CN110383608B - 使用具有优化光束尺寸的二极管的光纤耦合二极管激光器中的功率和亮度缩放 - Google Patents

使用具有优化光束尺寸的二极管的光纤耦合二极管激光器中的功率和亮度缩放 Download PDF

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Abstract

能够使用具有更大发散度的发射光束增大能够被耦合到光纤中的光束的数量，从而提供增大的光束功率。替代地，利用固定数量的发射器，能够以较小的数值孔径，在输出光束中以较少的光束保持总光功率。

Description

使用具有优化光束尺寸的二极管的光纤耦合二极管激光器中 的功率和亮度缩放
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年1月10日提交的美国临时专利申请号No.62/444,773的权益，其公开内容在此通过引用以其整体并入。
技术领域
本公开涉及多发射器激光二极管系统。
背景技术
对用于诸如光纤激光泵浦和材料加工的应用的光纤耦合高功率、高亮度二极管激光器的需求很大。在诸如美国专利8,891,579、美国专利9,455,552和美国专利公开2016/0181762(其公开内容在此通过引用以其整体并入)中描述的一些途径中，多个单发射器二极管激光器沿快轴堆叠，以实现功率缩放和亮度提高。进一步缩放封装功率的一种方式是在快轴方向上添加更多发射器。然而，添加发射器增加了快轴数值孔径(NA)，使得相同NA中的功率不会进一步增加。因此，期望能够增加在快轴中堆叠的发射器的数量用于功率缩放，并且保持快轴图像尺寸和NA在光纤孔径处不变，或者等效地保持快轴光束参数乘积(BPP)，以便实现亮度提高。
发明内容
本公开总体涉及使得能够使用具有更大发散度的发射光束来增大能够耦合到光纤中的光束的数量的方法和设备，从而提供增大的耦合光束功率。可替代地，利用固定数量的发射器，能够在具有较小数值孔径的输出光束中用较少的光束维持总光功率。
在一些示例中，设备包括激光二极管的组，其相对于堆叠轴具有预定间距，每个激光二极管具有限定快轴和慢轴的发射区域，所述发射区域产生具有小于1.62μm的光束快轴全宽度的发射光束。所述激光二极管中的每个激光二极管的快轴相互平行并正交于所述堆叠轴，并且所述激光二极管中的每个激光二极管的慢轴相互平行并正交于所述堆叠轴。快轴准直器(FAC)与所述激光二极管中的每个激光二极管相关联，所述快轴准直器中的每个快轴准直器具有公共焦距。所述激光二极管中的每个激光二极管的发射区域耦合到相应的快轴准直器，以便产生沿所述快轴准直的相应的光束。无焦望远镜(也称为快轴望远镜或FAT)被定位成接收来自所述快轴准直器的快轴准直光束，并基于所述预定间距和与所述无焦望远镜相关联的放大率M产生快轴光束间距。物镜接收来自所述无焦望远镜的快轴准直光束，并将组合光束投递至光纤的芯。典型地，所述FAC和所述物镜分别具有焦距fFAC和fO，M是FAT在快轴方向上的放大率，并且所述激光二极管的发射区域在所述光纤处的放大率是fO/MfFA。在典型的示例中，M小于0.8，fFAC在200μm和1000μm之间，在250μm至600μm之间，在200μm和400μm之间，并且fO在5mm和12mm之间。在特定示例中，所述激光二极管的组包括两个七个激光二极管的组，将至少160W的总光学功率耦合到所述光纤中。所述光纤具有50μm、105μm或200μm的芯直径，并且所述快轴间距在400μm和450μm之间。在典型的实施例中，所述激光二极管沿慢轴方向分布成具有固定的间距。在另外的示例中，一组反射器对应于所述激光二极管的组中的所述激光二极管中的每个激光二极管，该组反射器包括相应的反射器，所述相应的反射器被定位成接收来自相应的FAC的光束并且将所述光束引导至所述物镜，以便所引导的光束在所述物镜处的传播轴平行。典型地，一组慢轴准直器(SAC)被定位成接收来自所述FAC的相应的光束，并且将FA和SA准直光束引导至相应的反射器。
光学光束源包括激光二极管的组，其被定位成沿互相平行的相应的快轴具有固定间距，每个激光二极管由具有小于1.6μm的全宽度的快轴光束限定，并且具有限定快轴和慢轴的发射区域，其中，所述激光二极管中的每个激光二极管的快轴相互平行，并且所述激光二极管中的每个激光二极管的慢轴相互平行并正交于所述快轴。快轴准直器(FAC)和慢轴准直器(SAC)对应于所述组的所述激光二极管中的每个激光二极管，并被定位成对从所述激光二极管中的每个激光二极管的相应的发射区域发射的光学光束进行准直。FAC中的每个FAC可以具有公共焦距fFAC，并且所述SAC中的每个SAC可以具有公共焦距fSAC。无焦望远镜被定位成接收所准直的光束并基于所述预定间距以及与所述无焦望远镜相关联的放大率M产生快轴光束间距。物镜被定位成接收来自所述无焦望远镜的光束并将所述光束引导到焦点。具有输入表面的光纤被定位在物镜的焦点处。在特定示例中，光纤具有在50μm和1.0mm之间的芯直径。在其它示例中，所述激光二极管中的每个激光二极管被固定到具有多个台阶的激光二极管安装座的相应的台阶，以便沿相应的快轴均匀地间隔开。
