％的空间平移。进一步地，由于后向反射镜产生的平行光路，反馈角度偏差现在减小到0。

图8中所示的光学示意图从并入1116，1128和1130的后向反射器(否则其将是反射镜以保持系统紧凑)中受益，图9示出被配置为将高达千瓦级或更高的功率耦合到单个光纤的WBC千瓦级激光器系统1100。源激光器1102是二极管激光器线阵的机械堆叠。源二极管激光器能够提供每堆叠大于1KW，有两个机械堆叠1102安装在示意图中。二极管器的机械堆叠包含该激光系统1100中的源发射器1102。谐振器包括用于波长光束组合的外腔。后谐振器(post-resonator)包含波束整形光学器件，该波束整形光学器件包括将从谐振器发出的线阵形的非对称的光束轮廓转换成适合于光纤耦合的更对称的方形光束轮廓的偏振复用器1134和光学重构元件1136。后谐振器也可以包括畸变光学器件1138、部分包括用于光纤耦合的聚焦元件的光纤光学模块(FOM)1140，以及耦合光纤1142。

在1100中采用的机械二极管堆叠1102可以通过各种商用二极管激光器堆叠来提供。例如，在一个实施例中，可以使用两个15-线阵堆叠，并且堆叠中的每个线阵包括19个发射器；也可以采用其他类型的二极管激光器线阵，包括49个发射器的线阵。对于同一实施例中，可以采用3.5mm腔长的线阵，但是具有1到5mm的范围的腔长都可以工作。线阵中的每个多模发射器通常具有100微米的条宽。每个二极管激光器线阵在发射器的端面后具有如1106所示的快轴准直透镜(FAC)和慢轴准直透镜(SAC)。

对于图8中所示的实施方式，如果每个线阵在976nm处提供大约80W的激光功率，则对于2×15-线阵堆叠(共计30个线阵)，来自该堆叠的总原始功率约为2.4KW。尽管采用后向反射器将不会消除对热管理系统的需求，但是其允许系统更加灵活并且将重点放在其他重要的部件诸如二极管线阵上。

WBC谐振器的光学构造可包括空间交错器1108和以下光学元件：L1 1110、L21112、L3 1114、M4 1116、波片1118、光栅1120、L4 1122、L5y 1124、L5x 1126、M5 1128、M61130，以及输出耦合器1132。空间交错器1108用来在空间上对来自机械二极管激光器堆叠的光学输出进行交错。因为每个(所实现的)微通道冷却装置的厚度大约为2mm，所以每个机械堆叠具有2mm的线阵间距。空间交错器1108可以是在1mm的间距处具有交替的HR和AR涂层的条带(其它设计是可能的)的光学窗口。当在两个堆叠之间以45度角放置时(堆叠相对于彼此呈90度角)，空间交错器1108允许输出线阵在空间上被交错，在1mm间距处有效地产生包括30个线阵的二极管激光器线阵的光学堆叠。

透镜(L1-L5_xy)、光栅1120，以及谐振器的反射镜可以根据本文中所述的WBC系统来进行设置。应当注意的是，可以用后向反射器替换M4-M6并且甚至输出耦合器1132如图7A-C中所示的那些器件来替换。

激光器1100的优点是其能够在相对高效和紧凑、完全自包含和成套(turn-key)的系统中将亮度高达kW级及以上的二极管激光器输出传送至许多应用领域(包括工业和军事应用)。整个激光系统能够装在常用于电子设备的标准的19英寸机架中。激光系统的功率转换效率能够达在40％以及更大的范围内，并且这样的高效系统显著地降低了整个激光系统的功率和冷却需求。

后谐振器1150包括偏振复用器1134、光学重构元件1136、畸变元件1138、光纤光学模块(FOM)1140，以及光纤1142。偏振复用器1134通过对激光输出消偏振和将两个偏振在空间上进行组合来将输出光束质量提高2倍。在偏振复用器之后，发射器分布可以从1×19转换为1×10。光学重构元件1136将发射器轮廓从1×10重新分布为5×2，该光学重构元件可包括由带有适当的HR和AR涂层的单个光学板或者之前所述的其它实施例。畸变元件1138可以是一系列透镜，这些透镜被配置以增加5×2光束分布的填充因子并且确保光束在远场处近似为具有合适的尺寸和数值孔径的正方形以便于光纤耦合。后谐振器组件的其他光学转换因子也是可能的。

