CN109565146A - 具有模块化二极管源的高功率激光系统 - Google Patents

Abstract

在各种实施方式中，模块化激光系统以具有用于接受输入激光束模块的接口的外壳、用于将来自模块的光束组合成组合输出光束的光学元件和用于与模块接口并在操作期间冷却模块的热交换歧管为特征。

Description

具有模块化二极管源的高功率激光系统

相关申请

本申请要求2016年8月5日提交的美国临时专利申请No.62/371,341的权益和优先权，该临时专利申请的全部公开内容通过引用包含于此。

技术领域

在各种实施方式中，本发明涉及具有模块化光束源的高功率激光系统。

背景技术

高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，来自其的激光耦合到光学纤维(或简单地“光纤”)内；以及光学系统，其将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。波长光束组合(WBC)是用于按比例调整来自激光二极管、激光二极管线阵、二极管线阵的堆叠或布置在一维或二维阵列中的其它激光器的输出功率和亮度的技术。开发了WBC方法以沿着发射器的阵列的一个或两个维度组合光束。典型的WBC系统包括使用色散元件而组合以形成多波长光束的多个发射器，例如一个或多个二极管线阵。在WBC系统中的每个发射器单独地谐振，并通过由色散元件沿着光束组合维度过滤的来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定。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和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述了示例性WBC系统，每个专利的全部公开内容通过引用包含于此。

虽然诸如WBC的技术在为各种应用产生基于激光的系统方面获得成功，但这样的系统的更广泛采用导致对越来越高的水平的激光输出功率的要求。高功率激光系统，例如WBC系统和/或光纤耦合的激光系统是相当复杂的，且可能因此是相当昂贵的；因此，可靠性是这样的系统的关键度量。很多高功率激光系统利用深深地集成在激光系统内的固态激光二极管(或简单地“二极管”)源；因此，这样的系统的可靠性和所有权的成本被下面的事实限制：在二极管故障的情况下二极管源通常不能在现场被更换。因此，存在对高功率激光系统的需要，其中二极管激光源更容易地被更换或修理，从而提高系统运行时间并降低总成本。

发明内容

根据本发明的实施方式，高功率激光系统以多个单独可更换的激光源模块为特征，每个模块包含至少一个激光源，例如一个或多个基于二极管的源。源模块可从系统移除并由最终用户“在现场”更换，提高了系统可靠性和操作时间。此外，可更换的模块可以在给定它们的可更换性的情况下在较高电流下被驱动。虽然在一些实施方式中这样的高电流驱动可能导致单独二极管源的较早故障，但较高电流操作可能使根据本发明的实施方式的系统能够利用更少的源(例如少20％-50％的源)，且可能因此是相应地较不昂贵的。

根据本发明的实施方式的激光源模块可以以与在光束组合外壳上的互补特征接口的电气和光学接口为特征，其中来自模块的各个光束组合成单个输出光束(且在一些实施方式中耦合到光纤内)。这些光学和电气接口便于以源的相关对准的最小量(如果有的话)容易地更换输入激光源。根据本发明的实施方式的系统也以可容易地连接到在系统中利用的任何期望数量的激光源和可从激光源分离的模块化热交换歧管为特征。源模块可插入到布置在外壳中或上的输入接受器内并与输入接受器接口，其中输入光束组合以形成输出光束。

可在WBC系统中利用根据本发明的实施方式的激光装置以形成高亮度、低光束参数乘积(BPP)的激光系统。BPP是激光束的发散角(半角)和光束的在它的最窄点处的半径(即，光束腰，最小光斑尺寸)的乘积。BPP量化激光束的质量和它可多么好地聚焦到小光斑，且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)的单位表示。高斯光束具有由激光的波长除以π给出的最低可能的BPP。实际光束的BPP与在同一波长处的理想高斯光束的BPP之比被表示为M²或“光束质量因子”，其为光束质量的波长无关度量，“最佳”质量对应于1的“最低”光束质量因子。

如在本文利用的，具有高热导率的材料或“导热材料”具有至少100瓦每米每开尔文(W·m^-1·K^-1)、至少170W·m^-1·K^-1或甚至至少300W·m^-1·K^-1的热导率。如在本文利用的，具有高电导率的材料或“导电材料”具有至少1×10⁵西门子每米(S/m)、至少1×10⁶S/m或甚至至少1×10⁷S/m的例如在20℃下的电导率。如在本文利用的，具有高电阻率的材料或“电绝缘材料”具有至少1×10⁸欧姆·米(Ω·m)、至少1×10¹⁰Ω·m或甚至至少1×10¹²Ω·m的电阻率。

