CN111433985B - 具有噪声校正的光学相控阵列动态波束成形 - Google Patents

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Abstract

一种激光系统，其包括：种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自所述种子激光器的输出且提供具有噪声的合成激光输出；和噪声消除子系统，其操作以基于考虑到间歇时间处的所述噪声而提供噪声消除相位校正输出，所述激光束分离及合成子系统在所述间歇时间之间的时间间隙期间改变所述合成激光输出的相位。

Description

具有噪声校正的光学相控阵列动态波束成形
相关申请
在此参考2017年11月7日提交的题为“具有噪声校正的光学相控阵列动态波束成形(OPTICAL PHASED ARRAY DYNAMIC BEAM SHAPING WITH NOISE CORRECTION)”的以色列专利申请第255496号；2017年12月4日提交的题为“种子激光器故障保护系统(SEED LASERFAILURE PROTECTION SYSTEM)”的以色列专利申请第256107号；2017年12月4日提交的题为“使用光学相控阵列激光的激光回射保护(LASER BACK-REFLECTION PROTECTION USINGOPTICAL PHASED ARRAY LASER)”的美国临时专利申请第62/594,167号；2018年4月25日提交的题为“光学相控阵列中的缩放相位修改、相位校准和种子激光器保护(SCALED PHASEMODIFICATION,PHASE CALIBRATION AND SEED LASER PROTECTION IN OPTICAL PHASEDARRAY)”的以色列专利申请第258936号；2018年6月13日提交的题为“光学相控阵列激光器中的多个检测器和对应多个小间距光学路径(MULTIPLE DETECTORS AND CORRESPONDINGMULTIPLE CLOSELY SPACED OPTICAL PATHWAYS IN OPTICAL PHASED ARRAY LASER)”的美国临时专利申请第62/684,341号；及2018年7月28日提交的题为“光学相控阵列激光器中的检测器掩模(DETECTOR MASK IN OPTICAL PHASED ARRAY LASER)”的美国临时专利申请第62/702,957号，所有专利申请的公开内容在此以引用方式并入且所有专利申请的优先权为在此依据37CFR 1.78(a)(4)和(5)(i)所要求的。
还参考了US专利第9,893,494号，其公开内容在此以引用方式并入。
技术领域
本发明大体上涉及激光相干光束合成，且更具体地说，涉及光学相控阵列。
背景技术
各种类型的光学相控阵在本领域中是已知的。
发明内容
本发明试图提供与由激光光学相控阵列产生的动态成形光束中的噪声校正和相位修改相关的系统和方法。
因此，根据本发明的优选实施例，提供了一种激光系统，其包括：种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自所述种子激光器的输出且提供具有噪声的合成激光输出；和噪声消除子系统，其操作以基于考虑到间歇时间处的噪声而提供噪声消除相位校正输出，所述激光束分离及合成子系统在所述间歇时间之间的时间间隙期间改变合成激光输出的相位。
根据本发明的另一优选实施例，进一步提供一种激光系统，其包括种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自所述种子激光器的输出且提供具有噪声的合成激光输出；和噪声消除子系统，其操作以基于考虑到在噪声采样率下的噪声而提供噪声消除相位校正输出，所述激光束分离及合成子系统以超过所述噪声采样率的相位变化率改变所述合成激光输出的相位。
优选地，噪声采样率和相位变化率中的至少一个随时间变化。
优选地，噪声采样率是预定的。
根据本发明的优选实施例，激光束分离及合成子系统改变合成激光输出的相位以提供所述合成激光输出的空间调制。
优选地，结合合成激光输出的机械空间调制来提供合成激光输出的空间调制，结合机械空间调制的空间调制比在不存在空间调制的情况下的机械空间调制更快。
另外或替代地，结合合成激光输出的机械空间调制来提供合成激光输出的空间调制，结合机械空间调制的空间调制比在不存在空间调制的情况下的机械空间调制更精确。
优选地，空间调制包括对合成激光输出的形状和直径中的至少一个的调制。
优选地，激光束分离及合成子系统在分离下游和合成上游提供激光束放大。
根据本发明的另一优选实施例，基于将至少两个相位变化顺序地施加到合成激光输出的至少一个构成光束且识别出所述至少两个相位变化中的对应于至少一个构成光束的最大输出强度的一个相位变化来计算噪声消除相位校正输出。
优选地，所述系统还包括至少一个检测器，所述至少一个检测器协作地耦合到噪声消除子系统以用于检测合成激光输出的至少一部分。
优选地，至少一个检测器连续地执行检测。
根据本发明的另外优选实施例，噪声消除相位校正输出消除合成激光输出中的强度噪声。
优选地，系统还包括用于改变合成激光输出的强度的至少一个强度调制器。
根据本发明的再一优选实施例，噪声消除相位校正输出消除合成激光输出中的位置噪声。
优选地，系统还包括用于改变合成激光输出的位置的至少一个位置调制器。
优选地，一种激光切割系统包括本发明的激光系统。
另外或替代地，一种激光增材制造系统包括本发明的激光系统。
另外或替代地，一种激光焊接系统包括本发明的激光系统。
另外或替代地，一种自由空间光通信系统包括本发明的激光系统。
根据本发明的优选实施例，还提供了一种用于对相位变化激光输出执行噪声校正的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的输出；分离且合成所述输出以提供具有噪声的合成激光输出；基于考虑到间歇时间处的噪声而将噪声消除相位校正输出施加到合成激光输出；和在间歇时间之间的时间间隙期间改变合成激光输出的相位。
根据本发明的另一优选实施例，还提供了一种用于对相位变化激光输出执行噪声校正的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的输出；分离和合成所述输出以提供具有噪声的合成激光输出；基于考虑到在噪声采样率下的噪声而将噪声消除相位校正输出施加到合成激光输出；和以超过噪声采样率的相位变化率改变合成激光输出的相位。
优选地，噪声采样率和相位变化率中的至少一个随时间变化。
优选地，噪声采样率是预定的。
根据本发明的优选实施例，相位的改变提供合成激光输出的空间调制。
优选地，结合合成激光输出的机械空间调制来提供合成激光输出的空间调制，结合机械空间调制的空间调制比在不存在空间调制的情况下的机械空间调制更快。
另外或替代地，结合合成激光输出的机械空间调制来提供合成激光输出的空间调制，结合机械空间调制的空间调制比在不存在空间调制的情况下的机械空间调制更精确。
优选地，空间调制包括对合成激光输出的形状和直径中的至少一个的调制。
优选地，所述方法还包括在分离下游和合成上游放大输出。
根据本发明的另一优选实施例，所述方法还包括基于将至少两个相位变化顺序地施加到合成激光输出的至少一个构成光束且识别出所述至少两个相位变化中的对应于至少一个构成光束的最大输出强度的一个相位变化来计算噪声消除相位校正输出。
优选地，所述方法还包括检测合成激光输出的至少一部分。
优选地，检测是连续执行的。
根据本发明的又一优选实施例，噪声消除相位校正输出消除合成激光输出中的强度噪声。
优选地，所述方法还包括在分离下游和合成上游调制输出的强度。
根据本发明的又一优选实施例，噪声消除相位校正输出消除合成激光输出中的位置噪声。
优选地，所述方法还包括在分离下游和合成上游调制输出的位置。
优选地，用于激光切割的方法包括本发明的方法。
另外或替代地，用于增材制造的方法包括本发明的方法。
另外或替代地，用于激光焊接的方法包括本发明的方法。
另外或替代地，用于自由空间光通信的方法包括本发明的方法。
根据本发明的另一优选实施例，还提供一种激光系统，其包括：种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自种子激光器的输出且提供合成激光输出，所述激光束分离及合成子系统改变合成激光输出的相位；多个检测器，其在合成激光输出的相位的改变期间的间歇时间处检测合成激光输出；和在合成激光输出与多个检测器之间的多个光学路径，所述多个光学路径用于沿其将合成激光输出提供到所述多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
优选地，合成激光输出具有噪声，且激光系统还包括噪声消除子系统，所述噪声消除子系统操作以基于考虑到如多个检测器在合成激光输出的相位的改变期间的间歇时间处检测到的合成激光输出的噪声而提供噪声消除相位校正输出。
优选地，所述多个光学路径包括多个光纤，所述光纤的端部以大于所述多个检测器的空间密度的空间密度布置。
优选地，多个光学路径中的一些以20到1000微米的距离间隔开。
优选地，多个检测器中的一些以5到50毫米的距离彼此间隔开。
根据本发明的另一优选实施例，另外提供一种用于检测激光输出的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的输出；分离和合成所述输出以提供合成激光输出；改变合成激光输出的相位且沿着多个光学路径将所述合成激光输出提供到多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
优选地，合成激光输出具有噪声，且所述方法还包括基于考虑到如多个检测器在合成激光输出的相位的改变期间检测到的合成激光输出的噪声而提供噪声消除相位校正输出。
优选地，所述多个光学路径包括多个光纤，所述光纤的端部以大于所述多个检测器的空间密度的空间密度布置。
优选地，多个光学路径中的一些以20到1000微米的距离间隔开。
优选地，多个检测器中的一些以5到50毫米的距离彼此间隔开。
根据本发明的又一优选实施例，还提供了一种激光系统，其包括：种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自种子激光器的输出且提供合成激光输出，所述激光束分离及合成子系统改变所述合成激光输出的相位；至少一个检测器，其在合成激光输出的相位的改变期间检测所述合成激光输出；和光学掩模，其包括透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和反射区用于分别将从其穿过和由其得到的合成激光输出提供到至少一个检测器。
优选地，透射区和反射区中的至少一个根据合成激光输出的形状和轨迹中的至少一个来配置。
优选地，所述系统还包括一种聚焦子系统，所述聚焦子系统使光学掩模与至少一个检测器介接以用于将合成激光输出聚焦到所述至少一个检测器上。
优选地，聚焦子系统包括至少一个聚焦透镜。
优选地，至少一个检测器包括单个检测器。
根据本发明的优选实施例，透射区具有不均匀透明度。
优选地，透射区的不均匀透明度补偿了合成激光输出的强度中的非噪声相关的不均匀性。
优选地，光学掩模包括电调制装置，并且透射区和反射区中的至少一个是电子可修改的。
优选地，光学掩模包括LCD屏幕。
根据本发明的另一优选实施例，反射区具有不均匀反射率。
优选地，反射区的不均匀反射率补偿了合成激光输出的强度中的非噪声相关的不均匀性。
优选地，反射区包括DMM。
优选地，合成激光输出具有噪声，且激光系统还包括噪声消除子系统，所述噪声消除子系统操作以基于考虑到如至少一个检测器在合成激光输出的相位的改变期间检测到的合成激光输出的噪声而提供噪声消除相位校正输出。
根据本发明的又一优选实施例，还提供了一种用于检测激光输出的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的输出；分离和合成所述输出以提供合成激光输出；改变所述合成激光输出的相位；通过光学掩模将所述合成激光输出提供到至少一个检测器，所述光学掩模包括透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和反射区用于分别将从其穿过和由其得到的合成激光输出提供到至少一个检测器；和通过所述至少一个检测器在相位的改变期间检测所述合成激光输出。
优选地，透射区和反射区中的至少一个根据合成激光输出的形状和轨迹中的至少之一个来配置。
优选地，所述方法还包括将合成激光输出聚焦到至少一个检测器上。
优选地，所述方法还包括设置使光学掩模与至少一个检测器介接以用于执行聚焦的聚焦透镜。
优选地，至少一个检测器包括单个检测器。
根据本发明的优选实施例，透射区具有不均匀透明度。
优选地，透射区的不均匀透明度补偿了合成激光输出的强度中的非噪声相关的不均匀性。
优选地，光学掩模包括电调制装置，并且透射区和反射区中的至少一个是电子可修改的。
优选地，光学掩模包括LCD屏幕。
根据本发明的另一优选实施例，反射区具有不均匀反射率。
优选地，反射区的不均匀反射率补偿了合成激光输出的强度中的非噪声相关的不均匀性。
优选地，反射区包括DMM。
优选地，合成激光输出具有噪声，且所述方法还包括基于考虑到如至少一个检测器在合成激光输出的相位的改变期间检测到的合成激光输出的噪声而提供噪声消除相位校正输出。
根据本发明的又一优选实施例，还提供了一种激光系统，其包括：种子激光器；激光分离及合成子系统，其接收来自种子激光器的输出且合成所述输出以提供合成激光输出；相位调制子系统，其用于改变合成激光输出的相位；和电压-相位相关子系统，其用于使施加到相位调制子系统的电压与由所述相位调制子系统产生的相位调制输出相关且用于提供适用于校准所述相位调制子系统的电压-相位相关输出，相关在相位的改变期间周期性地执行。
优选地，相位调制子系统包括多个相位调制器。
优选地，通过相位调制控制模块将电压施加到多个相位调制器。
优选地，电压包括旨在产生合成激光输出的2π相移的电压。
优选地，所述相关包括：在施加电压之后测量合成激光输出的远场强度图案的强度变化，并且推导电压与对应于强度变化的相移之间的关系。
优选地，将电压顺序地施加到多个相位调制器中的一些。
优选地，以比相位变化慢的速率执行相关。
优选地，以每秒一百万次的速率执行相位变化，并且以每秒一次的速率执行相关。
根据本发明的另外优选实施例，另外提供了一种用于执行激光系统的相位校准的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的输出；分离和合成所述输出以提供合成激光输出；通过相位调制子系统在相位的改变期间周期性地改变合成激光输出的相位；将电压施加到相位调制子系统且使所述电压与通过所述相位调制子系统产生的相位调制输出相关并且提供适用于校准所述相位调制子系统的电压-相位相关输出。
优选地，相位调制子系统包括多个相位调制器。
优选地，通过相位调制控制模块执行施加电压。
优选地，电压包括旨在产生合成激光输出的2π相移的电压。
优选地，所述相关包括：在施加电压之后测量合成激光输出的远场强度图案的强度变化，并且推导电压与对应于强度变化的相移之间的关系。
优选地，所述方法还包括将电压顺序地施加到多个相位调制器中的一些。
优选地，以比相位变化慢的速率执行相关。
优选地，以每秒一百万次的速率执行相位变化，并且以每秒一次的速率执行相关。
根据本发明的另一优选实施例，还提供了一种激光系统，其包括：种子激光器；激光束分离及合成子系统，其接收来自种子激光器的输出，将所述输出分离成多个子束且提供包括多个子束的合成激光输出；和
相位调制子系统，其将多个子束的一些的至少一部分分组成多个子束组，所述相位调制子系统平行跨越多个子束组，从而相对于每个组内的其它子束的相位改变所述组内的每个子束的相位，以便改变每个组的相位，和相对于多个组中的其它组的相位改变每个组的相位，由此改变合成激光输出的相位。
优选地，相位调制子系统包括至少一个用于执行分组的柱面透镜。
替代地，相位调制子系统包括用于执行分组的反射镜的阵列和对应聚焦透镜。
优选地，相位调制子系统包括用于改变子束的相位的多个相位调制器。
优选地，相位调制子系统包括操作控制多个相位调制器的至少一个电子控制模块。
优选地，相位调制子系统包括对应于多个组的用于检测多个组中的每一个的远场强度图案的多个检测器。
根据本发明的优选实施例，所述系统还包括掩蔽多个检测器中的对应检测器的多个光学掩模，每一光学掩模包括透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和反射区用于分别将从其穿过和由其得到的远场强度图案提供到多个检测器中的对应检测器。
优选地，多个检测器至少部分地彼此同时执行检测。
优选地，相位调制子系统包括用于检测多个组的组合的远场强度图案的额外辅助检测器。
优选地，相位调制子系统包括多个额外相位调制器，每一额外相位调制器对于每个组内的所有子束是公共的以用于相对于多个组中的其它组的相位改变每个组的相位。
优选地，相位调制子系统包括操作控制多个额外相位调制器的额外电子控制模块。
根据本发明的另一优选实施例，多个检测器中的每一检测器包括多个检测器。
优选地，系统还包括在多个组中的每一个的远场强度图案与每一多个检测器之间的多个光学路径，所述多个光学路径用于沿其将远场强度图案提供到多个检测器，多个光学路径的空间密度大于多个检测器的空间密度。
优选地，改变合成激光输出的相位包括使合成激光输出的强度最大化。
优选地，改变合成激光输出的相位提供对合成激光输出的空间调制，而不涉及对合成激光输出的机械空间调制。
优选地，激光束分离及合成子系统在分离下游和合成上游提供激光束放大。
根据本发明的再一优选实施例，还提供了一种用于执行激光输出的相位变化的方法，所述方法包括接收来自种子激光器的激光输出；将激光输出分离成多个子束且合成多个子束以提供合成激光输出；将多个子束中的一些的至少一部分分组成子束的多个组；平行跨越多个子束组，相对于每个组内的其它子束的相位改变所述组内的每个子束的相位以便改变每个组的相位；和相对于每个组的相位改变多个组中的其它组的相位，由此改变合成激光输出的相位。
优选地，由至少一个柱面透镜执行分组。
替代地，通过反射镜阵列和对应聚焦透镜执行分组。
优选地，通过多个相位调制器执行子束的相位变化。
优选地，所述方法还包括通过至少一个电子控制模块来控制多个相位调制器。
优选地，所述方法还包括通过对应的多个检测器来检测多个组中的每一个的远场强度图案。
根据本发明的优选实施例，所述方法包括通过多个光学掩模将远场强度图案提供到多个检测器中的对应检测器，每一光学掩模包括透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和反射区用于分别将从其穿过和由其得到的远场强度图案提供到多个检测器中的对应检测器。
优选地，对于多个组，至少部分地彼此同时执行检测。
优选地，所述方法还包括通过辅助检测器检测多个组的组合远场强度图案。
优选地，通过多个额外相位调制器执行每个组的相位相对于多个组中的其它组的相位的变化，每个额外相位调制器对于每个组内的所有子束是公共的。
优选地，所述方法还包括通过额外电子控制模块来控制多个额外相位调制器。
根据本发明的另一优选实施例，多个检测器中的每一检测器包括多个检测器。
优选地，所述方法还包括沿着多个光学路径将多个组中的每一个的远场强度图案提供到每一多个检测器，多个光学路径的空间密度大于多个检测器的空间密度。
优选地，改变合成激光输出的相位包括使合成激光输出的强度最大化。
优选地，改变合成激光输出的相位提供对合成激光输出的空间调制，而不涉及对合成激光输出的机械空间调制。
优选地，所述方法还包括在分离下游和合成上游放大激光输出。
根据本发明的另一优选实施例，还提供了一种激光系统，其包括光学相控阵列激光器，所述光学相控阵列激光器包括：种子激光器；和激光束分离及合成子系统，其接收来自种子激光器的激光输出且提供合成激光输出，所述激光分离及合成子系统改变合成激光输出的相位以使合成激光输出聚焦在衬底上，所述合成激光输出在不存在相位变化的情况下并不聚焦在衬底上。
优选地，所述系统还包括光学元件，所述光学元件接收来自激光束分离及合成子系统的合成激光输出且使合成激光输出聚焦在与衬底不重合的焦点处。
优选地，从衬底反向散射的激光束不聚焦在光学相控阵激光器上。
根据本发明的再一优选实施例，还提供了一种用于在激光系统中聚焦激光束的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的激光输出；分离和合成所述激光输出以提供合成激光输出并且改变合成激光输出的相位以使合成激光输出聚焦在衬底上，所述合成激光输出在不存在相位变化的情况下并不聚焦在衬底上。
优选地，所述方法还包括通过光学元件使合成激光输出聚焦在与衬底不重合的焦点上。
优选地，从衬底反向散射的激光束不聚焦在激光系统上。
根据本发明的再一优选实施例，另外提供一种激光放大器系统，所述激光放大器系统包括：种子激光器，其提供激光输出；放大子系统，其沿着第一光学路径接收来自种子激光器的激光输出且提供放大激光输出；和检测器子系统，其沿着第二光学路径接收来自种子激光器的激光输出，所述检测器子系统操作以在通过检测器子系统检测到激光输出中的至少一个故障时去激活所述放大子系统，激光输出沿着第一光学路径从种子激光器到放大子系统的第一飞行时间大于激光输出沿着第二光学路径从种子激光器到检测器子系统的第二飞行时间与检测器子系统去激活放大子系统所花费的时间的组合。
优选地，第一光学路径包括盘绕光纤。
优选地，至少一个故障包括激光输出的功率降低和激光输出的线宽降低中的至少一个。
优选地，放大子系统包括功率放大器，且激光放大器系统包括MOPA。
根据本发明的又一优选实施例，还提供了一种用于防止损坏激光系统中的放大子系统的方法，所述方法包括：沿着第一光学路径接收来自种子激光器的激光输出；放大激光输出以提供放大激光输出；沿着第二光学路径接收来自种子激光器的激光输出；检测沿着第二光学路径接收到的激光输出中的至少一个故障且在检测到激光输出中的至少一个故障时停止放大，激光输出沿着第一光学路径的第一飞行时间大于激光输出沿着第二光学路径的第二飞行时间与实施停止放大所花费的时间的组合。
优选地，第一光学路径包括盘绕光纤。
优选地，至少一个故障包括激光输出的功率降低和激光输出的线宽降低中的至少一个。
优选地，放大子系统包括功率放大器，且激光放大器系统包括MOPA。
根据本发明的再一优选实施例，还提供了一种激光放大器系统，其包括：种子激光器，其提供激光输出；第一放大器，其布置成接收来自种子激光器的激光输出，所述第一放大器在接收到来自种子激光器的激光输出时提供第一放大激光输出，且在停止接收来自种子激光器的激光输出时提供放大自发发射和额外激光输出中的一个；和第二放大器，其从第一放大器接收第一放大激光输出、放大自发发射和额外激光输出中的一个且提供第二放大激光输出，由第二放大器提供的放大大于由第一放大器提供的放大。
优选地，所述系统还包括在种子激光器下游和第一放大器上游的滤光器结构。
优选地，滤光器结构包括：分束器，其沿着第一和第二光学路径分离激光输出，所述第一光学路径长于所述第二光学路径；检测器，其检测来自第一及第二光学路径的合成激光输出；电子控制模块，其耦合到检测器以用于从检测器接收输出；和相位控制模块，其沿着第一及第二光学路径中的一个定位，所述相位控制模块由电子控制模块操作以响应于检测器检测到合成激光输出中的干扰而修改激光输出的相位。
根据本发明的又一优选实施例，还提供了一种用于防止损坏激光系统中的放大器的方法，所述方法包括：接收来自种子激光器的激光输出；通过第一放大器在接收到来自种子激光器的激光输出时提供第一放大激光输出，在停止接收来自种子激光器的激光输出时通过第一放大器提供放大自发发射和额外激光输出中的一个；和通过第二放大器接收第一放大激光输出、放大自发发射和额外激光输出中的一个且提供第二放大激光输出，第二放大激光输出大于第一放大激光输出。
优选地，所述方法还包括对种子激光器下游和第一放大器上游的激光输出进行滤光。
优选地，滤光包括：沿着第一和第二光学路径分离激光输出，所述第一光学路径长于所述第二光学路径；通过检测器检测来自第一及第二光学路径的合成激光输出；通过电子控制模块从检测器接收输出且响应于检测器检测到合成激光输出中的干扰而沿着第一及第二光学路径中的一个修改激光输出的相位。
根据本发明的另一优选实施例，还提供了一种激光放大器系统，其包括：种子激光器，其提供具有第一功率的第一激光输出；放大子系统，其接收来自种子激光器的第一激光输出且提供放大激光输出；和辅助激光子系统，其至少在第一激光输出停止时提供第二激光输出，所述第二激光输出具有低于第一功率的第二功率。
优选地，辅助激光子系统包括额外种子激光器，所述额外种子激光器至少在提供第一激光输出的同时将第二激光输出提供到放大子系统。
替代地，放大子系统包括接收第一激光输出的入口和提供放大激光输出的出口，且激光放大器系统包括位于入口的第一反射光栅和位于出口的第二反射光栅，所述第一及第二反射光栅与包括辅助激光子系统的放大子系统结合。
优选地，第一及第二反射光栅在1090纳米到1100纳米的波长范围内是反射性的。
优选地，第二激光输出具有与第一激光输出不同的波长。
优选地，所述系统还包括在种子激光器下游和放大子系统上游的滤光器。
优选地，滤光器包括：分束器，其沿着第一光学路径和第二光学路径分离第一激光输出，所述第一光学路径长于所述第二光学路径；检测器，其检测来自第一及第二光学路径的合成激光输出；电子控制模块，其耦合到检测器以用于从检测器接收输出；和相位控制模块，其沿着第一及第二光学路径中的一个定位，所述相位控制模块由电子控制模块操作以响应于检测器检测到合成激光输出中的干扰而修改激光输出的相位。
优选地，所述系统还包括用于检测来自种子激光器的第一激光输出的检测器子系统。