方法包括基于激光二极管安装座的预定台阶高度选择发射光束快轴发散度、发射光束快轴尺寸、快轴波导厚度中的至少一个，以便将来自选择数量的激光二极管的发射光束耦合到光纤中。将所述选择数量的激光二极管定位在所述预定高度处，并将慢轴和快轴准直透镜定位成从来自所述激光二极管中的每个激光二极管的发射光束产生准直光束。将快轴望远镜和物镜定位成将所述准直光束引导到所述光纤中。在一些示例中，基于光纤的数值孔径来选择发射光束快轴发散度、发射光束快轴尺寸和快轴波导厚度中的至少一个。在典型示例中，台阶高度在400μm和500μm之间，并且快轴望远镜的放大率小于一。在一些实施例中，基于光纤的芯直径来选择发射光束的快轴放大率。
在其它示例中，方法包括基于沿快轴方向的固定间隔和激光二极管的数量，选择发射光束快轴发散度、发射光束快轴尺寸或快轴波导厚度中的至少一个，以便将具有选择的功率、选择的数值孔径或两者的组合光束耦合到光纤中。以所述固定间隔定位所述激光二极管，并且利用对应的快轴和慢轴准直器、快轴望远镜以及物镜将来自所述激光二极管中的每个激光二极管的发射光束引导到所述光纤。在典型示例中，发射光束的快轴尺寸小于1.60μm。
根据参考附图进行的以下详细描述，所公开技术的上述和其它目的、特征和优点将变得更加明显。
附图说明
图1示出了将来自多个发射器的光束耦合到光纤中的多发射器组件。
图2A示出了代表性激光二极管组件，其中通过光束压缩器压缩三个激光束堆叠。
图2B示出了输入光束堆叠。
图2C示出了被压缩的光束堆叠。
图3A示出了激光二极管组件，其中使用偏振多路复用形成两个光束堆叠，以及使用光束压缩器压缩两个光束堆叠。
图3B-3C示出了压缩之前和之后的光束堆叠。
图3D示出了代表性阶梯台阶式激光二极管安装座。
图3E-3F示出了压缩之前和之后无光束间间隙的光束堆叠。
图4示出了将多个激光二极管光束耦合到光纤中的方法。
图5A-5C示出了多发射器布置，其中来自三个激光二极管的光束被组合，以便填充物镜孔径。
具体实施方式
传统的多发射器激光二极管系统通常试图通过组合来自多个发射器的光束来实现大输出功率。对于高功率操作，使用相对厚的半导体增益区域来降低功率密度，以允许长期、无损伤的发射器操作。光束组合可能受到相对大的发射器快轴数值孔径的限制，并且提高增益区域厚度以提供增大的功率和抗损伤性产生了减小的快轴数值孔径，简化了光束组合光学器件。本公开采用一种途径，该途径认识到，与传统途径相比，更薄的增益区域和更高的快轴数值孔径允许来自更多发射器的功率耦合到光束传输光纤中，因而提供更高的光束功率。因而，忽视传统途径允许如下所述的优异的多发射器激光二极管系统。
如本申请和权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数形式，除非上下文另有明确规定。另外，术语“包括”表示“包含”。
本文描述的所述系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本公开涉及各种公开实施例单独以及彼此的各种组合和子组合的所有新颖和非明显特征和方面。所公开的系统、方法和设备不限于任何特定方面或特征或其组合，所公开的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个特定优点或待解决的问题。
尽管为了方便呈现，以特定的顺序次序描述了一些所公开的方法的操作，但应理解，这种描述方式包括重新排列，除非下面阐述的特定语言要求特定的次序。例如，在某些情况下，顺序描述的操作可以重新排列或同时执行。此外，为了简单起见，附图可能未示出所公开的系统、方法和设备能够与其它系统、方法和设备结合使用的各种方式。另外，该描述有时使用诸如“产生”和“提供”之类的术语来描述所公开的方法。这些术语是执行的实际操作的高级抽象。对应于这些术语的实际操作将根据具体实施方式而变化，并且本领域普通技术人员可容易辨别。
已经提供了本文中参考本公开的设备或方法提出的操作理论、科学原理或其它理论描述，以便更好地理解，并且无意限制范围。所附权利要求中的设备和方法不限于以这种操作理论描述的方式起作用的那些设备和方法。
