CN108432067A - 利用棱镜进行光束质量改善和带宽减少的波长光束组合激光系统 - Google Patents

利用棱镜进行光束质量改善和带宽减少的波长光束组合激光系统 Download PDF

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Abstract

在各种实施例中，在波长光束组合激光系统中利用一个或多个棱镜来调节光束尺寸和/或提供更窄的波长带宽。

Description

利用棱镜进行光束质量改善和带宽减少的波长光束组合激光 系统
相关申请
本申请要求2016年1月20日提交的美国临时专利申请No.62/280,964的权益和优先权，其全部公开内容通过引用包含于此。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是具有改善的光束质量和窄波长带宽的波长光束组合激光系统。
背景技术
大功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这样的激光系统通常包括激光发射器，来自激光发射器的激光耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，还包括将来自光纤的激光聚焦到待处理的工件上的光学系统。光学系统通常设计用于产生最高质量的激光束，或者等价地，产生具有最低光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)和光束在其最窄点处(即光束腰部，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BPP量化了激光束的质量以及它能够如何良好地聚焦到小的点，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有最低可能的BPP，由激光的波长除以pi得出。在相同波长下实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP之比被表示为M2，或者“光束质量因子”，其是光束质量的波长无关度量，“最佳”质量对应于“最低”光束质量因子1。
波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管条、二极管条的堆或以一维或二维阵列布置的其他激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了WBC方法，其沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其使用色散元件(例如衍射光栅)组合以形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自共同的部分反射输出耦合器的波长特定反馈而被稳定，所述反馈经由色散元件沿着光束组合维度被过滤。示例性WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180以及2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述，其中每一个的全部公开内容通过引用包含于此。
理想地，具有衍射光栅的WBC激光系统将由光栅单独定义的不同波长处的多个发射器组合为具有与单个发射器相当的光束质量的多个波长的单个输出光束。然而，在实践中，组合输出光束的光束质量可能比单个发射器的光束质量差得多。一个主要原因是来自不同发射器的不同光束在光栅上具有不同的入射角，这导致光栅上不同的投射光束尺寸。在这种情况下，光束可能不会在光栅上以及其光学下游完全彼此重叠。不同的入射角也可能导致衍射光束的腰部严重错位并因此降低反馈均匀性和WBC谐振器效率。
另外，由于WBC系统需要不同发射器在不同波长下工作，所以源阵列的可用波长带宽可能是关键资源。在许多情况下，该带宽设置了光栅的色散能力的需求，并限定了可组合发射器的最大数量或WBC谐振器的最小尺寸。减少波长带宽的使用等同于增加色散能力，并且还可以帮助改善激光器性能，例如更快的冷启动、更高的效率等。
发明内容