优选地，所述检测器子系统包括：分光器，其将第一激光输出分离成第一部分和第二部分；额外放大器，其放大第二部分且提供放大输出；和光纤，其接收放大输出，所述光纤被配置成在第一激光输出的线宽变得不可接受地窄时呈现非线性效应。
优选地，光纤的长度为25米，且纤芯直径为6微米。
根据本发明的另一优选实施例，还提供了一种用于防止损坏激光系统中的放大器的方法，所述方法包括：提供具有第一功率的第一激光输出；通过放大器放大第一激光输出以提供放大激光输出；和至少在第一激光输出的提供停止时提供第二激光输出，所述第二激光输出具有低于第一功率的第二功率。
优选地，第二激光输出的提供至少与第一激光输出的提供同时执行。
优选地，放大器包括接收第一激光输出的入口和提供放大激光输出的出口，并且还包括将第一反射光栅定位在入口处且将第二反射光栅定位在出口处，所述第一及第二反射光栅与放大器结合从而提供第二激光输出。
优选地，第一及第二反射光栅在1090纳米到1100纳米的波长范围内是反射性的。
优选地，第二激光输出具有与第一激光输出不同的波长。
优选地，所述方法还包括在放大第一激光输出的上游对第一激光输出进行滤光。
优选地，所述方法包括：沿着第一和第二光学路径分离第一激光输出，所述第一光学路径长于所述第二光学路径；通过检测器检测来自第一及第二光学路径的合成激光输出；通过电子控制模块从检测器接收输出且基于来自所述检测器的输出且响应于检测器检测到合成激光输出中的干扰而沿着第一及第二光学路径中的一个修改第一激光输出的相位。
优选地，所述方法还包括检测第一激光输出。
优选地，所述检测包括：将第一激光输出分离成第一部分和第二部分；放大第二部分且提供放大输出；和通过光纤接收放大输出，所述光纤被配置成在第一激光输出的线宽变得不可接受地窄时呈现非线性效应。
优选地，光纤的长度为25米，且纤芯直径为6微米。
附图说明
基于结合附图的以下详细描述，将更充分地理解和认识本发明，在附图中：
图1A是根据本发明的优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图1B和1C是图1A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示；
图2A是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图2B和2C是图2A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示；
图3A是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图3B和3C是图3A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示；
图4A是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图4B和4C是图4A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示；
图5A到5G是图1A到4C中所示的任何类型的光学相控阵列激光系统的输出的可能的远场运动的简化图示；
图6是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括多个检测器和对应多个紧密间隔的光学路径的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图7是根据本发明的再一优选实施例构造和操作的包括多个检测器和对应多个紧密间隔的光学路径的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图8是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括多个检测器和对应多个紧密间隔的光学路径的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图9是根据本发明的优选实施例构造和操作的包括根据示例性激光束轨迹配置的检测器掩模的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图10是绘示透明度的不同级别的图9中所示类型的检测器掩模的简化示意图；
图11是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括根据示例性激光束形状配置的检测器掩模的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图12是绘示透明度的不同级别的图11中所示类型的检测器掩模的简化示意图；
图13是根据本发明的优选实施例构造和操作的包括电压-相位相关功能的光学相控阵列激光系统的简化示意图；
图14是示出用于在图13中所示类型的系统中执行电压-相位相关的步骤的简化流程图；
图15是根据本发明的额外优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图；
图16是根据本发明的又一额外优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图；
图17A和17B是包括图15或图16中所示类型的动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化俯视图和透视图；
图18是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图；
图19是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图；
图20A和20B是包括图18或图19中所示类型的动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化俯视图和透视图；
图21是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图；
图22A和22B是根据本发明的优选实施例构造和操作的光学相控阵列激光系统的相应第一及第二聚焦状态的简化示意图；
图23是图22A和22B中所示类型的光学相控阵列激光系统中的反向散射的简化表示；
图24是根据本发明的优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图25是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图26是根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图27是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图28是根据本发明的再一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图29是根据本发明的再一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图30是根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图31是根据本发明的额外优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；
图32是根据本发明的又一额外优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图；且
图33是适用于图24到32中所示的任何类型的激光放大系统的传感器的简化示意图。
具体实施方式
现在参考图1A，其是根据本发明的优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；且参考图1B和1C，其是图1A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示。
如图1A中所见，提供光学相控阵列(optical phased array，OPA)激光系统100，其在此借助于实例绘示为在激光切割系统102内采用。激光切割系统102可包括以与多轴定位台104成间隔关系安装的OPA激光系统100，如此后详述，在所述台104上可使用激光系统100切割物品，例如物品106。应了解，尽管本文在台104的上下文中示出了激光切割系统102，但如本领域技术人员将了解，系统102可体现为任何类型的激光切割系统。
最好参看放大图110，OPA激光器100优选地包含种子激光器112和激光束分离及合成子系统114。分离及合成子系统114优选地从种子激光器112接收输出激光束且沿着对应多个通道116将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器112的输出绘示为沿着十个通道116分离成十个子束，但应了解，分离及合成子系统114可包括沿以分离种子激光器112的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道116中的每一个定位的相位调制器118个别地调制。由种子激光器112的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜119传播。随后，例如在聚焦透镜120处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束122。
分离及合成子系统114还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器112的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束122之前。在此，举例来说，分离及合成子系统114绘示为包括沿着通道116中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器124。然而，应了解，取决于OPA激光器100的功率输出要求，这种放大是任选的且可省略。
输出光束122的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束122的构成子束的相对相位控制。在多个应用中，例如如图1A中所示出的激光切割中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。此可在激光系统100中实现：通过激光分离及合成子系统114动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出122的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据切割物品106所要的激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统130施加变化的相对相位。相位控制子系统130优选地形成OPA激光器100中的控制电子件模块132的一部分，且优选地控制每一相位调制器118以便沿着通道116动态地调制子束的相对相位。
归因于OPA系统100中固有的噪声，输出光束122具有噪声。在OPA系统100中存在光放大器124的情况下，输出光束122中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。本发明的优选实施例的特定特征是激光系统100包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束122中的噪声的噪声消除子系统140。
尤其优选地，噪声消除子系统140采用一种算法以在合成激光输出中感测和校正相位噪声。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统140提供到相位调制器118以便校正输出光束122中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束122的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统140可包括于控制电子件模块132中。
应了解，输出光束122可另外或替代地受除相位噪声以外的噪声类型(包括强度噪声)影响。在输出光束122具有强度噪声的情况下，噪声消除子系统140操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束122中的强度噪声。在这种情况下，OPA激光系统100可任选地另外包括沿着通道116的强度调制器142，所述强度调制器142用于沿着通道116调制子束中的每一个的强度。
应了解，输出光束122可另外或替代地受机械噪声影响，这可能会影响子束的相对位置。在输出光束122具有位置噪声的情况下，噪声消除子系统140操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束122中的位置噪声。在这种情况下，OPA激光系统100可任选地另外包括沿着通道116的位置调制器144，所述位置调制器144用于沿着通道116调制子束中的每一个的位置。
为了便于将相位变化和噪声校正施加到输出光束122，优选地提取OPA激光器100的输出的一部分并将其导向至少一个检测器，在此示出为单个检测器150。检测器150可替代地体现为多个检测器，如此后参考图6到8和15到21所详述。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。在图1A中所示出的实施例中，多个子束沿着通道116导向分束器160。分束器160优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分162和反射部分164。举例来说，分束器160可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分162优选地朝向聚焦透镜120传播，在所述聚焦透镜120处，子束被合成以形成具有入射到物品106的表面上的远场强度图案166的输出光束122。子束的反射部分164优选地朝向额外聚焦透镜168反射，在所述额外聚焦透镜168处，子束被合成以形成具有入射到检测器150的表面上的远场强度图案172的输出参考光束170。
应了解，本文中绘示的光束分离和重组元件(包括分束器160和聚焦透镜120和168)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统100可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
如上文所描述，输出光束122的远场强度图案166和对应地参考光束170的远场强度图案172的形状和位置归因于子束的相对相位的持续变化而不断地改变。因此，远场强度图案172并不固定在检测器150上，而是取决于构成子束的合成的相对相位而关于检测器150不断地四处移动。然而，为了使检测器150提供所需的噪声消除相位校正输出，远场强度图案172必须入射到检测器150以使检测器测量远场强度图案172的强度且因此相应地施加噪声校正，从而产生固定输出光束。
在本发明中通过在彼此不同的时间和速率下提供噪声消除和相位变化而有利地解决远场强度图案172的因其相位变化所致的动态性质与远场强度图案172要求以便导出和施加其噪声校正的固定性质之间的冲突。
基于考虑到检测器150以噪声采样率测量的噪声而提供噪声消除相位校正输出。以使得远场强度图案172在输出和参考远场强度图案166、172的形状和位置以等于或高于所需噪声采样率的速率动态改变的进程期间入射到检测器150上的方式来控制输出光束122。在远场强度图案172返回到检测器150的所述间歇时间期间考虑参考光束170中的噪声。
在远场强度图案172入射到检测器150的间歇时间之间的时间间隙处，合成的输出光束122和170的相位发生变化以便视需要动态地改变其远场强度图案的形状和位置以执行物品106的激光切割。合成激光输出以超过噪声采样率的相位变化率改变，以便迅速地改变相位且因此改变远场强度图案的形状和位置。举例来说，噪声采样率可为约10到1000赫兹，而相位变化率可大于10,000赫兹。
可参考图1A中所见的曲线图180和图1B中绘示的其放大版本来最好地理解借以在本发明的实施例中优选地执行噪声消除和相位变化的不同速率和时间标度，
如图1B中最清楚地看到的那样，曲线图180包括上部部分182和下部部分184，所述上部部分182显示如检测器150处所测量的远场强度图案172的强度随时间推移的变化，所述下部部分184显示促成输出光束122和参考光束170的多个子束的相对相位在相同时段内的变化。为简单起见，曲线图180中显示了十个子束的相对相位，但应了解，OPA系统100且因此本文中所提供的解释适用于更少或更典型地远更多数目个子束。
如上部部分182中所见，强度峰186表示参考光束170在远场强度图案172经过检测器150时的测量强度。如下部部分184中所见，强度峰186在每一子束的相对相位为零的间歇时间Ti处出现，意味着子束之间不存在相移，合成输出光束的位置因此并不发生变化且远场强度图案172因此直接入射到检测器150上。应了解，检测器150可替代地定位成使得那里的子束的相对相位为非零。此外，可采用多于一个检测器以便允许在沿其的多于一个位置处对远场强度图案172进行测量，如此后参考图6到8和15到21详述。
在强度峰186之间，测量强度接近于零，这是因为远场强度图案172移动到检测器150的任一侧且因此并不直接入射到检测器150上。如考虑上部部分182所理解，由于激光输出光束中存在噪声，所以强度峰186的量值并不是恒定的，所述噪声使远场强度图案172劣化。
如下部部分184中所见，子束的相对相位在间歇时间Ti之间的时间间隙Tbetween处变化。在本文中示出的相位变化函数中，将子束的相对相位绘示为以周期性、规则地重复的图案变化，具有在正和负方向上施加的相等相移。应了解，这种极简图案仅为说明性的且相位变化不必规则地重复，也不必在正和负方向上对称。此外，应了解，时间间隙Tbetween优选地但未必不与间歇时间Ti重叠。另外，应了解，相位变化率和噪声采样率中的至少一个可为恒定的或可随时间变化。
噪声消除子系统140通过考虑间歇时间Ti处的噪声而优选地操作，且基于在间歇时间Ti处感测到的噪声提供噪声消除相位校正输出。噪声消除子系统140优选地采用一种算法以便感测噪声且相应地校正感测到的噪声。
根据本发明的一个示例性实施例，噪声消除子系统140采用一种算法，其中一个通道的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案172关于检测器150行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化。在多个这类周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所选子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生此最大强度的最优相位变化/>所选子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化/>处，且算法进行到优化另一子束。
曲线图180示出根据此示例性算法的总共10个子束中的三个子束或通道A、B和C中的噪声消除。为清楚起见，在图1C中单独地显示子束A、B和C。应了解，与图1A和1B相比，在图1C中修改了分别表示子束A、B和C的相位变化和噪声校正的迹线的线型，以便在下文中出于解释的目的辅助在各种子束之间进行区分。
如最初在通道A的情况下所见，且从考虑放大图190最清楚地理解，虚线表示子束A的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统130施加的。此迹线可以称为Auncorrected。点划线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束A的实际相对相位。此迹线可以被称为Acorrected。Acorrected的经修改相对相位在子束A的前五个周期内以不同关于Auncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器150处测量的强度186在子束A的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束A的前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第二相移/>产生的IAmax。因此，施加到子束A的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第二相移/>处，且算法进行到优化子束B。
应了解，在子束A的优化的连续周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束A中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
如进一步在子束B的情况下所见，且从考虑放大图192最清楚地理解，通道B的优化期间的较粗迹线表示子束B的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统130施加的。此迹线可以被称为Buncorrected。通道B的优化期间的较细迹线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束B的实际相对相位。此迹线可以被称为Bcorrected。Bcorrected的经修改相对相位在优化子束B的前五个周期内以不同关于Buncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器150处测量的强度186在子束B的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束B的这前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第四相移/>产生的IABmax。因此，施加到子束B的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第四相移/>处，且算法进行到优化子束C。
应了解，在子束B的优化的五个周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束B中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
优选地针对子束C实施类似优化过程，其中相位变化在若干个周期内施加以便优化输出光束强度且校正因子束C中的相位噪声所致的其强度降低。/>
至少一个检测器150可连续地操作以便连续地优化子束的相对相位且校正其中的相位噪声。然而，由于检测器150的响应时间有限，检测器150仅以相对缓慢的噪声采样率考虑间歇时间处的参考光束170中的噪声。噪声采样率是优选地但不必为预定的。噪声采样率可替代地为随机的。
应了解，曲线图180中描绘的噪声校正算法的特定参数仅为示例性的且可易于修改，如本领域技术人员将理解。举例来说，相移可在比本文中示出的周期更多或更少数目个周期内优化，每一子束可在每当子束经过检测器150时完全优化，或若干子束或所有子束可在远场强度图案经过检测器150的每一周期期间优化。此外，非连续噪声校正优化算法可替代地实施，包括但不限于随机并行梯度下降优化算法。
在激光切割中使用动态成形的经噪声校正的光学相控阵列输出光束是非常有利的，且实现快速光束转向、快速功率调制、快速光束聚焦和光束形状定制。与常规激光切割方法相比，使用动态成形的经噪声校正的光学相位阵列输出来提高可切割材料的速度和质量两个。应了解，根据本发明的优选实施例，要是没有提供噪声校正，光学相控阵列输出光束的形状和位置将劣化，由此降低激光切割过程的质量、速度和精度。
为了在光束的远场强度图案移动时维持输出光束强度，如在特定激光切割应用中是有利的，输出光束的运动可受控制以使得光束在较低强度位置处花费更多时间以便补偿那里减少的功率输送。另外或替代地，可将例如中性密度(ND)滤光器的强度剖面掩模施加到输出光束以便修改其强度。
现在参考图2A，其为根据本发明的另一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；且参考图2B和2C，其为图2A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示。
如图2A中所见，提供光学相控阵列(OPA)激光系统200，其在此借助于实例绘示为在增材制造系统202内采用。增材制造系统202可包括以与扫描镜203和多轴定位台204成间隔关系安装的OPA激光系统200，在所述台204上可使用激光系统200增材制造物品，例如物品206。应了解，尽管本文在扫描镜203的上下文中示出了增材制造系统202，但如本领域技术人员将了解，系统202可体现为任何类型的增材制造系统。