在以下描述中，激光束或其它传播光辐射被称为沿一个或多个轴传播。如本文所使用的，这种轴指的是能够使用诸如棱镜或反射镜的光学元件弯曲或折叠的线性轴。在一些示例中，诸如柱面透镜或球面透镜的光学元件被称为居中或在轴上，以指示具有指向穿过表面曲率中心的中心轴的透镜。在其它示例中，能够使用离轴透镜或透镜段。透镜中心厚度是指沿穿过表面曲率中心延伸的主轴截取的透镜厚度。在所公开的示例中，表面曲率通常对应于柱面或球面，但是能够使用更复杂的曲率。即使对于诸如非球面的更复杂的表面，表面曲率半径通常基于轴上曲率来定义，尽管离轴表面形状不遵循这种曲率。能够给光学表面提供有抗反射或其它涂层，但是这些涂层从所公开的实例中省略。如果在约1度、2度或5度内，则光束、表面和轴通常被称为平行的。
本文公开的是系统、方法和设备，基于选择单发射器激光二极管发射区域的合适快轴尺寸(通常通过选择具有选择的波导厚度、折射率和折射率差异的外延波导设计)，该系统、方法和设备可以容许进行激光器封装亮度缩放。激光二极管通常由一个或多个外延层限定，使得发射区域薄但是细长。平行于外延层厚度尺寸的轴在本文中称为快轴(FA)，因为发射的光束在该方向上具有更大的发散度。通常，FA方向上的发射衍射受限，并且发射光束数值孔径与光束波长和发射区域厚度的比率成比例。平行于外延层的轴在本文中称为慢轴(SA)，因为发射光束在该方向上具有比沿着快轴更小的发散度。在大多数示例中，沿着慢轴，发射的光束不对应于单个模式，并且能够具有复杂的强度分布，而沿着快轴，光束强度近似为高斯分布。为方便起见，相对于快轴和慢轴的光束发散度和尺寸被称为快/慢轴数值孔径或快/慢轴角半径或直径。光束尺寸类似地称为快/慢轴光束直径、半径或宽度。光束尺寸能够基于1/e2强度或振幅或其它值，并且能够为全宽度或半宽度。在下面的图样和描述中，可能不讨论慢轴方向上的光束操纵以强调快轴特性。
在一些示例中，基于对应于1/e2强度或振幅的尺寸来表征化发射光束。还能够参考有效发射区域和尺寸，或者对应于发射波长与光束尺寸或发射区域尺寸的比率的角度尺寸来描述发射光束。在典型示例中，具有>50°(FW，在1/e2功率处)的快轴发散度的激光二极管堆叠在二极管激光器阵列中。对于固定的快轴准直器(FAC)焦距和阶梯高度，较大的快轴发散度允许FAC、慢轴准直器(SAC)和快轴望远镜(FAT)产生的组合准直光束中更高的填充系数/更小的死区。光束发散度通常是光束波长、光束发射区域的尺寸和波导折射率的函数。能够基于光束波长和发射区域特性来选择特定的发散角。在大多数示例中，使用发射波长在800nm至1,000之间的激光二极管，但是也能够使用在200nm至2,000nm之间的任何可用波长范围或任何其它范围的激光二极管。
图1描绘了代表性多发射器系统的部分。为了便于说明，详细示出了三个发射器和相关的光学元件，但是通常包括附加的发射器和相关的光学元件，并且在图1中用虚线表示这些附加的发射器和相关的光学元件。如图1中所示，激光二极管102A-102C沿快轴方向(图1中示为X方向)间隔开公共距离dstair，并发射具有快轴角半径θFA的光束。激光二极管102A-102C通常在Y方向上偏移(垂直于图1的平面)，但是这种位移未在图1中示出。相应的快轴准直器(FAC)106A-106C接收来自激光二极管102A-102C的光束，并产生沿轴107A-107C指向的准直光束108A-108C。无焦望远镜(也称为光束扩展器或快轴望远镜(FAT))110接收光束并产生压缩输出光束112A-112C。然后，物镜116将输出光束112A-112C聚焦或以其它方式引导到光纤120的芯118中。由对应于压缩输出光束112A-112C的聚焦光束形成的组合光束被引导到芯118，芯118具有的数值孔径(NA)与mMdstair/2fO成比例，其中M是FAT放大率，m是发射器的总数，fO是物镜116的焦距。在典型的实际示例中，放大率M<1且仅使用基于柱面透镜的无焦望远镜沿快轴施加。每个聚焦的压缩光束的快轴角半径约为MfFACθFA/fO，并且每个激光二极管102A-102C的发射区域的快轴放大率约为fO/MfFAC，因此角半径和快轴光束高度的乘积保持恒定。物镜116通常被定位成将压缩光束112A-112C聚焦在光纤120的表面122处。如图1中所示，激光二极管102A-102C以公共发散度产生光束，并且FAC 106A-106C具有公共焦距。每个激光二极管102A-102C的发射区域的快轴放大率都约为fO/MfSAC；慢轴光束尺寸通常不被FAT改变。
在图1的示例中，来自激光二极管102A-102C的发射光束被示出为填充透镜孔径，并且在其中未填充FA透镜孔径的情况下，能够定位附加发射器和相关光学器件以填充任何间隙来提高耦合光学功率。在大多数情况下，光束都被布置成略微底部填充FAC以避免裁剪。
在诸如图1中所示的多发射器系统中，输出光纤的输入表面处的快轴图像斑点尺寸能够表达为：
