CN111919352B - 具有fac透镜面外波束转向的二极管激光设备 - Google Patents

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Abstract

设备包括第一激光二极管、第一快轴准直器(FAC)、第二激光二极管以及第二快轴准直器(FAC)，第一激光二极管被定位成沿着光轴从出射面发射波束，所发射的波束具有垂直于光轴的垂直快轴和慢轴，第一快轴准直器(FAC)光学耦合到从所述出射面发射的波束，所述第一快轴准直器被配置为沿着重定向波束轴引导所述波束，所述重定向波束轴相对于所述第一激光二极管的光轴具有非零角度，第二激光二极管被定位为从第二激光二极管的出射面沿着平行于第一激光二极管的光轴的光轴发射波束，所述波束的慢轴与第一激光二极管的慢轴位于共同平面中，所述第二快轴准直器(FAC)光学耦合到从第二激光二极管的出射面发射的波束，并被配置为沿着重定向波束轴引导波束，所述波束轴相对于所述第二激光二极管的光轴具有非零角度。

Description

具有FAC透镜面外波束转向的二极管激光设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2018年2月6日提交的美国临时专利申请第62/627,165号和于2018年3月30日提交的美国临时专利申请第62/650,907号的优先权，这两个申请均通过引用并入本文。
技术领域
领域为激光二极管合束封装。
背景技术
已经开发了激光二极管，其产生使各种应用成为可能的实质输出功率。为了进一步增加可用的光功率，已经制造了激光二极管组件，其中来自多个激光二极管的输出波束在光纤激光系统中组合。这种激光二极管组件有时称为激光二极管封装。在包括泵浦连续波光纤激光器(CWBL)和/或直接加工材料的各种应用中，在激光工业中存在不断提高亮度并使激光二极管封装中的损失最小化的动力。然而，即使迫切需要没有各种缺点的解决方案，也仍然存在实现这种改进的各种障碍。以下披露描述了所述改进。
发明内容
设备示例使用相对于入射波束旋转和/或平移的快轴准直器来重定向激光二极管波束。
所选择的示例包括被定位成沿着平行于共同表面的平面中的光轴发射波束的二极管，所发射的波束的快轴与共同表面和光轴相互垂直，并且相对于所述光轴以偏离轴线的角度设置和/或偏移的快轴准直器，并且快轴准直器定位成接收所述波束、使所述波束准直并且相对于所述光轴以小角度引导所述波束，以便随后用转向镜进行波束堆叠。方法包括设置二极管和准直器以及操作二极管以形成包括快轴准直器的波束堆叠。
在一些激光二极管封装实施例中，每个衬底上芯片(CoS)(例如安装在超级载体上或直接安装到外壳表面的三个COS)被放置在相同的水平面上，使得每个COS具有相同的高度和到外壳和/或热沉的相同热路径。在代表性示例中，通过光学方法在竖直方向上堆叠激光二极管波束。在一些堆叠示例中，为了在竖直方向上实现波束分离，利用平坦的CoS安装件，使用快轴准直器(FAC)透镜来转向经准直的波束向上/向下。在一些示例中，使用竖直方向上的楔形棱镜或楔形慢轴准直器(SAC)来将准直波束转向为平行于水平面。设备和相关方法可提供平装二极管封装，其可用平金属板(或无阶梯和板)代替阶梯机加工部件，从而降低激光二极管结温度并改善激光二极管和激光二极管封装性能。在一些示例中，不设置阶梯从而允许使用难以或不可能有效地(例如以高精度)形成或加工的其他先进材料。
根据所披露的技术的一个方面，设备包括第一激光二极管，所述第一激光二极管被定位成沿着光轴从出射面发射波束，所发射的波束具有垂直于所述光轴的垂直快轴和慢轴；第一快轴准直器(FAC)，所述第一快轴准直器光耦合到从所述出射面发射的所述波束，并且被配置为沿着重定向波束轴引导所述波束，所述重定向波束轴相对于所述第一激光二极管的所述光轴具有非零角度；第二激光二极管，所述第二激光二极管被定位成从所述第二激光二极管的出射面沿着平行于所述第一激光二极管的光轴的光轴发射波束，所述波束的慢轴与所述第一激光二极管的慢轴位于共同平面中；和第二快轴准直器(FAC)，所述第二快轴准直器光耦合到从所述第二激光二极管的所述出射面发射的所述波束并且被配置成沿着重定向波束轴引导所述波束，所述重定向波束轴相对于所述第二激光二极管的所述光轴具有非零角度。在一些示例中，由所述第一FAC提供的所述非零角度大于2度并且小于10度。在其他示例中，由所述第一提供的所述非零角度大于3度并且小于6度。在特定示例中，其中所述第一激光二极管包括激光二极管棒，所述激光二极管棒包括被设置在所述共同平面中的多个棒发射器，并且所述波束包括从对应的棒发射器发射进入所述共同平面的多个波束，所述多个波束由所述第一FAC改变方向，并且其中，所述设备还包括柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列被定位成接收来自所述第一FAC的所述多个波束并且沿着相应慢轴准直所述多个波束。一些示例进一步包含具有壳体表面的激光二极管封装壳体；和衬底，所述衬底被配置成将所述第一激光二极管和第二激光二极管相对于所述壳体表面固定。一些衬底包括多个衬底块，所述衬底块彼此间隔开并且附接到所述壳体表面以及所述第一激光二极管和第二激光二极管上。
所选择的壳体示例还包括安装到所述壳体表面和所述衬底的安装块。一些壳体示例包括冷却块，所述冷却块联接到所述壳体上并且被配置成使冷却剂流动。在具体的冷却块示例中，所述冷却块包括冷却通道，所述冷却通道联接到所述壳体的热联接表面上，所述热联接表面被定位成与所述壳体表面相反。一些示例包括固化的结合材料，所述固化的结合材料将所述第一FAC和第二FAC固定到所述衬底和/或所述第一激光二极管和第二激光二极管，以提供所述非零角度。在一些示例中，所述第一激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的所述非零角度与所述第二激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的所述非零角度相同。一些示例还包括第一转向镜和第二转向镜，所述第一转向镜和第二转向镜被定位成沿着对应的重定向波束轴接收所述波束并且将所述波束旋转成沿着所述快轴堆叠。在一些实施例中，所述第一转向镜或第二转向镜中的至少一者包括斜面，所述斜面经配置以为由所述第一转向镜或第二转向镜中的另一者旋转的所述波束提供间隙以邻近所述斜面传播。还包括第一慢轴准直器和第二慢轴准直器，所述第一慢轴准直器和所述第二慢轴准直器定位成沿着所述相应的重定向波束轴接收和准直从所述第一快轴准直器和所述第二快轴准直器接收的所述波束，并且准直所述波束的所述慢轴。