在各种实施例中，本发明通过在WBC谐振器中使用一个或多个棱镜来改善WBC激光系统的光束质量。本发明的实施例可以包括各自发射一个或多个光束的一个或多个发射器(或“光束发射器”)、变换透镜、一个或多个棱镜、衍射光栅(或其他色散元件)以及部分反射输出耦合器。本发明的实施例还可以包括设置在衍射光栅和输出耦合器之间的望远镜透镜组(或“光学望远镜”)。发射器可以包括二极管激光器、光纤激光器、带尾纤的二极管激光器等，基本上由其组成或由其组成，并且可以被单独或成组地封装为一维或二维阵列。在各种实施例中，发射器阵列是高功率二极管条，每个条具有多个(例如数十个)发射器。发射器阵列可以具有附接到其上的微透镜用于发射器准直和光束成形。通常共焦并定位在发射器和光栅之间的变换透镜使得来自不同发射器的各个光束准直并且将光束的所有主光线会聚到光栅的中心，特别是在WBC维度上(即光束被组合的维度或方向)。可以位于光栅下游的望远镜透镜组可以包括具有WBC维度上的焦度(power)的两个柱面透镜，基本上由其组成或由其组成，并且可以用于产生适当的输出光束尺寸并且将各个光束的腰部投射在输出耦合器处或附近。(在各种实施例中，望远镜透镜组也具有非WBC维度上的焦度。)部分反射输出耦合器通常是平面部分反射器，其向各个发射器提供反馈并且经由光栅限定各个发射器的波长。也就是说，耦合器将各种光束的一部分反射回至它们各自的发射器，由此形成外部激光腔，并且透射组合的多波长光束以用于诸如焊接、切割、机械加工、加工等用途和/或用于耦合至一个或多个光纤。
如本领域中已知的，当各个光束的腰部全部落在提供反馈的表面处时，WBC谐振器具有最大反馈效率。还可以理解的是，WBC谐振器的输出光束的光束质量通常在很大程度上取决于在光栅之上和之后(即在光栅的光学下游)重叠的各个光束的一致性。由于将各个光束的腰部投射到耦合器上的望远镜透镜组被所有的光束共享，因此在进入望远镜透镜组之前各个光束的一致性对于获得高效和均匀的反馈以及高光束质量可能是重要的。根据本发明的实施例，利用一个或多个棱镜来最小化光束的差异以用于实现高光束质量和激光器性能。一个或多个(或甚至全部)棱镜可以是与衍射光栅分离且分立并且与衍射光栅间隔开的光学部件。在各种实施例中，棱镜中的一个可以与衍射光栅接触或是甚至与衍射光栅集成的部件的一部分；这样的实施例还可以在棱镜/光栅的光学上游和/或光学下游上具有一个或多个棱镜，并且棱镜/光栅在物理上与其分离且分立(并且间隔开)。
在各种实施例中，通过使用一个或多个棱镜来减少WBC谐振器的波长带宽的使用。具体地，一个或多个棱镜(例如，变形棱镜对)可以用于光束尺寸扩展。由于光束发散度与准直激光束的光束尺寸成反比，所以在光栅之前(即，光学上游)的适当定位的棱镜可以扩展光束尺寸并减小入射在光栅上的光束的主光线的锥角，并因此提供更窄的波长带宽。
在各种实施例中，通过使用一个或多个棱镜，WBC谐振器也更加紧凑和坚固，这可以为通常脆弱的透射光栅提供支撑或安装基座。虽然衍射光栅在此用作示例性色散元件，但是本发明的实施例可以利用其他色散元件，例如色散棱镜、透射光栅或中阶梯光栅。
本发明的实施例将多波长输出光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个芯的多个包层、单个包层内的多个离散芯区域(或“芯”)、或者被多个包层包围的多个芯。在各种实施例中，输出光束可被输送到工件以用于诸如切割、焊接等应用
这里，“光学元件”可以指重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学操纵电磁辐射的透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任何一种。这里，光束发射器、发射器、或激光发射器或激光器包括产生电磁波束但可能是或可能不是自谐振的任何电磁波束生成装置，例如半导体元件。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，电磁辐射不限于电磁光谱的任何特定部分，但可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括或基本由多个光束发射器组成，例如被配置为发射多个光束的二极管条。
激光二极管阵列、条和/或堆(诸如在以下一般性描述中描述的那些)可以与本文描述的创新的实施例结合使用。激光二极管可以单独或成组地封装，通常以一维行/阵列(二极管条)或二维阵列(二极管条堆)封装。二极管阵列堆通常是二极管条的垂直堆。激光二极管条或阵列通常实现比等价的单个广域二极管实质上更高的功率和成本效益。高功率二极管条通常包含广域发射器的阵列，以相对较差的光束质量产生几十瓦；尽管功率更高，但亮度通常低于广域激光二极管的亮度。高功率二极管条可以堆叠以产生高功率堆叠二极管条，以产生几百瓦或几千瓦的极高功率。激光二极管阵列可以被配置为将光束发射到自由空间或光纤中。光纤耦合二极管激光器阵列可以方便地用作光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。