如本领域中的技术人员已知的，激光器一般被定义为通过光的受激发射生成可见或不可可见光的装置。激光器一般具有使它们在各种应用中可使用的特性，如上面所提到的。常见的激光器类型包括半导体激光器(例如激光二极管和二极管线阵)、固态激光器、光纤激光器和气体激光器。激光二极管一般基于支持光子(光)的发射的简单二极管结构。然而，为了提高效率、功率、光束质量、亮度、可调谐性等，该简单结构一般被修改以提供各种很多实际类型的激光二极管。激光二极管类型包括从在具有高光束质量的光束中的几毫瓦到高达大约半瓦的输出功率生成的小边缘发射种类。二极管激光器的结构类型包括双异质结构激光器，其以夹在两个高带隙层之间的一层低带隙材料为特征；量子阱激光器，其包括导致激光器的能量的高效率和量化的非常薄的中间(量子阱)层；多量子阱激光器，其包括多于一个量子阱层以提高增益特性；量子线或量子海(点)激光器，其用线或点代替中间层以产生高效率量子阱激光器；量子级联激光器，其实现可通过改变量子层的厚度来调谐的在相对长的波长处的激光作用；单独约束异质结构激光器，其是最常见的商用激光二极管并包括在量子阱层之上和之下的另外两个层以有效地约束所产生的光；分布式反馈激光器，其通常在要求高的光通信应用中被使用并包括便于在制造期间通过将单个波长反射回到增益区域来生成稳定波长组的集成衍射光栅；垂直腔表面发射激光器(VCSEL)，其具有与其它激光二极管不同的结构，因为光从它的表面而不是从它的边缘被发射；以及垂直外腔表面发射激光器(VECSEL)和外腔二极管激光器，其是主要使用双异质结构二极管并包括光栅或多棱镜光栅配置的可调谐激光器。外腔二极管激光器常常是波长可调谐的，并展示小发射线宽。激光二极管类型还包括各种高功率的基于二极管的激光器，其包括：广域激光器，其以具有长方形输出端面的多模二极管为特征并一般具有差的光束质量但生成几瓦的功率；锥形激光器，其以具有锥形输出端面的像散模二极管为特征，与广域激光器比较时展示提高的光束质量和亮度；脊波导激光器，其以具有卵形输出端面的椭圆模二极管为特征；以及平板耦合光波导激光器(SCOWL)，其以具有输出端面的圆形模二极管为特征并可生成在具有几乎圆形剖面的衍射限制光束中的瓦特级输出。

二极管激光器线阵是包含广域发射器的一维阵列或可替换地包含例如包含10-20个窄条发射器的子阵列的一种类型的半导体激光器。广域二极管线阵通常包含例如19-49个发射器，每个发射器具有在例如1μm×100μm的数量级上的维度。沿着1μm维度或快轴的光束质量通常是衍射限制的。沿着100μm维度或慢轴或阵列维度的光束质量通常是衍射限制的很多倍。通常，用于商业应用的二极管线阵具有1到4mm的数量级的激光谐振器长度，是大约10mm宽并生成数十瓦的输出功率。大部分二极管线阵在从780到1070nm的波长区域中操作，808nm(对于泵浦钕激光器)和940nm(对于泵浦Yb:YAG)的波长是最突出的。915–976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱高功率光纤激光器和放大器。

本发明的实施方式将(例如由如在本文所详述的封装的激光装置发射的)一个或多个激光束耦合到光纤内。在各种实施方式中，光纤具有围绕单个纤芯的多个覆层、在单个覆层内的多个分立纤芯区域(或“纤芯”)、或由多个覆层围绕的多个纤芯。

在本文，“光学元件”可以指使电磁辐射改变方向、反射、弯曲或以任何其它方式光学地操纵电磁辐射的透镜、反射镜、棱镜、和光栅等中的任一种。在本文，光束发射器、发射器、或激光发射器、或激光器包括生成电磁波束但可以或可以不是自谐振的任何电磁波束生成装置，诸如半导体元件。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器等。通常，每个发射器包括背反射表面、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波谱的任何特定部分，而可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可包括被配置成发射多个光束的多个光束发射器，例如二极管线阵，或基本上由其组成。在本文的实施方式中接收的输入光束可以是使用本领域中已知的各种技术组合的单波长或多波长光束。此外，在本文对“激光器”、“激光发射器”或“光束发射器”的引用不仅包括单二极管激光器，而且包括二极管线阵、激光器阵列、二极管线阵阵列和单个垂直腔表面发射激光器(VCSEL)或VCSEL的阵列。