进一步的示例还包括聚焦光学器件，所述聚焦光学器件被配置成将堆叠的波束耦合到光纤中。另外的示例包括极化复用器，以将所述堆叠的波束与另外的波束堆叠进行组合。一些实施例包括壳体，所述壳体被配置成支撑所述第一激光二极管和第二激光二极管；和盖子，所述盖子被配置成封闭激光器壳体。在一些示例中，所述第一激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的所述非零角度不同于所述第二激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的所述非零角度。在选择的示例中，所述第一激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的非零角与所述第二激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间的非零角的数目相同但符号相反。一些示例还包括第一楔形棱镜和第二楔形棱镜，所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜被定位成沿着所述对应的重定向波束轴接收所述波束并且被配置成将所述波束重定向成相对于所述共同平面以共同角度传播。在一些示例中，所述共同角度为零，使得所述波束在所述第一楔形棱镜和第二楔形棱镜之后沿着平行且间隔开的波束轴传播。一些实施例可以包括第一楔形慢轴准直器和第二楔形慢轴准直器，所述第一楔形慢轴准直器和所述第二楔形慢轴准直器定位成沿着所述相应的重定向波束轴接收并准直从所述第一快轴准直器和所述第二快轴准直器接收的所述波束，以准直所述波束的所述慢轴，并且重定向所述波束以相对于所述共同平面以共同角度传播。一些实施例包括第一转向镜和第二转向镜，所述第一转向镜和第二转向镜被定位成沿着所述对应的重定向波束轴接收所述波束并且将所述波束转向成沿着所述快轴堆叠并且将所述波束重定向成相对于所述共同平面以共同角度传播。在代表性示例中，所述第一FAC具有相对于所述第一激光二极管的光轴成角度设置的光轴，以产生所述重定向波束轴的所述非零角度。在一些示例中，所述FAC的光轴相对于所述第一激光二极管的光轴的角度与所述重定向波束轴的非零角度相差小于2％。在特定示例中，所述第一FAC具有平坦输入表面，所述平坦输入表面垂直于所述第一FAC的光轴并且相对于所述出射面以与从所述第一激光二极管发射的波束的重定向波束轴和所述第一激光二极管的光轴之间的非零角度相同的角度设置。在代表性示例中，所述第一FAC的光轴在所述第一激光二极管的出射面与所述第一激光二极管的光轴相交。在典型示例中，交点对应于所述第一FAC的焦点或焦线。在一些示例中，所述第一FAC是圆柱形平凸透镜或圆柱形双凸透镜。在特定实施例中，第一FAC在第一FAC的光轴的与非零角度相对的一侧上具有接收角扩展。在所选择的示例中，所述第一FAC具有与所述第一激光二极管的光轴平行但间隔开距离的光轴，所述距离在所述第一激光二极管的光轴与其重定向波束轴之间产生非零角度。
根据所披露的技术的另一方面，设备包括第一激光二极管，所述第一激光二极管被定位成沿着光轴从出射面发射波束，所发射的波束具有垂直于所述光轴的垂直快轴和慢轴；第一快轴准直器(FAC)，所述第一快轴准直器光耦合到从所述出射面发射的所述波束，并且被配置为沿着重定向波束轴引导所述波束，所述重定向波束轴相对于所述第一激光二极管的所述光轴具有非零角度；第二激光二极管，所述第二激光二极管被定位成沿着平行于所述第一激光二极管的光轴从所述第二激光二极管的出口发射波束，所述波束的慢轴与所述第一激光二极管的慢轴位于同一平面中；和第二快轴准直器(FAC)，所述第二快轴准直器光耦合到从所述第二激光二极管的出射面发射的波束，并且被配置成沿着与所述第二激光二极管的光轴共线的波束轴引导所述波束。
根据所披露的技术的另一方面，设备包括第一激光二极管，所述第一激光二极管被定位成沿着光轴从出射面发射波束，所发射的波束具有垂直于所述光轴的垂直快轴和慢轴；以及第一快轴准直器(FAC)，所述第一快轴准直器光耦合到从所述出射面发射的所述波束，并且被配置为沿着重定向波束轴引导所述波束，所述重定向波束轴相对于所述第一激光二极管的所述光轴具有非零角度；其中，所述第一FAC具有相对于所述第一激光二极管的光轴成角度安排的光轴，以产生所述重定向波束轴的非零角度。
通过参考附图进行的以下详细描述，所披露的技术的前述和其他目的、特征和优点将变得更加清楚。
附图说明
图1是使用阶梯状安装表面的激光二极管封装设备的透视图。
图2是使用平坦安装表面的示例性激光二极管封装设备的透视图。
图3是示例性快轴准直器波束转向设备的侧视图。
图4是快轴准直器波束转向设备的另一个示例的侧视图。
图5A是另一示例快轴准直器波束转向设备的侧视图。
图5B是图5A所示的快轴准直器波束转向设备的端视图。
图5C是图5A所示的快轴准直器波束转向设备的无焦平面中的波束在NA空间中的波束截面。
图6是使用其他设备和方法转向的波束在NA空间中的波束横截面，用于与图5C作比较。
图7A是另一示例快轴准直器波束转向设备的俯视图。
图7B是图7A所示的快轴准直器波束转向设备的焦平面中的NA空间中的波束截面。
图8A是另一示例快轴准直器波束转向设备的侧视图。
图8B是图8A所示的快轴准直器波束转向设备的无焦平面中的波束在NA空间中的波束截面。
图9A是另一示例快轴准直器波束转向设备的侧视图。
图9B是图9A所示的快轴准直器波束转向设备的无焦平面中的波束在NA空间中的波束横截面。
图10是用快轴准直器准直的波束的侧视图。
图11是用快轴准直器准直和转向的波束的侧视图。
图12是用快轴准直器准直和转向的另一波束的侧视图。
图13A-13B是用于示例性快轴准直模拟的光线轨迹和相关横向射线扇绘图。
图14是示例性倒角转向镜的透视图。
图15-16是热模拟的透视图。
图17A-17C是具有模拟光学结果的激光二极管封装光学布局的透视图和侧视图。
图18A-18B是示例性激光二极管封装的一部分的透视图。
图19A-19B分别是另一示例激光二极管封装的分解图和侧视图。
图20是另一示例激光二极管封装的透视图。
具体实施方式