二极管激光器条是一种半导体激光器，其包含广域发射器的一维阵列或可替换地包括包含例如10-20个窄条带发射器的子阵列。广域二极管条通常包含例如19-49个发射器，每个发射器具有例如1μm×100μm量级的维度。沿1μm维度或快轴的光束质量通常受衍射限制。沿100μm维度或慢轴或阵列维度的光束质量通常受多次衍射限制。典型地，用于商业应用的二极管条具有1至4mm量级的激光谐振器长度，约10mm宽并产生几十瓦的输出功率。大多数二极管条在780到1070nm的波长范围内工作，808nm(用于泵浦钕激光器)和940nm(用于泵浦Yb:YAG)的波长最为突出。915-976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱的高功率光纤激光器和放大器。
二极管堆只是多个二极管条的布置，可以输送非常高的输出功率。也被称为二极管激光器堆、多条模块或二维激光器阵列，最常见的二极管堆布置是垂直堆，其实际上是边缘发射器的二维阵列。这种堆可以通过将二极管条附接到薄散热片并堆叠这些组件以便获得二极管条和散热片的周期性阵列来制造。还有水平二极管堆和二维堆。对于高光束质量，二极管条通常应尽可能地彼此接近。另一方面，有效的冷却需要在条之间安装的散热片的最小厚度。这种二极管条间距的折衷导致二极管堆在垂直方向上的光束质量(以及随后的亮度)远低于单个二极管条的光束质量。然而，存在几种用于显著减轻这个问题的技术，例如通过不同二极管堆的输出的空间交错，通过偏振耦合或通过波长多路复用。为此目的已经开发了各种类型的高功率光束成形器和相关装置。二极管堆可以提供极高的输出功率(例如几百或几千瓦)。
在一个方面中，本发明的实施例的特征在于波长光束组合激光系统，其包括发射多个离散光束的一个或多个光束发射器、聚焦光学器件、衍射光栅(或其他色散元件)、部分反射输出耦合器、以及一个或多个第一棱镜，基本上由其组成或由其组成。聚焦光学器件将多个光束聚焦到衍射光栅。衍射光栅接收并色散聚焦的光束。由聚焦光学器件限定的光束的焦平面相对于由衍射光栅限定的平面成角度(即，处于非零角度)或者不共面。例如，衍射光栅可以是基本上平面的，并且因此由衍射光栅限定的平面对应于衍射光栅本身的平面。部分反射输出耦合器接收色散的光束，透射色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将色散光束的第二部分反射回至光束发射器。该一个或多个第一棱镜设置在聚焦光学器件的光学下游并且在衍射光栅的光学上游。所述一个或多个第一棱镜(i)以一入射角在所述第一棱镜之一的入射表面上接收所述光束，以及(ii)以小于入射角的出射角将光束从第一棱镜之一的出射表面传输至衍射光栅，由此(a)使得到的光束的焦平面被旋转为与由衍射光栅限定的平面基本共面，以及(b)入射到衍射光栅上的光束的尺寸基本上彼此相等。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。一个或多个第一棱镜可以包括具有入射表面和出射表面的单个第一棱镜，基本上由其组成或由其组成。一个或多个第一棱镜可以包括多个第一棱镜，基本上由其组成或由其组成。入射和出射表面可以在不同的第一棱镜上。衍射光栅可以设置在出射表面上并与其接触。衍射光栅和第一棱镜可以是单个集成部件。衍射光栅可以基本上与出射表面重合。衍射光栅可以是反射的，由此来自衍射光栅的衍射光束在被输出耦合器接收之前透射通过至少一个第一棱镜。衍射光栅可以是透射的。
所述激光系统可以包括一个或多个第二棱镜，所述第二棱镜设置在所述衍射光栅的光学下游并在所述输出耦合器的光学上游。来自衍射光栅的衍射(即波长色散)光束可以以第二入射角由第二棱镜的入射表面接收并且以大于第二入射角的第二出射角从第二棱镜的出射表面透射，由此由一个或多个第一棱镜引入的光束尺寸扩展被减小或基本消除。一个或多个第二棱镜可以包括具有入射表面和出射表面的单个第二棱镜，基本上由其组成或由其组成。一个或多个第二棱镜可以包括多个第二棱镜，基本上由其组成或由其组成。入射和出射表面可以在不同的第二棱镜上。激光系统可以包括设置在衍射光栅和输出耦合器之间的光学望远镜。光学望远镜可以将衍射光束的腰部投射在输出耦合器附近或基本上在输出耦合器上。光学望远镜可以包括具有波长光束组合维度上的光焦度的两个柱面透镜，基本上由其组成或由其组成。
另一方面，本发明的实施例的特征在于波长光束组合具有不同波长的多个光束的方法。多个光束朝向衍射光栅聚焦。光束的焦平面相对于由衍射光栅限定的平面成角度。光束的焦平面被旋转和/或平移，以使得焦平面基本上与衍射光栅所限定的平面共面。利用衍射光栅对光束进行波长色散。色散光束的第一部分被反射回衍射光栅。色散光束的第二部分被透射作为多波长输出光束。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。多波长输出光束可以具有多个光束的所有波长。光束的焦平面可以由一个或多个第一棱镜旋转。一个或多个第一棱镜可以设置在衍射光栅的光学上游。旋转光束的焦平面可以扩展至少一个光束的尺寸。在光束已经被波长色散之后，可以减小或基本消除光束尺寸扩展。通过一个或多个第二棱镜可以减小或基本消除光束尺寸扩展。一个或多个第二棱镜可以设置在衍射光栅的光学下游。对光束进行波长色散可以包括通过衍射光栅透射光束，基本上由其组成或由其组成。对光束进行波长色散可以包括利用衍射光栅反射光束，基本上由其组成，或由其组成。
