CN107078465A - 开环波长选择性外部谐振器和光束组合系统 - Google Patents

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Abstract

在本文中描述了将多个单独的输入光束组合成单个输出光束的各种密集波长光束组合(DWBC)装置。在本文中设想的DWBC装置是开环配置，即反馈产生系统的波长选择性光学器件从光束组合系统去耦合的配置，光束组合系统组合多个输入光束，每个输入光束具有从一定范围的不同波长中选择的波长。特别地，由光束组合系统产生的组合输出光束的每个组成光束横贯不包括反馈产生系统的波长选择性光学器件的光路。在本文中设想的DWBC装置进一步提供反馈产生系统的光学器件的波长相关角色散函数与光束组合系统的光学器件的波长相关角色散函数的匹配。外部腔激光二极管阵列包括边缘发射LD(111A‑111N)、用于所发射的光束到衍射光学器件(115)上的发散控制的聚焦光学器件(112)、后向反射器(120)和半波片(113)以及用于控制输出功率的偏振器(114)。腔内空间过滤器(116)可以用于控制空间光束质量，并且腔外色散光学器件(122)用于输送组合多波长高功率光束。

Description

开环波长选择性外部谐振器和光束组合系统
技术领域
本公开内容总体上涉及激光系统，并且更具体地涉及用于窄带宽激光束稳定化和多个激光束组合的系统和方法。
背景技术
密集波长光束组合(DWBC)技术使多个相对低的功率输入光束在空间上叠加以产生单个高功率输出光束。为了确保高功率输出光束具有高质量，DWBC需要对每个单独发射器进行波长锁定。波长锁定指的是迫使由发射器发射的绝大多数辐射具有落在窄期望波长光谱内的波长。DWBC系统通过提供波长选择性反馈来实现每个单独发射器的波长锁定。波长选择性反馈刺激在期望波长下的辐射的发射，其排除在非期望波长下的辐射。DWBC系统可以利用单独发射器的谐振器腔外部的谐振器腔来提供波长选择性反馈。
在没有波长选择性反馈的情况下，DWBC系统中的单独发射器将发射在非期望波长下的不可容忍的水平的辐射。不能通过使用光谱-角色散元件(例如衍射光栅)来将具有非期望波长的辐射组合成单个光束。因为很多DWBC系统作为逆光谱仪，波长选择性反馈和由单独发射器发射的辐射需要在变化的环境条件下极其稳定。另外，具有非期望波长的辐射可以借助于相邻发射器之间的光谱串扰来引起输出功率的暂时波动。光谱串扰指的是由第一单独发射器发射的辐射的一部分作为反馈被引导到第二单独发射器中的情况。
为了限制在非期望波长下发射的辐射的水平，DWBC系统可以并入波长过滤腔，其被设计为当低功率输入光束或其分量传播穿过波长过滤腔时从其中去除具有非期望波长的辐射。然而，空间过滤是可能引起DWBC系统的效率明显降低的有损程序。为了限制可归因于特殊过滤的效率降低，一些DWBC系统执行在外部腔的低功率区中的空间过滤。
发明内容
在本文中描述了将多个单独的输入光束组合成单个输出光束的各种密集波长光束组合(DWBC)装置。在本文中设想的DWBC装置是开环配置，即反馈产生系统的波长选择性光学器件从光束组合系统去耦合的配置，光束组合系统组合多个输入光束，每个输入光束具有从一定范围的不同波长中选择的波长。特别地，由光束组合系统产生的组合输出光束的每个组成光束横贯不包括反馈产生系统的波长选择性光学器件的光路。因此，在本文中设想的DWBC装置在外部腔的低功率区中执行空间过滤。
在本文中设想的DWBC装置进一步利用第一角来提供反馈产生系统的光学器件的波长相关角色散函数与光束组合系统的光学器件的波长相关角色散函数的匹配。作为结果，由在本文中设想的DWBC系统产生的输出光束的质量不被反馈产生系统和光束组合系统的角色散特性中的失配损害。
提供了外部腔激光装置，其包括：共同发射多个外部腔输入光束的多个光束发射器，每个外部腔输入光束具有带有初始线性偏振状态的主要分量；光束分离器，其设置在多个输入光束的光路中并被配置为从多个外部腔输入光束提取多个第一提取的分量光束并将多个第一提取的分量光束引导到反馈支路中；反射元件，其设置在反馈支路中并被配置为将多个第一提取的分量光束反射回来穿过光束分离器，以使得多个第一提取的分量光束的至少一部分作为多个正交反馈分量光束透射到多个光束发射器，每个正交反馈分量光束具有与初始线性偏振状态正交的偏振状态；以及第一角色散光学器件，其设置在反馈支路中并具有第一波长相关角色散函数，第一角色散光学器件被配置为在多个第一提取的分量光束上传递由第一波长相关角色散函数确定的波长相关角光谱。
提供了用于使由多个发射器共同发射的多个输入光束的波长稳定的方法，多个输入光束中的每个具有带有初始线性偏振状态的主要分量。该方法涉及从多个输入光束提取多个提取的分量光束；引导多个提取的分量光束穿过将波长相关角光谱传递到多个提取的分量光束的角色散光学器件；引导多个提取的分量光束穿过包括波长选择性光学器件的反馈支路以便提供多个反馈光束，每个反馈光束包括具有与多个输入光束的初始线性偏振状态正交的偏振状态的分量；以及将多个反馈光束引导到多个发射器中。
提供了用于产生由多个光束形成的组合输出光束的方法，多个光束组合从由多个发射器共同发射的多个线性偏振激光源输出光束提取的输入光束，多个激光源输出光束中的每个具有带有初始线性偏振状态的主要分量。该方法涉及从多个输入光束提取多个提取的分量光束和对输入光束进行组合的多个光束；引导多个提取的分量光束穿过将波长相关角光谱传递到多个提取的分量光束的角色散光学器件；引导多个提取的分量光束穿过包括波长选择性光学器件的反馈支路以便提供多个反馈光束，每个反馈光束包括具有与多个输入光束的初始线性偏振状态正交的偏振状态的分量；将多个反馈光束引导到多个发射器中；以及通过引导角色散光束组合光学器件处的对输入光束进行组合的多个光束来提供组合输出光束，以使得对输入光束进行组合的多个光束中的每个从具有共同传播方向的角色散光束组合光学器件的重叠区域出现。