Figure BDA0002163066790000071
其中BFA是快轴方向上的发射二极管光束尺寸，fO和fFAC分别是物镜以及FAC的焦距，并且M是快轴望远镜(FAT)的放大率。对于一阶，快轴NAFA与二极管快轴光束尺寸或FAC透镜焦距无关：
Figure BDA0002163066790000072
其中dstair是二极管激光器阶梯(堆叠)高度，并且m是在快轴方向上堆叠的二极管激光器的数量。则快轴光束参数乘积(BPPFA)为：
Figure BDA0002163066790000073
为了提高快轴中的光纤耦合亮度，能够增加堆叠的二极管激光器的数量，因此提高功率，同时保持快轴BPP恒定并低于最大可允许光纤BPP。
能够将阶梯高度减小到dstair2，使得dstair2＝dstair1×m1/m2，其中m1和m2分别是与dstair1、dstair2相关联的堆叠发射器的数量。不幸的是，这种途径需要改变提供快轴间距dstair的基底。这些基底的制造可能困难或昂贵，并且通常期望对具有各种数量的发射器的多发射器系统使用具有公共快轴间距dstair的相同或类似基底。发射器快轴间距dstair典型地在约250μm至1.0mm之间，或者在约400μm至500μm之间，并且实际上制造为±10μm、±20μm、±50μm的公差，并且在一些情况下，由昂贵的材料或难以加工的材料制成。在一些示例中，对各种数量的发射器使用固定间距100μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μmm、450μm、500μm、550μm、600μm、750μm、800μm、900μm或1000μm，或从约75μm至约5mm的其它间距范围。因而，用于沿快轴增加发射器堆叠而不需要快轴间距变化的途径是优选的。替代地，能够增大FAC焦距，然后将FAT放大率减小到fFAC2＝fFAC1×m2/m1，并且M2＝M1×m1/m2。这需要特殊的FAC设计，这些FAC设计可能很复杂，并且在任何情况下都可能需要不同的安装和组装材料和程序。因而，优选不需要改变FAC的途径，对于使用公共光学和机械组件的具有不同数量的发射器的制造系统尤其如此。
为了方便可制造性和可扩展性，能够减小快轴光束尺寸和FAT放大率，使得BFA2＝BFA1×m1/m2并且M2＝M1×m1/m2。与上述其它途径相比，这对光学设计架构或光学对准和制造工艺几乎没有改变；快轴光束尺寸能够通过发射器外延层设计来控制。减小二极管激光器的快轴光束尺寸容许对于低光束NA减小快轴BPP，或者允许使用相同的BPP增加发射器数量以获得高功率/亮度。单个发射器快轴BPP和快轴堆叠的二极管激光器的数量的乘积通常小于光纤允许的最大快轴BPP，即m×BPPSE<BPPFA，其中m是堆叠的发射器的数量，BPPSE是单个发射器BPP，并且BPPFA是光纤BPP。更多单个发射器能够堆叠并耦合到光纤中，代价是光束裁剪，这可能导致功率损耗和可靠性降低。
将一些代表性示例总结在下表中，该表还包括用于基于较大的初始快轴光束尺寸的传统多发射器系统的参数。表中的系统基于使用极化、波长或其它多路复用方法组合两组快轴堆叠发射器，并且发射器的总数表示为2x7或2x8。该表还包括慢轴(SA)光束尺寸，其中在代表性示例中使用相同的SA特性。FA图像尺寸能够被确定为BFA fO/(fFAC M)。在这些示例中，发射波长约为0.9μm，但是能够提供其它波长的类似系统。典型的波长范围为约250nm至约2.0μm。
Figure BDA0002163066790000091
表1.代表性多发射器激光二极管系统
从表1可以看出，薄(或高NA)发射器能够用于通过组合来自附加发射器的功率来增加光纤耦合功率，即使激光二极管沿快轴为固定间距，或者，无需增加发射器数量，减小输出光纤处的光束NA，同时提供相同功率。能够使用小于1.60μm、1.58μm、1.56μm、1.54μm、1.52μm、1.50μm、1.48μm、1.46μm、1.44μm、1.42μm、1.40μm、1.38μm、1.36μm、1.34μm、1.32μm、1.30μm、1.28μm或更小的发射快轴光束尺寸(1/e2处的FW)，或者在约1.70μm和1.20μm之间的任何尺寸，或者具有对应于这些光束尺寸的发散度的发射光束。典型的发射光束全宽发散度(1/e2光束功率)分别为36、38、40、42、44、46、48、49、50、51、52、53、54、55、56、57、59度或更多。典型的FAT放大率为0.9、0.85、0.8、0.75、0.7、0.6、0.55、0.5、0.45、0.4、0.35、0.30或更小，或者为0.25和1.0之间的任何值。在一个示例中，使用0.34的放大率。