在一个方面中，本发明的实施方式以用于将多个输入光束组合成组合输出光束的激光系统为特征。激光系统包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：外壳、热交换歧管、多个输入光束模块、布置在外壳上的多个输入接受器和布置在外壳内的多个光学元件。外壳包括用于输出组合输出光束的光束输出端。热交换歧管包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于容纳热交换流体的储存器，以及(ii)多个热交换接口，每个热交换接口包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(a)用于供应热交换流体的输出管道和(b)用于接收热交换流体的输入管道。每个输入模块包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)壳体，(ii)布置在壳体内的激光束源，(iii)布置在壳体内的用于接收和聚焦由激光束源发射的一个或多个输入光束的聚焦光学元件，(iv)布置在壳体上的用于将所聚焦的一个或多个输入光束从壳体传输出的光学接口，(v)布置在壳体上的用于将电功率传输到壳体内和激光束源的电气接口，以及(vi)冷却接口，其包括：(a)冷却输入端，其用于从热交换歧管的输出管道之一接收热交换流体并将热交换流体布置成与激光束源热接触，以及(b)冷却输出端，其用于在所述热交换流体与所述激光束源之间的热交换之后从激光束源接收热交换流体，并将热交换流体输出到热交换歧管的输入管道。每个输入接受器被配置成接受输入光束模块之一。每个输入光束接受器包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于供应电功率的电气输出端，(ii)用于从输入光束模块接收一个或多个输入光束的光接收器，以及(iii)用于使输入光束模块与外壳机械地对准的对准特征，由此，当输入光束模块被接受在输入光束接受器内时，电气输出端电气地连接到输入光束模块的电气接口，且光接收器与输入光束模块的光学接口光学地对准。布置在外壳内的光学元件从输入接受器的光接收器接收输入光束，将输入光束组合成组合输出光束，并将组合输出光束传输到光束输出端。

本发明的实施方式可以以各种组合中的任一种包括下列项中的一个或多个。光束输出端可以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于接纳光纤的输出接受器。光纤可耦合到光束输出端。光束输出端可以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于传输自由空间输出光束的窗口(例如开口或对输出光束基本上透明的实心构件)。激光束源中的一个或多个或甚至全部可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：被配置成发射多个激光束的二极管线阵。布置在外壳内的多个光学元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于将输入光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，(ii)用于接收并色散所接收的聚焦输入光束的色散元件，以及(iii)被定位成接收色散光束、穿过其传输色散光束的一部分作为组合输出光束并将色散光束的第二部分反射回到色散元件的部分反射输出耦合器。布置在外壳内的多个光学元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于将输入光束聚焦到光束输出端上或附近的聚焦光学器件。色散元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：衍射光栅(例如透射光栅或反射光栅)。光学元件可被配置成在即使输入接受器中的一个或多个是空的的情况下将输入光束组合成组合输出光束并将组合输出光束传输到光束输出端。激光系统可包括被配置成通过每个热交换接口来控制热交换流体的流量的控制系统。控制系统可被配置成至少部分地基于每个输入光束模块的所感测的温度来控制热交换流体的流量。至少一个输入光束模块的光学接口可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：窗口、棱镜和/或透镜。至少一个输入接受器的光接收器可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：窗口、棱镜和/或透镜。

在另一方面中，本发明的实施方式以用于将由多个输入光束模块发射的多个输入光束组合成组合输出光束的激光系统为特征。每个输入光束模块包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)壳体，(ii)布置在壳体内的激光束源，(iii)布置在壳体内的用于接收和聚焦由激光束源发射的一个或多个输入光束的聚焦光学元件，(iv)布置在壳体上的用于将所聚焦的一个或多个输入光束从壳体传输出的光学接口，(v)布置在壳体上的用于将电功率传输到壳体内和激光束源的电气接口，以及(vi)冷却接口，其包括：(a)冷却输入端，其用于接收热交换流体并将热交换流体布置成与激光束源热接触，以及(b)冷却输出端，其用于在所述热交换流体与所述激光束源之间的热交换之后从激光束源接收热交换流体，并输出热交换流体。激光系统包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：外壳、热交换歧管、布置在外壳上的多个输入接受器、和布置在外壳内的多个光学元件。外壳包括用于输出组合输出光束的光束输出端。热交换歧管包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于容纳热交换流体的储存器，以及(ii)多个热交换接口，每个热交换接口包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(a)用于向输入光束模块之一的冷却输入端供应热交换流体的输出管道和(b)用于从输入光束模块之一的冷却输出端接收热交换流体的输入管道。每个输入接受器被配置成接受输入光束模块之一。每个输入接受器包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于供应电功率的电气输出端，(ii)用于从输入光束模块接收一个或多个输入光束的光接收器，以及(iii)用于使输入光束模块与外壳机械地对准的对准特征，由此，当输入光束模块被接受在输入光束接受器内时，电气输出端电气地连接到输入光束模块的电气接口，且光接收器与输入光束模块的光学接口光学地对准。多个光学元件从输入接受器的光接收器接收输入光束，将输入光束组合成组合输出光束，并将组合输出光束传输到光束输出端。