最好参看放大图210，OPA激光器200优选地包含种子激光器212和激光束分离及合成子系统214。分离及合成子系统214优选地从种子激光器212接收输出激光束且沿着对应多个通道216将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器212的输出绘示为沿着十个通道216分离成十个子束，但应了解，分离及合成子系统214可包括沿以分离种子激光器212的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道216中的每一个定位的相位调制器218个别地调制。由种子激光器212的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜219传播。随后，例如在聚焦透镜220处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束222。
分离及合成子系统214还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器212的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束222之前。在此，举例来说，分离及合成子系统214绘示为包括沿着通道216中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器224。然而，应了解，取决于OPA激光器200的功率输出要求，这种放大是任选的且可省略。
输出光束222的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束222的构成子束的相对相位控制。在多个应用中，例如如图2A中所示出的激光增材制造中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。此可在激光系统200中实现：通过激光分离及合成子系统214动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出222的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据物品206的3D打印所要的激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统230施加变化的相对相位。相位控制子系统230优选地形成OPA激光器200中的控制电子件模块232的一部分，且优选地控制每一相位调制器218以便沿着通道216动态地调制子束的相对相位。
归因于OPA系统200中固有的噪声，输出光束222具有噪声。在OPA系统200中存在光放大器224的情况下，输出光束222中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。本发明的优选实施例的特定特征是激光系统200包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束222中的噪声的噪声消除子系统240。
尤其优选地，噪声消除子系统240采用一种算法以在合成激光输出中感测和校正相位噪声。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统240提供到相位调制器218以便校正输出光束222中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束222的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统240可包括于控制电子件模块232中。
应了解，输出光束222可另外或替代地受除相位噪声以外的噪声类型(包括强度噪声)影响。在输出光束222具有强度噪声的情况下，噪声消除子系统240操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束222中的强度噪声。在这种情况下，OPA激光系统200可任选地另外包括沿着通道216的强度调制器242，所述强度调制器242用于沿着通道216调制子束中的每一个的强度。
应了解，输出光束222可另外或替代地受机械噪声影响，这可能会影响子束的相对位置。在输出光束222具有位置噪声的情况下，噪声消除子系统240操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束222中的位置噪声。在这种情况下，OPA激光系统200可任选地另外包括沿着通道216的位置调制器244，所述位置调制器244用于沿着通道216调制子束中的每一个的位置。
为了便于将相位变化和噪声校正施加到输出光束222，优选地提取OPA激光器200的输出的一部分并将其导向至少一个检测器，在此示出为单个检测器250。检测器250可替代地体现为多个检测器，如此后参考图6到8和15到21所详述。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。在图2A中所示出的实施例中，多个子束沿着通道216导向分束器260。分束器260优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分262和反射部分264。举例来说，分束器260可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分262优选地朝向聚焦透镜220传播，在所述聚焦透镜220处，子束被合成以形成具有入射到扫描镜203上的远场强度图案266的输出光束222。子束的反射部分264优选地朝向额外聚焦透镜268反射，在所述额外聚焦透镜268处，子束被合成以形成具有入射到检测器250的表面上的远场强度图案272的输出参考光束270。
应了解，本文中绘示的光束分离和重组元件(包括分束器260和聚焦透镜220和268)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统200可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
如上文所描述，输出光束222的远场强度图案266和对应地参考光束270的远场强度图案272的形状和位置归因于子束的相对相位的持续变化而不断地改变。因此，远场强度图案272并不固定在检测器250上，而是取决于构成子束的合成的相对相位而关于检测器250不断地四处移动。然而，为了使检测器250提供所需的噪声消除相位校正输出，远场强度图案272必须入射到检测器250以使检测器测量远场强度图案272的强度且因此相应地施加噪声校正，从而产生固定输出光束。
在本发明中通过在彼此不同的时间和速率下提供噪声消除和相位变化而有利地解决远场强度图案272的因其相位变化所致的动态性质与远场强度图案272要求以便导出和施加其噪声校正的固定性质之间的冲突。
基于考虑到检测器250以噪声采样率测量的噪声而提供噪声消除相位校正输出。以使得远场强度图案272在输出和参考远场强度图案266和272的形状和位置以等于或高于所需噪声采样率的速率动态改变的进程期间入射到检测器250上的方式来控制输出光束222。在远场强度图案272返回到检测器250的所述间歇时间期间考虑参考光束270中的噪声。
在远场强度图案272入射到检测器250的间歇时间之间的时间间隙处，合成的输出光束222、270的相位发生变化以便视需要动态地改变其远场强度图案的形状和位置以执行物品206的增材制造。合成激光输出以超过噪声采样率的相位变化率改变，以便迅速地改变相位且因此改变远场强度图案的形状和位置。举例来说，噪声采样率可为约10到1000赫兹，而相位变化率可大于10,000赫兹。
可参考图2A中所见的曲线图280和图2B中绘示的其放大版本来最好地理解借以在本发明的实施例中优选地执行噪声消除和相位变化的不同速率和时间标度，
如图2B中最清楚地看到的那样，曲线图280包括上部部分282和下部部分284，所述上部部分282显示如检测器250处所测量的远场强度图案272的强度随时间推移的变化，所述下部部分284显示促成输出光束222和参考光束270的多个子束的相对相位在相同时段内的变化。为简单起见，曲线图280中显示了十个子束的相对相位，但应了解，OPA系统200且因此本文中所提供的解释适用于更少或更典型地远更多数目个子束。
如上部部分282中所见，强度峰286表示参考光束270在远场强度图案272经过检测器250时的测量强度。如下部部分284中所见，强度峰286在每一子束的相对相位为零的间歇时间Ti处出现，意味着子束之间不存在相移，合成输出光束的位置因此并不发生变化且远场强度图案272因此直接入射到检测器250上。应了解，检测器250可替代地定位成使得子束的相对相位为非零。此外，可采用多于一个检测器以便允许在沿其的多于一个位置处对远场强度图案272进行测量，如此后参考图6到8和15到21详述。
在强度峰286之间，测量强度接近于零，这是因为远场强度图案272移动到检测器250的任一侧且因此并不直接入射到检测器250上。如考虑上部部分282所理解，由于激光输出光束中存在噪声，所以强度峰286的量值并不是恒定的，所述噪声使远场强度图案272劣化。
如下部部分284中所见，子束的相对相位在间歇时间Ti之间的时间间隙Tbetween处变化。在本文中示出的相位变化函数中，将子束的相对相位绘示为以周期性、规则地重复的图案变化，具有在正和负方向上施加的相等相移。应了解，这种极简图案仅为说明性的且相位变化不必规则地重复，也不必在正和负方向上对称。此外，应了解，时间间隙Tbetween优选地但未必不与间歇时间Ti重叠。另外，应了解，相位变化率和噪声采样率中的至少一个可为恒定的或可随时间变化。
噪声消除子系统240通过考虑间歇时间Ti处的噪声而优选地操作，且基于在间歇时间Ti处感测到的噪声提供噪声消除相位校正输出。噪声消除子系统240优选地采用一种算法以便感测噪声且相应地校正感测到的噪声。
根据本发明的一个示例性实施例，噪声消除子系统240采用一种算法，其中一个通道的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案272关于检测器250行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化。在多个这类周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所选子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生此最大强度的最优相位变化/>所选子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化/>处，且算法进行到优化另一子束。
曲线图280示出根据此示例性算法的总共10个子束中的三个子束或通道A、B和C中的噪声消除。为清楚起见，在图2C中单独地显示子束A、B和C。应了解，与图2A和2B相比，在图2C中修改了分别表示子束A、B和C的相位变化和噪声校正的迹线的线型，以便在下文中出于解释的目的辅助在各种子束之间进行区分。
如最初在通道A的情况下所见，且从考虑放大图290最清楚地理解，虚线表示子束A的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统230施加的。此迹线可以称为Auncorrected。点划线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束A的实际相对相位。此迹线可以被称为Acorrected。Acorrected的经修改相对相位在子束A的前五个周期内以不同关于Auncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器250处测量的强度286在子束A的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束A的前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第二相移/>产生的IAmax。因此，施加到子束A的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第二相移/>处，且算法进行到优化子束B。
应了解，在子束A的优化的连续周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束A中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
如进一步在子束B的情况下所见，且从考虑放大图292最清楚地理解，通道B的优化期间的较粗迹线表示子束B的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统230施加的。此迹线可以被称为Buncorrected。通道B的优化期间的较细迹线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束B的实际相对相位。此迹线可以被称为Bcorrected。Bcorrected的经修改相对相位在优化子束B的前五个周期内以不同关于Buncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器250处测量的强度286在子束B的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束B的这前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第四相移/>产生的IABmax。因此，施加到子束B的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第四相移/>处，且算法进行到优化子束C。
应了解，在子束B的优化的五个周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束B中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
优选地针对子束C实施类似优化过程，其中相位变化在若干个周期内施加以便优化输出光束强度且校正因子束C中的相位噪声所致的其强度降低。
检测器250可连续地操作以便连续地优化子束的相对相位且校正其中的相位噪声。然而，由于检测器250的响应时间有限，检测器250仅以相对缓慢的噪声采样率考虑间歇时间处的参考光束270中的噪声。噪声采样率是优选地但不必为预定的。噪声采样率可替代地为随机的。
应了解，曲线图280中描绘的噪声校正算法的特定参数仅为示例性的且可易于修改，如本领域技术人员将理解。举例来说，相移可在比本文中示出的周期更多或更少数目个周期内优化，每一子束可在每当子束经过检测器250时完全优化，或若干子束或所有子束可在远场强度图案经过检测器250的每一周期期间优化。此外，非连续噪声校正优化算法可替代地实施，包括但不限于随机并行梯度下降优化算法。
在激光增材制造中使用动态成形的经噪声校正的光学相控阵列输出光束是非常有利的，且实现快速光束转向、快速功率调制、快速光束聚焦和光束形状定制。与常规激光3D打印方法相比，使用动态成形的经噪声校正的光学相位阵列输出来提高可制造物品的速度和质量两个。应了解，根据本发明的优选实施例，要是没有提供噪声校正，光学相控阵列输出光束的形状和位置将劣化，由此降低激光增材制造过程的质量、速度和精度。
为了在光束的远场强度图案移动时维持输出光束强度，如在特定增材制造应用中是有利的，输出光束的运动可受控制以使得光束在较低强度位置处花费更多时间以便补偿那里减少的功率输送。另外或替代地，可将例如ND滤光器的强度剖面掩模施加到输出光束以便修改其强度。
现在参考图3A，其为根据本发明的另一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；且参考图3B和3C，其为图3A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示。
如图3A中所见，提供光学相控阵列(OPA)激光系统300，其在此借助于实例绘示为在自由空间光通信系统302内采用。自由空间光通信系统302可包括以与接收器303成间隔关系安装在室外位置(例如在建筑物上)以用于接收源自OPA激光器300的光学信号的OPA激光系统300。应了解，尽管本文在两个固定点之间的通信的上下文中示出自由空间光通信系统302，但自由空间光通信系统302可适用于在相对于彼此移动的两个方位之间通信，如本领域技术人员将了解。进一步理解，尽管本文在陆地通信的上下文中示出自由空间光通信系统302，但自由空间光通信系统302可适用于宇宙通信，如本领域技术人员将了解。
应了解，自由空间光通信系统302在图3A中仅为简单起见示出为仅包括单个OPA激光器300和接收器303，且取决于系统302的通信要求可包括更多数目个OPA激光器和接收器。进一步理解，接收器303还可为类似于OPA激光器300且具有接收功能的类型的OPA激光器。此外，OPA激光器300可包括接收功能，以便允许OPA激光器300和303的双工操作，以在其间传输和接收光学信号。
最好参看放大图310，OPA激光器300优选地包含种子激光器312和激光束分离及合成子系统314。分离及合成子系统314优选地从种子激光器312接收输出激光束且沿着对应多个通道316将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器312的输出绘示为沿着十个通道316分离成十个子束，但应了解，分离及合成子系统314可包括沿以分离种子激光器312的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道316中的每一个定位的相位调制器318个别地调制。由种子激光器312的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜319传播。随后，例如在聚焦透镜320处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束322。
分离及合成子系统314还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光312的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束322之前。在此，举例来说，分离及合成子系统314绘示为包括沿着通道316中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器324。然而，应了解，取决于OPA激光器300的功率输出要求，这种放大是任选的且可省略。
输出光束322的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束322的构成子束的相对相位控制。在多个应用中，例如如图3A中所示出的自由空间光通信中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。此可在激光系统300中实现：通过激光分离及合成子系统314动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出322的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据用于传输到接收器303的所要激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统330施加变化的相对相位。相位控制子系统330优选地形成OPA激光器300中的控制电子件模块332的一部分，且优选地控制每一相位调制器318以便沿着通道316动态地调制子束的相对相位。
归因于OPA系统300中固有的噪声，输出光束322具有噪声。在OPA系统300中存在光放大器324的情况下，输出光束322中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。本发明的优选实施例的特定特征是激光系统300包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束322中的噪声的噪声消除子系统340。
尤其优选地，噪声消除子系统340采用一种算法以在合成激光输出中感测和校正相位噪声。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统340提供到相位调制器318以便校正输出光束322中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束322的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统340可包括于控制电子件模块332中。
应了解，输出光束322可另外或替代地受除相位噪声以外的噪声类型(包括强度噪声)影响。在输出光束322具有强度噪声的情况下，噪声消除子系统340操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束322中的强度噪声。在这种情况下，OPA激光系统300可任选地另外包括沿着通道316的强度调制器342，所述强度调制器342用于沿着通道316调制子束中的每一个的强度。
应了解，输出光束322可另外或替代地受机械噪声影响，这可能会影响子束的相对位置。在输出光束322具有位置噪声的情况下，噪声消除子系统340操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束322中的位置噪声。在这种情况下，OPA激光系统300可任选地另外包括沿着通道316的位置调制器344，所述位置调制器344用于沿着通道316调制子束中的每一个的位置。
为了便于将相位变化和噪声校正施加到输出光束322，优选地提取OPA激光器300的输出的一部分并将其导向至少一个检测器，在此示出为单个检测器350。检测器350可替代地体现为多个检测器，如此后参考图6到8和15到21所详述。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。在图3A中所示出的实施例中，多个子束沿着通道316导向分束器360。分束器360优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分362和反射部分364。举例来说，分束器360可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分362优选地朝向聚焦透镜320传播，在所述聚焦透镜320处，子束被合成以形成具有远场强度图案366的输出光束322。子束的反射部分364优选地朝向额外聚焦透镜368反射，在所述额外聚焦透镜368处，子束被合成以形成具有入射到检测器350的表面上的远场强度图案372的输出参考光束370。
应了解，本文中绘示的光束分离和重组元件(包括分束器360和聚焦透镜320和368)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统300可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
如上文所描述，输出光束322的远场强度图案366和对应地参考光束370的远场强度图案372的形状和位置归因于子束的相对相位的持续变化而不断地改变。因此，远场强度图案372并不固定在检测器350上，而是取决于构成子束的合成的相对相位而关于检测器350不断地四处移动。然而，为了使检测器350提供所需的噪声消除相位校正输出，远场强度图案372必须入射到检测器350以使检测器测量远场强度图案372的强度且因此相应地施加噪声校正，从而产生固定输出光束。
在本发明中通过在彼此不同的时间和速率下提供噪声消除和相位变化而有利地解决远场强度图案372的因其相位变化所致的动态性质与远场强度图案372要求以便导出和施加其噪声校正的固定性质之间的冲突。
基于考虑到检测器350以噪声采样率测量的噪声而提供噪声消除相位校正输出。以使得远场强度图案372在输出和参考远场强度图案366和372的形状和位置以等于或高于所需噪声采样率的速率动态改变的进程期间入射到检测器350上的方式来控制输出光束322。在远场强度图案372返回到检测器350的所述间歇时间期间考虑参考光束370中的噪声。
在远场强度图案372入射到检测器350的间歇时间之间的时间间隙处，合成的输出光束322、370的相位发生变化以便视需要动态地改变其远场强度图案的形状和位置以执行物品206的增材制造。合成激光输出以超过噪声采样率的相位变化率改变，以便迅速地改变相位且因此改变远场强度图案的形状和位置。举例来说，噪声采样率可为约10到1000赫兹，而相位变化率可大于10,000赫兹。
可参考图3A中所见的曲线图380和图3B中绘示的其放大版本来最好地理解借以在本发明的实施例中优选地执行噪声消除和相位变化的不同速率和时间标度，
如图3B中最清楚地看到的那样，曲线图380包括上部部分382和下部部分384，所述上部部分382显示如检测器350处所测量的远场强度图案372的强度随时间推移的变化，所述下部部分384显示促成输出光束322和参考光束370的多个子束的相对相位在相同时段内的变化。为简单起见，曲线图380中显示了十个子束的相对相位，但应了解，OPA系统300且因此本文中所提供的解释适用于更少或更典型地远更多数目个子束。
如上部部分382中所见，强度峰386表示参考光束370在远场强度图案372经过检测器350时的测量强度。如下部部分384中所见，强度峰386在每一子束的相对相位为零的间歇时间Ti处出现，意味着子束之间不存在相移，合成输出光束的位置因此并不发生变化且远场强度图案372因此直接入射到检测器350上。应了解，检测器350可替代地定位成使得子束的相对相位为非零。此外，可采用多于一个检测器以便允许在沿其的多于一个位置处对远场强度图案372进行测量，如此后参考图6到8和15到21详述。