激光二极管封装通常被配置为在快轴上堆叠从激光二极管发射的波束。二极管组件中的各种光学器件将波束准直、引导并聚焦到光纤的输入表面上，该光纤将组合的波束传输到另一设备，例如光纤激光器或其他激光处理设备。可以通过增加二极管封装中激光二极管的数量来增加总可用功率。然而，用于形成波束堆叠的激光二极管通常必须间隔开。被传递到光纤的输入表面的波束堆中的波束的数量确定波束堆的尺寸。因此，可以实际组合的波束的数量受到限制。二极管封装利用不同的方法在激光二极管的快轴上物理分离波束。在图1所示的示例性封装布局100中，衬底上芯片(COS)101a-101c具有以阶梯图案设置在阶梯二极管安装块104上的激光二极管102a-102c。来自激光二极管102a-102c的准直波束106a-106c形成波束堆叠108。与这样的阶梯结构相关的一个问题是单独固定到阶梯二极管支架104的分离的阶梯110a-110c的激光二极管102a-102c具有增加的阶梯高度，因此相应地增加了到壳体表面112的热路径。随着热路径增加，激光二极管102a-102c在越来越高的温度下工作。通常，温度会不利地影响几个激光二极管参数，特别是激光二极管功率和激光二极管可靠性。因此，封装布局100的阶梯架构会降低一些激光二极管封装中的功率和可靠性。而且，阶梯二极管安装块104通常在机加工表面和形状时需要非常严格的公差，增加了费用和制造复杂性，并且由于阶梯形状的可机加工性要求而限制了材料的选择，并且由于增加了阶梯高度而限制了更高的热阻。所得到的较高工作温度器件可以降低可接受的运行功率和/或降低器件可靠性。阶梯110a-110c和外壳表面112之间的不同热路径可导致激光二极管102a-102c的不期望的变化照射温度，从而导致不同的激光二极管性能和激光波长的变化。在阶梯110a-110c的高度固定之后，通常难以在不对封装设计架构、工艺和工装设备以及快轴中堆叠的波束阵列的光学建模和bpp或亮度优化进行重大改变的情况下改变。此外，阶梯110a-110c或阶梯二极管安装块104本身增加了典型激光二极管封装的体积和重量，这在可能需要较低封装重量的应用或环境中也是不期望的。
在本文的各种示例中，与阶梯二极管安装块104相关联的许多或所有问题通过激光二极管封装配置来克服，激光二极管封装配置具有放置在共同平面上的每个衬底上芯片(CoS)(例如超级载体中的三个COS)，使得每个具有相同的高度和到壳体和热沉的相同热路径。例如，参见图2，激光二极管封装布局200包括具有分别安装在其上的激光二极管202a-202c的三个CoS 201a-201c。然而，CoS 201a-201c平行于壳体表面206安装到安装块204的共同平坦表面203上。与封装布局100相比，可以通过光学方法在竖直方向上堆叠准直激光波束208a-208c。因此，在这里选择的示例中，为了实现在竖直方向上的波束分离，使用平坦的CoS衬底来发射激光二极管波束，并且使用快轴准直器(FAC)透镜210a-210c来向上/向下引导波束208a-208c并提供快轴准直。在一些示例中，可选的楔形棱镜用于在竖直方向上重定向被转向的波束，并且在其他示例中，楔形SAC透镜用于将准直的波束转向为平行于水平面。在额外示例中，可通过安装在平坦表面上的多个二极管激光器来克服与阶梯式安装块相关联的缺点，且通过快轴准直(FAC)透镜束转向成角度地将来自多个二极管激光器的波束引导出平面而在竖直方向上堆叠所述波束。因此，在各种示例中，可以提供基本上平坦的壳体安装表面，从而简化和提高封装制造的精度。因此，可以制造扁平激光二极管封装，用简单的扁平金属板(或没有金属板)代替阶梯加工部件，降低二极管的结温，提高激光二极管性能。此外，对于扁平金属板示例，可以使用通常难以形成或加工成高精度阶梯台座的附加材料。小的重量和体积可以具有平面化的机械设计，并且可以通过有效的散热实现提高的二极管激光器功率和效率。平坦的壳体基板还可以允许使用工业热沉进行有效的传导冷却或者将冷却歧管容易地集成到壳体基板中。
图3是包括安装到衬底304的激光二极管302的波束重定向激光二极管设备300的示例。激光二极管302包括在相对的背面308和出射面310之间延伸的半导体增益介质306。激光波束312沿着激光二极管302的光轴314从出射面310发射，具有垂直于图3的平面并垂直于光轴314延伸的缓慢发散的波束轴或慢轴316，以及在图3中竖直延伸并垂直于光轴314的快速发散的波束轴或快轴318。快轴准直器(FAC)320相对于激光二极管302定位，以接收激光波束312，沿着快轴318准直激光波束312，并且将激光波束312沿着重定向波束轴322重定向，作为相对于光轴314以小角度α1传播的快轴准直激光波束。通过改变FAC 320的取向使得FAC 320的光轴324相对于激光二极管302的光轴314成角度θι来产生重定向波束轴322。在代表性示例中，重定向角度on基本上接近于FAC 320的旋转角度θι，例如彼此在±2°、±1°、±0.5°、±0.1°等之内，或者在彼此的10％、5％、2％、1％、0.1％等。在代表性示例中，光轴324和对应的焦点(或线)在激光二极管302的出射面310处与光轴314相交。通过提供FAC 320成角度θι的旋转，可以在通过光轴324相对于单独的光轴314的平移提供的波束重定向上获得减小的光学像差(例如图4所示)。此外，通过提供具有旋转和平移的FAC 320的取向，使得光轴314，324与FAC 320的焦点的交点位于出射面310处，相对于单独平移FAC320或单独旋转FAC 320，可以获得激光波束312中减小的光学像差，这可以进一步提高后续波束组合操作(例如将激光波束312耦合到光纤中)中的耦合效率。这至少是因为球面波前从点源(出射面310)发射并且位于FAC 320的焦点处在轴上，使得源曲面和透镜曲面两者的曲率通过共同轴共享对称性。波束重定向可有利地用于各种应用中，包括多个激光二极管或激光二极管棒的设置，所述激光二极管或激光二极管棒发射具有共同平面中的慢轴的波束并将所述束组合和耦合到光纤中，如本文示例中进一步论述。
在代表性示例中，FAC 320是具有平坦输入表面326的平凸柱面透镜，该平坦输入表面326接收从出射面310发射的激光波束312。FAC 320的示例还可以包括双凸柱面透镜。FAC 320可以包括球形(柱面)输出表面328，或者可以使用非球面或其他曲线。在代表性示例中，角度α1相对较小，例如在2°与10°、3°与8°，或4°与5°之间，但其他角度也是可能的。虽然在图3中示出为大致向上倾斜，但是在一些示例中，FAC 320在图3中也可以向下倾斜。FAC320可以相对于激光二极管302以角度θι用UV固化环氧树脂、高温胶或用于将透镜结合到各种结构的其他合适的结合材料330固定。衬底304可通过紧固件、焊料、环氧树脂或其他粘合剂附接到安装表面332，例如激光二极管封装的外壳334的表面。FAC 320可以固定到衬底304、激光二极管302、安装表面332、其他中间固定构件，或便于以预定角度θι相对于激光二极管302固定的关系提供FAC 320的任何组合。在一些示例中，FAC 320可以接触衬底304、激光二极管302和安装表面332中的一个或多个。接合材料330可以延伸到衬底304和/或激光二极管302的顶表面上方。