本发明的实施方式可以以各种组合的任一种包括下列项中的一个或多个。光束输出端可以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于接纳光纤的输出接受器。光纤可耦合到光束输出端。光束输出端可以包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于传输自由空间输出光束的窗口(例如开口或对输出光束基本上透明的实心构件)。激光束源中的一个或多个或甚至全部可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：被配置成发射多个激光束的二极管线阵。布置在外壳内的多个光学元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：(i)用于将输入光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，(ii)用于接收并色散所接收的聚焦输入光束的色散元件，以及(iii)被定位成接收色散光束、穿过其传输色散光束的一部分作为组合输出光束并将色散光束的第二部分反射回到色散元件的部分反射输出耦合器。布置在外壳内的多个光学元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于将输入光束聚焦到光束输出端上或附近的聚焦光学器件。色散元件可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：衍射光栅(例如透射光栅或反射光栅)。光学元件可被配置成在即使输入接受器中的一个或多个是空的的情况下将输入光束组合成组合输出光束并将组合输出光束传输到光束输出端。激光系统可包括被配置成通过每个热交换接口控制热交换流体的流量的控制系统。控制系统可被配置成至少部分地基于每个输入光束模块的所感测的温度来控制热交换流体的流量。至少一个输入光束模块的光学接口可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：窗口、棱镜和/或透镜。至少一个输入接受器的光接收器可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：窗口、棱镜和/或透镜。

通过参考下面的描述、附图和权利要求，在本文公开的本发明的这些和其它目的连同优点和特征将变得更明显。此外，应理解，在本文所述的各种实施方式的特征并不是相互排他的，且可以各种组合和排列存在。如在本文使用的，术语“基本上”意指±10％，以及在一些实施方式中是±5％。术语“基本上由…组成”意指不包括有助于功能的其它材料，除非在本文另有规定。然而，这样的其它材料可以共同或单独地以微量存在。在本文，术语“辐射”和“光”可互换地被利用，除非另有指示。在本文，“下游”和“光学地下游”用于指示在光束遇到第一元件之后射到的第二元件的相对放置，第一元件是第二元件的“上游”或“光学地上游”。在本文，两个部件之间的“光学距离”是在实际上由光束行进的两个部件之间的距离；由于例如来自反射镜的反射或由从部件之一行进到另一部件的光所经历的传播方向上的其它变化，光学距离可以但不一定等于两个部件之间的物理距离。

附图说明

在附图中，相似的附图标记一般在不同的视图中指相同的部件。此外，附图不一定按比例，而是通常强调说明本发明的原理。在下面的描述中，参考下面的附图描述本发明的各种实施方式，其中：

图1是常规的基于二极管的激光系统的示意图；

图2是根据本发明的实施方式的具有模块化光束源的高功率激光系统的示意图；以及

图3是根据本发明的实施方式的光束组合外壳的元件的部分示意图。

具体实施方式

图1是常规的基于二极管的激光系统100的示意图。如所示，多个单独的光束源105在系统外壳110内并与使冷却剂(例如水)流经每个光束源105的冷却系统115紧紧地集成在一起。光束源105安装在外壳110内，以使得它们与朝着光束组合器125聚焦光束的透镜120高度对准，光束组合器125之后输出组合输出光束130。如图1所示，任何单独光束源105的移除和更换需要对所有其余源105的冷却系统115的破坏以及在更换源105和在系统外壳110内的透镜120之间的耗时的对准。

图2是根据本发明的实施方式的具有模块化光束源的高功率激光系统200的示意图。如所示，激光系统200以光束组合外壳210、热交换歧管215和多个输入光束模块220为特征。每个输入光束模块220以布置在壳体230内的激光束源225(例如，诸如激光二极管的单个光束源，或诸如二极管线阵的多个光束源)以及便于与光束组合外壳210和热交换歧管215接口的各种结构为特征。在本发明的各种实施方式中，每个输入光束模块220可包括在其内的一个或多个聚焦光学器件235(例如一个或多个光学元件，例如圆柱形和/或球形透镜)，其接收并聚焦由激光二极管源发射的光束。

