CN105814476A - 高亮度密集波复用激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了用于密集波复用(DWM)系统中射束波长稳定与输出射束合并的系统和方法。系统和方法被公开用于在DWM系统中执行射束波长稳定以及输出射束合并，同时实现增加的电光转化效率以及改善的射束品质。干涉外部共振器构造可以被用于显著增加DWM系统输出射束的亮度，这是通过使得由DWM激光源的发射器发射的射束的波长稳定来实现的。装置可以包括多波长边缘发射激光二极管阵列(101)和透镜(102)将输出聚焦在反射型光栅上。耦合的腔共振器的一个分支(170)通过一个衍射级利用伸缩筒(108、109)以及用于图像旋转的镜(110)反馈而实现。第二分支(160)采用第二衍射级，其经由空间过滤器被反馈，其中所述空间过滤器具有伸缩筒(104、106)以及孔径(105)和用于波长甄别的镜(107)。零阶光(180)可以输出并且通过第二反射光栅(113)实现准直。

Description

高亮度密集波复用激光器
技术领域
本发明大体上涉及激光器系统，并且更具体地讲涉及用于窄带宽激光射束稳定以及多路激光射束合并的系统和方法。
背景技术
密集波复用(densewavelengthmultiplexing)是这样一种技术，由多个各自为窄频带宽输入射束制造单个、高亮度多频谱合并的输出射束。DWM使得多路相对小功率的单波长输入射束被叠加，以产生单个、高功率、高亮度的输出射束。DWM技术使得输出射束功率与由多个输入射束所产的功率总和直接成比例并且进一步提供输出射束，该输出射束具有与各个输入射束的射束品质相称的射束品质。
在DWM系统中，多个窄频谱带宽或者单波长的激光射束自一激光源发射，所述激光源包括多个独立的发射器。多频谱输出射束通过使得所述多个独立的射束与射束重叠元件合并或者在空间上并在方向上使得所述多个独立的射束与射束重叠元件重叠而被形成。射束合并可以通过以下方式来实现，针对每个射束选择单个波长并且将每个射束以特定的入射角指向到射束重叠元件。每个射束的波长和入射角被选择成，所有的射束自射束重叠元件在与共同传播方向的重叠区域处发出。一组被准许的波长-角度对可以被限定为将产生自射束重叠元件以共同的传播方向发出的射束的波长与入射角的所有组合。
为了自由激光源发射的多个激光射束产生单个多频谱合并的输出射束，来自这组被准许的波长-角度对的波长-角度对必须针对激光源中的每个发射器被选择。入射角重叠元件并将位置-至-角度变换透镜放置在激光源与光束重叠元件之间的光学路径中的固定位置上。位置-至-角度变换透镜将激光源中的每个发射器的空间位置映射到射束重叠元件的特定的入射角。
针对每个独立的发射器，通过以具有期望的波长的电磁辐射的方式向发射器提供反馈来实现波长选择。向发射器提供这种电磁辐射将激励发射器的与期望的输出对应的共振模式。因而，向发射器提供反馈将激发附加的电磁辐射的具有与反馈相同的波长的发射。这种共振的反馈将使得由发射器发射的激光射束的频谱带宽收窄并且使得发出的射束的波长频谱关于共振的反馈的波长对中。向发射器提供反馈的这种过程可以称为射束波长稳定或波长锁定。
使得每个激光射束的波长锁定令单个波长映射于激光源中的发射器的每个位置，并且为激光源产生了一组固定的波长-位置对。位置-至-角度变换透镜使得针对激光源中的每个发射器的波长-位置对映射至特定的波长-角度对。选择合适的波长-位置对确保了，空间上并且方向上重叠的射束将被产生。然而，如果波长锁定不是健壮的并且各个发射器的备选的共振模式被激励的话，则发射器将产生此后将传播经过系统的备选的共振模式分量。由备选的共振模式所产生的射束分量不会体现准许的波长-位置对并且因此将不在空间上和方向上由射束重叠元件重叠。此外，如果此类备选的共振模式被允许传播经过外部共振器(其向激光源提供反馈以便稳定由激光源中的发射器发出的射束的波长稳定)，则此类备选的共振模式将激发附加的寄生的、替代的模式分量的发出并因而使得输出射束品质降级并在输出射束功率中引出临时波动。
发明内容
本说明书描述了用于在DWM系统中射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法。本说明书更具体地描绘了用于在DWM系统中执行射束波长稳定以及输出射束合并的系统和方法，同时实现了增加的输出射束亮度、增加的电光转化效率、以及相对于现有技术改善的射束品质。电光转化效率是系统将电能转化成光能的效率的度量并且可以被限定为辐射通量、即由系统所产生的总光学输出功率与由系统所消耗的输入电功率之比。
为了射束合并的目的，用于射束稳定和输出合并的一些现有技术的系统和方法采用了透射式光学元件、以及具体地透射式衍射光栅。为了射束合并的目的采用透射式衍射元件具有多种限制。采用透射式衍射元件的射束稳定与输出合并系统和方法具有特定的不足。一个原因是尽管透射式衍射元件的理论衍射效率非常接近百分之一百，但实际上真正的透射式衍射元件无法达到这样的衍射效率。真正的透射式衍射元件可以连续地获得大致不高于大于百分之九十五的衍射效率。因此，必须设计外部腔，其能够捕获否则将不会被用于最大化电光转化效率的衍射阶。相反地，反射式衍射元件可以实现大致更高的衍射效率。实际上，反射式衍射元件可以实现最大大约99.8％的衍射效率。采用反射式衍射元件的共振腔因而相对于采用透射式衍射元件的外部共振器能够实现电光转化效率的显著增加。
其次，在激光束传播经过透射式衍射元件时，透射式元件吸收少量的电磁辐射。附加地，覆盖透射式衍射元件的前面和后面的抗反射涂层吸收来自入射激光束的非不可忽略量的电磁辐射。电磁辐射的吸收在透射式元件的电磁辐射所经过的区域中产生热量。由电磁吸收所产生的热量将朝向透射式元件的周边传播并且热流梯度将在透射式元件中产生。这种热流梯度可以使得射束品质变差并且降低系统的电光转化效率。在低输出功率时，对射束品质的变差可以是不明显的并且电光转化效率损失可以是相对小的。但是，随着射束输出功率的增加，透射式元件中热量的产生将造成更显著的射束变形以及效率损失。在非常高的功率时，例如在几kW级别时，由于热量产生所引起的射束变形变得显著。反射式衍射元件具有来自入射的激光束的电磁辐射的特别低的吸收，并因而使得在不损失射束品质或效率的前提下实现功率的可量测。
第三，随着由系统产生的输出功率增加，必须冷却系统中的衍射元件，热量产生的效应变得更加显著。反射式衍射元件的几何形状允许与由透射式衍射元件所允许的相比更强劲的冷却技术。几何约束表明在透射式衍射元件旁所采用的任何冷却系统必须位于透射式元件的外侧边界处，即位于透射式元件的周边处。具体地，将冷却系统安置在透射式元件的每侧上的可能性被排除，这是因为辐射在一个面上进入透射式元件并在相反一面上离开元件。位于透射式光栅的周边处的冷却系统增加了热梯度的幅度，因为活跃地将热量从元件的中心吸离并吸向周边。周边冷却系统因而在入射的激光射束的波前中引起热光相变形。这些引起的相变形导致了降低的衍射效率、射束品质的改变、光栅常数中的局部改变、以及更重要地动态热学聚焦效应。这些效应进一步降低了系统的电光转化效率并进一步使得输出射束品质变差。
相反地，反射式衍射元件允许热管理技术，其能够实现衍射元件中的大致一维(在与衍射元件的表面所位于的平面垂直的方向上)热流。一维热流梯度抑制了热学聚焦效应并消除了光栅常数中的局部差异，这种局部差异源自光栅中的热学梯度。一维热流可以通过以下方式来实现，选择具有合适厚度与直径比的衍射元件并在衍射元件的与入射辐射所反射面相反的那面上采用冷却元件。冷却元件(即散热器)优选设置成以“形状配合”的方式与光栅接触，并可以提供附加的优点，即为装置提供附加的机械稳定性，因而防止光栅在热学载荷下弯曲。例如，相对薄的反射式衍射光栅可以粘接至具有相对高导热率的散热器。在这种构造中，薄反射式衍射光栅将用作为用于传热的主要屏障，并且散热器相对于光栅的位置将有助于光栅本身内的热能的均匀分布。
除了实现冷却元件的有利的几何形状定位以外，反射式衍射元件无需由透光的材料形成。因此，反射式衍射元件允许改善的冷却特性，这是通过采用具有高导热率和或低热膨胀系数的各种材料、例如金刚石、蓝宝石、玻璃陶瓷(例如Zerodur)、以及ZincSulfide来实现的。此类材料通常不是透光的，并且没有光学等级，并因此无法在不损失功率或射束品质的前提下用在透射式衍射元件中。
本发明的一个实施例提供了一种用于稳定由多个射束发射器发射的射束的波长的系统，所述系统包括：所述多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；第一反射式衍射元件；以及反馈分支，其包含空间滤波系统；其中，所述第一反射式衍射元件将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中，并且其中，所述反馈分支将所述反馈分支输入的一部分向回引导到所述多个射束发射器中。