附图说明
以下基于示例性附图更加详细地描述了本发明。本发明不限于示例性实施例。在本发明的实施方式中，在本文中所述和/或所示的所有特征可以单独使用或以不同的组合方式进行组合。通过参考示出以下内容的附图阅读以下具体实施方式，本发明的各种实施例的特征和优点将变得显而易见。
图1示出了用于经由密集波长光束组合(DWBC)技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的光束的单个多波长输出激光束的装置，每个在空间上和在方向上重叠的光束具有窄波长光谱；
图2示出了用于经由密集波长光束组合技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的光束的单个多波长输出激光束的替代装置，每个在空间上和在方向上重叠的光束具有窄波长光谱；
图3示出了用于经由密集波长光束组合技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的光束的单个多波长输出激光束的附加替代装置，每个在空间上和在方向上重叠的光束具有窄波长光谱；
图4A和4B示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中激光源是由二极管线(diode bar)的水平叠置体形成的二极管激光器的阵列；
图5A、5B和5C示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中，激光源是由二极管线的垂直叠置体形成的二极管激光器的阵列；以及
图6示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中激光源是由二极管线的二维叠置体形成的二极管激光器的阵列。
具体实施方式
本公开内容描述了将多个单独的输入光束组合成单个输出光束的各种密集波长光束组合(DWBC)系统。在本文中设想的DWBC系统是开环配置，即反馈产生系统(其也可被称为波长稳定化系统)的波长选择性光学器件从光束组合系统去耦合的配置。特别地，由光束组合系统产生的组合输出光束的每个组成光束横贯不包括反馈产生系统的波长选择性光学器件的光路。
在DWBC系统的外部腔的低功率区中执行空间过滤和串扰减轻限制了可归因于此的输出功率的损耗。因此，与反馈部件系统的波长选择性光学器件形成多个输入光束发射器与光束组合系统的光束组合光学器件之间的光路的一部分的配置(即“闭环”配置)相比较，开环配置能够实现明显更大的电光转换效率。
此外，在本文中设想的DWBC系统中，反馈产生系统的波长选择性光学器件的角色散性能与光束组合系统的光束组合光学器件的角色散性能相同。特别地，反馈产生系统的波长选择性光学器件和光束组合系统的光束组合部件具有相同的波长-角色散函数(即为一定范围的波长定义的在光束的波长与光束相对于光学器件的入射角和透射角之间的差异之间的关系)。因此，对于在波长的范围(对于这些波长，定义了波长-角色散函数)内的每个波长，光束的入射角和透射角之间的差异相对于反馈产生系统的波长选择性光学器件和光束组合系统的光束组合光学器件两者将是相同的。
在本文中描述了利用两个相同的光学器件作为不同的系统部件的DWBC系统。相同的光学器件中的一个用作反馈产生系统的波长选择性部件，而另一个用作光束组合系统的光束组合部件。在本文中设想的一些系统中，两个相同的光学器件是相同的衍射光栅。在反馈产生系统和光束组合系统两者中的相同光学器件的使用允许由反馈产生系统的波长选择性元件的角色散部件产生的光锥的波长-角-位置光谱与入射在光束组合系统的角色散部件上的光锥的波长-角-位置光谱的无缝匹配。作为结果，在本文中设想的DWBC系统的输出光束质量不被反馈产生系统和光束组合系统的角色散特性中的失配损害。
图1示出了用于经由密集波长光束组合(DWBC)技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的单个波长光束的单个多波长输出激光束的装置。DWBC装置100包括输入产生系统101、可调节光束分离系统102、反馈产生系统103和光束组合系统104。
输入产生系统101是用于产生一起构成激光源输出151的多个单独光束的模块。输入产生系统包括激光源111(其包括多个发射器)和位置到角变换光学器件112。位置到角变换光学器件112也可被认为是反馈产生系统103的部分，因为其以影响反馈产生系统输入153的下游特性的方式与激光源输出151交互作用。类似地，位置到角变换光学器件112也可被认为是光束组合系统104的部分，因为其以影响光束组合系统输入154的下游特性的方式与激光源输出151交互作用。
可调节光束分离系统102是用于将光束分离系统输入152分成反馈产生系统输入153和光束组合系统输入154的模块，并且也是用于将反馈产生系统输入153引导到反馈产生系统103中并将光束组合系统输入154引导到光束组合系统104中的模块。可调节光束分离系统102包括用于选择光功率被引导到反馈产生系统103中的一小部分和光功率被引导到光束组合系统104中的一小部分的模块。在图1所示的实施例中，可调节光束分离系统102包括偏振光束分离器114。然而，在替代的实施例中，可调节光束分离系统102可以包括用于分离输入光束的其它模块，例如薄膜偏振器。