如所示，每个输入光束模块220可与布置在光束组合外壳210中或上(或形成光束组合外壳210的部分)的多个输入接受器240之一机械地、电气地和光学地连接。可经由布置在输入光束模块壳体230上的电气接口245来促进在输入光束模块220和光束组合外壳210之间的电气连接，输入光束模块壳体230在光束模块220被接纳在其中时电气地连接到在光束组合外壳210上的输入接受器250内的互补电气输出端。例如，输入光束模块电气接口245和电气输出端250可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：电线、相反极性的(即，公和母)电连接器、凸起接头或其它导电结构。每个输入光束模块220也可包括光学接口255(例如一个或多个光学元件、透镜、棱镜和/或窗口)，聚焦输入光束穿过该光学接口255传输到光束组合外壳210。各种输入光束模块220到光束组合外壳210的输入接受器240的机械对准可由对准特征(例如插口、突起物、紧固件、扣钩等)促进，对准特征被成形为在输入光束模块220和光束组合外壳210的光学和电气互连导致的方向上接纳和固定(例如锁住或压缩地保持)输入光束模块220。每个输入接受器240还可包括光接收器260(例如，一个或多个光学元件、透镜、棱镜和/或窗口)，其当输入光束模块220连接到输入接受器240时从输入光束模块220接收输入光束。在各种实施方式中，输入接受器的使用消除了利用在输入光束模块220(和/或其中的光束源)和光束组合外壳210之间的光纤或其它单独连接器的需要。

在各种实施方式中，光束组合外壳210还包括用于形成和/或增强从输入光束模块220发射的每个光束的光学增益的增益介质。增益介质可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：一种或多种材料，其当由来自输入光束模块220的光束激发时经历受激发射。例如，增益介质可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：掺杂有一种或多种离子(例如，诸如钕、镱或铒的稀土离子，或诸如钛或铬的过渡金属离子)的一种或多种晶体和/或玻璃，例如钇铝石榴石(Y₃Al₅O₁₂)、钒酸钇(YVO₄)、蓝宝石(Al₂O₃)或溴化镉铯(CsCdBr₃)。示例性增益介质包括以实心件或光学玻璃纤维的形式使用的Nd:YAG(掺钕钇铝石榴石)、Yb:YAG(掺镱YAG)、Yb:玻璃、Er:YAG(掺铒YAG)或Ti:蓝宝石。

根据各种实施方式，光束组合外壳210包含一个或多个光学元件262，其从光接收器260接收由输入光束模块220发射的输入光束并将输入光束组合成组合(例如多波长)输出光束265。如所示，输出光束265可耦合到光纤270内。一旦耦合到光纤270内，输出光束265就可用于加工(例如，切割、焊接、退火、钻孔等)工件。

重要地，在各种实施方式中，在光束组合外壳210内的光学元件262组合存在于光束组合外壳210上的很多输入光束模块220的输入光束，而不管一个或多个输入接受器240是否是空的。例如，可以有与每个输入接受器240相关联并配置成从其将输入光束引导到公共焦点(在此另一光学元件262可被布置)的光学元件262(例如，一个或多个反射镜和/或透镜)，其中所有输入光束组合成输出光束265。在各种实施方式中，控制器290可经由例如与光学元件262相关联的一个或多个步进电机、丝杠和/或可旋转平台移动和/或旋转与空输入接受器240相关联的一个或多个光学元件262，使得没有杂散光由此被引导到或进入组合输出光束265内。控制器290可经由例如机械开关、光学布置(例如包括跨越输入接受器240被引导的光源和当输入光束模块存在于接受器中时检测来自光源的光束何时中断的光电检测器)或当模块220插入输入接受器240内或从输入接受器240移除时触发的其它检测器来检测输入接受器240是空的还是被占据。

可经由布置在光束组合外壳210中或上的光束输出元件275(例如光学元件，例如一个或多个透镜和/或一个或多个窗口)来发射输出光束。在各种实施方式中，光束输出元件275可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：用于发射自由空间输出光束265的窗口或开口，或例如接受器，接受器连接到光纤270，从而产生光纤耦合输出。组合输出光束可接着用于例如材料加工，例如切割或焊接。