本发明的另一个实施例提供了一种用于使得由多个射束发射器发射的射束的波长稳定的方法，所述方法包括：将发射的射束朝向第一反射式衍射元件引导；将发射的射束的、来自所述第一反射式衍射元件的一部分作为反馈分支输入引导到反馈分支中；以及将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支并向回引导到所述多个射束发射器中；其中，将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支包括循序地引导所述反馈分支输入的一部分经过空间滤波系统。
本发明的附加的实施例提供了一种密集波复用系统，包括：射束发射器的阵列，每个射束发射器发射单波长射束；第一衍射元件，其反射来自所述射束发射器的阵列的多个单波长射束；以及第二衍射元件，其衍射所述多个单波长射束的反射，从而将各所述射束合并成单个多波长合并的射束。
本发明的另一附加的实施例提供了一种密集波复用系统，包括：多个射束发射器，每个射束发射器发射单波长射束；以及第一衍射元件，其衍射来自所述多个射束发射器的射束的一部分，从而将所述射束合并成单个多波长合并的输出射束。
本发明的另一实施例提供了一种密集波复用与射束波长稳定系统，包括：多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；至少一个光学元件；第一反射式衍射光栅；第二反射式衍射光栅；以及具有第一臂和第二臂的反馈分支，其中，所述第一反射式衍射光栅将所述射束的反射朝向所述第二衍射光栅引导并将所述射束的衍射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中，所述第二衍射光栅接收所述射束的反射并将所述反射式衍射作为输出，所述反馈分支的第一臂包括第一高反射镜，所述第一高反射镜被定位成将所述第一臂输入向回朝向所述第一反射式衍射光栅反射为第一臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第一臂输出的第一部分衍射回到射束发射器的阵列作为第一反馈部分，并且将所述第一臂输出的第二部分反射到所述第二臂中作为第二臂输入，并且所述第二臂包括第二高反射镜，所述第二高反射镜被定位成将所述第二臂输入向回反射至所述第一反射式衍射光栅作为第二臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第二臂输出的第一部分反射到所述第一臂中并朝向所述第二衍射光栅反射地衍射所述第二输出臂输出的第二部分。
本发明的另一个实施例提供了一种密集波复用与射束波长稳定系统，包括：多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；至少一个光学元件；反射式衍射光栅；以及具有第一臂和第二臂的反馈分支，其中，所述反射式衍射光栅将所述射束的反射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中并将射束的衍射引导为系统输出，所述反馈分支的第一臂包括第一高反射镜，所述第一高反射镜被定位成将所述第一臂输入向回朝向所述反射式衍射光栅反射作为第一臂输出，从而所述反射式衍射光栅将所述第一臂输出的第一部分向回反射至射束发射器的阵列作为第一反馈部分，并且将所述第一臂输出的第二部分衍射到所述第二臂中作为第二臂输入，并且所述第二臂包括第二高反射镜，所述第二高反射镜被定位成将所述第二臂输入向回反射至所述反射式衍射光栅作为第二臂输出，从而所述反射式衍射光栅将所述第二臂输出的第一部分反射为附加的系统输出并将所述第二输出臂输出的第二部分衍射到所述反馈分支的第一臂中作为附加的第一臂输入。
附图说明
图1示出了用于产生单个、多波长输出激光束的设备，所述输出激光束包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束。
图2示出了射束发射器的阵列以及干涉外部共振器的发射器阵列变换臂。
图3示出了干涉外部共振器与射束合并设备，其采用反射式衍射元件来提供用于射束波长稳定的共振反馈并将多个单波长射束合并成合并的、多波长输出射束。
图4示出了替代的干涉外部共振器与射束合并设备，其采用反射式衍射元件来提供用于射束波长稳定的共振反馈并将多个单波长射束合并成合并的、多波长输出射束。
图5示出了干涉外部共振器与射束合并设备，其采用高衍射率反射式衍射元件来提供用于射束波长稳定的共振反馈并将多个单波长射束合并成合并的、多频谱输出射束。
图6示出了附加的干涉外部共振器与射束合并设备，其采用高衍射率反射式衍射元件以及反面热管理系统来提供用于射束波长稳定的共振反馈并将多个单波长射束合并成合并的、多频谱输出射束。
具体实施方式
图1示出了用于产生单个、多波长输出激光束(激光射束)的设备，所述输出激光束包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束。图1所示的设备采用反射式衍射元件来耦合多个单波长射束，其中每个单波长射束由射束发射器阵列中的单独的发射器发出。图1所示的设备包括激光源101以及输出合并元件113。激光源101包括多个激光发射器。在不同的实施例方式中，激光源101可以是二极管激光发射器的一维阵列、二极管激光发射器的二维阵列、或者各种不同的附加的构造的激光发射器的阵列。图1所示的设备还包括四个光路臂(opticalpatharm)：发射器阵列变换臂(emitterarraytransformationarm)150、第一反馈分支臂(firstfeedbackbrancharm)160、第二反馈分支臂(secondfeedbackbrancharm)170、以及输出臂180。发射器阵列变换臂150、第一反馈分支臂160和第二反馈分支臂170一起限定了一外部共振器腔。外部共振器腔向激光源101提供反馈，从而使得由激光源101发出的各射束的波长稳定。外部共振器腔的反馈效率被定义为耦合到激光源的发射器的波导中的光功率与经过外部共振器腔并朝向激光源101传播的总光功率之比。优选的是实现高反馈效率，从而使得由激光源中的多个发射器发出的各射束的波长稳定。特别地，反馈效率应当超过百分之三十并且优选地超过百分之七十。
图1所示的设备还包括位置-至-角度变换元件102、第一反射式衍射元件103、第一反馈分支臂伸缩筒(firstfeedbackbrancharmtelescope)的第一光学镜片104和第二光学镜片106、过滤元件105、第一反馈分支臂的第一高反射镜107、第二反馈分支臂伸缩筒(secondfeedbackbrancharmtelescope)的第一光学镜片108和第二光学镜片109、第二反馈分支臂的第二高反射镜110、以及输出臂伸缩筒(outputarmtelescope)的第一光学镜片111和第二光学镜片112。在图1所示的实施例中，第一反馈分支臂的第一光学镜片104和第二光学镜片106和第二反馈分支臂的第一光学镜片108和第二光学镜片109是Fourier透镜。然而，在替代的实施例方式中，Fresnel透镜以及各种不同的镜结构可以被采用。
在图1所示的设备中，第一反射式衍射元件103用作为一种共振反馈分量耦合元件，而第二反射式衍射光栅用作为用于输出射束的射束合并元件。本发明的其它实施方式可以采用各种不同的外部共振器和射束合并系统构造。替代的构造可以包括(但不限于)具有带三个分支(例如图3所示的共振器和射束耦合器)的光路的构造以及具有带五个分支或任意数量分支的光路的构造。替代的构造还可以包括(但不限于)为了共振反馈分量耦合以及输出射束合并这两者(例如图5所示的共振器和射束合并设备)采用在第一阶中具有高衍射效率的反射式衍射光栅。
图2示出了射束发射器的阵列以及干涉外部共振器的发射器阵列变换臂(emitterarraytransformationarm)。图2所示的发射器阵列201是二极管激光发射器的阵列。二极管激光发射器的阵列可以包括二极管条的堆栈，其中，每个二极管条包括多个发射器。阵列还可以是一维的或二维的。典型地，二极管条中的每个发射器具有非对称的射束轮廓，对此可限定垂直于射束传播方向的两个轴线。这两个轴线可以被称为快轴线和慢轴线，并且也彼此垂直。激光束将沿着快轴线更加快速地发散并沿着慢轴线更缓慢地发散。在替代的实施例方式中，发射器阵列201可以包括多个气体激光器、化学激光器、准分子激光器、固态激光器、光子晶体激光器、染料激光器或者任何其它类型的激光源。