反馈产生系统103是用于产生波长稳定化反馈156的模块，波长稳定化反馈156当作为反馈被引导到激光源111中时用于为激光源111的多个发射器中的每个选择优选谐振模式。反馈产生系统103可以由从偏振光束分离器114穿过角色散光学器件115到反射元件120和在相反的方向上从反射元件120回到偏振光束分离器114的光路进行识别。
光束组合系统104是用于从一起构成光束组合系统输入154的多个单独的单波长输入光束产生单个多波长组合输出光束(组合输出光束160)的模块。光束组合系统104可以由从偏振光束分离器114到角色散光束组合光学器件122并到组合输出光束160的光路中的光路进行识别。
在图1中所示的实施例中，激光源111包括多个单独发射器(例如111A和111N)，每个发射器发射单个激光束，单个激光束为激光源输出151的组成光束。激光源输出151的每个组成光束也可以被称为输入光束。单独激光发射器可以是二极管激光器、光纤激光器、固态激光器或任何其它类型的激光器。一起构成激光源111的多个单独发射器可以布置成一维阵列、二维阵列或各种其它配置。例如，激光源111可以是由二极管线的垂直或水平叠置体形成的二极管激光器的阵列，其中每个二极管激光器具有多个单独的二极管激光发射器。激光源111可以是被配置为如在图4A-B、5A-C和6的任一个中所描绘的二极管激光器的任何阵列。然而，激光源111不限于这样的配置，并且在本文中所述的实施例设想也可以使用各种替代的激光源。在图4A-B、5A-C和6中所描绘的激光源111的配置可以是以下中的任一个：在几何上堆叠的配置(几何叠置体)、光学地堆叠的配置(光学叠置体)或配置如那些附图中所描绘的多个光束的任何其它模块。
尽管没有在图1中所示的实施例中示出，实施方式设想输入产生系统101可以包括用于操纵由激光源111的单独发射器在它们与位置到角变换光学器件112交互作用之前发射的光束的各种光学器件。典型地，由二极管激光器发射的光束具有非对称光束剖面，即光束沿着垂直于其传播方向定义的两个轴以不同的速率发散。这两个轴可以被识别为快轴和慢轴，光束沿着快轴更快地发散，并且光束在慢轴上相比更慢地发散。对光束的操纵可以被称为预处理并且可以包括例如：光束的旋转，以使得下游处理沿着快轴而不是慢轴被执行；光束沿着快轴的校准；以及光束沿着慢轴的校准。各种现有技术文献讨论了用于预处理由二极管激光发射器(例如激光源111的那些二极管激光发射器)发射的光束的技术。例如，如在美国专利申请序列号14/053,187中所述的或如在美国专利号8,724,222中所述的，可以操纵由激光源111发射的光束。
在图1中所描绘的实施例中，系统输入151的每个组成光束大体上是线性偏振的。二极管阵列激光源(例如激光源111)的每个发射器发射在理论上只由具有初始线性偏振的分量组成的光束。在各种不同的参考系中，初始线性偏振可以被认为是p偏振、s偏振或p偏振和s偏振的组合。然而，作为各种因素(例如制造缺陷)的结果，二极管阵列激光源的发射器均发射光束，光束可以包括非偏振分量或可以包括具有相对于理论初始线性偏振成一角度的偏振的各种分量。因此实际上，由激光源111中的发射器发射的每个光束可以被描述为包括具有初始线性偏振的主要分量和可以至少在特定的时刻在相对于主要分量的初始线性偏振的一角度下被特征化为非偏振的、椭圆偏振的或线性偏振的附加次级分量。这样的光束可以被认为是主要线性偏振的。主要线性偏振光束是线性偏振的主要分量输送光束的总光功率的至少80％(优选地输送至少90％，并且特别优选地输送至少94％)的光束。
典型地，二极管激光发射器作为横向电场(TE)或横向磁场(TM)被推向市场，其中TE或TM描述了所发射的光束主要线性偏振的方式。在图1的其余讨论中，假设激光源输出151的每个组成光束相对于偏振光束分离器114的主面进行主要p偏振。然而，本文中的实施例设想激光源输出151的每个组成光束也可以相对于偏振光束分离器114的主面进行主要s偏振或可以在相对于偏振光束分离器114的主面既不完全s偏振也不p偏振的方向上进行主要线性偏振。
激光源111中的每个发射器具有相对于位置到角变换光学器件112的特定的固定位置。因此，激光源输出151具有对应于激光源111中的发射器的空间分布的位置光谱。例如，激光源输出151的组成光束151A的位置对应于单独发射器111A的位置，而激光源输出151的组成光束151N的位置对应于单独发射器111N的位置。
位置到角变换光学器件112将激光源输出151的位置光谱变换成光束分离系统输入152的角光谱。在图1中所描绘的实施例中，光束分离系统输入152的角光谱指的是相对于光束分离系统输入152的位置到角变换光学器件112的透射角组。位置到角变换光学器件112将激光源输出151的每个组成光束的位置(其对应于激光源111的发射器的位置)转换成相对于反馈系统的角色散光学器件(即角色散光学器件115)和光束组合系统的角色散光学器件(即角色散光束组合光学器件122)的入射角。特别地，光束分离系统输入152的角光谱确定反馈产生系统输入153和光束组合系统输入154的组成光束的相对于角色散光学器件115和角色散光束组合光学器件122的入射角组。因此，反馈产生系统输入153和光束组合系统输入154都具有由光束分离输入152的角光谱确定的角光谱。例如，位置到角变换光学器件112将组成光束151A的位置变换成相对于角色散光学器件115的入射角(其被转移到反馈产生系统输入153的组成光束153A)，并且也将组成光束151A的位置变换成相对于角色散光束组合光学器件122的入射角(其被转移到光束组合系统输入154的组成光束154A)。