图4是包括安装到衬底404的激光二极管402的另一波束改向激光二极管设备400的示例。激光二极管402包括在相对的背面408和出射面410之间延伸的半导体增益介质406。激光波束412沿着激光二极管402的光轴414从出射面410发射，具有垂直于图4的平面并垂直于光轴414延伸的缓慢发散的波束轴或慢轴416，以及在图4中竖直延伸并垂直于光轴414的快速发散的波束轴或快轴418。快轴准直器(FAC)420相对于激光二极管402定位，以接收激光波束412，沿着快轴418准直激光波束412，并且将激光波束412沿着重定向波束轴422重定向为快轴准直的激光波束。重定向波束轴422相对于光轴414以角度α2提供，并且通过改变FAC 420的取向而产生，使得FAC 420的光轴424相对于激光二极管402的光轴414平行并且间距预定距离d。
在代表性示例中，FAC 420是具有平坦输入表面426的平凸透镜，平坦输入表面426接收从出射面410发射的激光波束412，尽管在一些示例中也可以使用双凸透镜。FAC 420可以包括球形(柱面)输出表面428，或者可以使用非球面或其他曲线。在代表性示例中，用距离d产生的角度a2相对较小，例如在2°与10°、3°与8°或4°与5°之间，但其他角度也是可能的。虽然在图1中示出为大致向上倾斜，但是在FAC 420的一些示例中，通过在图4中的光轴414下方提供与光轴424间隔开的距离d，重定向波束轴也可以向下倾斜。FAC 420可以相对于激光二极管402在距离d处用UV固化环氧树脂、高温胶或用于将透镜结合到各种结构的其他合适的结合材料430来固定。衬底404可通过紧固件、焊料、环氧树脂或其他粘合剂附接到安装表面432，例如激光二极管封装的外壳434的表面。FAC 420可以被固定到衬底404、激光二极管402、安装表面432、其他中间固定构件，或便于提供相对于激光二极管402固定的FAC420以产生预定角度a2的任何组合。在一些示例中，FAC 420可以接触衬底404、激光二极管402和安装表面432中的一个或多个。接合材料430可以延伸到衬底404和/或激光二极管402的顶表面上方。
图5A-5B示出了激光二极管封装500的一部分，该激光二极管封装500使用快轴准直器506a-506c将从各个激光二极管503a-503c发射的激光二极管波束502a-502c转向到共同平面504之外。激光二极管503a-503c中的每一个安装在相应的衬底508a-508c上以形成衬底上芯片510a-510c。激光二极管波束502a-502c在共同平面504中沿平行的波束轴512a-512c发射，并被转向，以与共同平面504成角度而沿着平行的重定向波束轴514a-514c传播，并形成快轴准直波束516a-516c。因此，激光二极管波束502a-502c具有在图5A中的竖直方向518上对齐的快轴和在进入图5A的平面的方向520上(或在图5B中的水平方向)对齐的慢轴。快轴准直波束516a-516c由慢轴准直器522a-522c接收，慢轴准直器522a-522c准直快轴准直波束516a-516c的各个慢轴以形成沿着快轴和慢轴准直的准直波束524a-524c。在代表性示例中，慢轴准直器522a-522c相对于快轴518基本上不改变波束方向。
准直波束524a-524c以垂直于共同平面504的轴525的方位角γ(例如90°，但其他角度是可能的或可能是优选的)重定向，其中相应的转向镜526a-526c以γ/2旋转。转向镜526a-526c通常具有垂直于共同平面504设置的平面反射面。因此，在被转向镜526a-526c反射之前和之后，准直波束524a-524c的重定向角度a可以保持相同。为了便于说明，在图5A中彼此上方示出了分开的衬底上芯片510a-510c，并且每个衬底上芯片510a-510c用环氧树脂或焊料安装到共同表面528，例如通常平行于共同平面504延伸的壳体530或其他安装块的表面。在代表性示例中，慢轴准直器522a-522c和转向镜526a-526c也可以例如用环氧树脂或焊料安装到共同表面528。壳体530通常是导热的，使得在激光二极管503a-503c的运行过程中产生的热量可以下沉到壳体530中或穿过壳体530。如图5B所示，激光二极管503a-503c之间的间距(以及对应的衬底上芯片510a-510c)和重定向角度a是相对于准直波束524a-524c或转向镜526a-526c的特性来配置的，使得减少或不发生波束削波。例如，准直波束524a在上面传播而没有被转向镜526b的边缘截去，并且准直波束524b在上面传播而没有被转向镜526c的边缘截去。
在通过转向镜526a-526c重定向之后，准直波束524a-524c沿着快轴堆叠以形成波束堆叠525，使得每个波束快轴共线并且每个波束慢轴平行并且间隔开。图5C是在例如参考平面532的远焦平面(NA空间中)中的准直波束524a-524c的模型化横截面图像534。准直波束524a-524c由耦合光学器件536(例如物镜)接收，耦合光学器件536将准直波束524a-524c聚焦并耦合到光纤538中。从图像534可以看出，准直波束524a-524c相对于彼此没有倾斜地堆叠。即，波束堆525具有形状为方形或矩形或接近方形或矩形的包络或边界，这可提供适合于将波束堆525有效地耦合到光纤538中且具有低NA的有利波束质量。
图6中所示的倾斜束横截面图像600的示例可以通过使用微应用在此描述的快轴转向方法和配置的波束组合方法来产生，例如通过使用转向镜526a-526c转向波束。通过使用倾斜的转向镜引导在与从多个激光二极管发射的波束的慢轴对准的共同平面中传播的二极管激光波束传播出共同平面，每个二极管激光波束的快轴和慢轴旋转有限角度。在产生垂直波束堆叠602时，用连接每个波束的中心的线形成粒子图包络形状，该线不垂直于波束的慢轴，这可导致具有降低的光纤耦合光功率和/或增加的NA的差的波束质量。而且，具有倾斜特性的激光二极管波束的偏振复用可导致功率损耗，因为偏振复用器的偏振轴之一(其通常被设置为平行于波束堆叠的中心线)不垂直于波束的慢轴(其平行或垂直于波束偏振轴)。所得到的极化复用可以导致来自正交极化的通过复用器的被拒绝的传输。