在强度峰386之间，测量强度接近于零，这是因为远场强度图案372移动到检测器350的任一侧且因此并不直接入射到检测器350上。如考虑上部部分382所理解，由于激光输出光束中存在噪声，所以强度峰386的量值并不是恒定的，所述噪声使远场强度图案372劣化。
如下部部分384中所见，子束的相对相位在间歇时间Ti之间的时间间隙Tbetween处变化。在本文中示出的相位变化函数中，将子束的相对相位绘示为以周期性、规则地重复的图案变化，具有在正和负方向上施加的相等相移。应了解，这种极简图案仅为说明性的且相位变化不必规则地重复，也不必在正和负方向上对称。此外，应了解，时间间隙Tbetween优选地但未必不与间歇时间Ti重叠。另外，应了解，相位变化率和噪声采样率中的至少一个可为恒定的或可随时间变化。
噪声消除子系统340通过考虑间歇时间Ti处的噪声而优选地操作，且基于在间歇时间Ti处感测到的噪声提供噪声消除相位校正输出。噪声消除子系统340优选地采用一种算法以便感测噪声且相应地校正感测到的噪声。
根据本发明的一个示例性实施例，噪声消除子系统340采用一种算法，其中一个通道的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案372关于检测器350行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化。在多个这类周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所选子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生此最大强度的最优相位变化/>所选子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化/>处，且算法进行到优化另一子束。
曲线图380示出根据此示例性算法的总共10个子束中的三个子束或通道A、B和C中的噪声消除。为清楚起见，在图3C中单独的显示子束A、B和C。应了解，与图3A和3B相比，在图3C中修改了分别表示子束A、B和C的相位变化和噪声校正的迹线的线型，以便在下文中出于解释的目的辅助在各种子束之间进行区分。
如最初在通道A的情况下所见，且从考虑放大图390最清楚地理解，虚线表示子束A的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统330施加的。此迹线可以称为Auncorrected。点划线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束A的实际相对相位。此迹线可以被称为Acorrected。Acorrected的经修改相对相位在子束A的前五个周期内以不同关于Auncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器350处测量的强度386在子束A的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束A的前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第二相移/>产生的IAmax。因此，施加到子束A的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第二相移/>处，且算法进行到优化子束B。
应了解，在子束A的优化的连续周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束A中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
如进一步在子束B的情况下所见，且从考虑放大图392最清楚地理解，通道B的优化期间的较粗迹线表示子束B的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统330施加的。此迹线可以被称为Buncorrected。通道B的优化期间的较细迹线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束B的实际相对相位。此迹线可以被称为Bcorrected。Bcorrected的经修改相对相位在优化子束B的前五个周期内以不同关于Buncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器350处测量的强度386在子束B的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束B的这前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第四相移/>产生的IABmax。因此，施加到子束B的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第四相移/>处，且算法进行到优化子束C。
应了解，在子束B的优化的五个周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束B中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
优选地针对子束C实施类似优化过程，其中相位变化在若干个周期内施加以便优化输出光束强度且校正因子束C中的相位噪声所致的其强度降低。
检测器350可连续地操作以便连续地优化子束的相对相位且校正其中的相位噪声。然而，由于检测器350的响应时间有限，检测器350仅以相对缓慢的噪声采样率考虑间歇时间处的参考光束370中的噪声。噪声采样率是优选地但不必为预定的。噪声采样率可替代地为随机的。
应了解，曲线图380中描绘的噪声校正算法的特定参数仅为示例性的且可易于修改，如本领域技术人员将理解。举例来说，相移可在比本文中示出的周期更多或更少数目个周期内优化，每一子束可在每当子束经过检测器350时完全优化，或若干子束或所有子束可在远场强度图案经过检测器350的每一周期期间优化。此外，非连续噪声校正优化算法可替代地实施，包括但不限于随机并行梯度下降优化算法。
在自由空间光通信中使用动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束是非常有利的，且实现快速光束转向、快速功率调制、快速光束聚焦和光束形状定制。与常规自由空间光通信方法相比，使用动态成形的经噪声校正光学相位阵列输出来提高通信的速度和质量两个。应了解，根据本发明的优选实施例，要是没有提供噪声校正，光学相控阵列输出光束的形状和位置将劣化，由此降低透射的激光输出的质量、速度和精度。
为了在光束的远场强度图案移动时维持输出光束强度，如在特定光通信应用中是有利的，输出光束的运动可受控制以使得光束在较低强度位置处花费更多时间以便补偿那里减少的功率输送。另外或替代地，可将例如ND滤光器的强度剖面掩模施加到输出光束以便修改其强度。
现在参考图4A，其为根据本发明的又一优选实施例构造和操作的用于经噪声校正动态波束成形的光学相控阵列激光系统的简化示意图；且参考图4B和4C，其为图4A中所示类型的系统中的相位变化和噪声校正的简化图形表示。
如图4A中所见，提供光学相控阵列(OPA)激光系统400，其借助于实例在此绘示为在激光焊接系统402内采用。激光焊接系统402可包括安装于激光焊接机器人404的一部分之上或之内的OPA激光系统400。例如物品406的物品可通过激光焊接机器人404焊接，如此后详述。应了解，尽管本文在焊接机器人404的上下文中示出激光焊接系统402，但系统402可适用于任何焊接设置，如本领域技术人员将了解。
最好参看放大图410，OPA激光器400优选地包含种子激光器412和激光束分离及合成子系统414。分离及合成子系统414优选地从种子激光器412接收输出激光束且沿着对应多个通道416将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，将来自种子激光器412的输出绘示为沿着十个通道416分离成十个子束，但应了解，分离及合成子系统414可包括沿以分离种子激光器412的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道416中的每一个定位的相位调制器418个别地调制。由种子激光器412的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜419传播。随后，例如在聚焦透镜420处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束422。
分离及合成子系统414还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光412的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束422之前。在此，举例来说，分离及合成子系统414绘示为包括沿着通道416中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器424。然而，应了解，取决于OPA激光器400的功率输出要求，这种放大是任选的且可省略。
输出光束422的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束422的构成子束的相对相位控制。在多个应用中，例如如图4A中所示出的激光焊接中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。此可在激光系统400中实现：通过激光分离及合成子系统414动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出422的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据焊接物品406所要的激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统430施加变化的相对相位。相位控制子系统430优选地形成OPA激光器400中的控制电子件模块432的一部分，且优选地控制每一相位调制器418以便沿着通道416动态地调制子束的相对相位。
归因于OPA系统400中固有的噪声，输出光束422具有噪声。在OPA系统400中存在光放大器424的情况下，输出光束422中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。本发明的优选实施例的特定特征是激光系统400包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束422中的噪声的噪声消除子系统440。
尤其优选地，噪声消除子系统440采用一种算法以在合成激光输出中感测和校正相位噪声。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统440提供到相位调制器418以便校正输出光束422中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束422的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统440可包括于控制电子件模块432中。
应了解，输出光束422可另外或替代地受除相位噪声以外的噪声类型(包括强度噪声)影响。在输出光束422具有强度噪声的情况下，噪声消除子系统440操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束422中的强度噪声。在这种情况下，OPA激光系统400可任选地另外包括沿着通道416的强度调制器442，所述强度调制器442用于沿着通道416调制子束中的每一个的强度。
应了解，输出光束422可另外或替代地受机械噪声影响，这可能会影响子束的相对位置。在输出光束422具有位置噪声的情况下，噪声消除子系统440操作以提供噪声消除相位校正输出，以便消除输出光束422中的位置噪声。在这种情况下，OPA激光系统400可任选地另外包括沿着通道416的位置调制器444，所述位置调制器444用于沿着通道416调制子束中的每一个的位置。
为了便于将相位变化和噪声校正施加到输出光束422，优选地提取OPA激光器400的输出的一部分并将其导向至少一个检测器，在此示出为单个检测器450。检测器450可替代地体现为多个检测器，如此后参考图6到8和15到21所详述。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。在图4A中所示出的实施例中，多个子束沿着通道416导向分束器460。分束器460优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分462和反射部分464。举例来说，分束器460可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分462优选地朝向聚焦透镜420传播，在所述聚焦透镜420处，子束被合成以形成具有入射到物品406上的远场强度图案466的输出光束422。子束的反射部分464优选地朝向额外聚焦透镜468反射，在所述额外聚焦透镜468处，子束被合成以形成具有入射到检测器450的表面上的远场强度图案472的输出参考光束470。
应了解，本文中绘示的光束分离和重组元件(包括分束器460和聚焦透镜420和468)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统400可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
如上文所描述，输出光束422的远场强度图案466和对应地参考光束470的远场强度图案472的形状和位置归因于子束的相对相位的持续变化而不断地改变。因此，远场强度图案472并不固定在检测器450上，而是取决于构成子束的合成的相对相位而关于检测器450不断地四处移动。然而，为了使检测器450提供所需的噪声消除相位校正输出，远场强度图案472必须入射到检测器450以使检测器测量远场强度图案472的强度且因此相应地施加噪声校正，从而产生固定输出光束。
在本发明中通过在彼此不同的时间和速率下提供噪声消除和相位变化而有利地解决远场强度图案472的因其相位变化所致的动态性质与远场强度图案472要求以便导出和施加其噪声校正的固定性质之间的冲突。
基于考虑到检测器450以噪声采样率测量的噪声而提供噪声消除相位校正输出。以使得远场强度图案472在输出和参考远场强度图案466和472的形状和位置以等于或高于所需噪声采样率的速率动态改变的进程期间入射到检测器450上的方式来控制输出光束422。在远场强度图案472返回到检测器450的所述间歇时间期间考虑参考光束470中的噪声。
在远场强度图案472入射到检测器450的间歇时间之间的时间间隙处，合成的输出光束422、470的相位发生变化以便视需要动态地改变其远场强度图案的形状和位置以执行物品406的激光焊接。合成激光输出以超过噪声采样率的相位变化率改变，以便迅速地改变相位且因此改变远场强度图案的形状和位置。举例来说，噪声采样率可为约10到1000赫兹，而相位变化率可大于10,000赫兹。
可参考图4A中所见的曲线图480和图4B中绘示的其放大版本来最好地理解借以在本发明的实施例中优选地执行噪声消除和相位变化的不同速率和时间标度，
如图4B中最清楚地看到的那样，曲线图480包括上部部分482和下部部分484，所述上部部分482显示如检测器450处所测量的远场强度图案472的强度随时间推移的变化，所述下部部分484显示促成输出光束422和参考光束470的多个子束的相对相位在相同时段内的变化。为简单起见，曲线图480中显示了十个子束的相对相位，但应了解，OPA系统400且因此本文中所提供的解释适用于更少或更典型地远更多数目个子束。
如上部部分482中所见，强度峰486表示参考光束470在远场强度图案472经过检测器450时的测量强度。如下部部分484中所见，强度峰486在每一子束的相对相位为零的间歇时间Ti处出现，意味着子束之间不存在相移，合成输出光束的位置因此并不发生变化且远场强度图案472因此直接入射到检测器450上。应了解，检测器450可替代地定位成使得子束的相对相位为非零。此外，可采用多于一个检测器以便允许在沿其的多于一个位置处对远场强度图案472进行测量，如此后参考图6到8和15到21详述。
在强度峰486之间，测量强度接近于零，这是因为远场强度图案472移动到检测器450的任一侧且因此并不直接入射到检测器450上。如考虑上部部分482所理解，由于激光输出光束中存在噪声，所以强度峰486的量值并不是恒定的，所述噪声使远场强度图案472劣化。
如下部部分484中所见，子束的相对相位在间歇时间Ti之间的时间间隙Tbetween处变化。在本文中示出的相位变化函数中，将子束的相对相位绘示为以周期性、规则地重复的图案变化，具有在正和负方向上施加的相等相移。应了解，这种极简图案仅为说明性的且相位变化不必规则地重复，也不必在正和负方向上对称。此外，应了解，时间间隙Tbetween优选地但未必不与间歇时间Ti重叠。另外，应了解，相位变化率和噪声采样率中的至少一个可为恒定的或可随时间变化。
噪声消除子系统440通过考虑间歇时间Ti处的噪声而优选地操作，且基于在间歇时间Ti处感测到的噪声提供噪声消除相位校正输出。噪声消除子系统440优选地采用一种算法以便感测噪声且相应地校正感测到的噪声。
根据本发明的一个示例性实施例，噪声消除子系统440采用一种算法，其中一个通道的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案472关于检测器150行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化。在多个这类周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所选子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生此最大强度的最优相位变化/>所选子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化/>处，且算法进行到优化另一子束。
曲线图480示出根据此示例性算法的总共10个子束中的三个子束或通道A、B和C中的噪声消除。为清楚起见，在图4C中单独的显示子束A、B和C。应了解，与图4A及4B相比，在图4C中修改了分别表示子束A、B和C的相位变化和噪声校正的迹线的线型，以便在下文中出于解释的目的辅助在各种子束之间进行区分。
如最初在通道A的情况下所见，且从考虑放大图490最清楚地理解，虚线表示子束A的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统430施加的。此迹线可以称为Auncorrected。点划线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束A的实际相对相位。此迹线可以被称为Acorrected。Acorrected的经修改相对相位在子束A的前五个周期内以不同关于Auncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器450处测量的强度486在子束A的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束A的前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第二相移/>产生的IAmax。因此，施加到子束A的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第二相移/>处，且算法进行到优化子束B。
应了解，在子束A的优化的连续周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束A中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
如进一步在子束B的情况下所见，且从考虑放大图492最清楚地理解，通道B的优化期间的较粗迹线表示子束B的相对相位的变化模式，如在不存在任何噪声校正的情况下将由相位控制子系统430施加的。此迹线可以被称为Buncorrected。通道B的优化期间的较细迹线表示如经噪声校正算法修改以便找出最优相位噪声校正的子束B的实际相对相位。此迹线可以被称为Bcorrected。Bcorrected的经修改相对相位在优化子束B的前五个周期内以不同关于Buncorrected的未经修改相对相位移位。在检测器450处测量的强度486在子束B的优化的前五个周期内归因于相对相移的谨慎改变而变化。
在子束B的这前五个周期之后，算法确定最大强度且找出产生最大强度的相位变化在这种情况下，最大强度被看作由第四相移/>产生的IABmax。因此，施加到子束B的相对相位变化的相位变化在后续周期中固定在第四相移/>处，且算法进行到优化子束C。
应了解，在子束B的优化的五个周期期间，子束的其余部分的相对相位照常变化，各自处于远超过考虑子束B中的噪声的噪声采样率的相位变化率。
优选地针对子束C实施类似优化过程，其中相位变化在若干个周期内施加以便优化输出光束强度且校正因子束C中的相位噪声所致的其强度降低。
检测器450可连续地操作以便连续地优化子束的相对相位且校正其中的相位噪声。然而，由于检测器450的响应时间有限，检测器450仅以相对缓慢的噪声采样率考虑间歇时间处的参考光束470中的噪声。噪声采样率是优选地但不必为预定的。噪声采样率可替代地为随机的。
应了解，曲线图480中描绘的噪声校正算法的特定参数仅为示例性的且可易于修改，如本领域技术人员将理解。举例来说，相移可在比本文中示出的周期更多或更少数目个周期内优化，每一子束可在每当子束经过检测器450时完全优化，或若干子束或所有子束可在远场强度图案经过检测器450的每一周期期间优化。此外，非连续噪声校正优化算法可替代地实施，包括但不限于随机并行梯度下降优化算法。
在激光焊接中使用动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束是非常有利的，且实现快速光束转向、快速功率调制、快速光束聚焦和光束形状定制。与常规激光切割方法相比，使用动态成形的经噪声校正的光学相位阵列输出来提高可切割材料的速度和质量两个。应了解，根据本发明的优选实施例，要是没有提供噪声校正，光学相控阵列输出光束的形状和位置将劣化，由此降低激光切割过程的质量、速度和精度。
为了在光束的远场强度图案移动时维持输出光束强度，如在特定激光切割应用中是有利的，输出光束的运动可受控制以使得光束在较低强度位置处花费更多时间以便补偿那里减少的功率输送。另外或替代地，可将例如ND滤光器的强度剖面掩模施加到输出光束以便修改其强度。
现在参考图5A到5G，其为图1A到4C中所示类型的光学相控阵列激光系统的输出的可能的远场运动的简化图示。
如上文详述，在各种激光应用(包括但不限于激光切割、激光增材制造、激光焊接和激光自由空间光通信)中使用动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束是非常有利的，且实现快速光束转向、快速功率调制、快速光束聚焦和光束形状定制。图5A及5B中绘示示出了根据本发明的实施例的快速光束转向的示例性远场图案。这些光束转向图案可结合光束的机械空间调制(例如机械光束转向)提供且以便补充机械空间调制。机械光束转向可归因于通过图1A中绘示的定位台104提供的运动；归因于镜扫描，例如在图2A中所示类型的增材制造系统中；归因于图3A中绘示的激光系统300与接收器303之间的机械运动；归因于通过图4A中绘示的机器人404提供的运动；或归因于任何其它机械运动源。
机械运动可为所需或非所需运动。优选地，通过本发明的实施例提供的远场快速光束转向补充机械运动以便实现所需的合成光束运动。所需的合成运动可比将单独作为机械光束调制的结果产生的运动更快及/或更精确。
如图5A中所见，动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束可呈现快速多点跳跃，如第一光束路径502所示，归因于由第二光束路径504表示的机械扫描，所述快速多点跳跃补充的光束运动。
举例来说，这类多点跳跃在材料加工中可为有利的，其中要花时间在要加工的材料的每个点处吸收能量。多点跳跃允许光束在点之间跳跃，多次返回到每个点，因此便于并行处理多个点。进一步举例来说，通过允许并行传输到多个位置，这类多点跳跃在通信系统中可能是有利的。
如图5B中所见，动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束的使用还便于快速扫描，如第三光束路径506所示，归因于由第四光束路径508表示的机械扫描，所述快速扫描补充光束运动。这种快速扫描有助于连续、平滑的机械光束运动，根据本发明的实施例，可通过远场动态成形来提供其精细特征。此外，可结合机械光束运动提供动态经噪声校正的远场调制，以便校正机械调制的光束图案中可能存在的不准确性。
图5C中绘示示出了根据本发明的优选实施例的电光光束摆动的示例性远场波束图案。如图5C中所见，对动态成形的经噪声校正光学相控阵列输出光束进行控制以便沿光束运动方向512呈现快速光束摆动510，例如在例如图4A中所示的激光焊接系统中尤其有用。