多个柱面快轴线准直光学镜片202使得由二极管激光发射器201的阵列中的二极管激光发射器发出的每个射束沿着快轴线准直。多个射束旋转器203使得由二极管激光发射器201的阵列中的二极管激光发射器发出的每个射束旋转。每个射束旋转器使得其相应的射束在与传播方向垂直的方向上旋转九十度。替代地，该装置可以被设置成不采用射束旋转器。在这种情况中，有利的是可以采用慢轴线准直镜片阵列，以增加慢轴线中的光学填充系数。
柱面慢轴线准直光学镜片204沿着射束慢轴线准直自多个射束旋转器203发出的每个旋转后的射束。位置-至-角度变换元件206将由二极管激光发射器201的阵列中的二极管激光发射器发射的射束的空间分布变换成角度分布。位置-至-角度变换元件206可以是透镜、棱镜体、或者为射束赋予透射角(其由射束入射到元件上的位置确定)的任何其它元件。位置-至-角度变换元件206为由二极管激光发射器201的阵列发射的且自第一柱面慢轴线伸缩筒光学镜片205发出的每个射束赋予相对于反射式衍射光栅208的入射角。在一些实施例方式中，由位置-至-角度变换元件206赋予的入射角被选择成，所有的射束将在自反射式衍射光栅208被衍射为衍射的发射器阵列变换臂输出209之后在空间上和方向上重叠。替代地，由位置-至-角度变换元件206赋予的入射角被选择成，反射的发射器阵列变换变换臂输出210在由随后的衍射元件衍射之前将在空间上并在方向上重叠。在一些实施方式中，二极管射束发射器201的阵列被定位成，阵列中的每个发射器相对于反射式衍射光栅208处于特定的角度。在此类实施方式中，每个发射器相对于反射式衍射光栅208以期望的角度发射射束，并且因此，位置-至-角度变换元件无需被包含在系统中。
在图2所示的发射器阵列变换臂被构造在共振器腔内时，共振反馈分量211在相反的方向上横贯发射器阵列变换臂。取决于共振器腔的其它部件的构造，入射到反射式衍射光栅208上的共振反馈分量211可以是多频谱射束，其包括多个独立的、单波长射束，它们在空间上和方向上重叠；或者共振反馈分量211可以包括多个单独的、单波长射束，每个具有角频谱。在前一种情况中，反射式衍射光栅208将使得共振反馈分量211衍射并因而将入射射束的波长频谱变换成角频谱。在后一种情况中，反射式衍射光栅208将使得共振反馈分量211反射并保留原有的角频谱。在每种情况中，共振反馈分量211将包括多个单波长射束并在达到位置-至-角度变换元件206之后将具有角频谱。在共振反馈分量传播的方向上，位置-至-角度变换元件206将用作为一种角度-至-位置变换元件并将位置频谱赋予共振反馈分量。位置频谱对应于二极管激光发射器201阵列中的每个发射器的位置布置。在图2所示的发射器阵列变换臂中，反馈效率为耦合到二极管激光发射器201阵列中的发射器的波导中的光功率与由共振反馈分量211所携带的总光功率之比。
图3示出了干涉外部共振器与射束合并设备，其采用反射式衍射元件来提供用于射束波长稳定的共振反馈。图3示出了干涉外部共振器，其具有两个光路臂：发射器射束变换臂330以及反馈臂335。该设备还具有第三光路臂(输出臂340)，其不是外部共振器的一部分。激光源301位于发射器射束变换臂330的第一末端处。激光源301包括多个发射器，所述多个发射器相对于彼此位于固定的位置。所述多个发射器中的每一个发射器的位置限定了发射器空间位置分布中的点。激光源301发射多个单波长(即窄频谱带宽)输入射束，所述多个输入射束一起构成了外部共振器输入302。
在离开激光源之后，外部共振器输入302具有位置频谱，其对应于发射器空间位置分布。位置频谱将外部共振器输入302的每个组成射束映射于激光源301的特定的发射器。外部共振器输入302从激光源朝向第一反射式衍射元件304经过位置-至-角度变换元件303传播。位置-至-角度变换元件303为每个组成射束赋予相对于第一反射式衍射元件304的入射角，其中，各入射角对应于各组成射束的空间位置。位置-至-角度变换元件303因而将外部共振器输入302的位置频谱变换成角频谱。因而，在从位置-至-角度变换元件303发出之后，外部共振器输入302具有角频谱。在如图3所示的实施例中，位置-至-角度变换元件303是Fourier透镜。然而，在替代的实施方式中，各种不同的替代变换透镜包括Fresnel透镜、镜结构、棱镜体以及衍射光栅可以被用作为位置-至-角度变换元件303。
在传播经过位置-至-角度变换元件303之后，外部共振器输入302在冲击第一反射式衍射元件304之后分成独立的分量。在如图3所示的实施例中，第一反射式衍射元件304是低衍射效率的衍射光栅。因此，入射射束的主要功率由于与作为反射的第一反射式衍射元件的相互作用而作为反射出现，而随后的较小的分量作为衍射出现。在如图3所示的实施例中，优选的是入射射束的大致所有功率由于与衍射光栅的相互作用而作为零阶衍射(反射)或第一阶衍射出现。此外，优选的是，由反射所携带的光功率是由衍射所携带的光功率的至少四倍。换句话说，在如图3所示的实施例中，期望的是选择一种衍射光栅，其具有低于百分之二十的第一阶衍射效率并同时具有高于百分之八十的零阶衍射效率。
源自外部共振器臂输入302与第一反射式衍射元件304之间的相互作用的第一分量是一种构成输出臂输入305的反射。输出臂输入305包括多个单波长组成射束，它们以彼此相对不同的角度由于相互作用而发出。换句话说，输出臂输入305具有角频谱，该角频谱是由位置-至-角度变换元件303赋予在外部共振器臂输入302上的角频谱的反映。在自第一反射式衍射元件304发出之后，输出臂输入305冲击第二反射式衍射元件306。
第二反射式衍射元件306是高效率的射束合并反射式衍射光栅。第二反射式衍射元件反射地衍射输出臂输入305，因而将输出臂输入转换成多频谱的合并的输出射束307。第二反射式衍射元件具有特别高的第一阶衍射效率。实际上，反射式衍射光栅可以实现最高99.8％的衍射效率。具有非常高的衍射效率的反射式衍射元件的采用导致了归因于输出合并元件的输出功率的非常小的损失，并因而改善了整体系统的电光转化效率(wall-plugefficiency)。
多频谱合并的输出射束307包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束，它们是由激光源301的多个发射器发出的射束的一部分。为了确保多波长合并的输出射束307的所有组成射束共享共同的传播方向，激光源301、位置-至-角度变换元件303、第一反射式衍射光栅304、第一和第二输出臂透镜306和307、以及第二反射式衍射光栅306的相对位置必须相对于彼此被固定在精确的位置。具体地，光学部件必须被定位成，自激光源301发射的多个单波长射束的、达到第二反射式衍射元件306的分量自第二反射式衍射元件306的重叠区域以共同传播方向发出。
源自外部共振器臂输入302与第一反射式衍射元件304之间的相互作用的第二分量是一种构成反馈臂输入308的衍射。反馈臂输入308包括优选的共振模式分量308A以及备选的共振模式分量308B。优选的共振模式分量308A是合并的射束，其包括多个空间上和方向上重叠的单波长组成射束。优选的共振模式分量308A的各组成射束是外部共振器输入302的组成射束的反射式衍射。优选的共振模式分量308A的各组成射束是平行的，即，它们自第一反射式衍射元件304以共同的传播方向发出。优选的共振模式分量308A的每个组成射束包括与激光源301的一个发射器的优选共振模式对应的电磁辐射。备选的共振模式分量308B包括多个单波长组成射束，它们自第一反射式衍射元件304以相对于优选的模式分量308A的共同传播方向不同的角度发出。因而，备选的共振模式分量308B的组成射束并不是在空间上和方向上相对于彼此或相对于优选的模式分量308A的组成射束重叠。换句话说，备选的共振模式分量308B具有比优选的模式分量308A更宽的角频谱。因此，备选的共振模式分量308B将导致射束品质的变差。备选的共振模式分量308B的每个组成射束包括与激光源301的发射器的替代的、非优选模式对应的电磁辐射。如果备选的共振模式分量308B被允许传播经过反馈臂并返回至激光源301，则备选的共振模式分量可以激发不期望的频谱分量从激光源301发射。这种不期望的频谱分量的一部分将传播出系统并造成多波长合并的输出射束307的射束品质变差。