通过减小的快轴光束尺寸进行亮度缩放的上述方法不需要特定的慢轴尺寸，并且能够应用于使用具有各种慢轴宽度的激光二极管的光纤耦合二极管激光器封装中。根据传统的理解，在诸如上文所述的系统中，在每个发射器的给定功率下，灾难性光学反射镜损坏(COMD)的可能性都将增加。由腔面COMD限制的最大CW二极管功率能够表达为：
Figure BDA0002163066790000101
其中，dQW是有源层厚度，Γ是快轴模态限制因子，dQW/Γ是有效快轴模态尺寸，W是慢轴光束宽度，R是PR腔面(输出耦合器)反射率，
Figure BDA0002163066790000102
是COMD功率密度。单独减小快轴光束尺寸将降低最大二极管功率，或者增加在相同功率水平下工作时COMD的可能性。在一些示例中，增大慢轴光束宽度能够补偿快轴光束尺寸的减小，以获得相当的腔面可靠性。为了在不牺牲慢轴亮度的情况下实现高腔面可靠性，具有更宽的慢轴光束宽度但具有相同或甚至更低的慢轴BPP的激光二极管设计是优选的。例如，能够在如美国专利9,166,369中所述的所谓的喇叭形激光二极管中选择特定的SA光束尺寸，该专利在此通过引用以其整体并入。喇叭形激光二极管允许在各种慢轴宽度中进行选择，这些慢轴宽度均提供相同的SABPP，并且在快轴光束尺寸减小时能够满足腔面可靠性要求。
表1的示例仅是示例，并且不应被视为限制。为了清楚起见，使用几何光学模型计算输出光纤的尺寸和NA，并且均在约0.9μm的波长处。
低NA高亮度2x7发射器示例(第二列)使用具有1.34μm的减小的FA光束尺寸的激光二极管，而不是1.7μm的传统FA光束尺寸的激光二极管。这在相同的二极管激光器数量2x7下导致减小的快轴BPP。修改FAT放大率以在光纤处获得相同的快轴图像尺寸(对于相同的高效光纤耦合)。另一方面，由于快轴BPP减小，所以快轴NA从0.138减小到0.107。95％的NA为0.132，与0.150相对照。虽然由于相同的发射器数量，光纤耦合功率保持在相似的水平，但亮度显著提高。在一些示例中，FAT放大率和物镜焦距都变化。
如低NA封装中，高亮度2x9发射器使用相同的减小FA光束尺寸的激光二极管，以及相同的光学器件。不是旨在减小的快轴BPP，而是在垂直方向上堆叠了另外两行发射器以进行功率缩放，同时保持与传统封装(一列)中相同的快轴BPP。结果是光纤耦合功率增大了28％。
表2列出了几种二极管激光器设计的快轴模态限制因子和慢轴光束宽度：具有1.7μm的快轴光束尺寸的95μm的矩形设计和具有1.34μm的快轴光束尺寸的喇叭形激光二极管。喇叭形激光二极管具有125μm的慢轴光束宽度，但BPP与95μm的矩形激光器相似或更小。喇叭形激光二极管的最大CW COMD功率(与W×dQW/Γ成比例)比矩形设计高7％，即使它具有小21％的快轴光束尺寸。因此，对于具有减小的快轴光束尺寸的喇叭形激光二极管应该没有腔面可靠性顾虑。
Figure BDA0002163066790000111
表2.与分别具有1.7μm和1.34μm的快轴光束尺寸的非喇叭形和喇叭形激光二极管的最大COMD功率相关的光束参数
在图2A至图2C中示出了使用减薄波导的另一示例。封装的二极管激光器组件200包括外壳202，为了方便说明，外壳202被部分地去除。台阶式表面204包括多个台阶式表面部206A-206C，一个或多个二极管激光器208A-208C分别固定到该多个台阶式表面部206A-206C，以便位于不同的高度，通常以便单调下降或上升。通常，单个二极管激光器被固定到每个台阶，并且二极管激光器被固定到台阶，以便沿基本平行的轴发射激光辐射。如下面将讨论的，能够视需要补偿与平行布置的偏差。在图2A中，激光二极管208A-208C的快轴垂直于图的平面；慢轴位于图的平面中。从激光二极管208A-208C发射的光束由快轴准直光学器件212和慢轴准直光学器件214接收和准直，以产生准直光束。可选的体布拉格光栅元件213能够位于快轴准直光学器件212和慢轴准直光学器件214之间，以提供激光二极管208A-208C的波长锁定。转向反射镜216接收准直光束，该准直光束在准直之后大致彼此平行地传播。在图2A的示例中，转向反射镜216被定位成以直角反射准直光束，使得反射光束被引导到光束压缩器220(即快轴望远镜)。能够通过对应的反射器的对应调节来调节每个激光二极管的传播方向。在光束压缩器220处，反射光束的快轴一个堆叠在另一个以上以形成分别对应于二极管激光器208A-208C并且具有基于台阶式表面部206A-206C的高度的分离的堆叠光束222A-222C(图2B中所示)。转向反射镜216和慢轴准直光学器件214能够方便地固定到公共表面218。