图5D到5F中绘示示出了根据本发明的优选实施例的聚焦深度的动态修改的示例性远场光束图案。如图5D到5F中所见，光束聚焦的深度可通过本发明的系统动态地变化，从而允许可变光束焦距用于扫描(图5E)且用于深切割(图5D和5F)，例如在图1A、2A和4A中所示类型的切割、增材制造和焊接系统中尤其有用。
图5G中绘示示出了根据本发明的优选实施例的动态波束成形的示例性远场光束图案。如图5G中所见，光束的形状可动态地变化以产生所需光束形状输出。这例如在图1A、2A和4A中所示类型的切割、增材制造和焊接系统中以及其它上下文中可能尤其有用。如本领域中众所周知的，激光切割、焊接和3D打印的质量和速度通常受光束大小和形状影响。本发明允许在任一点处使光束动态适应最优形状。
应了解，图5A到5G中所示的各种远场光束运动图案全部由本发明的系统使用数字电子控件而不需要任何移动部件优选地产生。
现在参考图6，其为根据本发明的优选实施例构造和操作的包括多个检测器和对应多个紧密间隔的光学路径的光学相控阵列激光系统的简化示意图。
如图6中所见，提供了一种光学相控阵列(OPA)激光器600。OPA激光器600通常可为图1A到4C中的任一个中所示的类型，且优选地包括种子激光器612和激光束分离及合成子系统614。分离及合成子系统614优选地从种子激光器612接收输出激光束且沿着对应多个通道616将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器612的输出绘示为沿着十个通道616分离成四个子束，但应了解，分离及合成子系统614可包括沿以分离种子激光器612的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道616中的每一个定位的相位调制器618个别地调制。由种子激光器612的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜619传播。随后，例如在聚焦透镜620处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束622。
分离及合成子系统614还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光612的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束622之前。在此，举例来说，分离及合成子系统614绘示为包括沿着通道616中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器624。然而，应了解，取决于OPA激光器600的功率输出规格，这种放大是任选的且可省略。
输出光束622的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束622的构成子束的相对相位控制。如上文参考图1A到5G所描述，在多个应用(例如激光切割、激光焊接、激光增材制造和光学自由空间通信)中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。此可在激光系统600中实现：通过激光分离及合成子系统614动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出622的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据所要激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统630施加变化的相对相位。相位控制子系统630优选地形成OPA激光器600中的控制电子件模块632的一部分且优选地控制每一相位调制器618以便沿着通道616动态地调制子束的相对相位，如上文分别参考图1A、2A、3A和4A的相位控制子系统130、230、330、430所描述。
归因于OPA系统600中固有的噪声，输出光束622具有噪声。在OPA系统600中存在光放大器624的情况下，输出光束622中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。OPA系统600优选地包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束622中的噪声的噪声消除子系统640。
尤其优选地，噪声消除子系统640采用一种算法以感测和校正合成激光输出中的相位噪声，所述合成激光输出优选地但不必属于上文参考图1A到4C所描述的类型。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统640提供到相位调制器618以便校正输出光束622中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束622的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统640可包括于控制电子件模块632中。
为了便于将相位变化和噪声校正施加到输出光束622，优选地提取OPA激光器600的输出的一部分并将其导向多个检测器650。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。
根据本发明的优选实施例，多个子束沿着通道616导向分束器660。分束器660优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分662和反射部分664。举例来说，分束器660可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分662优选地朝向聚焦透镜620传播，在所述聚焦透镜620处，子束被合成以形成具有远场强度图案666的输出光束622。子束的反射部分664优选地朝向额外聚焦透镜668反射，在所述额外聚焦透镜668处，子束被合成以形成具有入射到多个检测器650中的一或多个的表面上的远场强度图案672的输出参考光束670。
如上文参考图1A到4C所描述，优选地基于考虑到检测器650以噪声采样率测量的噪声来提供噪声消除相位校正输出。以使得远场强度图案672在输出和参考远场强度图案666、672的形状和位置以等于或高于所需噪声采样率的速率动态改变的进程期间入射到检测器650上的方式来控制输出光束622。在远场强度图案672返回到检测器650的所述间歇时间期间考虑参考光束670中的噪声。
在远场强度图案672入射到检测器650的间歇时间之间的时间间隙处，合成的输出光束622、670的相位发生以便动态地改变其远场强度图案的形状和位置。合成激光输出以超过噪声采样率的相位变化率改变，以便迅速地改变相位且因此改变远场强度图案的形状和位置。因此，优选地以彼此不同的时间和速率提供噪声消除和相位变化。
已经发现，在本发明的某些实施例中使用多个检测器650而非单个检测器是非常有利的，从而产生此后详述的各种优点。然而，在额外聚焦透镜668的焦距相对短的情况下，如以紧凑方式形成系统600所希望的，多个检测器650中的一些将优选地需要定位成极接近于彼此。所需检测器间间距可为若干微米。检测器650的此高空间密度布置通常是不切实际的，尤其在常规检测器的尺寸远大于优选检测器间间距的情况下。
为了允许通过多个检测器650对远场强度图案672进行高空间密度采样，OPA系统600优选地包括多个光学路径，在此借助于实例体现为对应地耦合到多个检测器650的多个光纤680。参考光束670优选地进入光纤680的多个开放端部682中的一或多个且沿光纤680传播到检测器650中的对应检测器。多个光纤680的多个端部682优选地布置以便具有比多个检测器650的空间密度大的空间密度，意味着光纤680中的相邻光纤的开放端682之间的间距小于检测器650中的对应相邻检测器之间的间距。这允许检测器650以紧密间隔侦测远场强度图案672，而不需要检测器650自身物理上位于对远场强度图案672进行采样的小间距位置处。
举例来说，光纤680的端部682可间隔若干微米距离，而耦合到光纤680中的对应光纤的检测器650可间隔若干毫米距离。应了解，这种布置允许在系统600中使用常规检测器，并且避免对昂贵和复杂小型化检测系统的需要。
已经发现，在本发明的优选实施例中，包括如通过光纤680的端部682的实际物理紧密间距促进的有效地紧密间隔的多个检测器650是非常有利的。具体地说，如图1A、2A、3A和4A中所示，使用多个检测器650而不是仅使用单个检测器150允许远场强度图案672在多个位置而不是仅在单个位置处被采样。这有助于在输出光束622的动态变化期间更高效及/或更多频繁地进行噪声校正。
应了解，多个紧密间隔的光学路径不限于体现为具有极紧密地间隔的端部682的多个光纤680，其中光纤间端部间距小于检测器650的检测器间间距。实情为，本发明的范围延伸到包括任何合适的多个光学路径，所述光学路径可将远场强度参考图案672递送到多个检测器650，且可以足够大的空间密度布置。
举例来说，多个紧密间隔的光学路径可体现为如图7中所示出的多个透镜780。多个透镜780可以非常紧密地间隔开，以便将远场强度参考图案672的部分朝向多个不那么紧密间隔的检测器650聚焦。进一步举例来说，多个紧密间隔的光学路径可体现为与如图8中所示出的对应多个透镜882协同操作的多个反射镜880。多个反射镜880可以非常紧密地间隔开，以便将远场强度参考图案672的部分朝向多个不那么紧密间隔的检测器650反射。
应了解，可将包括多个检测器的图6到8中的任一个中所示类型的OPA激光系统并入于图1A、2A、3A和4A中的任一个中所示类型的OPA激光系统中，以便向其相位变化输出提供更高效及/或更频繁的噪声校正。
现在参考图9，其为根据本发明的优选实施例构造和操作的包括根据示例性激光束轨迹配置的检测器掩模的光学相控阵列激光系统的简化示意图。
如图9中所见，提供了一种光学相控阵列(OPA)激光器900。除了其中采用检测器布置之外，OPA激光器900在其相关方面通常可类似于图6的OPA激光器600。尽管OPA激光器600优选地采用借助于对应多个紧密间隔的光学路径来接收输出光束的多个检测器，但OPA激光器900不必采用多于一个检测器。
图9中所示的本发明的优选实施例的特定特征在于OPA激光器900优选地包括具有至少一个透射区982的光学掩模980，所述透射区982用于将从其穿过的输出参考光束670提供到至少一个检测器650，在此示出为包含单个检测器650。光学掩模980优选地为仅在透射区982中透射光束670的光学不透明元件。在此，举例来说，透射区982被绘示为形成为星形透射路径，其根据输出和参考远场强度图案666、672的星形轨迹而构造。
输出参考光束670优选地透射经过透射区982且借助于聚焦子系统聚焦在检测器650(在此借助于实例体现为聚焦透镜990)上。优选地基于考虑到聚焦和入射到检测器650的远场强度图案672的强度通过噪声消除子系统630提供噪声消除相位校正输出。
更具体地说，输出和参考光束622、670的相位优选地通过相位控制子系统630动态地改变以使输出和参考光束622和670穿过预定轨迹，例如对应于星形透射区982的形状的星形轨迹。在OPA激光器900中不存在噪声的情况下，输出和参考光束622和670所穿过的轨迹将至少几乎完全对应于透射区982的形状，使得如由检测器650检测到的远场强度图案672的强度将为最大、非劣化强度。然而，归因于输出和参考光束622和670中存在噪声，远场强度图案672的轨迹和形状可略微偏离透射区982的形状，使得参考光束670的一部分入射到掩模980的不透明区而不是透射区982上，且因此并不经过透射区982透射到检测器650。在这种情况下，如由检测器650检测到的远场强度图案672的强度低于将在不存在噪声的情况下检测到的最大强度。
因此，如由检测器650测量的远场强度图案672的强度的降低优选地指示输出和参考光束622、670的轨迹的噪声-所得物失真，且由此可用于导出将由噪声消除子系统640施加的所要噪声消除相位校正输出。
应了解，定位在掩模980后方的检测器650的上述布置仅允许采用单个检测器650以便沿着其轨迹感测参考光束670的输出强度，噪声消除相位校正输出可基于所述输出强度而施加。这与不包括掩模980的替代性检测器布置形成对比，例如上文参考图6到8描述的检测器布置，其中可采用多个检测器以便在输出光束622的动态变化期间提供足够有效及/或频繁的噪声校正。
除了如由检测器650测量的归因于噪声所致的光束轨迹的失真的参考光束670的强度变化之外，归因于远场强度图案672中的固有强度变化，参考光束670的强度通常可沿其轨迹发生变化。由于参考光束670的强度变化可归因于噪声或与噪声无关的固有强度变化，这可能会使由检测器650提供的噪声校正反馈复杂化。
为了提高由检测器650提供的噪声校正反馈的可靠性，掩模980的透射区982可设置有透明度变化的区，设置其透明度级别以便沿着其轨迹补偿参考光束670中的固有强度变化。
图10中绘示具有不均匀透明度的掩模980的透射区982的高度简化表示。如图10中所见，透射区982的限定在其第一点P1与第二点P2之间的第一部分可具有第一透明度T1；透射区982的限定在第二点P2与第三点P3之间的第二部分可具有与第一透明度T1不同的第二透明度T2；透射区982的限定在第三点P3与第四点P4之间的第三部分可具有第一透明度T1；透射区982的限定在第四点P4与第五点P5之间的第四部分可具有与第一及第二透明度T1和T2不同的第三透明度T3；且透射区982的限定在第五点P5与第一点P1之间的第五点可具有第二透明度T2。
应了解，根据远场强度图案672的强度补偿要求，透射区982的各个部分可具有离散地不同透明度值，或透射区982的透明度可在其各个部分上以渐变方式逐渐变化。
优选地，尽管不是必须地，但掩模980是电子调制的装置，例如LCD屏幕或类似装置。透射区982的性质因此可根据参考光束670的输出特性容易地被电子地修改。
应了解，图9和10中所示出的透射区982的特定形状仅为示例性的，且可根据输出和参考远场强度图案666和672的任何轨迹来配置透射区982。另外，应了解，透射区982可包括多于一个透射区。在这种情况下，单个检测器650可用于从所有透射区接收光，或对应数目个检测器可关于每一透射区定位。
此外，应了解，透射区982可另外或替代地根据输出和参考远场强度图案666和672的形状而不是其轨迹来配置，如参考图11和12详述。
现在参考图11，其为根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括根据示例性激光束形状配置的检测器掩模的光学相控阵列激光系统的简化示意图。
如图11中所见，代替图9和10的光学掩模980，在其相关方面通常类似于系统900的系统1100可包括具有至少一个透射区1182的光学掩模1180。除了透射区1182根据参考光束670的形状而不是其轨迹而构造之外，光学掩模1180可在其所有相关方面类似于光学掩模980。在此，举例来说，透射区1182被绘示为蝴蝶结形透射区，其根据蝴蝶结形的输出和参考远场强度图案666和672而构造。
透射区1182可具有不均匀透明度，其高度简化表示示出于图12中。如图12中所见，透射区1182的第一部分可具有第一透明度T1，且透射区1182的第二部分可具有与第一透明度T1不同的第二透明度T2。如上文参考图10详述，可采用透射区1182的各个级别的透明度以便补偿输出光束670中的固有强度变化，且因此改进基于检测器650处检测到的强度提供的噪声校正输出。
应了解，掩模980和1180的透射区982和1182分别可另外或替代地体现为反射区，其将由其得到的输出参考光束670朝向检测器650反射。在这种布置中，将需要对聚焦子系统(在此借助于实例体现为聚焦透镜990)进行适当修改及/或添加，以便将输出参考光束670从反射区982、1182引导到检测器650的表面上。掩模980和1180的反射区可具有均匀反射率。替代地，掩模980和1180的反射区可具有不均匀反射率，以便补偿输出参考光束670中的固有强度变化，如上文所描述。
在掩模980和1180包括反射区的情况下，掩模980和1180可体现为电调制装置，例如数字微镜装置(digital micromirror device，DMD)或其它类似装置。
应了解，可将图9到12中的任一个中所示类型的OPA激光系统(包括经由透射或反射光学掩模接收输出参考光束的至少一个检测器)并入于图1A、2A、3A和4A中的任一个中所示类型的OPA激光系统中，以便向其相位变化输出提供更高效的噪声校正。
现在参考图13，其为根据本发明的优选实施例构造和操作的包括电压-相位相关功能的光学相控阵列激光系统的简化示意图。
如图13中所见，提供了一种OPA激光系统1300。OPA激光器1300可属于通常类似于上文参考图1A到4C所描述的OPA激光器100、200、300、400的类型。OPA激光器1300优选地包含种子激光器1312和激光束分离及合成子系统1314。分离及合成子系统1314优选地从种子激光器1312接收输出激光束且沿着对应多个通道1316将输出激光束分离成多个子束。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道1316中的每一个定位的相位调制器1318个别地调制。由种子激光器1312的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜1319传播。随后，例如在透镜1320的聚焦平面处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束1322。
分离及合成子系统1314还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器1312的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束1322之前。在此，举例来说，分离及合成子系统1314绘示为包括沿着通道1316中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器1324。然而，应了解，取决于OPA激光器1300的功率输出规格，这种放大是任选的且可省略。
输出光束1322的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束1322的构成子束的相对相位控制。在多个应用(例如上文描述的激光切割、激光焊接、光学自由空间通信和激光增材制造)中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。如上文参考图1A到4C所描述，可通过沿着通道1316动态地改变个别子束的相对相位且由此改变合成激光输出1322的相位来实现输出光束的参数的动态变化，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据所要激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位调制控制模块1330施加变化的相对相位。相位调制控制模块1330优选地将电压提供到相位调制器1318以便相位调制器1318沿着通道1316产生子束的所需相位调制。应了解，结合相位调制器1318的相位调制控制模块1330形成相位调制子系统1332的特别优选的实施例，所述相位调制子系统1332优选地操作以改变合成激光输出1322的相位。
为了便于将相位变化施加到输出光束1322，优选地提取OPA激光器1300的输出的一部分并将其导向至少一个检测器1350。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的相位变化。在图13中所示出的实施例中，多个子束沿着通道1316导向分束器1360。分束器1360优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分1362和反射部分1364。举例来说，分束器1360可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分1362优选地朝向聚焦透镜1320传播，在所述聚焦透镜1320处，子束被合成以形成具有远场强度图案1366的输出光束1322。子束的反射部分1364优选地朝向额外聚焦透镜1368传播，在所述额外聚焦透镜1368处，子束被合成以形成具有入射到检测器1350的表面上的远场强度图案1372的额外参考光束1370。
检测器1350优选地对入射在其上的远场强度图案1372进行采样。应了解，尽管检测器1350在图13中示出为体现为在其上直接接收远场强度图案1372的单个检测器，但根据图6到8中的任一个中所示出的多个检测器布置中的任一个可替代地采用多个检测器。替代地，根据图9到12中的任一个中所示出的配置中的任一个，可结合光学掩模采用例如检测器1350的单个检测器。
与相位调制子系统1332协作，检测器1350接着优选地优化子束的相对相位以便获得所需的远场强度图案1372和对应的远场强度图案1366。适用于相位优化的各种算法包括顺序或非顺序优化算法，包括上文参考图1A到4C描述的相位优化方案。
在相位调制子系统1332的操作中，相位调制控制模块1330优选地将电压施加到相位调制器1318中的每一个，且相位调制器1318因此产生对应于所施加电压的相位调制输出。应了解，为使相位调制器1318产生所需相移以便根据预定图案动态地塑形远场强度图案1366，相位调制控制模块1330必须准确地向每一相位调制器1318施加对应于需要由每一相位调制器1318产生的特定相位调制输出的电压。
为了确保通过相位调制控制模块1330施加到相位调制器1318的电压通过相位调制器1318产生所需和预期的相位调制输出，OPA激光器1300优选地包括电压-相位相关子系统1380。电压-相位相关子系统1380优选地操作以使施加到相位调制子系统1332的电压与由相位调制子系统1332(且更确切地说由其相位调制器1318)产生的相位调制输出相关。
此外，电压-相位相关子系统1380优选地操作以提供适用于校准相位调制子系统1332的电压-相位相关输出。优选地，电压-相位相关子系统在合成激光输出1322的相位的变化的进程期间周期性地执行电压与相位调制输出之间的相关。
应了解，包括相关和校准子系统(例如OPA激光器1300中的电压-相位相关子系统1380)是高度有利的，这是因为其确保施加到相位调制器1318的电压实际上为产生输出光束1322的所需相移且因此产生远场强度图案1366的形状所需要的那些电压。鉴于适用于本发明的优选实施例的相位调制器通常是高度敏感的装置是尤其重要的，其中的不同装置呈现不同电压-相位关系。此外，个别相位调制器的电压-相位关系不是恒定的，而是可随时间且响应于操作条件而变化。
应了解，在激光器1300的输出具有噪声的情况下，优选地但不是必须地，分别由相位调制控制模块1330和电压-相位相关控制模块1380提供的相位调制和校准与噪声校正对OPA激光器1300的输出的施加配合执行。在这种情况下，相位调制控制模块1330和电压相位相关控制模块1380可被视为组合地形成相位控制子系统(例如相位控制子系统130(图1A)、230(图2A)、330(图3A)和430(图4A))的特别优选的实施例。
图14中的流程图1400中示出适用于本发明的示例性电压-相位相关和校准方案。然而，应了解，流程图1400的具体步骤仅为示例性的，且电压-相位相关子系统1380可实施为OPA激光器1300内的能够在输出光束1322的相位变化期间周期性地校准相位调制子系统1332的任何合适的子系统。此外，应了解，流程图1400中所示出的各种步骤不必按所绘示和描述的次序执行，且所述步骤中的多个步骤可省略，或可由额外或替代性步骤补充，如本领域技术人员将显而易见。
如在第一步骤1402处所见，相位调制控制模块1330优选地将电压施加到相位调制器1318以便沿着通道1316产生子束的所需相移。接着在检测器1350处测量参考输出光束1372的远场强度图案，如在第二步骤1404处所见。接着确定子束的所要相移，并且再次将电压施加到相位调制器1318。在第一步骤1402处的电压的施加和在第二步骤1404处的参考输出光束1372的测量可以给定重复率周期性地重复多次。仅举例来说，第一及第二步骤可以每秒一百万次的速率重复20次。
在第一步骤1402及第二步骤1404重复预定次数(例如20次)之后，电压-相位相关子系统1380可被激活。如第三步骤1406所见，优选地将旨在产生2π相移的电压施加到一个相位调制器1318。如在第四步骤1408处所见，接着优选地在检测器1350处测量远场强度图案1372的强度。
接着在第五步骤1410处检查远场强度图案1372的相移以确定相移是否为零。应了解，在第三步骤1406处施加的电压实际上为产生2π相移的电压的情况下，光束1322的相移将为零，且远场强度图案1372的强度因此将并不响应于所施加电压而改变。在这种情况下，发现在第三步骤1406对其施加了2π相移的相位调制器1318被正确地校准，并且不需要对特定的相位调制器1318进行额外的校准。
还应理解，在第三步骤1406处施加的电压并不产生2π相移的情况下，光束1322的相移将为非零，且远场强度图案1372的强度将因此响应于所施加电压而改变，如在第七步骤1414处发现的情况。在这种情况下，优选地在第七步骤1414处推导所施加电压与所得相移之间的关系。接着优选地根据在第七步骤1414处推导的电压-相位关系来校准相位调制器1318，如在第八步骤1416处所见。