在图1中所描绘的实施例消除了存在于DWBC装置中的输出光束质量降低的源，其中用于产生相对于反馈系统角色散光学器件的入射角的位置到角变换光学器件不同于用于产生相对于光束组合系统角色散光学器件的入射角的位置到角变换光学器件。在这样的系统中，在不同的变换光学器件中的细微差异(甚至在不同的变换光学器件被制造成相同的规范的这种情况下)可以产生在它们产生的角光谱中的细微差异，并从而引起输出光束质量的降低。在图1中所描绘的实施例消除了可归因于差异的、落在位置到角变换光学器件的制造公差内的这样的输出光束质量降低。
可调节光束分离系统102除了偏振光束分离器114以外还包括双折射光学器件113。在各种实施例中，根据系统设计，双折射光学器件113可以是例如半波片或四分之一波片。在图1中所描绘的实施例中，双折射光学器件113是旋转光束分离系统输入152的偏振的半波片。特别地，双折射光学器件113旋转光束分离系统输入152的每个组成光束的主要线性偏振。换句话说，双折射光学器件113旋转光束分离系统输入152的主要线性偏振，以使得从双折射光学器件出现的每个光束具有可以被表示为p偏振分量和s偏振分量的总和的线性偏振(其中p偏振和s偏振相对于偏振光束分离器的主面被定义)。因此，在图1中所示的实施例中，大体上包括主p偏振分量的光束分离系统输入152由双折射光学器件113转换成s偏振和p偏振分量的叠加组合。作为结果，在与双折射光学器件113交互作用之后，光束分离输入152包括多个改变的输入分量光束，每个输入分量光束包括第一改变的输入分量光束(即s偏振分量的组成光束)和第二改变的输入分量光束(即p偏振分量的组成光束)。
偏振光束分离器114从光束分离系统输入152的每个组成光束提取第一提取的分量光束和第二提取的分量光束。多个第一提取的分量光束共同构成反馈产生系统输入153，并且多个第二提取的分量光束共同构成光束组合系统输入154。特别地，偏振光束分离器114从光束分离系统输入152提取s偏振分量，并将其作为反馈产生系统输入153引导到反馈产生系统103中。偏振光束分离器114还提取p偏振分量，并将其作为光束组合系统输入154引导到光束组合系统104中。以这种方式，可调节光束分离系统102提取激光源输出151的每个输入光束的第一和第二分量，并且将第一分量引导到反馈产生系统103中并将第二分量引导到光束组合系统104中。
双折射光学器件113本身可以旋转，以便于调节光束分离系统输入152的光功率被引导到反馈产生系统103和光束组合系统104的一小部分。因此，双折射光学器件113和偏振光束分离器114一起提供用于分离光束分离系统输入152的每个组成光束的“可调节”模块。可调节光束分离系统102的可调节性使装置100能够被调节以引起激光源111的特性中的变化。例如，如果激光源111包括提供相对高水平的内部反馈的单独的二极管激光器(其具有定义内部腔的发射端的部分反射元件)，则可以调节双折射光学器件113，以使得被提供到反馈产生系统103的光功率的量相对低，以便于替代地向光束组合系统104提供较大水平的光功率。
在替代的实施例中，双折射光学器件113可以在一角度下旋转，以使得其不改变激光源输出151的主要分量并允许偏振光束分离器114将激光源输出151的次级分量(即，可以在相对于主要分量的初始线性偏振的一角度下被特征化为非偏振的、椭圆偏振的或线性偏振的分量)作为反馈产生系统输入153耦合到反馈产生系统103中。省略双折射光学器件113的替代实施例也是可能的，其中偏振光束分离器被配置为将激光源输出151的主要分量作为光束组合系统输入154引导到光束组合系统104并将激光源输出151的任何次级分量作为反馈产生系统输入153引导到反馈产生系统103中。
实际上，有必要返回由激光源111产生的光功率的不到50％作为反馈，并且因此有必要将由激光源111产生的光功率的不到50％引导到反馈产生系统103中。为了实现DWBC系统100的高操作效率，返回由激光源111产生的光功率(即激光源输出151的光功率)的不到15％作为反馈是优选的，并且因此有必要将由激光源111产生的光功率的不到15％引导到反馈产生系统103中。通过产品测试和实验，确定当由激光源111产生的光功率的大约4％到大约10％被引导到反馈产生系统103中时实现了DWBC系统100的最佳操作。
反馈产生系统103包括为波长稳定化反馈156共同选择波长相关角光谱的多个部件。具体地，反馈产生系统103的部件为波长稳定化反馈156的每个组成光束共同选择单个被允许的波长-角组合。激光源111的多个发射器中的每个发射包括优选谐振模式分量和替代谐振模式分量的光束。每个组成光束的优选谐振模式分量由具有落在对应于发射光束的激光源111的发射器的优选谐振模式的窄光谱带内的波长的光子组成。每个组成光束的替代谐振模式分量由具有落在对应于发射光束的激光源111的发射器的优选谐振模式的窄光谱带之外的波长的光子组成。通过去除与激光源111的发射器中的一个的优选谐振模式相对应的反馈产生系统输入153的分量来为波长稳定化反馈156的每个组成光束选择单个波长-角组合。在一些实施例中，去除反馈产生系统输入153的这样的分量由空间过滤元件(例如，硬边光阑)实现。