可以选择重定向角度α，使得波束堆叠525e中的波束尽可能靠近地相邻，而基本上不撞击转向镜526a-526c。在角度太小的情况下，可能发生由转向镜526a-526c进行的实质的波束削波并导致功率损失，但是角度太大可能增加波束堆叠525的NA并降低波束堆525的亮度。在特定示例中，5°的重定向角a具有快轴准直器506a-506c，其可以使用间距4mm的两个转向镜在参考平面532中在快轴方向上提供350pm的波束间距偏移。这样的波束偏移间距可以对应于在图1所示的分离阶梯110a-110c中以350pm步长产生的波束间距。在代表性示例中，激光二极管封装500中的各个部件可以是相同的，包括衬底上芯片510a-510c、快轴准直器506a-506c、慢轴准直器522a-522c和转向镜526a-526c，从而降低了制造复杂度和错误率。如所示出的，连同相关联的光学部件组示出了三个激光二极管503a-503c。然而，应当理解，可以使用更多或更少的激光二极管和相应的光学部件组。在代表性示例中，重定向角度a是通过使快轴准直器506a-506c的光轴相对于激光二极管波束502a-502c的光轴在共同平面504中倾斜而产生的。在所选择的示例中，为了产生重定向角度a，快轴准直器506a-506c的光轴在激光二极管503a-503c的出射面处与激光二极管波束503a-503c的光轴相交，使得快轴准直器506a-506c的焦点(或线)位于出射面，导致快轴准直器506a-506c的平移和旋转(并且重定向角度a可以基本上等于或接近快轴准直器506a-506c围绕焦点的旋转量)。在另外的示例中，重定向角度a是通过快轴准直器506a-506c的光轴相对于激光二极管波束502a-502c的光轴的平行平移来产生的。然而，通常，可以通过使用快轴准直器506a-506c的光轴(或平面)的旋转而不是使用平行平移来实现重定向的快轴准直波束516a-516c中的减小的像差，并且可以通过使用旋转和平移来获得像差的特别优异的减小，例如通过如上所述在出射面处提供光学轴向交叉。在代表性的示例中，衬底上芯片510a-510c可以直接安装到壳体530上(例如直接安装到共同表面528上)，从而减小到壳体530的热传导路径的长度。在另外的示例中，衬底上芯片510a-510c可以安装到中间导热结构，例如一个或多个安装块(例如图2中所示的安装块204或单独的安装块)。通过将衬底上芯片510a-510c直接安装到壳体530，衬底508a-508c(或者如果单个衬底用于多个安装的激光二极管，则为单个衬底)可以具有这样的厚度，使得激光二极管503a-503c尽可能靠近共同表面528安装，这通过快轴准直器506a-506c的形状机械地实现，因为向上导向的快轴准直波束516a-516c即使在快轴准直波束516a-516c中具有有限的残余快轴波束发散，也可以避免撞击共同表面528(如果是扩展平面)。相对于共同表面528的紧密定位还可以减轻对转向镜526a-526c的高度要求。
图7A-7B示出了一个示范性激光二极管封装700，该激光二极管封装被配置成通过使用成角度的和/或偏置的快轴准直器708a-708c来转向从具有相应激光二极管棒发射器706a-706c、706d-706f、706g-706i的激光二极管棒704a-704c发射的激光二极管波束702a-702i。将激光二极管棒704a-704c安装到衬底710a-710c上以形成衬底上芯片712a-712c。所述激光二极管波束702a-702i具有从所述对应的激光二极管棒704a-704c所发射的共同慢轴。例如一个或多个柱面透镜阵列的慢轴准直器714a-714c被定位成用于接收被转向之后的并且由该快轴准直器708a-708c进行快轴准直的的激光二极管波束702a-702i，以便沿着它们各自的慢轴对所述的激光二极管波束702a-702i进行准直。以选定的小角度(例如在约2°与20°之间，并且更典型地在约4°与6°之间)将的激光二极管波束702a-702i引导出图7A的共同平面，并且使用转向镜716a-716c进行旋转。选择转向镜716a-716c之间的小角度和间距，以使得激光二极管波束702a-702i避免撞击转向镜716a-716c。在代表性示例中，转向镜716a-716c具有垂直于图7A的平面的反射表面(诸如激光二极管封装外壳表面)，使得小角度在被转向镜716a-716c反射之后保持相同。图7B示出了在与波束传播方向垂直的平面中由转向镜716a-716c反射之后的激光二极管波束702a-702i的截面图718。反射波束形成具有方形或矩形形状(或接近方形或矩形)的波束堆叠720，波束沿着慢轴和快轴堆叠。波束堆720通常耦合到具有聚焦光学器件724的光纤722中，并且在代表性示例中，光纤722和聚焦光学器件724的光轴相对于图7A的共同平面以小角度设置。
图8A-8B示出了多角度快轴波束转向设备800的示例。多个激光二极管802a-802c被设置成发射各自的激光二极管波束804a-804c，所述激光二极管波束具有位于共同平面808中的光轴806a-806c和慢轴。激光二极管802a-802c可以安装在安装在共同超载体安装块812上的各个衬底810a-810c上。超载体812安装到多角度快轴波束转向设备800的壳体表面814。激光二极管802a-802c相邻地位于图8A的平面中，但是为了便于说明而在竖直方向上分开示出，从而将共同平面808分割开。
激光二极管波束804a-804c由具有光轴818a-818c的相应快轴准直器816a-816c接收。快轴准直器816a在图8A中向上移位，使得光轴818a在竖直方向上与从激光二极管804a发射的激光二极管波束804a的光轴806a间隔开。在一些示例中，快轴准直器816a相对于光轴806a旋转或既旋转又偏移，以改变快轴准直器816a的取向。相应的激光二极管波束820a被折射和准直，但是相对于共同平面808以角度a被向上转向。利用慢轴准直器822a在慢轴方向准直激光二极管波束820A，并由转向镜824a接收，并且在快轴准直器816a和转向镜824a之间的激光二极管波束820a的传播距离导致相对于未偏转波束(诸如激光二极管波束804b)的选定量的向上波束位移。快轴准直器816b没有相对于图8A中的激光二极管光轴806b向上或向下移位或旋转，并且因此光轴818b与从激光二极管804b发射的激光二极管波束804b的光轴806b共线。相应的激光二极管波束820b被折射和准直，但不相对于共同平面808成角度地转向。利用慢轴准直器822b在慢轴中准直激光二极管波束820b，并由以选定角度(例如90°)反射波束以传播进入或离开图7A的平面的转向镜824b接收。快轴准直器816c在图8A中向下移位，使得光轴818c与从激光二极管804c发射的激光二极管波束804c的光轴806c间隔开。在一些示例中，快轴准直器816c相对于光轴806c旋转或既旋转又偏移。相应的激光二极管波束820c被折射和准直，但是相对于共同平面808以角度a向下转向。利用慢轴准直器822c在慢轴方向准直激光二极管波束820c，并由转向镜824c接收，激光二极管波束820c在快轴准直器816c和转向镜824c之间的传播距离导致相对于未偏转的波束(如激光二极管波束804c)以选定量的向下波束位移。