在又一方面，本发明的实施例的特征在于波长光束组合激光系统，其包括发射多个离散光束的一个或多个光束发射器、聚焦光学器件、衍射光栅(或其他色散元件)、部分反射输出耦合器和第一棱镜，基本上由其组成或由其组成。聚焦光学器件将多个光束聚焦到衍射光栅并且限定光束的焦平面。衍射光栅接收并色散聚焦的光束。由聚焦光学器件限定的光束的焦平面可以相对于由衍射光栅限定的平面成角度(即，以非零角度)或以其他方式不共面。例如，衍射光栅可以是基本上平面的，并且因此由衍射光栅限定的平面对应于衍射光栅本身的平面。在各种实施例中，由聚焦光学器件限定的光束的焦平面基本上与由衍射光栅限定的平面共面。部分反射输出耦合器接收色散的光束，透射色散光束的一部分作为多波长输出光束，并将色散光束的第二部分反射回至光束发射器。第一棱镜设置在聚焦光学器件的光学下游并且在衍射光栅的光学上游。第一棱镜(i)以一入射角在第一棱镜的入射表面上接收光束，以及(ii)以一出射角将光束从第一棱镜的出射表面传输到衍射光栅，由此产生的光束的焦平面基本上与由衍射光栅限定的平面共面。入射在衍射光栅上的光束的尺寸可以基本上彼此相等或可以彼此不同。入射角可以小于、大致等于或大于出射角。
本发明的实施例可以以各种组合中的任何一种包括以下中的一个或多个。衍射光栅可以设置在出射表面上并与其接触。衍射光栅和第一棱镜可以是单个集成部件。衍射光栅可以基本上与出射表面重合。衍射光栅可以是反射的，由此来自衍射光栅的衍射光束在被输出耦合器接收之前透射通过第一棱镜。衍射光栅可以是透射的。
所述激光系统可以包括一个或多个第二棱镜，所述第二棱镜设置在所述衍射光栅的光学下游并在所述输出耦合器的光学上游。来自衍射光栅的衍射(即波长色散)光束可以以第二入射角由第二棱镜的入射表面接收并且以大于第二入射角的第二出射角从第二棱镜的出射表面透射，由此至少一个光束的尺寸减小。一个或多个第二棱镜可以包括具有入射表面和出射表面的单个第二棱镜，基本上由其组成或由其组成。一个或多个第二棱镜可以包括多个第二棱镜，基本上由其组成或由其组成。入射和出射表面可以在不同的第二棱镜上。激光系统可以包括设置在衍射光栅和输出耦合器之间的光学望远镜。光学望远镜可以将衍射光束的腰部投射在输出耦合器附近或基本上在输出耦合器上。光学望远镜可以包括具有波长光束组合维度上的光焦度的两个柱面透镜，基本上由其组成或由其组成。所述激光系统可以包括一个或多个第二棱镜，所述第二棱镜设置在所述聚焦光学器件的光学下游并且在所述第一棱镜的光学上游。
通过参考以下描述、附图和权利要求，这些和其他目的以及本文公开的本发明的优点和特征将变得更加明显。此外，应该理解，这里描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换形式存在。如本文所使用的，术语“基本上”和“大约”是指±10％，并且在一些实施例中是±5％。术语“基本上由...组成”是指排除有助于功能的其他材料，除非在此另外定义。尽管如此，这些其他材料可能以微量共同或单独存在。这里，术语“辐射”和“光”可互换使用，除非另有说明。这里，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后撞击的第二元件的相对位置，第一元件位于第二元件的“上游”或“光学上游”。这里，两个部件之间的“光学距离”是光束实际行进的两个部件之间的距离；光学距离可以但不一定等于两个部件之间的物理距离，这例如是由于从反射镜的反射或光从其中一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向的其他变化。
附图说明
在附图中，相同的附图标记在不同的视图中通常指代相同的部件。而且，附图不一定按比例绘制，而是通常将重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图来描述本发明的各种实施例，其中：
图1是WBC维度上的部分WBC谐振器的示意图，示出了由入射光束的不同角度引起的衍射光栅之上和之后的光束尺寸差异；
图1A是图1的放大部分；
图2是根据本发明实施例的部分WBC谐振器的示意图，示出了在光栅之上和之后的减小的光束尺寸差异；
图2A是图2的放大部分；