激光源输出151的每个组成光束包括优选谐振模式分量和替代的谐振模式分量。这两个分量都传播通过系统并且因此被包括在光束分离系统输入152、反馈产生系统输入153和光束组合系统输入154的组成光束中。当存在于光束组合系统输入154的组成光束中时，替代的谐振模式分量降低组合输出光束160的质量。在从角色散光束组合光学器件122出现时，替代的谐振模式分量将不在空间上和在方向上重叠，但将替代地占有残余角光谱。通过采用反馈产生系统输入153并去除替代的谐振模式分量以产生波长稳定化反馈156来限制替代的谐振模式分量在光束组合系统输入154的组成光束中的普遍性。反馈产生系统103是从组成光束去除替代的谐振模式分量以产生波长稳定化反馈156的模块，波长稳定化反馈156由组成光束组成，每个组成光束只包括具有落在对应于发射光束的激光源111的发射器的优选谐振模式的窄光谱带内的波长的光子。
反馈产生系统103的角色散光学器件115将由反馈产生系统输入153占有的角光谱(其由位置到角变换光学器件112传递)变换成波长相关角光谱。特别地，角色散光学器件115相对于位置到角变换光学器件112设置，以使得反馈产生系统输入153的每个组成光束的优选谐振模式分量从具有共同传播方向的角色散光学器件出现。具体而言，角色散光学器件115、变换光学器件112和空间过滤元件116相对于彼此定位，以使得反馈产生系统输入153的每个组成光束的优选谐振模式分量穿过空间过滤元件116，而反馈产生系统输入153的每个组成光束的替代的谐振模式分量在从角色散光学器件115出现之后不会穿过空间过滤元件116。
在图1中所描绘的实施例中，空间过滤元件116包括关于光阑118的任一侧、沿着角色散光学器件115与高度反射镜120之间的光路定位的两个位置到角变换光学器件117和119。这两个位置到角变换光学器件117和119增加保真度，光阑118以该保真度选择反馈产生系统输入153的优选谐振模式分量并过滤掉反馈产生系统输入153的替代的谐振模式分量。位置到角变换光学器件117和119增加保真度，光阑118以该保真度放大反馈产生系统输入153的替代谐振模式分量的角光谱并从而确保这样的分量不会穿过光阑118。在替代的实施方式中，空间过滤元件可以是波导结构、具有梯度层的一组镜、或能够过滤不希望有的替代谐振模式分量的任何其它部件或部件组。
在替代的实施例中，可以在不使用空间过滤元件116但替代地通过将离角色散光学器件115与高度反射镜120分隔开开足够长的光路的情况下选择反馈产生系统输入153的优选谐振模式分量。在这样的实施例中，在从角色散光学器件115出现之后，反馈产生系统输入153的替代的谐振模式分量在到达高度反射镜120之前从光路发散，并且因此不被反射为波长稳定化反馈156的分量。在这些替代的实施例中，可以省略空间过滤元件116，其包括例如光阑、波导结构、具有梯度层的一组镜等。
在第一次从角色散光学器件115出现之后，反馈产生系统输入153的每个组成光束的优选谐振模式分量行进穿过空间过滤元件116，从高度反射镜120反射，回来穿过空间过滤元件116，并回来穿过角色散光学器件115。在离开角色散光学器件115时，优选谐振模式分量构成波长稳定化反馈156。波长稳定化反馈156占有由角色散光学器件115传递的波长相关角光谱。由角色散光学器件传递的波长相关角光谱只包括对应于激光源111中的发射器中的一个的优选谐振模式的波长-角对。
在从角色散光学器件115出现之后，保留反馈产生系统输入153的s偏振状态的波长稳定化反馈156由偏振光束分离器114反射并被引导朝向激光源111穿过双折射光学器件113和位置到角变换光学器件112。双折射光学器件113再次旋转波长稳定化反馈156的偏振以形成正交波长稳定化反馈分量158A(其正交于激光源输出151的主要分量)和平行波长稳定化反馈分量158B(其平行于激光源输出151的主要分量)。因此，在穿过双折射光学器件113时，波长稳定化反馈156不再完全由s偏振的(如关于偏振光束分离器114的主面所定义的)组成光束组成，但替代地由具有是s偏振状态和p偏振状态的叠加的偏振状态的组成光束组成。
作为反馈产生系统103的光功率要求的结果，正交于激光源输出151的组成光束(其由此被提取)而偏振的波长稳定化反馈156的每个组成光束的分量的光功率必须大于波长稳定化反馈156的整个组成光束的光功率的50％。具体地，正交波长稳定化反馈分量158A的光功率必须大于波长稳定化反馈156的光功率的50％。为了实现DWBC系统100的高操作效率，优选地，正交于激光源输出151的组成光束(其由此被提取)而偏振的波长稳定化反馈156的每个组成光束的分量的光功率必须大于波长稳定化反馈156的整个组成光束的光功率的85％(即，正交波长稳定化反馈分量158A大于波长稳定化反馈156的光功率的85％)。产品测试和实验确定，当正交于激光源输出151的组成光束(其由此被提取)而偏振的波长稳定化反馈156的每个组成光束的分量的光功率必须是波长稳定化反馈156的整个组成光束的光功率的大约90％-98％(即，正交波长稳定化反馈分量158A是波长稳定化反馈156的光功率的90％-98％)时，实现DWBC系统100的最佳操作。
位置到角变换光学器件112使波长稳定化反馈156成像到激光源111上，即位置到角变换光学器件112将由角色散光学器件115传递的波长相关角光谱转换成波长位置光谱，以使得波长稳定化反馈的每个组成光束被引导到发射输入光束(其由此被提取)的激光源111中的发射器中(即，激光源输出151的组成光束，由此提取了波长稳定化反馈的组成光束)。以这种方式，激光源111中的每个发射器(或通道)调节激光源输出的组成光束(或输入光束)的波长以匹配由反馈产生系统103向其提供的波长。虽然每个通道适应于单个波长，配置并不排除多个通道均将发射相同波长的光束的可能性。例如，在激光源是二极管线的叠置体的情形下，来自不同二极管线的单独发射器也许可能发射相同波长的光束。