在本发明的各种实施方式中，在光束组合外壳210内的组合光学元件262可包括例如各种光学元件和透镜、用于色散来自单独源的光束的色散元件(例如衍射光栅)、以及用于接收色散光束并输出组合输出(即，由被各个二极管源发射的多个波长组成的输出光束)的部分反射输出耦合器。图3描绘可存在于光束组合外壳210内的各种光学元件的部分示意图。在图3描绘的实施方式中，输入光束模块220以具有发射光束310的四个光束发射器的二极管线阵(参见放大的输入视图315)为特征，但本发明的实施方式可利用单独二极管或其它激光源、发射任何数量的单独光束的二极管线阵、和/或二极管或二极管线阵的二维阵列或堆叠。在视图315中，每个光束310由线指示，其中线的长度或较长维度代表光束的慢发散维度，以及高度或较短维度代表快发散维度。如上面所讨论的，输入光束模块可通过光学接口255发射它的光束。可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成的一个或多个光学元件325(例如变换光学器件)用于沿着WBC方向330组合每个光束310：一个或多个圆柱形或球形透镜和/或反射镜。每个光学元件325可对应于光接收器260并与单个输入光束模块220相关联，和/或一个或多个光学元件325可从光接收器260接收输入光束。光学元件325然后将组合光束引导和/或重叠到色散元件335(其可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：例如衍射光栅，诸如反射或透射衍射光栅)上，且组合光束然后作为单个输出剖面传输到输出耦合器340(其可对应于光束输出元件275)上。输出耦合器340然后传输组合输出光束265，如在输出前视图350上所示的。输出耦合器340一般是部分反射的，并充当在该外腔系统中的所有激光元件的公共前端面。外腔是激光系统，其中次级反射镜被移置在远离每个激光发射器的发射孔或端面的一段距离处。在一些实施方式中，额外的光学器件放置在发射孔或端面和输出耦合器或部分反射表面之间。输出光束265可耦合到光纤270内和/或用于诸如焊接、切割、退火等的应用。虽然图3描绘仅仅一个输入光束模块220(来自其的多个光束被发射)的光束组合，但在光束组合外壳210内的一个或多个光学元件(例如光学元件325和/或色散元件335)可从一个或多个额外的输入光束模块220接收一个或多个光束，使得这样的光束也组合成输出光束265。此外，图3描绘实施方式，其中来自各种输入光束模块220的输入光束经由WBC组合成公共多波长输出光束265；在其它实施方式中，来自输入光束模块220的光束在没有使用WBC的情况下简单地在空间上重叠到输出光束265中。

在本发明的各种实施方式中，热交换歧管215使冷却流体循环到输入光束模块220以阻止输入光束模块220在操作期间加热到过高或破坏性的温度。热交换歧管215可包括冷却流体的储存器280或可与储存器280流体连通。储存器280和/或热交换歧管215可包含例如一个或多个换热器或与一个或多个换热器热接触，换热器用于在冷却流体被供应到输入光束模块220之前和在已加热流体从输入光束模块220被接收到之后使冷却流体冷却。如所示，热交换歧管215还包括多个热交换接口285，每个热交换接口连接到输入光束模块220之一。每个热交换接口285可包括下列项、基本上由下列项组成或由下列项组成：例如用于从输入光束模块220接收“用过的”或已加热的流体的输入管道286和用于将冷却流体供应到输入光束模块220的输出管道287。输入管道286和输出管道287可与布置在每个输入光束模块220上的冷却输入端288和输出端289(例如开口和/或管道)接口，从而形成从热交换歧管215延伸到每个输入光束模块220并回到热交换歧管215(和/或到储存器280和/或到一个或多个换热器)的冷却流体的再循环回路。在本发明的各种实施方式中，在一个或多个输入光束模块上的输入端288和输出端289流体地连接到光束源225的热管理封装(例如阳极和/或阴极冷却器)，如在2017年6月20日提交的美国专利申请序列No.15/627,917中所述的，该专利申请的全部公开内容通过引用包含于此。

可根据本发明的实施方式利用的示例性冷却流体包括水、乙二醇或其它热交换流体。由热交换歧管215提供的冷却的程度可基于所安装的输入光束模块220的数量，或可取决于在反馈配置中的(例如一个或多个所安装的输入光束模块220的)被监测的温度。例如，输入光束模块220和/或输入接受器240中的每个可在其内包含温度传感器(例如热敏电阻器、温度计、热电偶等)，且控制器(或“控制系统”)290(其操作地耦合到热交换歧管215的全部或一部分和/或到系统200的一个或多个其它部件)可至少部分地基于所感测的温度来控制穿过热交换歧管215的冷却流体的流量。例如，控制器290可控制一个或多个阀，其可以各自与一个或多个热交换接口285相关联，以基于输入光束模块220和/或在其内的光束源中的一个或多个的所感测的温度来打开或关闭。控制器290也可至少部分地基于所感测的温度来控制一个或多个泵和/或阀，其确定穿过热交换歧管215的加热流体的流速和/或在储存器280中的冷却流体的温度。