图3是根据本发明实施例的包含多个棱镜的部分WBC谐振器的示意图，其中光栅上游的第一棱镜改善光束质量并减小波长带宽，光栅下游的第二棱镜反转光束扩展；
图3A是图3的放大部分；
图4是根据本发明实施例的在光栅上游包含多个棱镜的部分WBC谐振器的示意图；
图5A和5B是根据本发明的实施例的包括与光栅紧密间隔或与光栅集成的棱镜的部分WBC谐振器的示意图；以及
图6是根据本发明实施例的具有棱镜和反射光栅的部分WBC谐振器的示意图。
具体实施方式
图1示出WBC维度上的波长光束组合(WBC)谐振器100的典型常规布局。谐振器100具有多个发射器102、104、106、具有焦距f1的变换透镜108、衍射光栅110、以透镜112、114为特征的望远镜透镜组、以及部分反射输出耦合器116。尽管在图1和其他附图中未示出，发射器可以具有附接到其上的微透镜，用于减小初始大发散并且用于光束成形和定向。变换透镜108通常与发射器和光栅110共焦定位。透镜108准直各个发射器并将发射器主光线会聚到光栅110的中心，特别是在WBC维度上。发射器102、104、106的主光线分别被标记为118、120和122。如图1所示，发射器102、104、106形成WBC谐振器100的源阵列，其在WBC平面上具有维度D(124)。对于给定的WBC谐振器，源维度D(124)限定入射到光栅110上的主射线的锥角θ(126)以及因此谐振器的波长带宽。
透镜112和透镜114形成望远镜透镜组，其设计用于减小光束尺寸，特别是在WBC维度上，并且还用于将各个光束的腰部投射到输出耦合器116上。耦合器116(通常是部分反射器)通过光栅110向各个发射器提供反馈并且还透射组合的多波长输出光束127。对于高光束质量，特别是在WBC维度上，WBC谐振器通常被设计成使所有主光线在光栅的中心重叠。如图1所示，主光线在光栅110的中心128处的理想重叠将导致在光栅110之后的所有主光线的完美共线重叠。然而，各个光束在光栅110之后的重叠实际上因为各个光束的光束尺寸的差异是不完全的，这是由通常倾斜的光栅110上的入射角的差异所引起的。光束的这种不完全重叠将使WBC谐振器的输出光束的光束质量劣化大约SN/S1的因子，其中，SN(130)是来自发射器106的光束的光束尺寸，其具有与光栅110的最大入射角，并且S1(132)是来自发射器102的光束的光束尺寸，其具有与光栅的最小入射角。
光束在光栅的光学下游的不同尺寸不仅会降低输出光束质量，而且还会降低发射器之间的反馈均匀性和整体反馈效率，因为共享望远镜透镜组112、114可能仅针对特定输入发射器光束被优化。因此其他光束可能遭受较大的反馈损失，因为它们的腰部可能位于远离耦合器116的位置。
在光栅的光学下游的光束尺寸差异也可以通过与中心主光线120垂直的焦平面134的偏差和光栅110的定向来解释，光栅110通常被设计成以相对于中心主光线120的大角度倾斜以用于实现所需的色散能力和衍射效率。如所示出的，焦平面134可以被旋转(即，以非零角度)或者相对于光栅110不共面。如果焦平面134可以倾斜以使其沿着光栅110放置，则光栅100之后的光束尺寸差异可以被消除或最小化。
下面的表1和表2示出了上述典型的常规WBC谐振器的数值示例，并且因此提供了用于下文所描述的本发明的实施例的比较的参考。
表1：示例性WBC谐振器100的设计参数
表2：由表1定义的谐振器100的计算结果
路径长度(从发射器至耦合器) ～800mm
主光线会聚角度(θ) 9.6度
光栅之后的光束尺寸差异(SN/S1) 1.47(47％)
波长带宽(发射器102至发射器106) 40nm
表2示出了基于表1定义的参数的WBC谐振器的结果。谐振器具有约800mm的总路径长度，包括光栅110的约600mm的上游(其为焦距f1的约两倍)以及光栅110的约200mm的下游(用于合适的输出光束尺寸和腰部位置的距离)。对于给定的变换透镜108和光栅110，源维度D(124)设置入射锥角θ(126)并因此设置谐振器的波长带宽。
表2中显示的大的光束尺寸差异(47％)意味着输出光束质量可能比单个发射器(假设每个发射器具有相同的光束质量)差约1.47倍。较大的光束尺寸差异也会导致腰部位置的较大差异，因此大大降低了反馈均匀性和整体反馈效率。因此，减小光束的光束尺寸差异不仅会提高输出光束质量，还会提高激光器性能。
表2所示的波长带宽表明，一端的边缘发射器的工作波长与另一端的边缘发射器(即图1中的发射器102和106)相差40nm。假设源发射器是二极管激光器，由于970nm波段的二极管激光器具有约30nm的增益范围，因此该WBC谐振器的源发射器阵列需要至少两个不同波段的二极管激光器来覆盖整个带宽。更重要的是，由于二极管激光器可能以大约0.35nm/℃的速率偏移波长，所以使得该WBC激光器在低电流(低温)和高电流(高温)下工作所需的波段的数量可能实际上比两个大得多。更多的波段意味着更多的芯片设计和更多的分档和筛选工作，因此导致激光系统的成本更高。另外，如本领域技术人员所理解的，宽波长范围也可能增加来自涂层表面的额外功率损失和涂层的额外成本。