在自第一反射式衍射光栅304发出之后，反馈臂输入308传播经过反馈臂伸缩筒的第一透镜309。反馈臂伸缩筒的第一透镜309将优选的共振模式分量308A指向成穿过空间滤波元件310，但将备选的共振模式分量308B指向到空间滤波元件310，方式为使得空间滤波元件阻挡备选的共振模式分量308B。在该方式中，备选的共振模式分量308B是从外部共振器被滤出并被防止返回至激光源301并因而被防止激励激光源308的发射器的备选的共振模式。组成备选的共振模式分量308B的电磁辐射可以由组成空间滤波元件310的材料吸收，或者可以自空间滤波元件310被反射或传播经过空间滤波元件310，方式为该电磁辐射自限定外部共振器的光路被转向。在各个不同的实施方式中，空间滤波元件可以是波导结构、一组具有梯度层的镜子、或者光圈、例如光阑。
在经过空间滤波元件310之后，优选的模式分量308A经过反馈臂伸缩筒的第二透镜311并朝向反馈臂高反射镜312地传播。优选的模式分量308A自反馈臂高反射镜312被反射为反馈臂输出313。反馈臂输出313是合并的射束，其包括多个单波长组成射束，每个组成射束包括与激光源301的优选的共振模式对应的电磁辐射。在自反馈臂高反射镜312反射之后，反馈臂输出313的组成射束在相反的方向上传播经过反馈臂伸缩筒的第二透镜311、经过空间滤波元件310、并经过反馈臂伸缩筒的第一透镜309。此后，反馈臂输出的组成射束冲击第一反射式衍射元件304。在冲击第一反射式衍射元件304之后，反馈臂输出313分成多个分离的分量。
源自反馈臂输出313与第一反射式衍射元件304之间的相互作用的第一分量是一种构成附加的反馈臂输入308的反射。附加的反馈臂输入308是合并的射束，其包括多个平行的、例如方向上重叠的且空间上重叠的单波长射束。源自反馈臂输出313与第一反射式衍射元件304之间的相互作用的第二分量是一种构成附加的输出臂输入305的负第一阶衍射。源自反馈臂输出313与第一反射式衍射元件304之间的相互作用的第三分量是一种构成激光源共振反馈314的第一阶衍射。在如图3所示的实施例中，反馈效率是耦合到激光源301的波导中的光功率与由激光源共振反馈314携带的总光功率之比。为了促使激光源301的发射器的波长稳定，反馈效率应当是百分之三十或更大，并且优选地大于百分之七十。反馈臂输出313在第一反射式衍射光栅304处的衍射将角频谱赋予到激光源共振反馈314上。具体地，第一反射式衍射光栅将角衍射赋予激光源共振反馈314的每个组成射束上。激光源共振反馈314在与外部共振器输入302的方向相反的传播方向上朝向激光源301经过位置-至-角度变换元件303传播。位置-至-角度变换元件303将激光源共振反馈314的角频谱变换成与激光源301中的多个发射器的空间分布对应的位置频谱。因而，位置-至-角度变换元件303将激光源共振反馈314的每个组成射束指向到激光源301的单个发射器中，因而激发了与激光源301的每个发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射的发射。
图4示出了替代的干涉外部共振器与射束合并设备，其采用反射式衍射元件，以为射束波长稳定提供共振反馈并将多个单波长输入射束合并成合并的、多波长输出射束。图4示出了干涉外部共振器，其具有三个光路臂：发射器射束变换臂430、第一反馈臂435、以及第二反馈臂440。如图4所示的设备还包括第四光路臂(输出臂445)，其不是干涉外部共振器的一部分。激光源401位于发射器射束变换臂430的第一末端处。激光源401包括多个发射器，所述多个发射器彼此相对位于固定的位置。所述多个发射器的每一个发射器的位置限定了发射器空间位置分布中的点。激光源401发射多个单波长、即窄频谱带宽的输入射束，其中所述多个射束一起构成了外部共振器输入402。
在离开激光源之后，外部共振器输入402具有与发射器空间位置分布对应的位置频谱。外部共振器输入402从激光源401朝向第一反射式衍射元件404经过位置-至-角度变换元件403传播。位置-至-角度变换元件403为外部共振器输入402的每个组成射束赋予相对于第一反射式衍射元件404的入射角。所赋予的入射角对应于组成射束的空间位置并因而对应于激光源401中的发射器的空间位置。位置-至-角度变换元件403因而将外部共振器输入402的位置频谱变换成角频谱。因此，在从位置-至-角度变换元件403发出后，外部共振器输入402具有角频谱。在如图4所示的实施例中，位置-至-角度变换元件403是Fourier透镜。然而，在替代的实施方式中，各种不同的替代的变换光学器件包括Fresnel透镜、镜结构、棱镜体以及衍射光栅可以用作为位置-至-角度变换元件403。
在传播经过位置-至-角度变换元件403之后，外部共振器输入402与第一反射式衍射元件404相互作用。在如图4所示的实施例中，第一反射式衍射元件404是低衍射效率的衍射光栅。因此，入射的射束的主要功率由于与第一反射式衍射元件的相互作用而作为反射出现，而大致更小的分量作为衍射出现。在如图4所示的实施例中，优选的是入射的射束的大致所有功率由于与衍射光栅的相互作用而作为零阶衍射(其中射束被反射)或作为第一阶衍射而出现。此外，优选的是由反射所携带的光功率是由衍射所携带的光功率的至少四倍。换句话说，在如图4所示的实施例中，优选的是选择一种衍射光栅，其具有小于百分之二十的第一阶衍射效率并同时具有大于百分之八十的零阶衍射效率。
源自外部共振器臂输入402与第一反射式衍射元件404之间的相互作用的第一分量是构成输出臂输入405的反射。输出臂输入405由多个组成射束组成并具有角频谱，其是由位置-至-角度变换元件403赋予到外部共振器输入402上的角频谱的反映。在从第一反射式衍射元件404发出之后，输出臂输入405在冲击第二反射式衍射元件408之前经过第一输出臂伸缩筒透镜406和第二输出臂伸缩筒透镜407传播。
第二反射式衍射元件408是一种高效率的反射式衍射元件，其用作为用于输出射束的射束合并元件。反射式衍射元件可以获得与透射衍射元件能够获得的相比显著更多的衍射效率。因此，反射式衍射元件的采用通过减小归因于输出射束合并的功率损失而提供增加的电光转化效率。输出臂输入405经由与第二反射式衍射元件408的相互作用而转换成多频谱的合并的输出射束409。多频谱的合并的输出射束409包括多个空间上重叠的组合射束，它们是输出臂输入405的组成射束的衍射。此外，多频谱的合并的输出射束的组成射束在方向上重叠，即它们共享共同的传播方向。为了确保合并的输出射束的组成射束在空间上重叠并且是平行的，激光源401、位置-至-角度变换元件403、第一反射式衍射光栅404、第一和第二输出臂透镜406和407、以及第二反射式衍射元件408的相对位置彼此相对固定在精确的位置。
源自外部共振器臂输入402与第一反射式衍射元件404之间相互作用的第二分量是构成了第一反馈臂输入410的衍射。第一反馈臂输入410包括优选的共振模式分量410A以及备选的共振模式分量410B。优选的共振模式分量410A是一合并的射束，其包括多个空间上和方向上重叠的单波长组成射束，所述多个组成射束自第一反射式衍射元件404以共同的传播方向发出。优选的共振模式分量410A的组成射束是外部共振器输入402的组成射束的反射式衍射。优选的共振模式分量410A的每个组成射束包括与激光源401的发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。备选的共振模式分量410B包括多个单波长组成射束，它们从第一反射式衍射元件404以相对于优选的模式分量410A的共同的传播方向不同的角度发出。因而，备选的共振模式分量410B的组成射束并不是相对于彼此或相对于优选的模式分量410A的组成射束在空间上并在方向上重叠。换句话说，备选的共振模式分量410B具有更宽的角频谱。备选的共振模式分量410B的每个组成射束包括与激光源401的发射器的替代的、非优选的模式对应的电磁辐射。换句话说，备选的共振模式分量410B包括第一反馈臂输入410的不期望的频谱分量。
在从第一反射式衍射光栅404发出之后，第一反馈臂输入410传输经过第一反馈臂伸缩筒的第一透镜411。第一反馈臂伸缩筒的第一透镜411将优选的模式分量410A指向经过空间滤波元件412，但是将备选的共振模式分量410B指向到空间滤波元件412中，从而其自限定外部共振器的光路转向。以这种方式，备选的共振模式分量410B从外部共振器被滤出并且被防止返回至激光源并因而被防止激励激光源401的发射器的备选的共振模式。组成备选的共振模式分量410B的电磁辐射可以由组成空间滤波元件412的材料吸收，或者可以自空间滤波元件412被反射或传输经过空间滤波元件412，方式为其自限定外部共振器的光路转向。