用于每个准直光束的每个转向反射镜216的最顶部都位于一定高度，使得反射光束不被随后的转向反射镜216裁剪(clip)。例如，在图2A中，图中最底部的反射镜具有最大高度以对应于对应的台阶式表面部206A的最大台阶高度。利用光束压缩器220调节堆叠光束222A-222C的间距，并且然后将压缩光束引导到物镜224，物镜224将压缩光束引导到光纤210中。在一些示例中，物镜224是单平凸透镜，而在其它示例中，使用更复杂的多元件透镜，包括球面和非球面。
如图2B-2C中所示，堆叠光束222A-222C的输入光束堆叠由光束压缩器220输出为光束232A-232C的压缩光束堆叠。应注意，光束分离与压缩方向上的光束直径一起被压缩。在该示例中，堆叠光束222A-222之间的间隙也被压缩。
参考图3A至3D，参考右手xyz坐标系380来描述二极管激光器组件300，其中z轴向上延伸出图3A的平面。二极管激光器组件300包括成组的激光二极管302-305，激光二极管302-305被设置成将相应组的激光束发射到对应组的反射器以及快轴和慢轴准直器312-315。例如，组302的激光二极管沿x轴方向发射光束，然后光束由组312的相应的反射器重定向，以便沿y轴方向传播。每组的激光二极管都沿z轴从相同组的其它激光二极管移位或偏移，并且相关联的反射器被定位成使得来自该组的激光束不被反射器阻挡。如图3D中所示，激光二极管组302被固定到台阶式安装座320，以提供合适的z轴偏移；为剩余的激光二极管组提供类似的安装座。在大多数情况下，台阶式安装座320由导热材料制成。为方便起见，示出了每组最底部激光二极管的光束传播轴322-325；每组的剩余激光二极管的光束传播轴都相似，但沿z轴移位。
来自激光二极管组302的激光束被引导到半波延迟器330，然后与来自激光二极管组303的激光束在偏振分束器332处组合，使得垂直堆叠的光束组336A(在图3B中示出)入射到光束压缩器340。来自激光二极管组305的激光束被组315的反射器引导到半波延迟器334，并且然后在偏振分束器335处与来自激光器二极管组304的由组314的反射器重定向的激光束组合，使得垂直堆叠的光束组336A入射到光束压缩器340。
图3B示出了入射到光束压缩器340的堆叠光束336A、336B；图3C示出了离开光束压缩器340的堆叠光束356A、356B，其中光束间距和单独光束高度都由压缩比M＝H2/H1改变。在该示例中，使用圆柱形光束压缩器，并且在z方向上存在压缩，但在x方向上不存在压缩。能够设置额外的压缩器以在其它方向上压缩，或者能够使用利用球面的压缩器。在一些示例中，光束沿快轴方向无间隙地布置。图3E示出了在光束之间没有间隙地离开光束压缩器340的堆叠光束360A、360B，图3F示出了在光束之间没有间隙地离开光束压缩器340的堆叠光束366A、366B。通过没有间隙地定位光束可获得的额外空间能够被提供以来自附加发射器的光束，以提供更高的输出功率，或者通过提供额外的波长、调制或其它光束特性来利用多个发射器。替代地，能够在FAT处将相同数量的光束压挤(pack)到较小的区域中，由此减小由物镜提供的光束的数值孔径。
参考图4，方法400包括在402选择快轴发射器间距，通常是基于可用的台阶式安装座。在404，选择输出功率和输出NA，并且在406，基于所选择的输出功率确定发射器的数量。在408，选择发射的FA光束宽度，以允许将必要数量的发射器组合成所选择的NA。在410，来自间隔发射器的光束利用FAC、FAT和物镜耦合到输出光纤，以便实现所选择的NA和功率。通常，选择FAC、FAT和物镜来放大发射区域以便填充光纤的芯。在一些情况下，在410，选择发射的SA光束宽度或慢轴尺寸，以使慢轴BPP小于最大可允许光纤慢轴BPP，并避免COMD，并且在一些情况下，增大SA光束宽度以提供合适的光束强度。
在图5中参考以方向550、555示出的xyz坐标系示出了代表性的基于三个激光器的系统500。为了方便说明，展开反射镜对光轴的折叠以保持笔直。因而，倾斜的平面表面进行的光束反射被显示为连续的直线光束传播。典型的折叠传播路径如上所示，诸如图2A中所示。
激光二极管502A-502C沿快轴方向(如图5所示的x方向)分开公共距离dstair，并发射由相应FAC 504A-504C准直的光束。FA准直光束506A-506C被引导到相应的SAC 507A-507C，以便产生FA和SA准直光束508A-508C。如图5中所示，激光二极管发射沿z轴传播并具有沿快轴方向(如图所示的x方向)移位的发射轴的光束。通常，激光二极管502A-502C被定位在阶梯安装座上，使得激光二极管502A-502C的发射区域处于与xy平面平行的公共平面中。通常，激光二极管502A-502C沿慢轴方向(如所示的y方向)偏移。光束506A-506C看起来彼此接触，但是沿y轴移位，使得由于FAC 504A-504C不需要被裁剪。