光纤光学模块(FOM)1140可以包括被用来将激光输出聚焦到光纤1142中的透镜和转换系统组成，光纤光学模块1140能够主动被冷却从而处理千瓦级的操作。光纤1142能够与LLK-B光纤兼容并且具有200微米的纤芯直径和高达0.2的数值孔径(NA)。由于光纤1142基本上保持NA，根据输入到FOM 1140的激光光束的质量，有可能获得NA小于0.2的激光输出。此外，使用任何其他类型的高功率光纤可以取得一些成功，包括但不限于QBH和LLK-D光纤。

上述描述仅仅是示例性的。具有上述几个方面的本发明的至少一个实施例包括优选实施例，应当理解的是所属领域技术人员而言将容易想到各种替换、修改、或改进。这种替换、修改或者改进可以视为作为本公开的一部分，并且视为在本发明的精神和范围内。因此，前述的说明书及附图也仅仅作为示例。

Claims (13)

1.一种稳定波长光束组合器，其包括：

多个发射器，每个均产生光束，所述多个发射器由此共同产生多个光束，其中所述多个发射器通过发射器之间的第一空间距离间隔开；

交错器反射镜，其用于接收和反射由所述多个发射器发射的所有光束并且减小所述光束之间的空间距离，其中所反射的光束之间的第二空间距离小于所述第一空间距离；

集光光学器件，其被配置以接收所述光束并将所述光束透射到所述交错器反射镜上；

偏振分束器，其被定位以接收来自所述交错器反射镜的光束；

四分之一波片，其被定位以接收来自所述偏振分束器的光束并且改变接收到的光束的偏振；

第一后向反射器，其沿着所述交错器反射镜和所述偏振分束器之间的光束的光路设置，其中所述第一后向反射器沿着第一轨迹接收所述多个光束并且沿着第二轨迹反射所述多个光束，所述第二轨迹与所述第一轨迹间隔开并且基本平行；

第二后向反射器，其沿着所述第一后向反射器和所述偏振分束器之间的光束的光路与所述第一后向反射器分立并且空间地分离，其中所述第二后向反射器沿着第三轨迹接收所述多个光束并且沿着第四轨迹反射所述多个光束，所述第四轨迹与所述第三轨迹间隔开并且基本平行；以及

第三后向反射器，其被定位以接收通过所述四分之一波片改变的光束并且通过所述四分之一波片将所改变的光束反射回所述偏振分束器，所述偏振分束器沿着第五轨迹传输一部分光束并且将所述光束传输回所述发射器，所传输的一部分光束使所述发射器和所述第三后向反射器之间限定的外腔内的每个发射器的波长稳定并且沿着与所述第五轨迹不平行的第六轨迹反射第二部分光束，作为包括具有多个波长的光辐射的多波长光束。

2.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述光束发射器中的至少两个具有固定的位置关系。

3.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述光束发射器包括第一反射表面和光学增益介质。

4.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其进一步包括准直光学器件，其被配置以接收来自所述光束发射器的光束并且沿着所述光束的维度准直一个或者更多光束。

5.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述多个光束总地具有非对称的轮廓。

6.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第一后向反射器和所述第二后向反射器中的每一个包括弯曲的反射表面，所述反射表面的曲率在所述反射表面上变化。

7.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第一后向反射器包括在顶点处会聚的两个反射表面，以及在所述顶点处的所述两个反射表面之间的角度小于90度。

8.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第一后向反射器是棱镜。

9.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第二轨迹等于所述第三轨迹。

10.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第一后向反射器包括两个非平行反射表面以及穿过其中的开口，使得至少所述反射表面的端部的最紧靠彼此的部分不互相接触。

11.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第二后向反射器接收来自所述第一后向反射器的所述多个光束。

12.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述偏振分束器包括偏振分束器立方体。

13.如权利要求1所述的稳定波长光束组合器，其中所述第六轨迹大致垂直于所述第五轨迹。

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