在经过空间滤波元件之后，优选的模式分量410A传播经过第一反馈臂伸缩筒的第二透镜413并朝向第一反馈臂高反射镜414。优选的模式分量410A自第一反馈臂高反射镜414被反射为第一反馈臂输出415。第一反馈臂输出415是一合并的射束，其包括多个单波长组成射束。第一反馈臂输出415的每个组成射束包括与激光源401的发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。在自第一反馈臂高反射镜414反射之后，第一反馈臂输出415的组成射束在相反的方向上行进经过第一反馈臂伸缩筒的第二透镜413、经过空间滤波元件412、并经过第一反馈臂伸缩筒的第一透镜411，直到组成射束冲击第一反射式衍射元件404。在冲击第一反射式衍射元件404之后，第一反馈臂输出415分成分离的分量。
第一反馈臂输出415的源自第一反射式衍射元件404的第一分量是构成了第二反馈臂输入416的反射。第二反馈臂输入416经过第二反馈臂伸缩筒的第一透镜417和第二透镜418并朝向第二反馈臂高反射镜419地传播。第二反馈臂输入416自第二反馈臂高反射镜419被反射为第二反馈臂输出420。在自第二反馈臂高反射镜419反射之后，第二反馈臂输出420的各组成射束在相反的方向上行进经过第二反馈臂伸缩筒的第二透镜418和第一透镜417，直至各组成射束冲击第一反射式衍射元件404。在冲击第一反射式衍射元件404之后，第二反馈臂输出420分成分离的分量。第一分量是用作为附加的第一反馈臂输入410的反射。因此，射束的分量继续来回行进经过第一反馈臂435和第二反馈臂440。因而，干涉仪由第一反馈臂高反射镜414、第二反馈臂高反射镜419、以及第一反射式衍射元件404形成。第二分量是用作为附加的输出臂输入405的反射式衍射。
第一反馈臂输出415的源自第一反射式衍射元件404的第二分量是构成了激光源共振反馈421的第一阶衍射。第一反馈臂输出415在第一反射式衍射光栅404处的衍射将角频谱赋予到激光源共振反馈421上。激光源共振反馈421在与外部共振器输入402的方向相反的传播方向上朝向激光源401经过位置-至-角度变换元件403传播。在如图4所示的实施例中，反馈效率是耦合到激光源401的波导中的光功率与由激光源共振反馈421所携带的总光功率之比。为了促使激光源401的发射器的波长稳定，反馈效率应当是百分之三十或更大，并且优选地大于百分之七十。位置-至-角度变换元件403将激光源共振反馈的角频谱变换成与激光源401中的每个发射器的位置对应的位置频谱。以该方式，激光源共振反馈421的每个组成射束被指向到激光源401的单个发射器中，因而激发了与激光源401的每个发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射的发射。
图5示出了干涉外部共振器与射束合并设备，其采用高衍射效率的反射式衍射元件，从而为射束稳定提供共振反馈并将多个单波长输入射束合并成合并的、多频谱的输出射束。图5示出了干涉外部共振器，其具有三个光路臂：发射器射束变换臂530、第一反馈臂535、以及第二反馈臂540。激光源501位于发射器射束变换臂530的第一末端处。激光源501包括多个发射器，所述多个发射器彼此相对位于固定的位置。多个发射器的每一个发射器的位置限定了发射器空间位置分布中的点。激光源501发射多个单波长的、即窄频谱带宽的输入射束，所述多个输入射束一起构成了外部共振器输入502。在离开激光源之后，外部共振器输入502具有与发射器空间位置分布对应的位置频谱。这使得外部共振器输入502的每个组成射束被映射至激光源501的特定的发射器(通过其空间位置来实现)。外部共振器输入502从激光源朝向反射式衍射元件504经过位置-至-角度变换元件503传播。
位置-至-角度变换元件503将每个单波长输入射束的位置映射至相对于反射式衍射元件504的入射角。位置-至-角度变换元件503因而将外部共振器输入502的位置频谱变换成角频谱。因而，在从位置-至-角度变换元件503发出之后，外部共振器输入502具有角频谱。具体地，在从位置-至-角度变换元件503发出之后，外部共振器输入502的每个组成射束及其对应的发射器可以通过相对于衍射元件504的入射角被识别。在如图5所示的实施例中，位置-至-角度变换元件503是Fourier透镜。然而，在替代的实施方式中，各种不同的替代变换光学器件包括Fresnel透镜、镜结构、棱镜体以及衍射光栅可以用作为位置-至-角度变换元件503。
在传播经过位置-至-角度变换元件503之后，外部共振器输入502在冲击第一反射式衍射元件504之后分成分离的分量。在如图5所示的实施例中，反射式衍射元件504是高效率的衍射光栅，其用作为输出合并元件以及共振反馈臂耦合元件这两者。因此，入射的射束的主要功率由于与第一反射式衍射元件的相互作用而作为衍射出现，而大致较小的分量作为反射出现。在如图5所示的实施例中，优选的是入射的射束的大致所有功率由于与衍射光栅的相互作用而作为零阶衍射或作为第一阶衍射出现。此外，优选的是由第一阶衍射所携带的光功率是由零阶衍射所携带的光功率的至少四倍。换句话说，在如图5所示的实施例中，期望的是选择一衍射光栅，其具有大于80％的第一阶衍射效率并同时具有小于20％的零阶衍射效率。
外部共振器臂输入502的源自反射式衍射元件504的第一分量是共振器臂输入505的构成了系统输出505的反射式衍射。系统输出505包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束，它们自激光源501的多个发射器发射。激光源501、位置-至-角度变换元件503、以及反射式衍射元件504的空间位置相对于彼此固定在精确的位置，从而自激光源501发射的多个单波长射束的、作为系统输出505发射的分量自反射式衍射元件504的重叠区域以共同的传播方向发出。
外部共振器臂输入502的源自反射式衍射元件504的第二分量是构成了第一反馈臂输入506的反射。第一反馈臂输入506包括多个单波长组成射束。第一反馈臂输入506具有角频谱，其是由位置-至-角度变换元件503赋予外部共振器臂输入502上的角频谱的反映。在从反射式衍射元件504发出之后，第一反馈臂输入506行进经过第一反馈臂透镜507。第一反馈臂透镜507将第一反馈臂输入506的组成射束指向到第一反馈臂高反射镜508上。在冲击第一反馈臂高反射镜508之后，第一反馈臂输入506的组成射束被反射为第一反馈臂输出509。第一反馈臂输出向回行进经过第一反馈臂透镜507并冲击反射式衍射光栅504，其将第一反馈臂输出509分成分离的分量。
第一反馈臂输出509的源自反射式衍射元件的第一分量是构成了未过滤的激光源共振反馈518的反射。第二反馈臂输出509的源自反射式衍射元件的第二分量是构成了第二反馈臂输入510的反射式衍射。第二反馈臂输入510包括优选的共振模式分量510A以及备选的共振模式分量510B。优选的共振模式分量510A包括多个空间上和方向上重叠的单波长组成射束，所述多个组成射束从反射式衍射元件504以共同的传播方向发出。优选的共振模式分量510A的每个组成射束包括与激光源501的发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。备选的共振模式分量510B包括多个单波长组成射束，所述多个组成射束自反射式衍射元件504以相对于优选的模式分量510A的共同的传播方向的一角度发出。因而，备选的共振模式分量510B的组合射束并非相对于彼此或者相对于优选的模式分量510A的组成射束在空间上并在方向上重叠。备选的共振模式分量510B的每个组成射束包括与激光源501的发射器的替代的、非优选的模式对应的电磁辐射。换句话说，备选的共振模式分量510B包括第二反馈臂输入510的非期望的频谱分量。
在从反射式衍射元件504发出之后，第二反馈臂输入510行进经过第二反馈臂伸缩筒的第一透镜511。第二反馈臂伸缩筒的第一透镜511将优选的模式分量510A指向经过空间滤波元件512，但是将备选的共振模式分量510B指向到空间滤波元件512，从而该分量从限定外部共振器的光路离开。以这种方式，备选的共振模式分量510B从外部共振器被滤出，并且被防止返回至激光源并因而被防止激励激光源501的发射器的备选的共振模式。组成备选的共振模式分量510B的电磁辐射可以由组成空间滤波元件512的材料吸收，或者可以自空间滤波元件512被反射或者传输经过空间滤波元件512，方式为其从限定外部共振器的光路转向。
在经过空间滤波元件之后，优选的模式分量510A经过第二反馈臂伸缩筒的第二透镜513并朝向第二反馈臂高反射镜514地传播。优选的模式分量510A自第二反馈臂高反射镜514被反射为第二反馈臂输出515。第二反馈臂输出515是合并的射束，其包括多个单波长组成射束，每个组成射束包括与激光源501的发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。在从第二反馈臂高反射镜514反射之后，第二反馈臂输出515的组合射束在相反的方向上行进经过第二反馈臂伸缩筒的第二透镜513、经过空间滤波元件512、并经过第二反馈臂伸缩筒的第一透镜511，直至所述组合射束冲击第一反射式衍射元件504。