也如所示，来自每个激光二极管502A-502C的发射光束基本上分别填充FAC 504A-504C的孔径。SAC 507A-507C被示出为位于与xy平面平行的公共平面中，但是能够是沿着光束轴的分布或方便的传播。在图5中，SAC表示没有曲率，因为SAC通常是在xz平面中没有曲率的柱面透镜。FA和SA准直光束508A-508C被引导到相应的转向反射镜509A-509C，以便产生沿坐标系555的y轴传播的准直光束515A-515C。FAT 513沿着快轴(x方向)减小光束尺寸，并且产生入射到物镜516的输出光束512A-512C。在图5A的示例中，FA和SA准直光束515A-515C没有被间隙分开，并且没有间隙地入射到FAT 513。结果，输出光束512A-512C不被间隙分开作为至物镜516的输入，如图5C所示。在这种布置中，各个光束被称为组合的，以便填充物镜516的孔径的一部分。
为了将激光二极管光束功率耦合到具有预定阶梯台阶尺寸的所选光纤中，通过FAC焦距、FAT放大率和物镜焦距的组合来控制快轴光束尺寸。这些产生放大率，该放大率被选择为使得各个光束入射到具有对应于光纤芯直径的FA光束直径的输出光纤。类似地，基于SAC焦距和物镜焦距建立慢轴光束尺寸，SAC焦距和物镜焦距通常被选择为使SA光束直径对应于光纤芯直径。代表性组合在下面的表3中列出，用于提供公共激发NA和公共SA/FA放大率的2乘9配置。
Figure BDA0002163066790000141
表3.提供公共组合光束的代表性组合
鉴于可以应用所公开的技术的原理的许多可能实施例，应认识到，所示实施例仅是优选示例，并且不应被视为限制本公开的范围。我们要求落入所附权利要求的范围和精神内所有方案。

Claims (25)

1.一种设备，包括：
激光二极管的组，其相对于堆叠轴具有预定间距，每个激光二极管具有限定快轴和慢轴的发射区域，所述发射区域产生具有小于1.62μm的快轴光束全宽度的发射光束，其中，所述激光二极管中的每个激光二极管的快轴相互平行并平行于所述堆叠轴，并且所述激光二极管中的每个激光二极管的慢轴相互平行并正交于所述堆叠轴；
快轴准直器(FAC)，其与所述激光二极管中的每个激光二极管相关联，所述快轴准直器中的每个快轴准直器具有公共焦距，其中，所述激光二极管中的每个激光二极管的发射区域耦合到相应的快轴准直器，以便产生沿所述快轴准直的相应的光束；
无焦望远镜，其被定位成接收来自所述快轴准直器的快轴准直光束，并基于所述预定间距和与所述无焦望远镜相关联的放大率M产生快轴光束间距；
物镜，其被定位成接收来自所述无焦望远镜的快轴准直光束；以及
光纤，其具有被定位成接收来自所述物镜的快轴准直光束的芯。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述FAC和所述物镜分别具有焦距fFAC和fO，所述激光二极管的发射区域在所述光纤处的放大率是fO/MfFAC，并且快轴准直光束的快轴数值孔径为NAFA＝(dstair×m×M)/(2×fO)，其中，m为所述组中激光二极管的数量，dstair为所述预定间距。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，M小于1.0。
4.根据权利要求2所述的设备，其中，fFAC在200μm和400μm之间，fO在5mm和12mm之间，并且M小于0.9。
5.根据权利要求1所述的设备，其中所述激光二极管的组中的每个二极管在800nm至1000nm的波长范围中发射，并且所述激光二极管的组包括：1)两个七个激光二极管的组，将至少160W的总光学功率耦合到所述光纤中，2)两个九个激光二极管的组，将数值孔径小于0.15的光束中的至少200W的总光学功率耦合到所述光纤中，其中，所述光纤具有105μm的芯直径，3)两个15个激光二极管的组，将数值孔径小于0.18的光束中的至少360W的总光学功率耦合到所述光纤中，其中，所述光纤具有105μm的芯直径，或4)两个24个激光二极管的组，将数值孔径小于0.18的光束中的至少800W耦合到所述光纤中，其中，所述光纤具有200μm的芯直径。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述光纤具有105μm或200μm的芯直径。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述预定间距在200μm和1000μm之间。
8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述激光二极管沿慢轴方向分布成具有固定的慢轴间距。