相比之下，在诸如图1所示的一些激光二极管封装结构中，波束之间的竖直间隔可以是大约0.45mm并且由激光二极管发射器的阶梯设置提供。在多角度快轴波束转向设备800中，通过将角度a选择为大约1.7°(a＝0.35/12＝0.03rad或-1.7°)可以提供在距离激光二极管802a-802c为12mm的转向镜824a-824c的位置处的0.35mm的波束间距。该角度a可以通过将快轴准直器816a、816c从光轴806a\806c移位9.6pm(320pm×0.03rad)而基本上不影响快轴波束准直或者通过将快轴准直器816a、816c相对于激光二极管光轴806a、806c旋转1.7°而实现。为了抑制激光二极管波束820a、820c经转向镜824a、824c反射后以以角度±a连续传播，将转向镜824a相对于其镜面向前/向下旋转较小的量(a/2)，以转向激光二极管波束820a为平行于激光二极管光束820b传播，且将转向镜824c相对于其镜面向后/向上旋转相似的量，以转向激光二极管波束820c为平行于激光二极管光束820b传播。所得到的反射波束以0.35mm的竖直间隔彼此平行地传播，作为波束堆叠826，如图8B中的角空间中的截面所示。如在图8B中所看到的，将激光二极管波束820a、820c转向成与由转向镜824a、824c提供的激光二极管波束820b平行提供了具有相对于激光二极管波束820b约为a的小扭转的激光二极管波束820a、820c。扭转会由于转向镜的波束削波而引起额外的光功率损耗，例如在转向镜824a反射之后的光束820a在转向镜824b上的削波。仿真结果表明，对于上面讨论的具体数值例子，损耗大约为0.5％。在一些示例中，这样的损耗可能是可接受的。扭转还可以产生偏振轴的旋转，这可以导致在偏振复用布置和偏振复用激光二极管封装(例如将来自一个超载波的波束与来自另一个超载波的波束进行偏振组合)期间的功率损耗(例如在上述数字示例中约0.1％)。
在多角度快轴波束转向设备800的代表性示例中，一个波束未被转向，并且另外两个波束相对于未被转向的波束被±a转向。然而，可以理解，可以提供多种转向设备，包括以角度α转向的一个波束和第二波束、以选定角度转向而没有未转向波束的扭转旋转波束、转向到未转向平面的一侧的两个或更多波束，关于未转向平面非对称地转向的两个或更多波束等。在一些示例中，较大的转向角设置有用于激光二极管波束中的至少一个的快轴准直器，例如具有四个或更多个波束的转向设置。转向较大角度的波束在转向后的无焦平面内相应的扭转变大。因此，与扭转相关联的功率损耗(例如由相邻转向镜上的波束削波或偏振轴改变引起的功率损耗)可增加且在激光二极管封装性能中变得更显著。
图9A-B所示的示例性快轴转向设备900可产生无扭转。该快轴转向设备900包括多个激光二极管902a-902c，所述激光二极管被设置成发射各自的激光二极管波束904a-904c，所述激光二极管波束具有位于共同平面908中的光轴906a-906c以及慢轴。所述激光二极管902a-902c可以安装在安装到共同的超载体安装块912上的相应的衬底910a-910c上。超载体912安装到快轴波束转向设备900的壳体表面914。激光二极管902a-902c相邻地位于图9A的平面中，但是为了便于说明，在竖直方向上分开示出，将共同平面908分割。利用具有偏移光轴918a、918c的快轴准直器916a、916c重定向激光二极管波束904a、904c，并且利用共线光轴918b不定向激光二极管波束904b，以形成折射和准直的激光二极管波束920a-920c。虽然示出了具有平移的光轴918a、918c的偏移快轴准直器916a、916c，但是根据在此针对其他实施例描述的原理，一些示例可以具有与光轴918a、918c以相对于光轴906a，906c的角度设置的快轴准直器916a、916c，其可以通过相对于示例的重定向单独使用平移来减小引入重定向波束920a、902c中的光学像差。在特定示例中，像差的进一步减小是通过将快轴准直器916a、916c设置为具有旋转和平移来实现的，使得沿着光轴918a、918c的焦点在激光二极管902a、902c的出射面921a、921c处位于各个光轴906a、906c上或与各个光轴906a、906c相交。
利用楔形棱镜921a、921c可以省略转向镜(未示出)的倾斜，楔形棱镜921a、921c被配置为使激光二极管波束920a、920c重定向以平行于激光二极管波束920b传播。在一些示例中，楔形棱镜921a、921c可以是楔形慢轴准直器922a、922c，并且慢轴准直器922b可以位于慢轴准直激光二极管波束920b的位置。因此，在一些示例中，楔形棱镜可用于改变波束方向，且分开的慢轴准直器可用于慢轴准直波束，且在其他示例中，慢轴准直器可提供慢轴准直及波束重定向两者。在从各个激光二极管902a-902c的发射面到达慢轴准直器10mm后激光二极管波束904a-904c相互偏移0.35mm的特定示例中，配置慢轴准直器922a、922c(或楔形棱镜921a、921c)以提供0.035rad(0.35mm/10mm)的旋转，并且相应快轴准直器916a、916c相对于相应光轴906a、906c移位11.2pm。在所选择的示例中，慢轴准直器922a、922c或楔形棱镜921a、921c的楔形形状可以使用2.6°(0.046rad)的楔角，以使激光二极管波束920a、920c转向为平行于激光二极管波束920b传播。在图9B中示出了在通过转向镜反射之后的传播波束堆叠924。如在远焦平面中所示，偏移激光二极管波束920a-920c没有相对于彼此的波束扭转，从而降低了与削波或偏振相关的功率损失。与前面的示例一样，两个激光二极管、三个二极管、四个二极管、五个二极管、六个、九个、十二个、十五个等的设置可以设置在共同平面中，其中所选择的快轴转向设备设置有快轴准直器，通常，能够形成基于快轴准直器916a-916c在快轴准直器916a-916c上发生波束削波之前转向波束的能力而限制的堆叠的激光波束的数量。