在冲击第一反射式衍射元件504之后，第二反馈臂输出515分成分离的分量。第一分量是用作为附加的系统输出505的反射。第二分量是用作为过滤的第一反馈臂输入516的衍射。
过滤的第一反馈臂输入516横贯第一反馈臂，并且自第一反馈臂高反射镜508被反射为过滤的第一反馈臂输出517。过滤的第一反馈臂输出517冲击反射式衍射元件504并分成分离的分量。过滤的第一反馈臂输出517的源自反射式衍射元件504的第一分量是构成了附加的第二反馈臂输入510的反射式衍射。因此，射束的分量继续来回行进经过第一反馈臂535和第二反馈臂540。因而，干涉仪由第一反馈臂高反射镜508、第二反馈臂高反射镜514、以及第一反射式衍射元件504形成。过滤的第一反馈臂输出517的源自反射式衍射元件的第二分量是构成了过滤的激光源共振反馈518的反射。激光源共振反馈518在与外部共振器输入502的方向相反的传播方向上朝向激光源501经过位置-至-角度变换元件503传播。位置-至-角度变换元件503将过滤的激光源共振反馈518的角频谱变换成与激光源501中的每个发射器的位置对应的位置频谱。在该方式中，激光源共振反馈518的每个组成射束被指向到激光源501的单个发射器中，因而激发了与激光源501的每个发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。在如图5所示的实施例中，反馈效率是耦合到激光源501的波导中的光功率与由激光源共振反馈518所携带的总光功率之比。为了促使激光源501的发射器的波长稳定，反馈效率应当是百分之三十或更大，并且优选大于百分之七十。
图6示出了附加的干涉外部共振器与射束合并设备，其采用具有后侧热管理系统的高衍射效率的反射式衍射元件，从而为射束稳定提供共振反馈并将多个单波长输入射束合并成合并的、多频谱的输出射束。图6示出了干涉外部共振器与射束耦合器，其具有三个光路臂：发射器射束变换臂630、第一反馈臂635、以及第二反馈臂640。激光源601位于发射器射束变换臂630的第一末端处。激光源601包括多个发射器，所述多个发射器相对于彼此位于固定的位置。多个发射器的每一个发射器的位置限定了发射器空间位置分布中的点。激光源601发射多个单波长的、即窄频谱带宽的输入射束，所述多个输入射束一起构成了外部共振器输入602。
在离开激光源之后，外部共振器输入602具有位置频谱，其对应于发射器空间位置分布。这使得外部共振器输入602的每个组成射束通过其空间位置被映射至激光源601的特定的发射器(通过其空间位置来实现)。外部共振器输入602从激光源朝向反射式衍射元件604经过位置-至-角度变换元件603传播。位置-至-角度变换元件603将每个单波长输入射束的位置映射至相对于反射式衍射元件604的入射角。位置-至-角度变换元件603因而将外部共振器输入602的位置频谱变换成角频谱。因而，在从位置-至-角度变换元件603发出之后，外部共振器输入602具有角频谱。具体地，在从位置-至-角度变换元件603发出之后，外部共振器输入602的每个组成射束及其对应的发射器可以由相对于衍射元件604的入射角被识别。在如图6所示的实施例中，位置-至-角度变换元件603是Fourier透镜。然而，在替代的实施例中，各种不同的替代的变换光学器件包括Fresnel透镜、镜结构、以及衍射光栅可以用作为位置-至-角度变换元件603。
在传播经过位置-至-角度变换元件603之后，外部共振器输入602在冲击第一反射式衍射元件604之前分成分离的分量。在如图6所示的实施例中，反射式衍射元件604是高效率的衍射光栅，其用作为输出射束合并元件以及共振反馈臂耦合元件这两者。因此，输入射束的大部分功率由于与第一反射式衍射元件的相互作用而作为衍射出现，而大致较小的分量作为反射出现。在如图6所示的实施例中，优选的是输入射束的大致所有功率由于与衍射光栅的相互作用而作为零阶衍射或第一阶衍射出现。此外，优选的是，由第一阶衍射所携带的光功率是由零阶衍射所携带的光功率的至少四倍。换句话说，在如图6所示的实施例中，期望的是选择一衍射光栅，其具有大于80％的第一阶衍射效率以及同时具有小于20％的零阶衍射效率。
在如图6所示的实施例中，反射式衍射元件604还包括后侧热管理系统620。后侧热管理系统620消除因反射式衍射元件604的电磁辐射吸收所产生的热量。后侧热管理系统620有助于大致一维热流(在与反射式衍射元件604的表面所位于平面垂直的方向上)，并因而减小归因于构成反射式衍射元件604的材料加热的射束变形。一维热流进一步抑制了热聚集效应，并消除了光栅常数中的由于反射式衍射元件604的加热所导致的热梯度的局部差异。通过选择具有合适的厚度与直径之比以及后侧冷却元件620的衍射元件可以实现一维热流。后侧冷却元件620以“形状配合”的方式与反射式衍射元件604接触安置，提供了附加的优点，形式是为反射式衍射元件604提供了机械稳定性，因而防止元件604在热载荷下弯曲。在如图6所示的实施例中，反射式衍射元件604在具有高导热率以及低热膨胀系数的基板上形成。例如，反射式衍射元件604可以由金刚石、蓝宝石、或Zerodur的玻璃陶瓷制成的基板形成。后侧热管理元件620可以由具有高导热率的材料、例如铜制成。后侧热管理元件620还具有冷却通道621。冷却通道621可以充注具有高特定热量的液体例如水。冷却通道621将在反射式衍射元件604处产生的且传播到后侧热管理元件620中的热量从反射式衍射元件604带离。本领域技术人员将清楚，如图6所示并在此所述的冷却系统可以用于在前面附图中示出的各种不同的反射性光学元件。例如，后侧冷却元件(如后侧冷却元件620)可以用于图1、3和4的第一和第二反射式衍射元件，并用于图2和5的反射式衍射元件。
外部共振器臂输入602的源自反射式衍射元件604的第一分量是共振器臂输入605的构成了系统输出605的衍射。系统输出605包括多个空间上和方向上重叠的单波长射束，所述多个单波长射束自激光源601的多个发射器发射。激光源601、位置-至-角度变换元件603、以及反射式衍射元件604的空间位置相对于彼此固定在精确的位置，从而从激光源601发射的多个单波长射束的作为系统输出605发射的分量从反射式衍射元件604的重叠区域以共同的传播方向发出。
外部共振器臂输入602的源自反射式衍射元件604的第二分量是构成了第一反馈臂输入606的反射。第一反馈臂输入606包括多个单波长组成射束。第一反馈臂输入606具有角频谱，其是由位置-至-角度变换元件603赋予外部共振器臂输入602上的角频谱的反映。在从反射式衍射元件604发出之后，第一反馈臂输入606行进经过第一反馈臂透镜607。第一反馈臂透镜607将第一反馈臂输入606的组成射束指向到第一反馈臂高反射镜608上。在冲击第一反馈臂高反射镜608之后，第一反馈臂输入606的组成射束被反射为第一反馈臂输出609。第一反馈臂输出向回行进经过第一反馈臂透镜607并冲击反射式衍射元件604，所述反射式衍射元件将第一反馈臂输出609分成分离的分量。
第一反馈臂输出609的源自反射式衍射元件的第一分量是构成了未过滤的激光源共振反馈618的反射。第二反馈臂输出609的源自反射式衍射元件的第二分量是构成了第二反馈臂输入610的反射式衍射。第二反馈臂输入610包括优选的共振模式分量610A以及备选的共振模式分量610B。优选的共振模式分量610A包括多个空间上和方向上重叠的单波长组成射束，所述多个组成射束从反射式衍射元件604以共同的传播方向发出。优选的共振模式分量610A的每个组成射束包括与激光源601的发射器的优选共振模式对应的电磁辐射。备选的共振模式分量610B包括多个单波长组成射束，它们从反射式衍射元件604以相对于优选的模式分量610A的共同的传播方向的一角度发出。因而，备选的共振模式分量610B的组成射束并非相对于彼此或相对于优选的模式分量610A的组成射束在空间上并在方向上重叠。备选的共振模式分量610B的每个组成射束包括与激光源601的发射器的替代的、非优选的模式对应的电磁辐射。
在从反射式衍射元件604发出之后，第二反馈臂输入610行进经过第二反馈臂伸缩筒的第一透镜611。第二反馈臂伸缩筒的第一透镜611将优选的模式分量610A指向经过空间滤波元件612，但是将备选的共振模式分量610B指向到空间滤波元件612上，从而其从限定共振器的光路离开。在这种方式中，备选的共振模式分量610B从外部共振器被滤出，并被防止返回至激光源601并因而被防止激励发射器的备选的共振模式。构成备选的共振模式分量610B的电磁辐射可以由组成空间滤波元件612的材料吸收，或者可以自空间滤波元件612被反射或传播经过空间滤波元件，从而电磁辐射自限定外部共振器的光路转向。