本发明的实施例解决了上述问题。图2描绘了根据本发明的各种实施例的WBC谐振器200。如图所示，谐振器200的特征在于光束路径内的棱镜202，其具有棱角α(204)、入射表面206和出射表面208。入射表面206和出射表面208之间的角度对应于棱角204。在本发明的示例性实施例中，棱镜202是具有范围从大约10°到大约45°的棱角204的直角棱镜，尽管本发明的实施例还以其他棱镜为特征，例如非直角棱镜。对于特定的谐振器200，包括中心波长、光栅入射角和棱镜折射率等的许多因素可影响棱镜棱角204的选择和棱镜202的相对定向。如图2所示，棱镜202位于WBC平面上并被对准为使其棱角204指向光栅110，从而形成中心主光线120的大入射角和小出射角。还如图所示，在本发明的各种实施例中，入射表面206和/或出射表面208(甚至棱镜202的所有表面)不平行于光栅110的平面。
在谐振器200中，棱镜202具有至少两个效果。首先，它引入WBC维度上的线性相位延迟，其导致倾斜的焦平面210朝向光栅110的平面倾斜，以使得各个光束在光栅110上的投射光束尺寸的差异最小化。当与图1中所示的谐振器100的布局相比时，这种效果是非常明显的。在各种实施例中，焦平面210基本上与光栅110的平面共面，即，焦平面210与光栅110的平面210之间的角度小于2°，小于1°，小于0.5°，小于0.2°或甚至小于0.1°。其次，由于入射表面206上的较大入射角(即，入射光束与入射表面206的表面法线之间的角度)以及离开出射表面208的较小出射角(即，出射光束和出射表面208的表面法线之间的角度)，则穿过棱镜202的激光束可以被扩展光束扩展因子F。相应地，在棱镜202的光学下游的主光线会聚角β(212)与棱镜202的光学上游的会聚角θ(214)相比可以减小相同的因子F，即F＝θ/β>1。因此，与谐振器100相比，WBC谐振器200的波长带宽有效地缩小F倍。根据本发明的各种实施例，对于单个棱镜，F的值可以高达4，并且对于棱镜对高达16。因此，棱镜-光栅组合的有效色散能力可能比单独使用光栅的系统大几倍。请注意，通过在WBC谐振器中使用一个或多个棱镜而导致的色散能力的急剧增加不是由于棱镜的自然色散能力造成的(与这种谐振器中使用的光栅相比，这实际上可以忽略不计)，而是因为在穿过棱镜之后(例如，如在变形棱镜对中)的有效光束尺寸扩展。
为了比较的目的，图2的WBC谐振器200的数值示例基于上表1中包括的相同设计参数在表3中提供。
表3：具有如表1中的参数的WBC谐振器200的计算结果
路径长度(从发射器至耦合器) >900mm
入射主光线会聚角度(θ) 9.6度
主光线会聚至光栅的角度(β) 6度
棱镜1光束扩展因子(F) 1.6
光栅之后的光束尺寸差异 ～1％
波长带宽 25nm
如表3所示，通过在谐振器200中使用棱镜202，光束尺寸差异从47％(参见表2)急剧下降到大约1％。使用ZEMAX光学建模软件开发的模型还显示，在将棱镜202插入谐振器200之后，可以在5％的瑞利范围以内将所有单独光束的腰部投射到耦合器116，相比之下，对于缺少棱镜202的谐振器100来说超过50％。这强烈表明，通过使用一个或多个棱镜来最小化光束尺寸差异也将极大地改善反馈均匀性和效率。表3还表明，如期望的，由于棱镜202提供的1.6×光束扩展，波长带宽从40nm(参见表2)到25nm缩小了1.6倍。
在各种实施例中，由于在光栅110上游的增大的光束尺寸和较长的路径长度，具有一个或多个棱镜(例如，棱镜202)的系统可利用较大尺寸的光栅110。如表3所示，全路径长度增加>100mm，并且可以利用透镜112和耦合器116之间的增加的距离来保持输出不变。
图3描绘了根据本发明的各种实施例的WBC谐振器300。如图所示，谐振器300具有附加棱镜302，用于收缩光束尺寸，即解除由棱镜202引起的光束扩展，从而整个谐振器路径长度可保持不变或甚至缩短。如图所示，虽然棱镜302可以位于光栅110和耦合器116之间的任何位置，但棱镜302可以放置在光栅110和透镜112之间。如图所示，棱镜302被布置为使得入射在棱镜302的入射表面304上的角度小于从棱镜302的出射表面306的出射角，从而产生位于棱镜302的光学下游的小的光束尺寸。在本发明的示例性实施例中，棱镜302是直角棱镜，其具有范围从大约10°到大约45°的在入射表面304和出射表面306之间的棱角，但本发明的实施例还以诸如非直角棱镜的其他棱镜为特征。在各种实施例中，棱镜202、302的棱角大致相同。如图3所示，在本发明的各种实施例中，入射表面304和/或出射表面306(或甚至棱镜302的所有表面)不平行于光栅110的平面。