光束组合系统104包括共同叠加多个单独的单波长光束的分量，每个单波长光束是光束组合系统输入154的组成光束以产生组合输出光束160。在图1中所示的实施例中，光束组合系统104包括半波片121。半波片121相对于角色散光束组合光学器件122的主面将光束组合系统输入154的偏振旋转成s偏振状态，以便于提高组合输出光束160的衍射效率和DWBC系统的总效率。
角色散光束组合光学器件122将波长-角色散函数应用于光束组合系统154以产生组合输出光束160。角色散光束组合光学器件122相对于位置到角变换光学器件112设置，以使得由光束组合光学器件122应用于光束组合系统输入154的波长-角色散函数导致光束组合系统输入154的每个分量光束从具有共同传播方向的角色散光学器件的重叠区域出现，从而形成组合输出光束160。在图1中所描绘的实施例中，由角色散光学器件115传递的波长-角色散函数(即，为一定范围的波长定义的在光束的波长与光束相对于光学器件的入射角和透射角之间的差异之间的关系)与由角色散光束组合光学器件122传递的波长-角色散函数相同。因此，对于在波长的范围(对于这些波长，定义了波长-角色散函数)内的每个波长，在光束的入射角和透射角之间的差异相对于反馈产生系统103的角色散光学器件115和角色散光束组合光学器件122两者都将是相同的。
图2示出了用于经由DWBC技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的光束的单个多波长输出激光束的替代装置，每个在空间上和在方向上重叠的光束具有窄波长光谱。图2中所示的实施例非常类似于图1中所示的实施例，并包含所有相同的部件。图2中所示的实施例的部件执行与由图1中所示的实施例的对应部件执行的功能相同的功能。然而在图2中所示的实施例中，双折射光学器件113设置在激光源111与位置到角变换光学器件112之间的光路中。因此，在图2中所描绘的实施例中，在位置-角-变换光学器件112将激光源输出151的位置光谱变换成角光谱时，双折射光学器件113改变激光源输出151的偏振状态。
图3示出了用于经由DWBC技术产生包括多个在空间上和在方向上重叠的光束的单个多波长输出激光束的附加替代装置，每个在空间上和在方向上重叠的光束具有窄波长光谱。图3中所示的实施例非常类似于图1中所示的实施例，并包含与图1中所示的实施例相同的几乎所有的部件。此外，图3中所示的实施例的部件执行与图1中所描绘的实施例的对应部件执行的功能相同的功能。然而，在图3中所描绘的实施例中，用两个单独的但相同的位置到角变换光学器件112A和12B代替位置到角变换光学器件112。在图3中所描绘的实施例中，位置到角变换光学器件112A将反馈产生系统输入153的位置光谱变换成相对于角色散光学器件115的角光谱，即对于反馈产生系统输入153的每个组成光束，位置到角变换光学器件112A将组成光束入射在位置到角变换光学器件112A上的位置转换为相对于角色散光学器件115的入射角。类似地，位置到角变换光学器件112B将光束组合系统输入154的位置光谱变换成相对于角色散光束组合光学器件122的角光谱，即对于光束组合系统输入154的每个组成光束，位置到角变换光学器件112B将组成光束入射在位置到角变换光学器件112B上的位置转换为相对于角色散光束组合光学器件154的入射角。
图4A和4B示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中激光源是由二极管线的水平叠置体形成的二极管激光器的阵列。图4A和4B都示出了激光源，其为由N条二极管线的水平叠置体形成的m·N个二极管激光器的阵列，每条二极管线具有m个单独的二极管激光发射器。在图4A和4B中所描绘的激光源的配置可以是以下中的任一个：在几何上堆叠的配置(几何叠置体)、光学地堆叠的配置(光学叠置体)或配置如图4A和4B中所描绘的多个光束的任何其它模块。在图4A中所示的配置中，二极管激光器400A的阵列的m个单独发射器中的每个具有平行于水平堆叠方向的慢轴。当组合轴平行于发射器的慢轴时，由具有被配置为二极管激光器400A的阵列的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件401A。在图4B中所示的配置中，二极管激光器400B的阵列的m个单独发射器中的每个具有平行于水平堆叠方向的快轴。当组合轴平行于发射器的快轴时，由具有被配置为二极管激光器400B的阵列的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件401B。然而，通过利用适合的变换光学器件(例如光束旋转器)，图4A中所示出的配置可以产生具有剖面401B的组合输出光束，而图4B中所示出的配置可以产生具有剖面401A的组合输出光束。