在经过空间滤波元件之后，优选的模式分量610A经过第二反馈臂伸缩筒的第二透镜613并朝向第二反射波高反射镜614地传播。优选的模式分量610A自第二反馈臂高反射镜614被反射为第二反馈臂输出615。第二反馈臂输出615是合并的射束，其包括多个单波长组成射束，每个组成射束包括与激光源601的发射器的优选的共振模式对应的电磁辐射。在从第二反馈臂高反射镜614反射之后，第二反馈臂输出615的组成射束在相反的方向上行进经过第二反馈臂伸缩筒的第二透镜613、经过空间滤波元件612、并经过第二反馈臂伸缩筒的第一透镜611，直至各组成射束冲击第一反射式衍射元件604。在冲击第一反射式衍射元件604之后，第二反馈臂输出615分成分离的分量。第一分量是用作为附加的系统输出605的反射。第二分量是用作为过滤的第一反馈臂输入616的衍射。
过滤的第一反馈臂输入616横贯第一反馈臂并自第一反馈臂高反射镜608被反射为过滤的第一反馈臂输出617。过滤的第一反馈臂输出617冲击反射式衍射元件604并分成分离的分量。过滤的第一反馈臂输出617的源自反射式衍射元件604的第一分量是构成了附加的第二反馈臂输入610的反射式衍射。因此，射束的分量继续来回行进经过第一反馈臂635和第二反馈臂640。因此，干涉仪由第一反馈臂高反射镜608、第二反馈臂高反射镜614、以及第一反射式衍射元件604形成。过滤的第一反馈臂输出617的源自反射式衍射元件的第二分量是构成了过滤的激光源共振反馈618的反射。激光源共振反馈618在与外部共振器输入602的方向相反的传播方向上朝向激光源601经过位置-至-角度变换元件603传播。位置-至-角度变换元件603将过滤的激光源共振反馈618的角频谱变换成与激光源601中的每个发射器的位置对应的位置频谱。在该方式中，激光源共振反馈618的每个组成射束被指向到激光源601的单个发射器中，因而激发了与激光源601的每个发射器的优选共振模式对应的电磁辐射。在如图6所示的实施例中，反馈效率是耦合到激光源601的波导中的光功率与由激光源共振反馈618所携带的总光功率之比。为了促使激光源601的发射器的波长稳定，反馈效率应当是百分之三十或更大，并优选地大于百分之七十。
应当理解的是，本发明的实施方式可以与前述实例在细节方面不同。这样，对本发明的所有参照应当指的是在说明书中就该点所讨论的本发明的特定实例，且并不应意味着对本发明更宽泛范围的任何限制。针对特定特征的所有轻视和轻蔑的语言将表明并不偏爱这些附图，但是并不将它们完全排斥于本发明范围以外，除非以其它方式指出。
在描述本发明的上下文(尤其权利要求书的上下文)中属于“一个”、“一”和“所述”的采用应当理解涵盖了单数和复数，除非以其它方式指出或者明显与上下文相悖。术语“包括”、“具有”、“包含”、以及“含有”应当理解为是开放性的术语(即意味着“包括但不限于”)，除非以其它方式指出。除非以其它方式指出，在此值范围的提及仅仅用于各自指的是每个单独的值落入范围内的简写方法，并且每个单独的值被结合到说明书中就好像其被单独提及那样。在此所述的所有方法能够以任何合适的次序被执行，除非以其它方式指出或者明显与上下文相悖。任何以及所有实例或者在此所提供的示意性语言(例如，“诸如”)的使用仅仅是更好说明本发明并且不对本发明的范围强加限制，除非另外要求。申请文件中的语言不应理解为表明对本发明实践而言是关键的任何非要求保护元素。
因此，本发明包括权利要求书中所提到的符合法律要求的技术主题的所有改型和等价物。此外，上述元素在其所有可能改型中的任何组合由本发明所涵盖，除非以其它方式指出或者明显与上下文相悖。

Claims (40)

1.一种用于稳定由多个射束发射器发射的射束的波长的系统，所述系统包括：
所述多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；
第一反射式衍射元件；以及
反馈分支，其包含空间滤波系统；
其中，所述第一反射式衍射元件将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中，并且
其中，所述反馈分支将所述反馈分支输入的一部分向回引导到所述多个射束发射器中。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件接收源于所述多个射束发射器的射束，并将源自阵列的射束的衍射作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
第二反射式衍射元件；
其中，所述第二反射式衍射元件自所述第一反射式衍射元件接收源自所述多个射束发射器的射束的反射，并且
其中，所述第二衍射元件将源自所述多个射束发射器的射束的衍射引导作为系统输出。
4.根据权利要求1所述的射束稳定系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件接收源自所述多个射束发射器的射束，并将源自所述多个射束发射器的射束的反射作为反馈分支输入引导到所述反射分支中。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件接收源自所述多个射束发射器的射束，并将源自所述多个射束发射器的射束的衍射引导作为系统输出。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
在所述第一反射式衍射元件上安置的冷却元件。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷却元件在所述第一反射式衍射元件的一侧上安装，该侧与所述第一反射式衍射元件的、将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中的那一侧相反。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述冷却元件包含一个或多个冷却通道，所述冷却通道被构造成将热量从所述第一反射式衍射元件带离。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述冷却通道充注水。
10.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
在所述第二反射式衍射元件上安置的冷却元件。
11.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述冷却元件在所述第一反射式衍射元件的一侧上安置，该侧与所述第二反射式衍射元件的、将源于阵列的射束的一部分作为反馈分支输入引导到所述反馈分支中的那一侧相反。
12.根据权利要求10所述的系统，其特征在于，所述冷却元件包含一个或多个冷却通道，所述冷却通道被构造成将热量从所述第二反射式衍射元件带离。
13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述冷却通道充注水。
14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件的第一阶衍射效率小于20％。
15.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一反射式衍射元件的第一阶衍射效率大于80％。
16.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器为二极管射束发射器的阵列。
17.根据权利要求16所述的系统，其特征在于，所述二极管射束发射器的阵列中的每个射束发射器发射具有非对称轮廓的射束，其中，每个射束具有快轴线和慢轴线。
18.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器中的每个发射器包括波导，并且
所述反馈分支输入被向回引导到所述多个射束发射器中的那部分的光功率的至少百分之三十被耦合到多个波导中。
19.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述多个射束发射器中的每个发射器包括波导，并且
所述反馈分支输入被向回引导到所述多个射束发射器中的那部分的光功率的至少百分之七十被耦合到多个波导中。
20.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