控制器290可被提供为软件、硬件或其某种组合。例如，系统可在一个或多个常规服务器类计算机，例如具有CPU板的PC上实现，CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣塔克拉拉的因特尔公司制造的Pentium或Celeron系列的处理器、由伊利诺斯州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列的处理器、和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的美国超微半导体公司制造的ATHLON系列的处理器。处理器还可包括用于存储与上面所述的方法有关的程序和/或数据的主存储器单元。存储器可包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或驻留在通常可得到的硬件上的闪速存储器，所述硬件例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器装置(ROM)。在一些实施方式中，可使用外部RAM和/或ROM，例如光盘、磁盘以及其它通常使用的存储装置来提供程序。对于功能被提供为一个或多个软件程序的实施方式，可以用多种高级语言，例如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML中的任一种来写程序。此外，可以用针对驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实现软件；例如，如果软件被配置成在IBM PC或PC克隆机上运行，可以用Intel 80x86汇编语言来实现软件。软件可在制造物品上实现，制造物品包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。

在激光源225或输入光束模块220之一的故障或损坏的情况下，激光系统200的操作员可简单地从光束组合外壳210拔去受影响的输入光束模块220的电源插头，并使该输入光束模块220从热交换歧管215断开，并用更换输入光束模块220代替有故障的输入光束模块220。故障输入光束模块220的存在(和/或一个或多个输入光束模块220从各种输入接受器240的缺少)除减小总输出功率以外并不影响光束组合外壳210的总操作。光束组合模块210、热交换歧管215和输入光束模块220的各种接口和连接特征便于在激光系统200的部署期间由最终用户快速更换输入光束模块220。因此，根据本发明的实施方式的激光系统比常规高功率激光系统更可靠且维护起来更不昂贵。而且，因为在一个或多个输入光束源225的故障的情况下只有输入光束模块220需要更换，激光系统200的其余部件在故障的情况下不需要移动或运送到供应商用于修理。

在本文使用的术语和表达用作描述而不是限制的术语，且在这样的术语和表达的使用中不意欲排除所示和所述特征或其部分的任何等价物，但应认识到，在所要求保护的本发明的范围内的各种修改是可能的。

Claims (20)

1.一种用于将多个输入光束组合成组合输出光束的激光系统，所述激光系统包括：

外壳，其包括用于输出所述组合输出光束的光束输出端；

热交换歧管，其包括：(i)用于容纳热交换流体的储存器，以及(ii)多个热交换接口，每个热交换接口包括：(a)用于供应热交换流体的输出管道和(b)用于接收热交换流体的输入管道；

多个输入光束模块，每个输入光束模块包括：(i)壳体，(ii)布置在所述壳体内的激光束源，(iii)布置在所述壳体内的用于接收和聚焦由所述激光束源发射的一个或多个输入光束的聚焦光学元件，(iv)布置在所述壳体上的用于将所聚焦的一个或多个输入光束从所述壳体传输出的光学接口，(v)布置在所述壳体上的用于将电功率传输到所述壳体内和所述激光束源的电气接口，以及(vi)冷却接口，其包括：(a)冷却输入端，其用于从所述热交换歧管的所述输出管道之一接收热交换流体并将所述热交换流体布置成与所述激光束源热接触，以及(b)冷却输出端，其用于在所述热交换流体与所述激光束源之间的热交换之后从所述激光束源接收热交换流体，并将所述热交换流体输出到所述热交换歧管的输入管道；

布置在所述外壳上的多个输入接受器，每个输入接受器被配置成接受所述输入光束模块之一，其中每个输入接受器包括：(i)用于供应电功率的电气输出端，(ii)用于从输入光束模块接收一个或多个输入光束的光接收器，以及(iii)用于使输入光束模块与所述外壳机械地对准的对准特征，由此，当输入光束模块被接受在所述输入光束接受器内时，所述电气输出端电气地连接到所述输入光束模块的所述电气接口，且所述光接收器与所述输入光束模块的光学接口光学地对准；以及

布置在所述外壳内的多个光学元件，其用于从所述输入接受器的所述光接收器接收输入光束，将所述输入光束组合成组合输出光束，并将所述组合输出光束传输到所述光束输出端。

2.如权利要求1所述的系统，其中所述光束输出端包括用于接纳光纤的输出接受器。

3.如权利要求1所述的系统，其中所述光束输出端包括用于传输自由空间输出光束的窗口。

4.如权利要求1所述的系统，其中所述激光束源中的一个或多个包括被配置成发射多个激光束的二极管线阵。

5.如权利要求1所述的系统，其中布置在所述外壳内的所述多个光学元件包括：(i)用于将输入光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，(ii)用于接收并色散所接收的聚焦输入光束的色散元件，以及(iii)被定位成接收色散光束、穿过其传输所述色散光束的一部分作为所述组合输出光束并将所述色散光束的第二部分反射回到所述色散元件的部分反射输出耦合器。