如在询问1418处所见，在第八校准步骤1416处对特定相位调制器1318进行校准或在第五步骤1410处确定对特定相位调制器1318进行适当校准之后，电压-相位相关子系统1380优选地检查是否已校准预定数目个相位调制器1318且在必要时进行到校准下一相位调制器，如在第九步骤1420处所见。电压-相位相关子系统1380可连续地校准包括于系统1300中的所有相位调制器1318，或可连续地校准预定数目个相位调制器1318，例如N个相位调制器1318。一旦已经校准了预定数目个相位调制器1318，子系统1380优选地去激活，且在步骤1402处恢复输出光束1322的相位变化。
应了解，电压-相位相关子系统1380被激活的频率优选地明显低于执行输出光束1322的相位变化的频率。举例来说，输出光束1322的相位变化可每秒执行一百万次，而电压-相位相关可每秒被激活1次。
此外，应了解，尽管流程图1400不包括用于噪声校正的步骤，但可在促成输出光束1322的子束的相移进程期间应用这种噪声校正，如上文参考图1A到4C所描述。
现在参考图15，其为根据本发明的额外优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图。
如图15中所见，提供了一种光学相控阵列(OPA)激光系统1500，所述OPA激光器1500可属于上文参考图1A到4C一般描述的类型。OPA激光器1500优选地包含种子激光器1512和激光束分离及合成子系统1514。分离及合成子系统1514优选地从种子激光器1512接收输出激光束且沿着对应多个通道1516将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器1512的输出可沿着16个对应通道1516分成16个子束的4×4矩阵，所述子束中的四个和通道1516在图15中的OPA激光器1500的俯视图中可见。然而，应了解，分离及合成子系统1514可包括沿以分离种子激光器1512的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道1516中的每一个定位的相位调制器1518个别地调制。由种子激光器1512的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜1519传播。随后，例如在透镜1520的聚焦平面处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束1522。
分离及合成子系统1514还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器1512的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束1522之前。在此，举例来说，分离及合成子系统1514绘示为包括沿着通道1516中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器1524。然而，应了解，取决于OPA激光器1500的功率输出规格，这种放大是任选的且可省略。
输出光束1522的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束1522的构成子束的相对相位控制。在多个应用(例如如上文所描述的激光切割、激光焊接、光学自由空间通信和激光增材制造)中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。如上文参考图1A到4C所描述，可通过沿着通道1516动态地改变个别子束的相对相位且由此改变合成激光输出1522的相位来实现输出光束的参数的动态变化，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
在OPA激光器1500包括大量个别子束的情况下，每一子束相对于子束中的所有其它子束的相位的相位测量和对应相位修改可归因于所涉及的大量个别子束而具有挑战性。具体地说，归因于促成合成输出1522的大量个别子束，相对于其它子束测量和修改每一个别子束的相位以便动态地控制合成激光输出1522的相位所花费的时间可能长得无法接受。此外，信噪比可能会低得无法接受。
本发明的优选实施例的特定特征是OPA激光器1500优选地包括用于以缩放方式进行合成激光输出的相位调制的相位调制子系统1530。更具体地说，相位调制子系统1530优选地将由激光分离及合成子系统1514提供的子束的至少一部分分组成多个组，且随后仅相对于每组子束内的其它子束在所述组内执行相位调制。优选地平行跨越子束的多个单独组执行这种组相位调制。接着，相位调制子系统1530优选地相对于子束组中的其它子束的相位优化每组子束的相位，以便以此后详述的方式改变合成激光输出1522的相位。
相位调制子系统1530优选地包括操作控制相位调制器1518的相位控制电子件模块1532。相位控制电子件模块1532优选地控制每一相位调制器1518以便根据输出光束1522的所需远场强度图案沿着通道1516动态地调制子束的相对相位，如通过相位调制子系统1530确定。
为了便于将相位变化施加到输出光束1522，优选地提取OPA激光器1500的输出的一部分并将其导向多个检测器1550。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的相位变化。在图15中所示出的实施例中，多个子束沿着通道1516导向分束器1560。分束器1560优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分1562和反射部分1564。举例来说，分束器1560可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分1562优选地朝向聚焦透镜1520传播，在所述聚焦透镜1520处，子束被合成以形成具有远场强度图案1566的输出光束1522。子束的反射部分1564优选地朝向柱面透镜1568传播。柱面透镜1568优选地操作以接收子束的反射部分1564并通过沿着透镜1568的曲率方向会聚子束而将所述子束分组成多个组。在此，举例来说，子束绘示成会聚成四个组1570，每个组1570由四个子束构成。
优选地，通过柱面透镜1568分组的每个子束组1570形成具有入射到多个检测器1550中的对应一个的表面上的远场强度图案1572的光束。每一检测器1550优选地对入射于其上的组远场强度图案1572进行采样。与包括于控制模块1532中的对应控制电子件子模块1574协作，每一检测器1550接着优选地相对于由此被采样的子束组1570内的其它子束的相位优化所述组1570内的子束的相对相位。优选地，对于所有检测器1550上的远场强度图案1572中的一些并行地且优选地同时进行这样的采样和优化。适用于相位优化的各种算法包括顺序或非顺序优化算法，包括例如上文参考图1A到4C描述的噪声校正算法。
为了相对于组1570中的其它组而优化组1570中的每一个的相对相位，组1570的一部分优选地通过辅助分束器1580导向辅助柱面透镜1582。应了解，辅助柱面透镜1582的曲率优选地相对于柱面透镜1568的曲率正交以使子束聚焦。辅助柱面透镜1582优选地使子束组1570会聚成具有入射在辅助检测器1588上的远场强度图案1586的单个光束1584。辅助检测器1588优选地在其处接收具有远场强度图案1586的单个光束，所述远场强度图案1586对应于所有子束组1570的组合的远场强度图案。与包括于电子控制模块1532中的额外相位控制电子件子模块1590协作，辅助检测器1588优选地对组1570的相位进行采样且使所述相位相对于彼此优化。尤其优选地，相位控制电子件模块1532的一个功能是控制每个相位调制器1518以便在辅助检测器1588上施加使总功率最大化的相移。
应了解，以上述缩放方式进行相位调制比相对于OPA 1500中的所有其它子束的相位优化每个单独子束的相位快得多并且不那么复杂，其中每个子束的相位相对于其组1570中的其它子束成员的相位优化，且组1570的相位相对于彼此优化以改变合成激光输出1522的相位。此外，这允许通过分别耦合到每一检测器1550的每个控制电子件子模块1574中的控制电子件的个别集合(而不是需要控制电子件的单个集合)进行相位优化，且提高信噪比。
应了解，相对于组1570中的其它组优化组1570中的每一个的相对相位的功能可替代地通过操作以调制组1570中的每一个的集体相位的额外组相位调制器进行，而不是通过操作以调制组1570中的每一个的每个子束成员的个别相位的个别相位调制器1518进行。这种布置的示例性实施方案在图16中示出且通常可在其一些方面中类似于US专利第9,893,494号中所描述的相位调制布置，所述US专利的公开内容在此以引用方式并入。
如图16中所见，可通过添加对应于组1570的数目的一系列组相位调制器来修改系统1500。在此，举例来说，系统1500包含16个子束，所述子束中的四个包括于四个组1570中的每一个中，使得总共四个额外组相位调制器1618可包括于系统1500中，如图16中所见。每个组相位调制器1618优选地对于形成每个组1570的部分的四个通道1516是公共的，且提供沿着连接到其的四个通道1516优化子束的集体组相位的相移。
优选地，组相位调制器1618中的一些受优选地包括于控制模块1532中的额外控制子模块1690控制。辅助检测器1588优选地耦合到额外控制子模块1690。应了解，通过组相位调制器1618而不是通过个别子束相位调制器1518优化组1570的相对于彼此的相对相位可能更有效且可简化相位调制过程，但需要采用额外相位调制和电路元件，因此提高了系统1500的成本和复杂度。
合成激光输出1522的相位的变化优选地提供输出1522的空间调制。应了解，归因于通过相位调制子系统1530进行的相位调制的缩放性质，合成激光输出1522的相位可以比可通过机械空间调制机制达到的速率更大的速率非常迅速地变化。通过OPA激光器1500提供的空间调制可任选地通过额外机械空间调制机制增强，如本领域中已知的，或可能不涉及机械空间调制。
应了解，本文中绘示的光学元件(包括分束器1560、聚焦透镜1520、柱面透镜1568、辅助分束器1580和辅助柱面透镜1582)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统1500可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
此外，应了解，柱面透镜1568可具有将个别子束分组成包含相等数目个子束的彼此类似或相同的组的光学性质。替代地，柱面透镜1568可具有将个别子束分组成包含不同数目个子束的彼此不同的组的光学性质。
在图17A和17B中示出图15或图16中所示类型的OPA激光系统的示例性实施方案。现在转向图17A和17B，提供了一种OPA激光系统1700，其中来自例如种子激光器1512的种子激光器(未绘示)的输出激光束沿着对应多个通道1716被分成多个子束。举例来说，激光输出可例如沿着100个对应通道1716分成100个子束的10×10矩阵。应了解，为清楚表示起见，图17B中仅示出子束中的选定子束。沿着通道1716的子束随后可通过例如准直透镜1519和聚焦透镜1520的准直和聚焦元件(未绘示)来准直和聚焦，以产生合成的输出光束。
为了便于将相位变化施加到输出光束，优选地提取OPA激光器1700的输出的一部分并将其导向多个检测器1750。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的相位变化。在图17A和17B所示的实施例中，多个子束沿着通道1716导向分束器1760。分束器1760优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分1762和反射部分1764。
优选地合成子束的透射部分1762以形成输出光束。子束的反射部分1764优选地朝向柱面透镜1768反射，所述柱面透镜1768是柱面透镜1568的特别优选的实施例。柱面透镜1768优选地操作以接收子束的反射部分1764且使子束沿着柱面透镜1768的曲率方向会聚成多个组。举例来说，在100个子束的情况下，柱面透镜1768可使子束会聚成每组十个子束的十个组1770。
优选地，通过柱面透镜1768分组的每个子束组1770形成具有入射到多个检测器1750中的对应一个的表面上的远场强度图案的光束。举例来说，多个检测器1750可包括十个检测器1750，每个检测器对包含十个个别子束的组光束进行采样。与例如控制模块1532的对应控制电子件模块(未绘示)协作，每一检测器1750接着优选地优化包括于由此采样的子束组1770中的子束的相位，优选地跨越所有检测器1750并行地且优选地同时进行这样的采样和优化。
为了相对于组1770中的其它组的相位优化组1770中的每一个的相对相位，组1770的一部分优选地通过辅助分束器1780导向辅助柱面透镜1782。应了解，辅助柱面透镜1782是辅助柱面透镜1582的特别优选的实施例。应了解，辅助柱面透镜1782的曲率优选地相对于柱面透镜1768的曲率正交以使子束聚焦。辅助柱面透镜1782优选地将子束组1770聚焦成入射到辅助检测器1788上的一个合成光束1784。
与相位控制电子件(未绘示)协作，辅助检测器1788优选地在其处接收远场强度图案，所述远场强度图案对应于所有子束组1770的组合的远场强度图案，且对组1770的相位进行采样并使所述相位相对于彼此优化。应了解，组1770的相位相对于彼此的优化可能是借助于相位调制器1518对个别子束的相位的相位调制，如上文参考图15所描述，或可能是借助于组相位调制器1618对子束组的相位的相位调制，如上文参考图16所描述。
现在参考图18，其为根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括动态光束的缩放相位修改的光学相控阵列激光系统的简化示意性平面视图。
如图18中所见，提供一种光学相控阵列(OPA)激光系统1800，所述OPA激光器1800可属于上文参考图1A到4C一般描述的类型。OPA激光器800优选地包含种子激光器1812和激光束分离及合成子系统1814。分离及合成子系统1814优选地从种子激光器1812接收输出激光束且沿着对应多个通道1816将输出激光束分离成多个子束。在此，仅举例来说，来自种子激光器1812的输出可沿着16个对应通道1816分成16个子束的4×4矩阵，所述子束中的四个和通道1816在图18中的OPA激光器1800的俯视图中可见。然而，应了解，分离及合成子系统1814可包括沿以分离种子激光器1812的输出的更少或更多数目个通道，且通常可包括远更多数目个通道，例如32个或更多个通道。
每一子束的相对相位可通过优选地沿着通道1816中的每一个定位的相位调制器1818个别地调制。由种子激光器402的输出的分离和后续相位调制产生的每一经相位调制子束优选地朝向准直透镜1819传播。随后，例如在透镜1820的聚焦平面处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束1822。
分离及合成子系统1814还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器1812的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束1822之前。在此，举例来说，分离及合成子系统1814绘示为包括沿着通道1816中的对应通道定位以用于放大每一子束的多个光放大器1824。然而，应理解，取决于OPA激光器1800的功率输出要求，这类放大是任选的且可省略。
输出光束1822的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束1822的构成子束的相对相位控制。在多个应用(例如如上文所描述的激光切割、激光焊接、光学自由空间通信和激光增材制造)中，需要动态地移动和塑形输出光束的远场强度图案。如上文参考图1A到4C所描述，可通过沿着通道1816动态地改变个别子束的相对相位且由此改变合成激光输出1822的相位来实现输出光束的参数的动态变化，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
在OPA激光器1800包括大量个别子束的情况下，每一子束的相位测量和相对于子束中的所有其它子束的相位对应相位修改可归因于所涉及的大量个别子束而具有挑战性。具体地说，归因于促成合成输出1822的大量个别子束，相对于其它子束测量和修改每一个别子束的相位以便动态地控制合成激光输出1822的相位所花费的时间可能长得无法接受。此外，信噪比可能会低得无法接受。
本发明的优选实施例的特定特征是OPA激光器1800优选地包括用于以缩放方式进行合成激光输出的相位调制的相位调制子系统1830。更具体地说，相位调制子系统1830优选地将由激光分离及合成子系统提供的子束的至少一部分分组成多个组，且随后仅相对于每组子束内的其它子束的相位在所述组内执行相位调制。优选地平行跨越多个单独组执行这种组相位调制。接着，相位调制子系统1830优选地相对于子束组中的其它子束的相位优化每组子束的相位，以便以此后详述的方式改变合成激光输出1822的相位。
相位调制子系统1830优选地包括操作控制相位调制器1818的相位控制电子件模块1832。相位控制电子件模块1832优选地控制每一相位调制器1818以便根据输出光束1822的所需远场强度图案且如通过相位调制子系统1830确定沿着通道1816动态地调制子束的相对相位。
为了便于将相位变化施加到输出光束1822，优选地提取OPA激光器1800的输出的一部分并将其导向多个检测器1850。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的相位变化。在图18中所示出的实施例中，多个子束沿着通道1816导向分束器1860。分束器1860优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分1862和反射部分1864。举例来说，分束器1860可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分1862优选地朝向聚焦透镜1820传播，在所述聚焦透镜1820处，子束被合成以形成具有远场强度图案1866的输出光束1822。子束的反射部分1864优选地朝向反射镜1868的阵列反射，每个反射镜1868以与对应聚焦透镜1869成间隔关系定位。举例来说，反射镜1868的阵列可包含以与四个聚焦透镜1869成间隔关系定位的四个反射镜1868，所述反射镜中的两个和聚焦透镜可见于图18中的系统1800的俯视图中。
反射镜1868优选地成一定角度以便操作以将入射于其上的子束朝向对应聚焦透镜1869反射，且由此将子束的反射部分1864分组成多个组，例如，在此体现为四个组1870，每个组1870包括四个子束，所述组中的两个在图18中的系统18100的俯视图中可见。
优选地，在反射镜1868中的每一个处反射的每组子束由对应聚焦透镜1869聚焦以形成单个光束，所述单个光束包含子束组1870且具有入射到多个检测器1850中的对应一个的表面上的远场强度图案1872。与包括于控制模块1832中的对应控制电子件子模块1874协作，每一检测器1850接着优选地相对于由此被采样的子束组1870内的其它子束的相位优化所述组1870内的子束的相对相位。优选地，对于所有检测器1850上的远场强度图案1872中的一些并行地且优选地同时进行这样的采样和优化。适用于相位优化的各种算法包括顺序或非顺序优化算法，包括如上文参考图1A到4C描述的噪声校正算法。
为了相对于组1870中的其它组而优化组1870中的每一个的相对相位，反射部分1864的一部分优选地通过辅助分束器1880导向辅助透镜1882。辅助透镜1882优选地使入射于其上的子束会聚成具有入射到辅助检测器1888上的远场强度图案1886的单个光束1884。辅助检测器1888优选地在其处接收具有远场强度图案1886的单个光束，所述远场强度图案1886对应于所有子束组1870的组合的远场强度图案。与包括于电子控制模块1832中的额外相位控制电子件子模块1890协作，辅助检测器1888优选地对组1870的相位进行采样且使所述相位相对于彼此优化。尤其优选地，相位控制电子件模块1832的一个功能是控制每个相位调制器1818以便在辅助检测器1888上施加使总功率最大化的相移。
应了解，以上述缩放方式进行相位调制比相对于OP 1800中的所有其它子束的相位优化每个单独子束的相位快得多并且不那么复杂，其中每个子束的相位相对于其组1870中的其它子束成员的相位优化，且组1870的相位相对于彼此优化以改变合成激光输出1822的相位。此外，这允许通过分别耦合到每一检测器1850的每个控制电子件子模块1874中的控制电子件的个别集合(而不是需要控制电子件的单个集合)进行相位优化，且提高信噪比。
应了解，相对于组1870中的其它组优化组1870中的每一个的相对相位的功能可替代地通过操作以调制组1870中的每一个的集体相位的额外组相位调制器进行，而不是通过操作以调制组1870中的每一个的每个子束成员的个别相位的个别相位调制器1818进行。这种布置的示例性实施方案示出于图19中且通常可在其一些方面中类似于US专利第9,893,494号中描述的相位调制布置。
如图19中所见，可通过添加对应于组1870的数目的一系列组相位调制器来修改系统1800。在此，举例来说，系统1800包含16个子束，所述子束中的四个包括于四个组1870中的每一个中，使得总共四个额外组相位调制器1918可包括于系统1800中，如图19中所见。每个组相位调制器1918优选地对于形成每个组1870的部分的四个通道1816是公共的，且提供沿着四个通道1816优化子束的集体组相位的相移。
优选地，组相位调制器1918中的一些受优选地包括于控制模块1832中的额外控制子模块1990控制。辅助检测器1888优选地耦合到额外控制子模块1990。应了解，通过组相位调制器1918而不是通过个别子束相位调制器1818优化组1870的相对于彼此的相对相位可能更有效且可简化相位调制过程，但需要采用额外相位调制和电路元件，因此提高了系统1800的成本和复杂度。
合成激光输出1822的相位的变化优选地提供输出1822的空间调制。应了解，归因于通过相位调制子系统1830进行的相位调制的缩放性质，合成激光输出1822的相位可以比可通过机械空间调制机制达到的速率更大的速率非常迅速地变化。通过OPA激光器1800提供的空间调制可任选地通过额外机械空间调制机制增强，如本领域中已知的，或可能不涉及机械空间调制。
应了解，本文中绘示的光学元件(包括分束器1860、聚焦透镜1820、反射镜1868的阵列和对应聚焦透镜1869)的特定结构和配置仅为示例性的且以高度简化的形式描绘。应了解，OPA激光系统1800可包括各种这样的元件，以及额外光学元件，仅举例来说，包括额外或替代性透镜、光纤和相干的自由空间远场合成器。
此外，应了解，反射镜1868和对应聚焦透镜1869可具有彼此类似或相同的光学性质，以便将个别子束分组成包含相等数目个子束的彼此类似或相同的组。替代地，反射镜1868和对应聚焦透镜1869可具有彼此不同的光学性质，以便将个别子束分组成包含不同数目个子束的彼此不同的组。
在图20A和20B中示出图18或图19中所示类型的OPA激光系统的示例性实施方案。现在转向图20A和20B，提供了一种OPA激光系统2000，其中来自例如种子激光器1812的种子激光器(未绘示)的输出激光束沿着对应多个通道2016被分成多个子束。在此，仅举例来说，激光输出可沿着100个对应通道2016分成100子束的10×10矩阵，为清楚表示起见在图20B中仅示出所述子束中的选定子束。沿着通道2016的子束随后可通过例如准直透镜1819和聚焦透镜1820的准直和聚焦元件(未绘示)来准直和聚焦，以产生合成的输出光束。
为了便于将相位变化施加到输出光束，优选地提取OPA激光器2000的输出的一部分并将其导向多个检测器2050。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的相位变化。在图20A和20B所示的实施例中，多个子束沿着通道2016导向分束器2060。分束器2060优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分2062和反射部分2064。
优选地合成子束的透射部分2062以形成输出光束。子束的反射部分2064优选地朝向反射镜2068的阵列反射，每个反射镜2068以与对应聚焦透镜2069成间隔关系定位。应了解，反射镜2068的阵列和透镜2069是反射镜1868的阵列和聚焦透镜1869的尤其优选实施例。
反射镜2068优选地成一定角度以便操作以将入射于其上的子束朝向对应聚焦透镜2069，且由此将子束的反射部分2064分组成多个组，例如，在此体现为四个组，每个组2070包括25个子束。优选地，在反射镜2068中的每一个处反射的每一组子束通过对应聚焦透镜2069聚焦以形成包括25个子束的组2070的单个光束。子束的每个组2070入射到多个检测器2050中的对应一个的表面上。每一检测器2050优选地对入射于其上的组远场强度图案进行采样。与例如包括于控制模块1832中的控制电子件子模块1874的对应控制电子件子模块(未绘示)协作，每一检测器2050接着优选地优化包括于由此采样的子束组2070中的子束的相位，以使合成相位产生所需组远场强度图案。优选地，对于所有检测器2050上的远场强度图案中的一些并行地且优选地同时进行这样的采样和优化。