图10示出了示例性快轴准直器1000，其被定位成接收从激光二极管面1004发射的具有中心光线1005a和两个边缘光线1005b、1005c的激光二极管波束1002。快轴准直器1000沿着快轴准直激光二极管波束1002以产生快轴准直波束1006。激光二极管波束1002的水平发射平面与快轴准直器1000的光轴1008是共同的。快轴准直器1000通常是平凸(或双凸)柱面透镜，其提供相对于快轴的准直，提供接受角φA并且具有最小像差。通常，激光二极管波束1002的快轴发散角θD小于或等于φA，以避免快轴准直波束1006中的功率损耗或避免波束形状的显著失真。图11示出了可以利用快轴准直器1100提供激光二极管波束转向的示例。在快轴准直器1100的光轴1102与从激光二极管出射面1108发射的激光二极管波束1106的光轴1104之间提供角度a。快轴准直波束1110相对于光轴1104和相关的慢轴发射水平面旋转角度a(或基本为a)。为了简化说明，图10-12将旋转角a称为与重定向角相同，但是应当理解，所述角可以非常接近，尽管不相同。在代表性示例中，快轴准直波束1110的准直和像差与图10所示的平行准直相同或接近相同，但是由于角度a和关于光轴1104的对称快轴发散而处于较小的有效接收角φA。即，通过快轴准直器1100相对于光轴1104(通常具有位于出射面1108处的旋转中心)的旋转将激光二极管波束1106以角度a偏离平面，这导致减小的有效视场φA'：φA'＝φA-2×a。在要求快轴发散角θD小于或等于减小的φA'以避免功率损失的情况下，也可以确定波束重定向的角度a的上限。
图12示出了示例性快轴准直器1200，其可以提供更大的接收角φA”，用于在从激光二极管面1204发射之后将激光二极管波束1202转向角度a。在代表性示例中，光轴1205和快轴准直器1200的焦点在激光二极管面1204处与发射波束1202相交。为了产生快轴准直波束1206，凸面1208可以被配置为减少球面像差和彗形像差并且在快轴中提供比快轴准直器1100的接收角φA'更大的接收角φA”，例如通过截断和/或扩展表面或者去除快轴准直器1200的未使用的光学体积。因此，在所选择的示例中，快轴准直器1200可以不对称地配置为在光轴1205的一侧延伸接收角和/或在光轴1205的另一侧减小接收角。在本文中的一些示例中，基于快轴准直器重定向和位于距激光二极管面选定距离处的转向镜，在共同平面中发射的波束在快轴方向上以选定的竖直间距彼此堆叠。
在本文中的各种示例中，转向镜可经配置以具有不同高度，以允许波束在没有削波或具有减小的削波的情况下传播。在进一步的示例中，可以将转向镜放置在阶梯上，这也可以允许在不同的阶梯上具有相同的镜高度。
图13A-13B示出了从激光二极管的出射面1306发射并用快轴准直器1308重定向的激光二极管波束1304的光线轨迹1300和横向射线扇绘图1302a-1302e。快轴准直器1308的后表面1310垂直于快轴准直器1308的光轴并且相对于出射面1306以角度θ(例如5°)设置，以产生准直波束1312，该准直波束1312相对于激光二极管波束1304的发射轴1314以基本相同的角度重定向(位于10％、5％、2％、1％或小于1％以内)。在一些示例中，角度θ在3°与6°之间。如可以从横向射线扇绘图1302a看到的，与在出射面(0，0)处的中心轴上位置相关联的像平面处的光学像差出射面(±0.5pm快轴，±100pm慢轴)处的其他更外围位置相关联的光学像差(横向射线扇绘图1302b-1302e)没有显著差异。
图14示出了可以在这里的各种示例中使用的转向镜1400，包括其中波束由快轴准直器重定向的特定示例，并且重定向的波束在由转向镜旋转之前和之后继续沿着重定向的轴传播。在代表性示例中，在与共同平面中的慢轴平行的方向上发射波束，并且快轴准直器被配置为以相对于共同平面的小角度来重定向波束。转向镜接收重定向的波束并旋转波束以形成波束堆叠。所述转向镜通常相邻地设置并且间隔开，使得第一反射镜不会夹持或基本上夹持由在该第一反射镜上传播的相邻反射镜所旋转的波束。转向镜1400包括接收反射表面1402，其反射入射波束以在堆叠方向上转向波束。转向镜1400还包括倒角部分1404，在该倒角部分1404处，转向镜1400的材料被去除或者转向镜1400不被形成为呈规则的矩形平行六面体，以便减少在转向镜1400上传播的波束的光学削波。倒角和相关的削波减小可允许堆叠额外的波束、使用较小的重定向角、制造中额外的误差容限等。倒角部分1404的各种角度和表面特性可以根据特定的波束堆叠配置，激光二极管特性和光学布局来调整和定制。在特定示例中，斜切部分1404可对应于延伸到接纳反射表面1402的斜面。在一些示例中，提供小角度束重定向的转向镜还可以包括倒角部分。
图15-16是衬底上芯片1500、1600a-1600c的热模拟结果。衬底上芯片1500包括耦合到衬底1504的激光二极管1502，其在模拟操作期间产生热。通过具有1W输入和衬底1504的0℃基底温度的衬底观察到0.45℃的温度升高。衬底上芯片1600a-1600c包括耦合到各个衬底1600a-1600c的各个激光二极管1602a-1602c。衬底上芯片1602a-1602c耦合至超载体或壳体基底1606。在模拟操作中，激光二极管1602a-1602c分别产生1W。在将超载体/壳体基底1606的基底冷却至0℃的情况下，以从激光二极管1602a-1602c输入的1W，通过衬底上芯片1602a-1602c和壳体基底1606观察到0.6℃的温升。如图所示，在激光二极管1602a-1602c之间观察到极少的热串扰。热模拟示出了将衬底上芯片直接安装到平坦热沉表面(例如图5所示的示例激光二极管封装)上的能力允许激光二极管结的有效冷却，降低了激光二极管的结温度，并且改善了激光二极管性能。
图17A-17C示出了激光二极管封装结构1700的模拟光学操作。二十个激光二极管发射器(为了清楚而省略)的两组1702a、1702b在彼此相反的方向上发射相应的激光二极管波束组1704a、1704b。激光二极管波束组1704a、1704b中的每一组在相应的共同平面中发射，所述共同平面在基于从共同外壳安装表面1708偏移的平行平面的代表性示例中对应于单个共同平面1706(在图17B中可更清楚地看到)。在发射到共同平面1706或多个共同平面中之后，激光二极管波束1704a、1704b以小角度a从共同平面1706指向相应快轴准直器组1710a、1710b。激光二极管波束1704a、1700b以小角度a通过慢轴准直器组1712A、1712B和转向镜1714a、1714b传播。转向镜1714a、1714b旋转激光二极管波束组1704a、1700b以形成相应的波束堆叠1716a、1716b。在代表性示例中，转向镜1714a、1714b包括倒角部分1716，以为以小角度a传播的相邻旋转波束提供间隙。在图17B中可以更清楚地看到该小角度a，其中在快轴准直之后在以该小角度a传播时发射所选择的波束1718α-1718d。波束堆叠1716a的偏振与波片1720一起旋转，并且波束堆叠1716a、1716b被组合以形成具有偏振敏感透射/反射部件1722的输出波束堆叠1721。该输出波束堆1721被引导到具有反射器1726、1728的聚焦光学器件1724，并且该聚焦光学器件将该输出波束堆叠1721耦合到光纤1730中。