形成发射器射束处理分支的多个光学元件；
其中，所述发射器射束处理分支位于所述多个射束发射器与所述第一反射式衍射元件之间，并且
其中，所述发射器射束处理分支接收由所述多个射束发射器发射的射束，并将由所述多个射束发射器发射的射束朝向所述第一反射式衍射元件引导。
21.根据权利要求20所述的系统，其特征在于，形成所述发射器射束处理分支的多个光学元件包括：
柱面快轴线准直光学镜片；以及
柱面慢轴线准直光学镜片，
其中，所述柱面快轴线准直光学镜片沿着所述射束的快轴线准直由所述射束发射器的阵列发射的射束，并且
其中，所述柱面慢轴线准直光学镜片沿着所述射束的慢轴线准直由所述射束发射器的阵列发射的射束。
22.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，形成所述发射器射束处理分支的多个光学元件还包括：
射束旋转器，其中，所述射束旋转器使得由所述射束发射器的阵列发射的每个射束旋转九十度。
23.根据权利要求21所述的系统，其特征在于，形成所述发射器射束处理分支的多个光学元件还包括：
柱面光学镜片，其中，所述柱面光学镜片将由所述多个射束发射器发射的每个射束聚焦到所述第一反射式衍射元件上的特定的点。
24.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述空间滤波系统包括以下之一：光圈、光阑、波导结构、以及包含梯度层的一组镜。
25.根据权利要求24所述的系统，其特征在于，所述空间滤波系统还包括伸缩筒，所述伸缩筒包含第一光学镜片和第二光学镜片。
26.一种用于使得由多个射束发射器发射的射束的波长稳定的方法，所述方法包括：
将发射的射束朝向第一反射式衍射元件引导；
将发射的射束的、来自所述第一反射式衍射元件的一部分作为反馈分支输入引导到反馈分支中；以及
将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支并向回引导到所述多个射束发射器中；
其中，将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支包括循序地引导所述反馈分支输入的一部分经过空间滤波系统。
27.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将发射的射束的一部分从所述第一反射式衍射元件作为反馈分支输入引导到反馈分支包括：
从所述第一反射式衍射元件将发射的射束的衍射作为反馈分支输入引导到反馈分支中。
28.根据权利要求27所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从所述第一反射式衍射元件将发射的射束的反射作为输出分支输入朝向第二反射式衍射元件引导；以及
从所述第二反射式衍射元件将所述输出分支输入的衍射作为输出射束引导。
29.根据权利要求28所述的方法，其特征在于，所述输出射束包括多个空间上重叠的单波长射束。
30.根据权利要求29所述的方法，其特征在于，所述多个空间上重叠的单波长射束中的每一个对应于所述多个射束发射器中的单个射束发射器。
31.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将发射的射束的一部分从所述第一反射式衍射元件作为反馈分支输入引导到反馈分支中包括：
从所述第一反射式衍射元件将发射的射束的反射作为反馈分支输入引导到反馈分支中。
32.根据权利要求31所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
从所述第一反射式衍射元件将发射的射束的衍射作为输出射束引导。
33.根据权利要求32所述的方法，其特征在于，所述输出射束包括多个空间上重叠的单波长射束。
34.根据权利要求33所述的方法，其特征在于，所述多个空间上重叠的单波长射束中的每一个对应于射束发射器的阵列中的单个射束发射器。
35.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支并向回引导到射束发射器的阵列中包括：
将所述反馈分支输入作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中；
将所述第一臂输入朝向第一高反射镜引导；
将所述第一臂输入自所述第一高反射镜的反射作为第一臂输出朝向第一反射式衍射光栅引导；
将所述第一臂输出的反射作为第二臂输入朝向第二反馈臂的第二高反射镜引导；
将所述第二臂输入自所述第二高反射镜的反射作为第二臂输出朝向所述第一反射式衍射元件引导；
将所述第二臂输出的反射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中；以及
将所述第一臂输出的衍射向回引导到射束发射器的阵列中。
36.根据权利要求26所述的方法，其特征在于，将所述反馈分支输入的一部分引导经过所述反馈分支并向回引导到射束发射器的阵列中包括：
将所述反馈分支输入作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中；
将所述第一臂输入朝向第一高反射镜引导；
将所述第一臂输入自所述第一高反射镜的反射作为第一臂输出朝向第一反射式衍射光栅引导；
将所述第一臂输出自所述第一反射式衍射元件的衍射作为第二臂输入朝向所述反馈分支的第二臂引导；
将所述第二臂输入朝向第二高反射镜引导；
将所述第二臂输入自所述第二高反射镜的反射作为第二臂输出朝向所述第一反射式衍射元件引导；
将所述第二臂输出的衍射作为第一臂输入朝向所述第一高反射镜引导到所述第一臂中；
将所述第一臂自所述第一反射式衍射元件的反射向回引导到所述多个射束发射器中。
37.一种密集波复用系统，包括：
射束发射器的阵列，每个射束发射器发射单波长射束；
第一衍射元件，其反射来自所述射束发射器的阵列的多个单波长射束；以及
第二衍射元件，其衍射所述多个单波长射束的反射，从而将各所述射束合并成单个多波长合并的射束。
38.一种密集波复用系统，包括：
多个射束发射器，每个射束发射器发射单波长射束；
第一衍射元件，其衍射来自所述多个射束发射器的射束的一部分，从而将所述射束合并成单个多波长合并的输出射束。
39.一种密集波复用与射束波长稳定系统，包括：
多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；
至少一个光学元件；
第一反射式衍射光栅；
第二反射式衍射光栅；以及
具有第一臂和第二臂的反馈分支，
其中，所述第一反射式衍射光栅将所述射束的反射朝向所述第二衍射光栅引导并将所述射束的衍射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中，
所述第二衍射光栅接收所述射束的反射并将所述反射式衍射作为输出，
所述反馈分支的第一臂包括第一高反射镜，所述第一高反射镜被定位成将所述第一臂输入向回朝向所述第一反射式衍射光栅反射为第一臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第一臂输出的第一部分衍射回到射束发射器的阵列作为第一反馈部分，并且将所述第一臂输出的第二部分反射到所述第二臂中作为第二臂输入，并且
所述第二臂包括第二高反射镜，所述第二高反射镜被定位成将所述第二臂输入向回反射至所述第一反射式衍射光栅作为第二臂输出，从而所述第一反射式衍射光栅将所述第二臂输出的第一部分反射到所述第一臂中并朝向所述第二衍射光栅反射地衍射所述第二输出臂输出的第二部分。
40.一种密集波复用与射束波长稳定系统，包括：
多个射束发射器，每个射束发射器发射射束；
至少一个光学元件；
反射式衍射光栅；以及
具有第一臂和第二臂的反馈分支，
其中，所述反射式衍射光栅将所述射束的反射作为第一臂输入引导到所述反馈分支的第一臂中并将射束的衍射引导为系统输出，
所述反馈分支的第一臂包括第一高反射镜，所述第一高反射镜被定位成将所述第一臂输入向回朝向所述反射式衍射光栅反射作为第一臂输出，从而所述反射式衍射光栅将所述第一臂输出的第一部分向回反射至射束发射器的阵列作为第一反馈部分，并且将所述第一臂输出的第二部分衍射到所述第二臂中作为第二臂输入，并且
所述第二臂包括第二高反射镜，所述第二高反射镜被定位成将所述第二臂输入向回反射至所述反射式衍射光栅作为第二臂输出，从而所述反射式衍射光栅将所述第二臂输出的第一部分反射为附加的系统输出并将所述第二输出臂输出的第二部分衍射到所述反馈分支的第一臂中作为附加的第一臂输入。
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