为了相对于组2070中的其它组而优化组2070中的每一个的相对相位，反射部分2064的一部分优选地通过辅助分束器2080导向辅助透镜2082。辅助透镜2082优选地使反射部分2064的一部分会聚成入射到辅助检测器2088上的单个光束2084。辅助检测器2088优选地在其处接收具有远场强度图案的单个光束，所述远场强度图案对应于所有子束的组合的远场强度图案。与包括于电子控制模块1832中的相位控制电子件协作，辅助检测器2088优选地对组2070的相位进行采样且使所述相位相对于彼此优化。
应了解，组2070的相位相对于彼此的优化可能是借助于相位调制器1818对个别子束的相位的相位调制，如上文参考图18所描述，或可能是借助于组相位调制器1918对子束组的相位的相位调制，如上文参考图19所描述。
应了解，在图15到20B的OPA激光器1500、1700、1800和2000的上述实施例中，优选地以缩放方式进行相位调制，其中例如检测器1550、1750、1850和2050的多个检测器用于同时执行多个组内的子束的相位测量，且例如辅助检测器1586、1786、1886和2086的单个检测器用于执行包括多个组的单个光束的相位测量。
然而，应了解，根据本发明的优选实施例构造和操作的系统可进一步扩展，以取决于所涉及的子束的数目来包括检测器和对应光学元件的额外的层次结构。
举例来说，如图21中所示，OPA激光系统1500可被修改为包括用于将子束组1570聚焦成中间组2104的额外聚焦透镜2102，所述中间组入射到中间检测器2106上。中间组2104接着进一步合成且入射到单个检测器2108上，在单个检测器2108处，中间组2104优选地相对于彼此进行相位修改。
还应理解，根据上文参考图6到8所描述的本发明的实施例，可通过用多个检测器和对应的多个紧密间隔的光学路径代替其中的个别检测器中的一或多个而修改上文参考图15到21描述的OPA激光系统中的任一个，以便改进输出光束的采样。此外，根据上文参考图9到12所描述的本发明的实施例，上文参考图15到21描述的OPA激光系统中的任一个可替代地修改为包括掩蔽其中采用的多个检测器中的一或多个的透射或反射检测器掩模，以便进一步改进输出光束的采样。
还应理解，根据上文参考图13和14描述的本发明的优选实施例，上文参考图15到21描述的OPA激光系统中的任一个可修改为包括电压-相位校准功能，以便确保其中采用相位调制器的正确校准。
现在参考图22A和22B，其为根据本发明的优选实施例构造和操作的光学相控阵列激光系统的相应第一及第二聚焦状态的简化示意图。
如图22A和22B中所见，提供一种优选地包括光学相控阵列(OPA)激光器2202的激光系统2200。OPA激光系统2200可属于转让给与本发明相同的受让人的US专利第9,584,224号中或US专利申请第15/406,032号中通常描述的类型，所述专利的内容以引入的方式并入本文中。替代地，OPA激光系统2200可以是参考上文图1A到21中的任何一个或一些的组合所描述类型的激光系统。
最好参看放大图2210，OPA激光器2202优选地包括种子激光器2212和激光束分离及合成子系统2214，所述激光束分离及合成子系统2214从种子激光器2212接收激光输出且提供合成激光输出。激光束分离及合成子系统2214优选地包括用于改变合成激光输出的相位的多个相位调制器2218，优选地在分离来自种子激光器2212的激光输出之后和在通过分离及合成子系统2214执行合成之前。
由种子激光器2212的输出的分离和后续相位调制产生的每一相位调制子束优选地朝向准直透镜2219传播。随后，例如在聚焦透镜2220处合成单独准直的经相位调制子束以形成输出光束2222。
分离及合成子系统2214还可提供子束的激光放大，优选地在将种子激光器2212的输出光束分离成子束之后和在合成所述子束以形成输出光束2222之前。在此，举例来说，分离及合成子系统2214绘示为包括用于放大每个子束的多个光放大器2224。然而，应理解，取决于OPA激光器2200的功率输出规格，这种放大是任选的且可省略。
输出光束2222的相位，且因此其远场强度图案的位置和形状，至少部分地受合成以形成输出光束2222的构成子束的相对相位控制。如上文参考图1A到5G所描述，在多个应用(例如激光切割、激光焊接、激光增材制造和光学自由空间通信)中，需要动态地移动和塑形输出光束2222的远场强度图案。此可在激光系统2200中实现：通过激光分离及合成子系统2214动态地改变个别子束的相对相位，且由此改变合成激光输出2222的相位，以便动态地控制其远场强度图案的位置和形状。
子束的相对相位优选地根据所要激光输出图案预定。尤其优选地，通过相位控制子系统2230施加变化的相对相位。相位控制子系统2230优选地形成OPA激光系统2200中的控制电子件模块2232的一部分，且优选地控制每个相位调制器2218以便动态地调制子束的相对相位，优选地如上文分别参考图1A、2A、3A和4A的相位控制子系统130、230、330、430所描述。
归因于OPA系统2200中固有的噪声，输出光束2222可具有噪声。在OPA系统2200中存在光放大器2224的情况下，输出光束2222中的噪声通常为由热或机械效应及/或由放大过程产生的相位噪声。在输出光束2222具有噪声的情况下，OPA系统2200可包括操作以提供噪声消除相位校正输出以便以此后详述的方式消除输出光束2222中的噪声的噪声消除子系统2240。
尤其优选地，噪声消除子系统2240采用一种算法以感测和校正合成激光输出中的相位噪声，所述合成激光输出优选地但不必属于上文参考图1A到4C所描述的类型。噪声消除相位校正输出优选地由噪声消除子系统2240提供到相位调制器2218以便校正输出光束2222中的相位噪声，且因此避免原本将由噪声造成的输出光束2222的远场强度图案的形状和位置的失真。噪声消除子系统2240可包括于控制电子件模块2232中。
替代地，在输出光束2222中的噪声不重要的情况下，可从OPA系统2200避免噪声消除子系统2240，并且对应地不执行噪声校正。
为了便于在与输出光束2222有关时施加相位变化和噪声校正，优选地提取OPA激光器2202的输出的一部分并将其导向至少一个检测器2250。在此，举例来说，至少一个检测器2250被绘示为体现为单个检测器2250。然而，应了解，至少一个检测器2250可体现为通过紧密间隔的光学路径接收OPA激光器2202的输出的一部分的多个检测器，如上文参考图6到8所描述，或可体现为经由透射或反射光学掩模接收OPA激光器2202的输出的一部分的至少一个检测器，如上文参考图9到12所描述。所述输出光束的所提取部分优选地充当参考光束，基于其特性，可计算所需的噪声校正及/或相位变化。
根据本发明的优选实施例，多个子束沿着通道2216导向分束器2260。分束器2260优选地根据预定比率将每一子束分成透射部分2262和反射部分2264。举例来说，分束器2260可以99.9％透射:0.01％反射比来分离每一子束。
子束的透射部分2262优选地朝向聚焦透镜2220传播，在所述聚焦透镜2220处，子束被合成以形成具有远场强度图案2266的输出光束2222。子束的反射部分2264优选地朝向额外聚焦透镜2268反射，在所述额外聚焦透镜2268处，子束被合成以形成具有入射到多个检测器2250中的一或多个的表面上的远场强度图案2272的输出参考光束2270。
在某些应用中，输出光束2222优选地导向衬底2280，远场强度图案2266优选地入射于所述衬底2280上。衬底2280可以是由OPA激光器2202处理的工件。举例来说，OPA激光器2202可操作以叠加地制造、切割、焊接、烧结或以其它方式处理工件2280。相位控制子系统2230优选地改变输出光束2222的相位以使输出光束2222聚焦在衬底2280上。应了解，在不存在通过相位控制子系统2230施加这种相位变化的情况下，输出光束2222将不聚焦在衬底2280上。
本发明的优选实施例的特定特征是聚焦透镜2220优选地设计成使得OPA激光器2202的输出光束2222在不存在施加到其的相位变化的情况下将不通过透镜2220聚焦在衬底2280的表面上。举例来说，如考虑图22A所了解，其示出输出光束2222在不存在施加到其的相位变化的情况下的配置，聚焦透镜2220可被光学设计成使包含输出光束2222的非相位变化准直波前2282聚焦在衬底2280的表面上方的焦点2284处。
如考虑图22B所了解，其示出输出光束2222在相位变化施加到其的情况下的配置，输出光束2222的相位变化优选地用于修改波前2282形状且因此其焦点，如代表性经相位修改波前2286的情况中所见，所述经相位修改波前2286优选地借助于聚焦透镜2220聚焦在衬底2280上。应了解，因此，输出光束2222在衬底2280上的聚焦通过结合聚焦透镜2220的其相位变化来实现，如图22B中所示出，而不是仅通过聚焦透镜2220实现。
作为通过其相位变化来实现输出光束2222聚焦在衬底2280上的结果，由衬底2280引起的反向散射对应地并未通过聚焦透镜2220聚焦在OPA激光器2202上。如本领域中众所周知的，来自由激光束处理的表面的反向散射通常返回到激光器且可能对其造成损坏，尤其在激光放大系统中。在本发明中，由于聚焦透镜2220不将后向散射聚焦于OPA激光器2202，因此反向散射不到达并损坏OPA激光器2202，因此避免了这种损坏。
图23中示出从衬底2280朝向OPA激光器2202的反向散射的示例性返回路径。如图23中所见，从衬底2280发出的反向散射激光束2300优选地到达聚焦透镜2220。然而，反向散射激光束2300优选地不通过聚焦透镜2220聚焦在OPA激光器2202上，由此防止对其的损坏。应了解，应将聚焦透镜2220设计成将来自OPA激光器2202的非相位修改激光输出聚焦在衬底2280上，在常规激光系统中情况通常如此，反向散射光束2300的路径将通过聚焦透镜2220对应地聚焦在OPA激光器2202上，因此可能对其造成损坏。
应了解，在本发明的某些实施例中，可仅借助于输出光束2222的适当相位变化来执行OPA激光器2202的输出在衬底2280上的聚焦，使得可以避免聚焦透镜2220。
如上文参考图1A到23所描述，可将来自种子激光器的输出引导到放大系统以用于对其进行放大。如本领域的技术人员众所周知的，由种子激光器供给放大系统的激光输出中的缺陷可导致对放大系统的损坏。种子激光器的会造成对连接到其的放大系统的损坏的激光输出中的典型缺陷可包括种子激光输出的功率的减少和激光线宽的降低。对放大系统的所产生损坏可能极其迅速地发生，约几纳秒，且在可包括于放大系统中的内部感测机制的响应时间之前。
现参考图24到33描述本发明的用于在连接到放大系统的种子激光器故障的情况下防止损坏放大系统的优选实施例。应了解，下文中描述的种子激光器故障保护系统可并入于上文参考图1A到23所描述的任何类型的OPA激光器中，或可并入于包括连接到其的种子激光器和放大器的任何其它激光系统中。
现在转向图24，如图24中所见，提供了一种激光系统2400，其优选地包括：提供激光输出的种子激光器2402；和放大子系统，在此借助于实例体现为功率放大器2404，其从种子激光器2402接收激光输出且放大所述激光输出以提供放大激光输出2406。举例来说，激光系统2400可体现为主振荡器功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier，MOPA)激光器，或可以是包括种子激光器和功率放大器的任何其它激光系统。来自种子激光器2402的激光输出优选地经由第一光学路径2408到达功率放大器2404，所述第一光学路径2408在此例如体现为包含盘绕光纤2410。
为了检测种子激光器2402的激光输出中可能的缺陷，系统2400进一步优选地包括接收来自种子激光器2402的输出的检测器子系统，优选地体现为种子传感器2420。来自种子激光器2402的激光输出优选地经由第二光学路径2422到达检测器子系统2420。检测器子系统2420可包括用于感测激光输出的性质，且更具体地说，用于检测激光输出中的可能故障的一或多个传感器。传感器子系统2420优选地可操作地耦合到功率放大器2404。传感器子系统2420优选地被配置成在检测到来自种子激光器2402的激光输出中的故障时去激活功率放大器2404。
本发明的优选实施例的特定特征是激光输出沿着第一光学路径2408从种子激光器2402到功率放大器2404的第一飞行时间(TOF＝T1)大于激光输出沿着第二光学路径2422从种子激光器2402到传感器子系统2420的第二飞行时间(TOF＝T2)与传感器子系统2420去激活功率放大器2404所花费的时间的组合。
由于激光输出从种子激光器2402到功率放大器2404的飞行时间相对较长，传感器子系统2420优选地能够检测在其处接收到激光输出中故障且在功率放大器2404接收到故障激光输出之前去激活功率放大器2404，由此防止损坏功率放大器2404。
图24中所示的本发明的实施例中通过包括沿着第一光学路径的光纤线圈2410来实现激光输出从种子激光器2402到功率放大器2404的飞行时间的延长，以便使传感器2420有时间感测激光输出中的故障并且在必要时在功率放大器2404接收到故障激光输出之前去激活功率放大器2404。举例来说，光纤线圈2410可具有10公里的物理长度，且沿其的激光输出的飞行时间可为约50微秒。在来自种子激光器2402的输出中出现故障的情况下，功率放大器2404将因此在来自种子激光器2402的故障输出信号开始之后的50微秒内继续接收无故障输入信号。
种子激光器2402与传感器子系统2420之间的光学路径不包括线圈2410且可以是直的且因此更短的光学路径。因此，激光输出从种子激光器2402到传感器子系统2420的飞行时间优选地比50微秒短得多，例如约为30微秒或更短。在来自种子激光器2402的输出中出现故障之后，传感器子系统2420因此可完全在种子激光器2402与功率放大器2404之间的时间延迟期满之前迅速地接收激光输出，检测其中的故障且关闭功率放大器2404。因此，在功率放大器2404接收到由传感器子系统2420检测到的故障信号之前，优选地通过传感器子系统2420关闭功率放大器2404，由此防止损坏功率放大器2404。
应了解，与种子激光器2402与传感器子系统2420之间的光学路径时间和长度相比，种子激光器2402与功率放大器2404之间的光学路径的延长且因此飞行时间的增加并不限于通过包括沿着种子激光器2402与功率放大器2404之间的光学路径的光纤线圈的方式来实现。实际上，种子激光器2402与功率放大器2404之间的光学路径可通过任何合适方式延伸，包括例如包括沿着其的光学延迟线2500，如图25中所示出。此外，种子激光器2402与功率放大器2404之间的光学路径可以是自由空间光学路径2600，如图26中所示出，在此情况下，可通过使用例如反射镜的光学元件来延伸沿着其的飞行时间。然而，应了解，在第一光学路径2408中包括盘绕光纤2410可能是特别有利的，这是由于其紧凑配置以及由于盘绕光纤2410维持了种子激光输出的光学模式。
应了解，图24中所示的盘绕光纤2410的特定配置仅为代表性和示例性的。盘绕光纤2410可以任何合适的形式体现，且可适用于激光输出在单个方向上或以往返方式沿其行进，以便进一步增加由盘绕光纤2410提供的光学路径的有效长度。
现在参考图27，其为根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图。
如图27中所见，提供了一种激光系统2700，其优选地包括提供激光输出的种子激光器2702。种子激光器2702优选地连接到第一放大器2703，所述第一放大器2703优选地随后连接到第二放大器2704，在此借助于实例体现为功率放大器2704，从而提供放大激光输出2706。举例来说，激光系统2700可体现为主振荡器功率放大器(MOPA)激光器，或可以是包括种子激光器和功率放大器的任何其它激光系统。
如本领域的技术人员众所周知的，且如上文详述，由种子激光器2702输出的激光中的缺陷可导致功率放大器2704损坏。由种子激光器2702输出的激光中的造成功率放大器2704损坏的典型缺陷可包括停止或减少种子激光输出的功率且降低激光线宽。对功率放大器的这种损坏可能极其迅速地发生，约几纳秒，且在可包括于功率放大器2704中的内部感测机制的响应时间之前。
为了避免由于种子激光器2702的输出中的缺陷而损坏功率放大器2704，本发明的优选实施例的特定特征是激光系统2700包括额外放大器2703。优选地，额外放大器2703提供的放大比功率放大器2704提供的放大低得多，并且出于防止在来自种子激光器2702的激光输出降级时损坏功率放大器2704的目的被包括于系统2700中，而不是出于放大来自种子激光器2702本身的激光输出的目的。
在系统2700的操作中，来自种子激光器2702的激光输出优选地由第一放大器2703接收。第一放大器2703优选地提供第一放大激光输出，所述第一放大激光输出优选地由第二放大器2704接收和放大。
在由于种子激光器2702的故障操作停止来自种子激光器2702的激光输出时，第一放大器2703不再从种子激光器2702接收激光输出。在这种情况下，第一放大器2703产生放大自发发射，所述放大自发发射由第二放大器2704接收。替代地，第一放大器2703可配置成使得在停止来自种子激光器2702的激光输出时，第一放大器2703开始作为激光器操作且产生额外激光输出。
应了解，即使在种子激光器2702已停止提供激光输出的情况下，第二放大器2704也因此继续接收呈放大自发发射的形式或呈来自第一放大器2703的额外激光输出的形式的输入信号。由第一放大器2703提供到第二放大器2704的放大自发发射足以防止损坏第二放大器2704，所述损坏原本将很可能由于停止向其提供信号而发生。应了解，系统2700可另外包括连接到种子激光器2702以感测来自种子激光器2702的激光输出中的故障且相应地去激活第二放大器2704的传感器。
应了解，在种子激光器2702适当操作期间，由第一放大器2703提供的第一放大与由第二放大器2704提供的第二主要放大相比优选地是可忽略的。
如图27中所见，来自种子激光器2702的激光输出可直接供应到第一放大器2703。替代地，如图28中所示出，额外元件可插入种子激光器2702与第一放大器2703之间。具体地说，滤光器可插入种子激光器2702与第一放大器2703之间，以便滤出线宽不可接受地窄的激光束，且因此防止这种激光束到达并损坏第二放大器2704。
图28中示出适用于本发明的线宽滤光器2800的特别优选的实施例。
现在转向图28，滤光器结构2800被视为在种子激光器2702下游和第一放大器2703上游实施。来自种子激光器2702的激光输出优选地在进入滤光器2800时在分光器2805处分成两个部分，且在离开滤光器2800之前在重组器2806处重组。来自种子激光器2702的分离激光输出的第一部分优选地在分光器2805与重组器2806之间沿着滤光器2800的第一臂2807行进。来自种子激光器2702的分离激光输出的第二部分优选地在分光器2805与重组器2806之间沿着滤光器2800的第二臂2808行进。如比较第一手臂2807及第二手臂2808所了解，第一臂2807与第二臂2808相比优选地包括额外部分2809且因此长于第二臂2808。
在来自种子激光器2702的激光输出具有不可接受的窄线宽的情况下，来自第一手臂2807及第二手臂2808的激光输出在重组器2806处重组时将由于其相对较高相干性而相互干扰。重组光束优选地由检测器2810检测，所述检测器2810优选地连接到电子控制模块2811。电子控制模块2811优选地为操作控制沿着第二臂2808定位的相位调制器2812的相干光束合成(CBC)卡。相位调制器2812优选地由电子控制卡2811操作以改变沿着第二臂2808的光束的相位，使得重组器2806处的基本上所有重组光束都被导向检测器2810。重组光束因此并不朝向第一放大器2703行进，且因此并不到达第二放大器2704并对其造成损坏。由此，停止通过第一放大器2703从种子激光器2702接收激光输出，且第一放大器2703产生放大自发发射或额外激光输出中的一个，如上文详述。
在种子激光器2702适当地操作且来自种子激光器2702的激光输出具有可接受的宽线宽的情况下，来自第一手臂2807及第二手臂2808的激光输出在重组器2806处重组时将不会相互干扰。这是因为线宽足够宽以使得相干性相对较低且因此很少或没有相互干扰发生。在这种情况下，重组器2806处的激光输出的一部分将继续朝向第一放大器2703，且重组器2806处的激光输出的一部分将递送到检测器2810。由第一放大器2703接收的激光输出优选地随后由第一放大器2703提供到第二放大器2704，如上述参考系统2700概述。
应了解，图27和28中所示出的包括额外放大器2703和滤光器结构2800的损坏保护系统可单独地或与图24到26中所示出的保护系统中的任一个组合使用。
现在参考图29，其为根据本发明的另一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图。
如图29中所见，提供了一种激光系统2900，其优选地包括：提供第一激光输出2903的种子激光器2902；和放大子系统，在此借助于实例体现为功率放大器2904，其从种子激光器2902接收第一激光输出2903且放大所述激光输出以提供放大激光输出2906。举例来说，激光系统2900可体现为主振荡器功率放大器(MOPA)激光器，或可以是包括种子激光器和功率放大器的任何其它激光系统。
为了检测种子激光器2902的激光输出中可能的缺陷，系统2900进一步优选地包括接收来自种子激光器2902的输出的检测器子系统，优选地体现为种子传感器2920。传感器子系统2920可包括用于感测激光输出的性质，且更具体地说，用于检测激光输出中的可能故障的一或多个传感器。传感器子系统2920优选地可操作地耦合到功率放大器2904。传感器子系统2920优选地被配置成在检测到来自种子激光器2902的激光输出中的故障时去激活功率放大器2904。
本发明的优选实施例的特定特征是激光系统2900优选地包括辅助激光子系统，在此优选地体现为辅助种子激光器2930。辅助种子激光器2930优选地将第二激光输出2932提供到放大器2904，所述第二激光输出2932优选地具有比第一激光输出2903的功率明显更低的功率。仅举例来说，第一激光输出2903可具有在80到100毫瓦范围内的第一功率，而第二激光输出2932可具有在50到70毫瓦范围内的第二功率。
辅助种子激光器2930优选地至少在种子激光器2902停止提供第一激光输出2903时将第二激光输出2932提供到放大器2904。尤其优选地，辅助种子激光器2930优选地连续操作以便在种子激光器2902向其提供第一激光输出2903以及在种子激光器2902停止提供第一激光输出2903时的同时将第二激光输出2932提供到放大器2904。
在种子激光器2902的适当操作期间，放大器2904优选地同时接收来自种子激光器2902的第一激光输出2903和来自辅助种子激光器2930的第二激光输出2932。由于第二激光输出2932的功率明显低于第一激光输出2903的功率，因此第二激光输出2903对放大激光输出2906的贡献优选地可忽略。优选地但不是必须地，第二激光输出2932具有与第一激光输出2903不同的波长，以便进一步减小第二激光输出2932对放大激光输出2906的影响。仅举例来说，第一激光输出2903可具有在1060到1070纳米范围内的第一波长，而第二激光输出2932可具有在1070到1080纳米范围内的第二波长。
在来自种子激光器2902的激光输出停止时，由于如由传感器子系统2920感测到的种子激光器2902的故障操作，传感器子系统2920优选地操作以去激活放大器2904。由于放大器2904和检测器子系统2920的响应时间有限，放大器2904并不立即去激活，而是在来自种子激光器2902的激光输出停止之后继续操作有限的时间段。应了解，在此时间期间，放大器2904不再从种子激光器2902接收第一激光输出2903。然而，辅助种子激光器2930优选地继续将第二激光输出2932提供到放大器2904。应了解，即使在种子激光器2902已停止提供激光输出的情况下，放大器2904也因此继续接收呈第二激光输出2932的形式的输入信号。由辅助种子激光器2930提供到放大器2904的第二激光输出2932足以防止损坏放大器2904，所述损坏原本将很可能由于在放大器2904由传感器2920去激活之前停止向其提供信号而发生。
现在参考图30，其为根据本发明的又一优选实施例构造和操作的包括种子激光器故障保护系统的激光放大系统的简化示意图。
如图30中所见，提供了一种激光系统3000，其优选地包括：提供第一激光输出3003的种子激光器3002；和放大子系统，在此借助于实例体现为功率放大器3004，其从种子激光器3002接收第一激光输出3003且放大所述激光输出以提供放大激光输出3006。举例来说，激光系统3000可体现为主振荡器功率放大器(MOPA)激光器，或可以是包括种子激光器和功率放大器的任何其它激光系统。
为了检测种子激光器3002的激光输出中可能的缺陷，系统3000进一步优选地包括接收来自种子激光器3002的输出的检测器子系统3020。检测器子系统3020可包括用于感测激光输出的性质，且更具体地说，用于检测激光输出中的可能故障的一或多个传感器。传感器子系统3020优选地可操作地耦合到功率放大器3004。传感器子系统3020优选地被配置成在检测到来自种子激光器3002的激光输出中的故障时去激活功率放大器3004。
本发明的优选实施例的特定特征是激光系统3000优选地包括一对光栅3030。一对光栅3030优选地包括优选地定位在放大器3004的入口3034处的第一反射光栅3032和优选地定位在放大器3004的出口3038处的第二反射光栅3036。与放大器3004组合的一对光栅3030优选地形成辅助激光子系统3040的优选实施例。