图4描绘了本发明的一个实施例，其用光栅110的光学上游的一对棱镜400、402代替谐振器200的棱镜202。在所示的实施例中，棱镜400、402被布置成将光束的焦平面大致定位在光栅110上，如同谐振器200中的棱镜202一样。如图所示，棱镜400、402被布置为使得对于每个棱镜，棱镜的入射表面上的入射角小于从棱镜的出射表面的出射角。尽管图4描绘了代替谐振器200的棱镜202的两个棱镜400、402，但是本发明的实施例包括多于两个棱镜，所述多于两个棱镜设置在光栅110的光学上游并且被布置为最小化光栅110的光学下游的光束尺寸差异。在本发明的各种实施例中，以这种方式使用两个或更多个棱镜的优点包括引入较陡的线性相位延迟，即产生进一步倾斜的焦平面，当光栅上的入射角非常大时可以利用该焦平面。另外，这样的实施例有助于减小入射在棱镜本身上的角度，这对于最小化或减小抗反射涂层反射损失可能是期望的。本发明的实施例还包括类似于图4的配置，其中多个棱镜代替并复制图3中的棱镜302的功能。如图4所示，在本发明的多个实施例中，多个棱镜设置在光栅110的光学上游和/或下游，至少一个(或甚至全部)棱镜的入射表面和/或出射表面(或者甚至全部表面)不平行于光栅110的平面。
图5A和图5B描绘了本发明的附加实施例，其中利用棱镜来最小化光栅110上及其光学下游的光束尺寸的差异。如图所示，棱镜500、502还各自提供刚性支撑表面，光栅110可以被安装在该刚性支撑表面上并被物理支撑。由于光栅110通常是薄且脆弱的，其中光栅110安装在其上并与棱镜接触的谐振器可以更紧凑和更坚固。例如，可以使用光学粘合剂或其他耦合剂将光栅110安装在棱镜的出射表面上。本发明的实施例还包括使用在其出射表面上组合棱镜与衍射光栅的单个集成光学部件。
如图5A所示，棱镜500可以是具有范围从约45°至约75°的在入射表面506与出射表面508之间的棱角α(504)的等腰三角形棱镜。在这样的实施例中，光栅100的下游的光束尺寸可以与棱镜500上游的光束尺寸大致相同，并且因此谐振器的波长带宽可以在具有或不具有棱镜500的情况下基本不变。也就是说，在本发明的各种实施例中，在棱镜500上的入射角和从棱镜500的出射角可以基本相同。相反，图5B中描绘的棱镜502类似于棱镜202并且具有范围从大约10°到大约45°的棱角。由于棱镜502被对准以使得其出射表面大致对应于光束的焦点并且对应于光栅110的表面，所以棱镜502将倾向于缩小光束尺寸，并且因此谐振器的波长带宽可以在利用棱镜502时加宽。也就是说，在各种实施例中，棱镜502上的入射角可以小于从棱镜502的出射角。
如图6所示，本发明的实施例可以利用反射式衍射光栅而不是透射式光栅。如图所示，单个棱镜600将光束透射并聚焦到反射式光栅602并且将衍射光束接收并透射到透镜112，并且因此至耦合器116。因此，当朝向反射式光栅602透射光束时，棱镜600用作图2和3中所示的棱镜202，并且当透射从反射式光栅602接收的衍射光束时，棱镜600用作图3所示的棱镜302。如图6所示，在本发明的各种实施例中，反射式光栅602的一个或多个(或甚至全部)表面不平行于光栅110的平面。
这里使用的术语和表达被用作描述的术语而不是限制，并且在使用这样的术语和表达时，没有意图排除所示出和描述的特征的任何等同物或其部分，但是可以理解在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (26)

1.一种波长光束组合激光系统，包括：
发射多个离散光束的光束发射器；
聚焦光学器件，用于将所述多个光束聚焦到衍射光栅；
衍射光栅，用于接收和色散所接收的聚焦光束，其中由所述聚焦光学器件限定的所述光束的焦平面相对于由所述衍射光栅限定的平面成角度；
部分反射输出耦合器，其被定位成接收色散光束，通过其透射所述色散光束的一部分作为多波长输出光束，并且将所述色散光束的第二部分反射回至所述光束发射器；以及
一个或多个第一棱镜，设置在所述聚焦光学器件的光学下游并且在所述衍射光栅的光学上游，用于(i)以一入射角在所述第一棱镜之一的入射表面上接收所述光束，以及(ii)以小于所述入射角的出射角将所述光束从所述第一棱镜之一的出射表面传输至所述衍射光栅，由此(a)使得到的所述光束的焦平面被旋转为与由所述衍射光栅限定的平面基本共面，以及(b)入射到所述衍射光栅上的所述光束的尺寸基本上彼此相等。
2.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述一个或多个第一棱镜基本上由具有所述入射表面和所述出射表面的单个第一棱镜组成。