6.如权利要求5所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。

7.如权利要求1所述的系统，其中所述光学元件被配置成在即使所述输入接受器中的一个或多个是空的的情况下将所述输入光束组合成所述组合输出光束并将所述组合输出光束传输到所述光束输出端。

8.如权利要求1所述的系统，还包括被配置成通过所述热交换接口中的每个来控制热交换流体的流量的控制系统。

9.如权利要求8所述的系统，其中所述控制系统被配置成至少部分地基于所述输入光束模块中的每个的所感测的温度来控制热交换流体的流量。

10.如权利要求1所述的系统，其中所述输入光束模块中的至少一个的所述光学接口包括窗口、棱镜或透镜中的至少一个。

11.如权利要求1所述的系统，其中所述输入接受器中的至少一个的所述光接收器包括窗口、棱镜或透镜中的至少一个。

12.一种用于将由多个输入光束模块发射的多个输入光束组合成组合输出光束的激光系统，其中所述输入光束模块中的每个包括：(i)壳体，(ii)布置在所述壳体内的激光束源，(iii)布置在所述壳体内的用于接收和聚焦由所述激光束源发射的一个或多个输入光束的聚焦光学元件，(iv)布置在所述壳体上的用于将所聚焦的一个或多个输入光束从所述壳体传输出的光学接口，(v)布置在所述壳体上的用于将电功率传输到所述壳体内和所述激光束源的电气接口，以及(vi)冷却接口，其包括：(a)冷却输入端，其用于接收热交换流体并将所述热交换流体布置成与所述激光束源热接触，以及(b)冷却输出端，其用于在所述热交换流体与所述激光束源之间的热交换之后从所述激光束源接收热交换流体，并输出所述热交换流体，所述激光系统包括：

外壳，其包括用于输出所述组合输出光束的光束输出端；

热交换歧管，其包括：(i)用于容纳热交换流体的储存器，以及(ii)多个热交换接口，每个热交换接口包括：(a)用于向所述输入光束模块之一的冷却输入端供应热交换流体的输出管道和(b)用于从所述输入光束模块之一的冷却输出端接收热交换流体的输入管道；

布置在所述外壳上的多个输入接受器，每个输入接受器被配置成接受所述输入光束模块之一，其中每个输入接受器包括：(i)用于供应电功率的电气输出端，(ii)用于从输入光束模块接收一个或多个输入光束的光接收器，以及(iii)用于使输入光束模块与所述外壳机械地对准的对准特征，由此，当输入光束模块被接受在所述输入光束接受器内时，所述电气输出端电气地连接到所述输入光束模块的所述电气接口，且所述光接收器与所述输入光束模块的所述光学接口光学地对准；以及

布置在所述外壳内的多个光学元件，其用于从所述输入接受器的所述光接收器接收输入光束，将所述输入光束组合成组合输出光束，并将所述组合输出光束传输到所述光束输出端。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述光束输出端包括用于接纳光纤的输出接受器。

14.如权利要求12所述的系统，其中所述光束输出端包括用于传输自由空间输出光束的窗口。

15.如权利要求12所述的系统，其中布置在所述外壳内的所述多个光学元件包括：(i)用于将输入光束聚焦到色散元件上的聚焦光学器件，(ii)用于接收并色散所接收的聚焦输入光束的色散元件，以及(iii)被定位成接收色散光束、穿过其传输所述色散光束的一部分作为所述组合输出光束并将所述色散光束的第二部分反射回到所述色散元件的部分反射输出耦合器。

16.如权利要求15所述的系统，其中所述色散元件包括衍射光栅。

17.如权利要求12所述的系统，其中所述光学元件被配置成在即使所述输入接受器中的一个或多个是空的的情况下将所述输入光束组合成所述组合输出光束并将所述组合输出光束传输到所述光束输出端。

18.如权利要求12所述的系统，还包括被配置成通过所述热交换接口中的每个控制热交换流体的流量的控制系统。

19.如权利要求18所述的系统，其中所述控制系统被配置成至少部分地基于所述输入光束模块中的每个的所感测的温度来控制热交换流体的流量。

20.如权利要求12所述的系统，其中所述输入接受器中的至少一个的所述光接收器包括窗口、棱镜或透镜中的至少一个。