在种子激光器3002的适当操作期间，放大器3004优选地从种子激光器3002接收第一激光输出3003，且放大第一激光输出3003以提供放大激光输出3006。
在来自种子激光器3002的激光输出停止时，由于如由传感器子系统3020感测到的种子激光器3002的故障操作，传感器子系统3020优选地操作以去激活放大器3004。由于放大器3004和传感器子系统3020的响应时间有限，放大器3004并不立即去激活，而是在来自种子激光器3002的激光输出停止之后继续操作有限的时间段。应了解，在此时间期间，放大器3004不再从种子激光器3002接收激光输出。在这种情况下，反射光栅3030优选地将信号反馈提供到放大器3004，使得与一对光栅3030组合的放大器3004优选地开始作为激光器操作。反射光栅3030优选地具有相对较低的反射率，使得由反射光栅3030提供的信号反馈具有比种子激光器3002的激光输出3003的功率更低的功率。
尤其优选地但不是必须地，一对光栅3030在与种子激光器3002的第一激光输出3003的波长不同的波长下是反射性的，使得在种子激光器3002的适当操作期间，光栅3030对放大输出3006影响是可忽略的。仅举例来说，第一激光输出3003可具有在1060到1070纳米范围内的波长，而光栅3030可能在1090到1100纳米范围内的波长下是反射性的。
应了解，即使在种子激光器3002已停止提供激光输出的情况下，放大器3004也因此继续从光栅3030接收呈信号反馈的形式的输入信号。因此，在种子激光器3002的操作停止时，与光栅3030组合的放大器3004开始作为激光器操作，由此防止损坏放大器3004，所述损坏原本将很可能由于停止向其提供信号而发生。
如图29和30中所见，来自种子激光器2902、3002的激光输出可分别直接供应到放大器2904、3004。替代地，如图31和32中所示出，额外元件可插入种子激光器与放大器之间。具体地说，线宽滤光器，例如滤光器2800或任何其它合适的滤光器，可分别插入种子激光器2902、3002与放大器2904、3004之间，以便滤出线宽不可接受地窄的激光束，且因此防止这种激光束到达并损坏放大器2904、3004。
如上文详述，参考图24到32描述的激光系统中的每一个可包括检测器子系统，例如检测器子系统2420、2920和3020。检测器子系统优选地体现为用于感测来自种子激光器的输出的至少一个传感器。图33中示出形成例如检测器子系统2420、2920和3020的检测器子系统的一部分的传感器的特别优选的实施例。然而，应了解，图33中所示的传感器不限于在本文所述类型的系统中使用，且可作为激光输出传感器而并入受益于其使用的任何激光系统中。
如图33中所见，提供了一种检测器子系统3320。来自种子激光器的激光输出优选地在输入点3330处进入传感器子系统3320且朝向分光器3334行进。在分光器3334处，例如激光输出的1％的一小部分被导向检测器3336，且激光输出的其余部分继续朝向传感器放大器3340。传感器放大器3340优选地为比功率放大器2404、2704、2904或3004低的功率放大器。传感器放大器3340优选地输出放大激光输出，所述放大激光输出优选地借助于细长光纤3344递送到额外检测器3342。
在检测器子系统3320的操作中，在来自种子激光器的输出停止的情况下，在额外检测器3342处检测到的放大激光输出的强度降低。在这种情况下，连接到额外检测器3342以及连接到例如功率放大器2404、2704、2904或3004的功率放大器的控制模块(未绘示)可去激活功率放大器以防止其损坏。
在来自种子激光器的输出劣化以使线宽不可接受地窄的情况下，将会在光纤3344中引发非线性效应。应了解，光纤3344有利地被配置为对这种非线性效应尽可能敏感。出于此目的，光纤3344优选地具有相当长的长度，且优选地具有小的纤芯直径，以便增加光纤3344对来自种子激光器的激光输出的线宽的灵敏度。仅举例来说，光纤3344可具有大致25米的长度和大致6微米的纤芯直径。
由于在来自种子激光器的输出的线宽变窄时在光纤3344中引发的非线性效应，光纤3344优选地开始作为反射镜操作，从而向后朝向放大器3340反射光。由于反射光返回到放大器3340，增强信号到达分光器3334且被检测器3336检测到。在检测器3336处检测到增强信号时，功率放大器优选地去激活以防止其损坏。
本领域技术人员将了解，本发明不限于下文中已特别要求保护的内容。实际上，本发明的范围包括上文所描述的特征的各种组合和子组合，以及本领域技术人员在参考图式阅读上述描述之后将想到且并不在现有技术中的本发明的修改和变化。

Claims (82)

1.一种激光系统，其包含：
种子激光器；
激光束分离及合成子系统，其接收来自所述种子激光器的输出且提供具有噪声的合成激光输出；和
噪声消除子系统，其操作以基于考虑到间歇时间处的所述噪声而提供噪声消除相位校正输出，所述噪声消除子系统操作以采用下述算法：其中，一个选定子束的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案关于检测器行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化，在多个这样的周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所述选定子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生该最大输出强度的最优相位变化，并且所述选定子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化处，且算法进行到优化另一子束；
所述激光束分离及合成子系统在所述间歇时间之间的时间间隙期间另外地改变所述合成激光输出的相位以动态地改变所述合成激光输出的远场强度图案的形状和位置。
2.一种激光系统，其包含：
种子激光器；
激光束分离及合成子系统，其接收来自所述种子激光器的输出且提供具有噪声的合成激光输出；和
噪声消除子系统，其操作以基于考虑到噪声采样率下的所述噪声而提供噪声消除相位校正输出，所述噪声消除子系统操作以采用下述算法：其中，一个选定子束的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案关于检测器行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化，在多个这样的周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所述选定子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生该最大输出强度的最优相位变化，并且所述选定子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化处，且算法进行到优化另一子束；
所述激光束分离及合成子系统以超过所述噪声采样率的相位变化率另外地改变所述合成激光输出的相位以动态地改变所述合成激光输出的远场强度图案的形状和位置。
3.根据权利要求2所述的激光系统，且其中所述噪声采样率和所述相位变化率中的至少一个随时间变化。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的激光系统，其中所述噪声采样率是预定的。
5.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，且其中所述激光束分离及合成子系统改变所述合成激光输出的相位以提供所述合成激光输出的空间调制。
6.根据权利要求5所述的激光系统，其中结合所述合成激光输出的机械空间调制来提供所述合成激光输出的所述空间调制，结合所述机械空间调制的所述空间调制比在不存在所述空间调制的情况下的所述机械空间调制更快。
7.根据权利要求5或权利要求6所述的激光系统，其中结合所述合成激光输出的机械空间调制来提供所述合成激光输出的所述空间调制，结合所述机械空间调制的所述空间调制比在不存在所述空间调制的情况下的所述机械空间调制更精确。
8.根据权利要求5到7中任一项所述的激光系统，其中所述空间调制包含对所述合成激光输出的形状和直径中的至少一个的调制。
9.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，且其中所述激光束分离及合成子系统在分离下游和合成上游提供激光束放大。
10.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，其中基于将至少两个相位变化顺序地施加到所述合成激光输出的至少一个构成光束且识别出所述至少两个相位变化中的对应于所述至少一个构成光束的最大输出强度的一个相位变化来计算所述噪声消除相位校正输出。
11.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，并且还包含协作地耦合到所述噪声消除子系统以用于检测所述合成激光输出的至少一部分的至少一个检测器。
12.根据权利要求11所述的激光系统，其中所述至少一个检测器连续地执行检测。
13.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，且其中所述噪声消除相位校正输出消除所述合成激光输出中的强度噪声。
14.根据权利要求13所述的激光系统，并且还包含用于改变所述合成激光输出的强度的至少一个强度调制器。
15.根据前述权利要求中任一项所述的激光系统，且其中所述噪声消除相位校正输出消除所述合成激光输出中的位置噪声。
16.根据权利要求15所述的激光系统，并且还包含用于改变所述合成激光输出的位置的至少一个位置调制器。
17.一种激光切割系统，其包含根据权利要求1到16中任一项所述的激光系统。
18.一种激光增材制造系统，其包含根据权利要求1到16中任一项所述的激光系统。
19.一种激光焊接系统，其包含根据权利要求1到16中任一项所述的激光系统。
20.一种自由空间光通信系统，其包含根据权利要求1到16中任一项所述的至少一个激光系统。
21.一种用于对相位变化激光输出执行噪声校正的方法，其包含：
接收来自种子激光器的输出；
分离和合成所述输出以提供具有噪声的合成激光输出；
基于考虑到间歇时间处的所述噪声而将噪声消除相位校正输出施加到所述合成激光输出，包括采用下述算法：其中，一个选定子束的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案关于检测器行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化，在多个这样的周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所述选定子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生该最大输出强度的最优相位变化，并且所述选定子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化处，且算法进行到优化另一子束；和
在所述间歇时间之间的时间间隙期间另外地改变所述合成激光输出的相位以动态地改变所述合成激光输出的远场强度图案的形状和位置。
22.一种用于对相位变化激光输出执行噪声校正的方法，其包含：
接收来自种子激光器的输出；
分离和合成所述输出以提供具有噪声的合成激光输出；
基于考虑到噪声采样率下的所述噪声而将噪声消除相位校正输出施加到所述合成激光输出，包括采用下述算法：其中，一个选定子束的相对相位以使得所述相对相位在远场强度图案关于检测器行进的每一周期期间以给定相位变化被修改的方式发生变化，在多个这样的周期之后，其中不同相位变化在每一周期内施加到所述选定子束，所述算法确定所有周期内的最大输出强度，且找到产生该最大输出强度的最优相位变化，并且所述选定子束的相位变化接着在后续周期中固定在最优相位变化处，且算法进行到优化另一子束；和
以超过所述噪声采样率的相位变化率另外地改变所述合成激光输出的相位以动态地改变所述合成激光输出的远场强度图案的形状和位置。
23.根据权利要求22所述的方法，且其中所述噪声采样率和所述相位变化率中的至少一个随时间变化。
24.根据权利要求22或权利要求23所述的方法，其中所述噪声采样率是预定的。
25.根据权利要求21到24中任一项所述的方法，且其中所述相位的改变提供所述合成激光输出的空间调制。
26.根据权利要求25所述的方法，其中结合所述合成激光输出的机械空间调制来提供所述合成激光输出的所述空间调制，结合所述机械空间调制的所述空间调制比在不存在所述空间调制的情况下的所述机械空间调制更快。
27.根据权利要求25或权利要求26所述的方法，其中结合所述合成激光输出的机械空间调制来提供所述合成激光输出的所述空间调制，结合所述机械空间调制的所述空间调制比在不存在所述空间调制的情况下的所述机械空间调制更精确。
28.根据权利要求25到27中任一项所述的方法，其中所述空间调制包含对所述合成激光输出的形状和直径中的至少一个的调制。
29.根据权利要求21到28中任一项所述的方法，并且还包含在分离下游和合成上游放大所述输出。
30.根据权利要求21到29中任一项所述的方法，并且还包含基于将至少两个相位变化顺序地施加到所述合成激光输出的至少一个构成光束且识别出所述至少两个相位变化中的对应于所述至少一个构成光束的最大输出强度的一个相位变化来计算所述噪声消除相位校正输出。
31.根据权利要求21到30中任一项所述的方法，并且还包含检测所述合成激光输出的至少一部分。
32.根据权利要求21到31中任一项所述的方法，其中连续地执行检测。
33.根据权利要求21到32中任一项所述的方法，且其中所述噪声消除相位校正输出消除所述合成激光输出中的强度噪声。
34.根据权利要求33所述的方法，并且还包含在分离下游和合成上游调制所述输出的强度。
35.根据权利要求21到34中任一项所述的方法，且其中所述噪声消除相位校正输出消除所述合成激光输出中的位置噪声。
36.根据权利要求35所述的方法，并且还包含在分离下游和合成上游调制所述输出的位置。
37.一种用于激光切割的方法，其包含根据权利要求21到36中任一项所述的方法。
38.一种用于增材制造的方法，其包含根据权利要求21到36中任一项所述的方法。
39.一种用于激光焊接的方法，其包含根据权利要求21到36中任一项所述的方法。
40.一种用于自由空间光通信的方法，其包含根据权利要求21到36中任一项所述的方法。
41.根据权利要求1所述的激光系统，还包含：
多个检测器，其在所述合成激光输出的所述相位的改变期间的所述间歇时间处检测所述合成激光输出；和
在所述合成激光输出与所述多个检测器之间的多个光学路径，所述多个光学路径用于沿其将所述合成激光输出提供到所述多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
42.根据权利要求41所述的激光系统，其中所述多个光学路径包含多个光纤，所述光纤的端部以大于所述多个检测器的所述空间密度的空间密度布置。
43.根据权利要求21所述的方法，还包含：
沿着多个光学路径将所述合成激光输出提供到多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
44.根据权利要求43所述的方法，其中所述多个光学路径包含多个光纤，所述光纤的端部以大于所述多个检测器的所述空间密度的所述空间密度布置。
45.根据权利要求1或2所述的激光系统，还包含：
至少一个检测器，其在所述合成激光输出的所述相位的改变期间检测所述合成激光输出；和
光学掩模，其包含透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和所述反射区用于分别将从其穿过和由其得到的所述合成激光输出提供到所述至少一个检测器。
46.根据权利要求45所述的激光系统，其中所述透射区和所述反射区中的所述至少一个根据所述合成激光输出的形状和轨迹中的至少一个来配置。
47.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
通过光学掩模将所述合成激光输出提供到至少一个检测器，所述光学掩模包含透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和所述反射区用于分别将从其穿过和由其得到的所述合成激光输出提供到所述至少一个检测器；和
在所述相位的改变期间通过所述至少一个检测器检测所述合成激光输出。
48.根据权利要求47所述的方法，其中所述透射区和所述反射区中的所述至少一个根据所述合成激光输出的形状和轨迹中的至少一个来配置。
49.根据权利要求1或2所述的激光系统，还包含：
相位调制子系统，其用于改变所述合成激光输出的所述相位；和
电压-相位相关子系统，其用于使施加到所述相位调制子系统的电压与由所述相位调制子系统产生的相位调制输出相关且用于提供适用于校正所述相位调制子系统的电压-相位相关输出，相关在所述相位的改变期间周期性地执行。
50.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
通过相位调制子系统改变所述合成激光输出的所述相位；
在所述相位的改变期间周期性地将电压施加到所述相位调制子系统且使所述电压与由所述相位调制子系统产生的相位调制输出相关；和
提供适用于校正所述相位调制子系统的电压-相位相关输出。
51.根据权利要求1或2所述的激光系统，其中：
所述激光束分离及合成子系统将所述输出分成多个子束，所述合成激光输出包含所述多个子束；并且
相位调制子系统，其将所述多个子束中的一些的至少一部分分组成多个子束组，所述相位调制子系统：
平行跨越所述多个子束组，相对于每个组内的其它子束的相位改变所述组内的每个子束的相位，以便改变每个组的相位，和
相对于所述多个组中的其它组的相位改变每个组的所述相位，由此改变所述合成激光输出的相位。
52.根据权利要求51所述的激光系统，其中所述相位调制子系统包含用于执行分组的反射镜的阵列和对应聚焦透镜。
53.根据权利要求51所述的激光系统，其中所述相位调制子系统包含用于改变所述子束的所述相位的多个相位调制器。
54.根据权利要求51所述的激光系统，且其中所述相位调制子系统包含对应于所述多个组的用于检测所述多个组中的每一个的远场强度图案的多个检测器。
55.根据权利要求54所述的激光系统，并且还包含掩蔽所述多个检测器中的对应检测器的多个光学掩模，每一光学掩模包含透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和所述反射区用于分别将从其穿过和由其得到的所述远场强度图案提供到所述多个检测器中的所述对应检测器。
56.根据权利要求54或权利要求55所述的激光系统，其中所述多个检测器至少部分地彼此同时地执行检测。
57.根据权利要求53所述的激光系统，且其中所述相位调制子系统包含多个额外相位调制器，每个额外相位调制器对于每个所述组内的所有子束是公共的以用于相对于所述多个组中的其它组的相位改变每个组的所述相位。
58.根据权利要求54所述的激光系统，其中所述多个检测器中的每一检测器包含多个检测器。
59.根据权利要求54所述的激光系统，并且还包含在所述多个组中的每一个的所述远场强度图案与每一多个检测器之间的多个光学路径，所述多个光学路径用于沿其将所述远场强度图案提供到所述多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
60.根据权利要求51所述的激光系统，其中改变所述合成激光输出的所述相位包含使所述合成激光输出的强度最大化。
61.根据权利要求51所述的激光系统，其中改变所述合成激光输出的所述相位提供所述合成激光输出的空间调制，而不涉及对所述合成激光输出的机械空间调制。
62.根据权利要求51所述的激光系统，且其中所述激光束分离及合成子系统在分离下游和合成上游提供激光束放大。
63.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
将所述激光输出分成多个子束且合成所述多个子束以提供所述合成激光输出；
将所述多个子束中的一些的至少一部分分组成多个子束组；
平行跨越所述多个子束组，相对于每个组内的其它子束的相位改变所述组内的每个子束的相位，以便改变每个组的相位；和
相对于所述多个组中的其它组的相位改变每个组的所述相位，由此改变所述合成激光输出的所述相位。
64.根据权利要求63所述的方法，其中通过反射镜阵列和对应聚焦透镜执行分组。
65.根据权利要求63所述的方法，其中通过多个相位调制器执行所述子束的所述相位的改变。
66.根据权利要求63所述的方法，并且还包含通过对应的多个检测器检测所述多个组中的每一个的远场强度图案。
67.根据权利要求66所述的方法，并且还包含通过多个光学掩模将所述远场强度图案提供到所述多个检测器中的对应检测器，每一光学掩模包含透射区和反射区中的至少一个，所述透射区和所述反射区用于分别将从其穿过和由其得到的所述远场强度图案提供到所述多个检测器中的所述对应检测器。
68.根据权利要求67所述的方法，其中至少部分地彼此同时执行对所述多个组的检测。
69.根据权利要求66所述的方法，且其中通过多个额外相位调制器执行相对于所述多个组中的其它组的相位改变每个组的所述相位，每个额外相位调制器对于每个所述组内的所有子束是公共的。
70.根据权利要求66所述的方法，其中所述多个检测器中的每一检测器包含多个检测器。
71.根据权利要求70所述的方法，并且还包含沿着多个光学路径将所述多个组中的每一个的所述远场强度图案提供到每一多个检测器，所述多个光学路径的空间密度大于所述多个检测器的空间密度。
72.根据权利要求63所述的方法，其中改变所述合成激光输出的所述相位包含使所述合成激光输出的强度最大化。
73.根据权利要求63所述的方法，其中改变所述合成激光输出的所述相位提供所述合成激光输出的空间调制，而不涉及对所述合成激光输出的机械空间调制。
74.根据权利要求63所述的方法，并且还包含在分离下游和合成上游放大所述激光输出。
75.根据权利要求1或2所述的激光系统，其中：
所述激光束分离及合成子系统操作以改变所述合成激光输出的所述相位以使所述合成激光输出聚焦在衬底上，所述合成激光输出在不存在所述相位的改变的情况下并不聚焦在所述衬底上。
76.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
改变所述合成激光输出的所述相位以使所述合成激光输出聚焦在衬底上，所述合成激光输出在不存在所述相位的改变的情况下不聚焦在所述衬底上。
77.根据权利要求1或2所述的激光系统，还包含：
放大子系统，其沿着第一光学路径接收来自所述种子激光器的所述激光输出且提供放大激光输出；和
检测器子系统，其沿着第二光学路径接收来自所述种子激光器的所述激光输出，所述检测器子系统操作以在所述检测器子系统检测到所述激光输出中的至少一个故障时去激活所述放大子系统，
所述激光输出沿着所述第一光学路径从所述种子激光器到所述放大子系统的第一飞行时间大于所述激光输出沿着所述第二光学路径从所述种子激光器到所述检测器子系统的第二飞行时间与所述检测器子系统去激活所述放大子系统所花费的时间的组合。
78.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
沿着第一光学路径接收来自所述种子激光器的所述激光输出；
放大所述激光输出以提供放大激光输出；
沿着第二光学路径接收来自所述种子激光器的所述激光输出；
检测沿着所述第二光学路径接收的所述激光输出中的至少一个故障；和
在检测到所述激光输出中的所述至少一个故障时停止放大，所述激光输出沿着所述第一光学路径的第一飞行时间大于所述激光输出沿着所述第二光学路径的第二飞行时间与实施停止放大所花费的时间的组合。
79.根据权利要求1或2所述的激光系统，还包含：
第一放大器，其布置成接收来自所述种子激光器的所述激光输出，所述第一放大器在接收到来自所述种子激光器的所述激光输出时提供第一放大激光输出，且在停止接收来自所述种子激光器的所述激光输出时提供放大自发发射和额外激光输出中的一个；和
第二放大器，其从所述第一放大器接收所述第一放大激光输出、所述放大自发发射和所述额外激光输出中的一个且提供第二放大激光输出，由所述第二放大器提供的放大大于由所述第一放大器提供的放大。
80.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
在接收到来自所述种子激光器的所述激光输出时通过第一放大器提供第一放大激光输出；
在停止接收来自所述种子激光器的所述激光输出时通过所述第一放大器提供放大自发发射和额外激光输出中的一个；和
通过第二放大器接收所述第一放大激光输出、所述放大自发发射和所述额外激光输出中的一个且提供第二放大激光输出，所述第二放大激光输出大于所述第一放大激光输出。
81.根据权利要求1或2所述的激光系统，其中：
所述种子激光器提供具有第一功率的第一激光输出，并且还包含；
放大子系统，其接收来自所述种子激光器的所述第一激光输出且提供放大激光输出；和
辅助激光子系统，其至少在所述第一激光输出停止时提供第二激光输出，所述第二激光输出具有比所述第一功率低的第二功率。
82.根据权利要求21或22所述的方法，还包含：
提供具有第一功率的第一激光输出；
通过放大器放大所述第一激光输出以提供放大激光输出；和
至少在停止提供所述第一激光输出时提供第二激光输出，所述第二激光输出具有比所述第一功率低的第二功率。
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