图5A、5B和5C示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中激光源是由二极管线的垂直叠置体形成的二极管激光器的阵列。图5A、5B和5C都示出了激光源，其为由N条二极管线的垂直叠置体形成的m·N个二极管激光器的阵列，每条二极管线具有m个单独的二极管激光发射器。在图5A、5B和5C中所描绘的激光源的配置可以是以下中的任一个：在几何上堆叠的配置(几何叠置体)、光学地堆叠的配置(光学叠置体)或配置如图5A、5B和5C中所描绘的多个光束的任何其它模块。在图5A中所示的配置中，二极管激光器500A的阵列的m个单独发射器中的每个具有垂直于垂直堆叠方向的慢轴。当组合轴平行于发射器的慢轴时，由具有被配置为二极管激光器500A的阵列的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件501A。在图5B中所示的配置中，二极管激光器500B的阵列的m个单独发射器中的每个具有平行于垂直堆叠方向的快轴。当组合轴平行于发射器的快轴时，由具有被配置为二极管激光器500B的阵列的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件501B。在图5C中所示的配置中，二极管激光器500C的阵列的m个单独发射器中的每个具有垂直于垂直堆叠方向的快轴。当组合轴平行于发射器的快轴时，由具有被配置为二极管激光器500C的阵列的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件501C。然而，通过利用适合的变换光学器件(例如光束旋转器)，图5A-C中所示出的各种配置可以产生具有各种不同剖面的组合输出光束。例如，在美国专利号8,553,327中示出了这样的变换光学器件和它们能够产生的变换。
图6示出了用于在外部腔激光装置中使用的激光源的配置，其中激光源是由二极管线的二维叠置体形成的二极管激光器的阵列。图6示出了激光源，其为N条二极管线的三列的阵列600，每条二极管线具有m个单独的发射器。换句话说，阵列600包括N条二极管线的三个垂直叠置体的水平叠置体，或替代地，阵列600包括三条二极管线的N个水平叠置体的垂直叠置体。在图6中所示的配置中，3·m·N个单独二极管发射器中的每个具有平行于水平堆叠方向的快轴。图6中所描绘的激光源的配置可以是以下中的任一个：在几何上堆叠的配置(几何叠置体)、光学地堆叠的配置(光学叠置体)或配置如图6中所描绘的多个光束的任何其它模块。当组合轴平行于发射器的慢轴时，由具有被配置为阵列600的激光源的DWBC激光装置产生的组合输出光束的剖面被描绘为元件601。然而，如果发射器使它们的快轴垂直于水平堆叠方向(即平行于垂直堆叠方向)对齐，图6中所示的配置可以产生具有不同剖面的组合输出光束。此外，通过利用适合的变换光学器件(例如光束旋转器)，图6中所示的配置可以产生具有各种不同剖面的组合输出光束。例如，在美国专利号8,553,327中示出了这样的变换光学器件和它们能够产生的变换。
因此可以设想本发明的其它实施方式可以在细节上不同于前述示例。如此，对本发明的所有参考旨在参考在本说明书的那一点上讨论的本发明的特定示例，并且更普遍地不旨在暗示关于本发明的范围的任何限制。相对于某些特征区别和轻视的所有语言旨在指示缺少对那些特征的优先考虑，但并不从本发明的范围内完全排除这些特征，除非另有指示。
权利要求中所使用的术语应被解释为具有与前述描述一致的最宽泛的合理解释。例如，冠词“一”或“所述”在引入元素时的使用不应被解释为排除多个元素。同样，“或”的陈述应被解释为包容性的，以使得“A或B”的陈述不排除“A和B”，除非从上下文或前述描述中明确只想要A和B中的一个。此外，“A、B和C中的至少一个”应被解释为由A、B和C组成的一组元素中的一个或多个，并且不应被解释为需要所列出的元素A、B和C中的至少一个，而不考虑A、B和C是否是按类别或以另外方式相关的。而且，“A、B和/或C”或“A、B或C中的至少一个”的陈述应被解释为包括来自所列出的元素的任何单数实体(例如A)、来自所列出的元素的任何子集(例如A和B)或元素A、B和C的整个列表。
相应地，本发明包括如被适用法律允许的在所附权利要求中列举的主题的所有修改和等效形式。而且，本发明包含在其所有可能变型中的上述元素的任何组合，除非在本文另有指示或在其它情况下被上下文明确否认。

Claims (20)

1.一种外部腔激光装置，包括：
多个光束发射器，其共同发射多个外部腔输入光束，所述多个外部腔输入光束均具有带有初始线性偏振状态的主要分量；
光束分离器，其设置在所述多个输入光束的光路中，并且被配置为从所述多个外部腔输入光束提取多个第一提取的分量光束并将所述多个第一提取的分量光束引导到反馈支路中；
反射元件，其设置在所述反馈支路中并被配置为将所述多个第一提取的分量光束反射回来穿过所述光束分离器，以使得所述多个第一提取的分量光束的至少一部分作为多个正交反馈分量光束被引导到所述多个光束发射器中，所述多个正交反馈分量光束具有与所述初始线性偏振状态正交的偏振状态；以及
第一角色散光学器件，其设置在所述反馈支路中并具有第一波长相关角色散函数，所述第一角色散光学器件被配置为在所述多个第一提取的分量光束上传递由所述第一波长相关角色散函数确定的波长相关角光谱。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个光束发射器是布置成线的多个二极管光束发射器。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个光束发射器是布置成阵列的多个二极管光束发射器。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述阵列由以下其中之一形成：被配置成垂直叠置体的多条二极管线、被配置成水平叠置体的多条二极管线、或二极管线的二维阵列。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括：
第一位置到角变换光学器件，其设置在所述多个光束发射器与所述反馈支路中的所述角色散光学器件之间的光路中，并且被配置为在所述多个外部腔输入光束中的每个外部腔输入光束上传递相对于所述反馈支路中的所述第一角色散光学器件的入射角。