3.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述一个或多个第一棱镜包括多个第一棱镜，所述入射表面和所述出射表面位于不同的第一棱镜上。
4.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述衍射光栅是反射的，由此来自所述衍射光栅的衍射光束在被所述输出耦合器接收之前透射通过所述第一棱镜中的至少一个。
5.根据权利要求1所述的激光系统，其中所述衍射光栅是透射的。
6.根据权利要求1所述的激光系统，还包括第二棱镜，所述第二棱镜设置在所述衍射光栅的光学下游并且在所述输出耦合器的光学上游，其中来自所述衍射光栅的衍射光束以第二入射角由所述第二棱镜的入射表面接收并且以大于所述第二入射角的第二出射角从所述第二棱镜的出射表面透射，由此由所述一个或多个第一棱镜引入的光束尺寸扩展被减小或基本消除。
7.根据权利要求1所述的激光系统，还包括设置在所述衍射光栅与所述输出耦合器之间的光学望远镜。
8.根据权利要求7所述的激光系统，其中所述光学望远镜包括具有波长光束组合维度上的光焦度的两个柱面透镜。
9.一种波长光束组合具有不同波长的多个光束的方法，所述方法包括：
将所述多个光束聚焦到衍射光栅，所述光束的焦平面相对于由所述衍射光栅限定的平面成角度；
旋转所述光束的焦平面，以使得所述焦平面与由所述衍射光栅限定的所述平面基本共面；
利用所述衍射光栅对所述光束进行波长色散；
将色散光束的第一部分反射回至所述衍射光栅；以及
透射所述色散光束的第二部分作为多波长输出光束。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述光束的所述焦平面由设置在所述衍射光栅的光学上游的一个或多个第一棱镜旋转。
11.根据权利要求9所述的方法，其中旋转所述光束的所述焦平面扩展了所述光束中的至少一个的尺寸。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括在所述光束已经被波长色散之后减小或基本上消除所述光束尺寸扩展。
13.根据权利要求12所述的方法，其中通过设置在所述衍射光栅的光学下游的一个或多个第二棱镜减小或基本消除所述光束尺寸扩展。
14.根据权利要求9所述的方法，其中波长色散所述光束包括通过所述衍射光栅透射所述光束。
15.根据权利要求9所述的方法，其中波长色散所述光束包括利用所述衍射光栅反射所述光束。
16.一种波长光束组合激光系统，包括：
发射多个离散光束的光束发射器；
聚焦光学器件，用于将所述多个光束聚焦到衍射光栅，所述聚焦光学器件限定所述光束的焦平面；
衍射光栅，用于接收和色射所接收的聚焦光束；
部分反射输出耦合器，其被定位成接收色散光束，通过其透射所述色散光束的一部分作为多波长输出光束，并且将所述色散光束的第二部分反射回至所述光束发射器；以及
第一棱镜，设置在所述聚焦光学器件的光学下游并且在所述衍射光栅的光学上游，用于(i)以一入射角在所述第一棱镜的入射表面上接收所述光束以及(ii)以一出射角将所述光束从所述第一棱镜的出射表面传输至所述衍射光栅，由此(a)使得到的光束的焦平面与由所述衍射光栅限定的平面基本共面，以及(b)入射到所述衍射光栅上的光束的尺寸基本上彼此相等。
17.根据权利要求16所述的激光系统，其中所述衍射光栅设置在所述出射表面上。
18.根据权利要求16所述的激光系统，其中所述衍射光栅和所述第一棱镜是单个集成部件。
19.根据权利要求16所述的激光系统，其中所述衍射光栅是反射的，由此来自所述衍射光栅的衍射光束在被所述输出耦合器接收之前透射通过所述第一棱镜。
20.根据权利要求16所述的激光系统，其中所述衍射光栅是透射的。
21.根据权利要求16所述的激光系统，还包括第二棱镜，所述第二棱镜设置在所述衍射光栅的光学下游并且在所述输出耦合器的光学上游。
22.根据权利要求21所述的激光系统，其中来自所述衍射光栅的衍射光束以第二入射角由所述第二棱镜的入射表面接收并且以大于所述第二入射角的第二出射角从所述第二棱镜的出射表面透射，由此至少一个光束的尺寸减小。
23.根据权利要求16所述的激光系统，还包括设置在所述衍射光栅与所述输出耦合器之间的光学望远镜。
24.根据权利要求23所述的激光系统，其中，所述光学望远镜包括具有波长光束组合维度上的光焦度的两个柱面透镜。
25.根据权利要求16所述的激光系统，还包括设置在所述聚焦光学器件的光学下游并且在所述第一棱镜的光学上游的第二棱镜。
26.根据权利要求16所述的激光系统，其中由所述聚焦光学器件限定的所述光束的焦平面相对于由所述衍射光栅限定的平面成角度。
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