9.根据权利要求8所述的设备，还包括对应于所述激光二极管的组中的所述激光二极管中的每个激光二极管的一组反射器，每个反射器被定位成接收来自相应的FAC的光束，并且将所述光束引导至所述物镜，以便所引导的光束在所述物镜处的传播轴平行。
10.根据权利要求9所述的设备，还包括一组慢轴准直器(SAC)，所述一组慢轴准直器被定位成接收来自所述FAC的相应的光束，并且将FA和SA准直的所述光束引导至相应的反射器。
11.一种光学光束源，包括：
激光二极管的组，其被定位成沿互相平行的相应的快轴具有预定间距，每个激光二极管由小于1.6μm的快轴光束尺寸限定，并且具有限定快轴和慢轴的发射区域，其中，所述激光二极管中的每个激光二极管的快轴相互平行并平行于堆叠轴，并且所述激光二极管中的每个激光二极管的慢轴相互平行并正交于所述堆叠轴；
快轴准直器(FAC)和慢轴准直器(SAC)，其对应于所述组的所述激光二极管中的每个激光二极管，所述FAC中的每个FAC具有公共焦距fFAC，并且所述SAC中的每个SAC具有公共焦距fSAC，其中，所述FAC和所述SAC被定位成对从所述激光二极管中的每个激光二极管的相应的发射区域发射的光学光束进行准直；
无焦望远镜，其被定位成接收所准直的光束并基于所述预定间距以及与所述无焦望远镜相关联的放大率M产生快轴光束间距；以及
物镜，其被定位成接收来自所述无焦望远镜的光束并将所述光束引导到焦点。
12.根据权利要求11所述的光学光束源，还包括具有被定位在所述物镜的焦点处的输入表面的光纤。
13.根据权利要求12所述的光学光束源，其中，所述光纤具有在50μm和1.0mm之间的芯直径。
14.根据权利要求11所述的光学光束源，还包括具有多个导热台阶的激光二极管安装座，所述激光二极管中的每个激光二极管被固定至相应的台阶，以便沿相应的快轴间隔开。
15.根据权利要求11所述的光学光束源，其中，所述激光二极管是喇叭形激光二极管。
16.一种方法，包括：
基于激光二极管安装座的预定台阶高度选择小于1.7μm的发射光束快轴尺寸，以便将来自选择数量的激光二极管的发射光束耦合到光纤中；
将所述选择数量的激光二极管定位在所述预定高度处；
将慢轴和快轴准直透镜定位成从来自所述激光二极管中的每个激光二极管的发射光束产生准直光束；以及
将快轴望远镜和物镜定位成将所述准直光束引导到所述光纤中。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，基于所述光纤的数值孔径来选择所发射的光束快轴尺寸。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，所述台阶高度在200μm和1000μm之间，并且所述快轴望远镜的放大率小于1。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括基于所述光纤的芯直径来选择所述发射光束的快轴放大率。
20.一种方法，包括：
基于沿快轴方向的固定间隔和激光二极管的数量，选择小于1.7μm的发射光束快轴尺寸，以便将具有选择的功率、选择的数值孔径或两者的组合光束耦合到光纤中；
以所述固定间隔定位所述数量的激光二极管，并且利用对应的快轴和慢轴准直器、快轴望远镜以及物镜将来自所述激光二极管中的每个激光二极管的发射光束引导到所述光纤。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述发射光束快轴尺寸小于1.60μm。
22.根据权利要求20所述的方法，还包括选择慢轴尺寸，以便慢轴BPP小于最大可允许光纤BPP。
23.根据权利要求22所述的方法，其中，基于与所述激光二极管中的一个或更多激光二极管的光学损伤相关联的阈值来选择所述慢轴尺寸。
24.一种方法，包括：
选择沿公共快轴方向的台阶高度；
基于所选择的台阶高度，选择小于1.7μm的公共快轴光束直径和公共快轴光束发散度；以及
利用相应的快轴准直器、快轴望远镜以及物镜沿所述公共快轴方向对来自由所述台阶高度间隔开并且具有所述公共快轴光束直径和所述公共快轴光束发散度的激光二极管的组中的每个激光二极管的光束进行整形，以便产生具有对应于输出光纤芯直径和数值孔径的组合光束快轴光束直径和光束发散度的组合光束，并且利用相应的慢轴准直器和所述物镜沿慢轴方向对来自所述激光二极管的组中的每个激光二极管的光束进行整形，以便所述组合光束具有对应于所述输出光纤芯直径和数值孔径的组合光束慢轴光束直径和光束发散度。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，所述激光二极管的组的所述光束被组合以填充所述物镜的孔径的部分。
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