6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光束分离器还被配置为从所述多个外部腔输入光束提取多个第二提取的分量光束并将所述多个第二提取的分量光束引导到光束组合支路中。
7.根据权利要求6所述的装置，还包括被配置为使所述多个第二提取的分量光束中的每个第二提取的分量光束的偏振旋转的偏振光学器件。
8.根据权利要求6所述的装置，其中，所述光束组合支路包括第二角色散光学器件，所述第二角色散光学器件具有第二波长相关角色散函数并被配置为在所述多个第二提取的分量光束上传递由所述第二波长相关角色散函数确定的波长相关角光谱。
9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第二角色散光学器件通过透射或反射来自具有共同传播方向的重叠区域的所述多个第二提取的分量光束来产生组合输出光束。
10.根据权利要求8所述的装置，其中，所述第一波长相关角色散函数与所述第二波长相关角色散函数相同。
11.根据权利要求1所述的装置，其中，所述光束分离器包括：
第一半波片，其被配置为使所述多个外部腔输入光束中的每个外部腔输入光束的所述偏振状态旋转以产生多个改变的输入光束，所述多个改变的输入光束均具有第一改变的输入光束分量和第二改变的输入光束分量，所述第一改变的输入光束分量具有与所述初始线性偏振状态正交的偏振状态，所述第二改变的输入光束分量具有与所述初始线性偏振状态平行的偏振状态；以及
偏振光束分离器，其被配置为通过从所述多个改变的输入光束中的每个改变的输入光束提取所述第一改变的输入光束分量来产生所述多个第一提取的分量光束，并且将所述第一提取的分量光束引导到所述反馈支路中。
12.根据权利要求8所述的装置，还包括：
空间过滤组件，其被配置为透射对应于所传递的所述波长相关角光谱的一部分的所述多个第一提取的分量光束的仅一部分作为多个反馈光束。
13.根据权利要求9所述的装置，其中，所述空间过滤组件包括：
第一位置到角变换光学器件；
第二位置到角变换光学器件；以及
光阑，其设置在所述第一位置到角变换光学器件与所述第二位置到角变换光学器件之间。
14.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个正交反馈分量光束具有的光功率大于所述多个第一提取的分量光束的光功率的大约50％。
15.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个正交反馈分量光束具有的光功率大于所述多个第一提取的分量光束的光功率的大约85％。
16.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个正交反馈分量光束具有的光功率大于所述多个第一提取的分量光束的光功率的大约90％并且小于所述多个第一提取的分量光束的光功率的大约98％。
17.一种用于使由多个发射器共同发射的多个输入光束的波长稳定的方法，所述多个输入光束中的每个输入光束具有带有初始线性偏振状态的主要分量，所述方法包括：
从所述多个输入光束提取多个提取的分量光束；
引导所述多个提取的分量光束穿过将波长相关角光谱传递到所述多个提取的分量光束的角色散光学器件；
引导所述多个提取的分量光束穿过包括波长选择性光学器件的反馈支路以便于提供多个反馈光束，所述多个反馈光束均包括具有与所述多个输入光束的所述初始线性偏振状态正交的偏振状态的分量；以及
将所述多个反馈光束引导到所述多个发射器中。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述提取包括：
使所述多个输入光束中的每个输入光束的所述偏振状态旋转以便于提供多个改变的输入光束，所述多个改变的输入光束均具有第一改变的输入光束分量和第二改变的输入光束分量，所述第一改变的输入光束分量具有与所述初始线性偏振状态正交的偏振状态，所述第二改变的输入光束分量具有与所述初始线性偏振状态平行的偏振状态；以及
从所述多个改变的输入光束中的每个改变的输入光束提取所述第一改变的输入光束分量以便于提供所述多个提取的分量光束。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，引导所述多个提取的分量光束包括：
在所述空间过滤元件处引导具有所述波长相关角光谱的所述多个提取的分量光束；以及
透射对应于所述波长相关角光谱的一部分的所述多个提取的分量光束的一部分作为所述多个反馈光束。
20.一种用于产生由多个光束形成的组合输出光束的方法，所述多个光束对从由多个发射器共同发射的多个线性偏振激光源输出光束提取的输入光束进行组合，所述多个激光源输出光束中的每个激光源输出光束具有带有初始线性偏振状态的主要分量，所述方法包括：
从所述多个输入光束提取多个提取的分量光束和对输入光束进行组合的所述多个光束；
引导所述多个提取的分量光束穿过将波长相关角光谱传递到所述多个提取的分量光束的角色散光学器件；
引导所述多个提取的分量光束穿过包括波长选择性光学器件的反馈支路以便于提供多个反馈光束，所述多个反馈光束均包括具有与所述多个输入光束的所述初始线性偏振状态正交的偏振状态的分量；
将所述多个反馈光束引导到所述多个发射器中；以及
通过引导角色散光束组合光学器件处的对输入光束进行组合的所述多个光束来提供所述组合输出光束，以使得对输入光束进行组合的所述多个光束中的每个光束从具有共同传播方向的所述角色散光束组合光学器件的重叠区域出现。
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