图18A示出了示例激光二极管封装1800的一部分，该示例激光二极管封装1800包括直接附接到壳体基底1806的表面1804的两组十五个衬底上芯片1802a、1802b。衬底上芯片1802a、1802b分别包括激光二极管1808和导热衬底1810。快轴准直器1812a、1812b准直由激光二极管发射的各个激光波束，并以小角度将激光波束引导出共同发射平面(可以平行于表面1804)。激光波束继续以小角度传播，并由相应的慢轴准直器1814a、1814b准直，并由转向镜1816a、1816b旋转以形成相应的波束堆叠。慢轴准直器1814a、1814b和转向镜1816a、1816b可以安装到与表面1804不同的表面和/或更低的高度。波束传播可类似于图17A-17C中所示的。附加的光学部件(例如偏振复用部件1818、反射器1820和聚焦光学部件1822)可以耦合到相对于表面1804以小角度设置的表面，以便提供以小角度垂直于(或光学对准)波束传播方向的光学表面。图18B示出了相对于衬底上芯片1802a相邻设置的快轴准直器1811a的更详细的视图，包括快轴准直器1811a的平坦输入表面1824和激光二极管1808的出射面1826之间的小角度θ。在代表性示例中，角度θ接近于或基本上等于激光波束相对于共同发射平面的方向的角度(例如，小于10％、5％、2％、1％、0.1％等)。用于选择重定向和/或快轴准直器旋转的小角度的适当范围可以包括1°和5°之间、3°和6°之间、5°和10°之间、10°和15°之间、1°和15°之间等，但是其他范围也可以是适当的。
图19A示出了示例激光二极管封装1900，该示例激光二极管封装1900包括平坦的相对薄的壳体基底1902，两组相对的激光二极管部件组1903a、1903b安装在该壳体基底1902上，每组包括衬底上芯片1904(每个衬底上芯片具有激光二极管1906和衬底1908)、快轴准直器1910、慢轴准直器1912和转向镜1914，快轴准直器1910改变由激光二极管1906以小角度α发射的波束的方向并且准直波束的快轴，慢轴准直器1912被配置成准直波束的慢轴，转向镜1914被配置成改变波束的方向以形成用于相应组的激光二极管部件组的波束堆叠。基底1902可以耦合到热冷却块1916，并且热冷却块1916和基底1902可以包括相对于基底1902成小角度的各种表面1918，用于安装各种光学部件以接收由快轴准直器1910提供的以小角度α传播的波束和/或波束堆叠。该热冷却块1916包括一个或多个冷却通道1920，热交换元件1922、1924可以位于所述冷却通道中并且冷却气体/流体可以流动穿过所述冷却通道。例如，流体入口管1926和出口管1928可以联接到冷却通道1920以使冷却剂流动。电极1930a、1930b可以靠近激光二极管1906定位以提供用于激光操作的电流，并且导电棒1932可以被定位以完成用于激光二极管1906和电极1930a、1930b的电路。盖1934可以被配置成封闭激光二极管封装1900的两个组1903a、1903b和其他光学部件1936，并且可以被提供成有角形状以对应于波束在激光二极管封装1900的体积内以小角度a的传播。
图20示出了在一些方面与图18A所示的激光二极管封装1800的部分类似的激光二极管封装2000的另一示例性部分。激光二极管封装2000包括两组十五个衬底上芯片2002a、2002b。这两组安装到安装到相应安装底座2006a-2006j上的超载体安装块2004a-2004j上。快轴准直器2008耦合到每个相应的激光二极管，以准直所发射的波束并且将所发射的波束稍微引导出每个组2002a、2002b的共同发射平面。慢轴准直器2010和转向镜2012可以设置在相应的安装基座2006a-2006j上以接收略微成角度的波束并且准直和引导波束以形成波束堆叠，所述波束堆叠被偏振复用并耦合到具有聚焦光学器件2016的输出光纤2014中。
一般考虑和术语
如在本申请和权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”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”意指“包含”。此外，术语“耦合”不排除在耦合项之间存在中间元件。
本文描述的系统、设备和方法不应被解释为以任何方式进行限制。相反，本发明涉及各种披露的实施例(单独地以及以彼此的各种组合和子组合)的所有新颖的和非显而易见的特征和方面。所披露的系统、方法和设备不限于任何具体方面或特征或其组合，所披露的系统、方法和设备也不要求存在任何一个或多个具体优点或要解决的问题。任何操作理论是为了便于解释，但是所披露的系统、方法和设备不限于这样的操作理论。
尽管为了方便呈现，以特定的、顺序的次序描述了所披露的方法中的一些的操作，但是应当理解，这种描述方式包括重新设置，除非下面阐述的特定语言需要特定的次序。例如，在一些情况下，顺序描述的操作可被重新排列或并发执行。此外，为了简单起见，附图可能没有示出所披露的系统、方法和设备可以与其他系统、方法和设备结合使用的各种方式。另外，本说明书有时使用术语如“产生”和“提供”来描述所披露的方法。所述术语是所执行的实际操作的高级抽象。对应于所述术语的实际操作将取决于实现而变化，并且本领域的普通技术人员容易辨别。
在一些示例中，值、过程或设备被称为“最低”、“最好”、“最小”等。应当理解，这样的描述旨在表示可以在许多所使用的功能备选方案中进行选择，并且这样的选择不必比其他选择更好、更小或者更可取。参考被指示为“上方”、“下方”、“高于”、“低于”等的方向来描述示例。所述术语用于方便描述，但并不意味着任何特定的空间取向。
为了更好地理解，已经提供了本文中参照本发明的设备或方法提出的操作理论、科学原理或其他理论描述，并且不旨在限制范围。所附权利要求中的设备和方法不限于以这种操作理论所描述的方式工作的那些设备和方法。
“亮度”在这里是指激光二极管或激光模块的功率除以BPP平方。
“下游”是相对术语，其在本文中是指沿着光路比参考物品和/或过程定位得更远的物品和/或过程。
“快轴”(FA)在本文中是指发射到激光二极管的Y-Z平面中的光。
“快轴准直器(FAC)透镜”在本文中是指用于准直激光二极管的快轴的柱面透镜。
“光路”在本文指的是光穿过光学介质或系统所采取的路径。
“数值孔径”(NA)在这里指的是通过取1/2发散度或1/2会聚度的正弦来计算的入射到光纤上或离开激光二极管的光的角度。数值孔径空间是指基于数值孔径的坐标系，并且可用于示出波束相对于一个或多个轴和参考平面的角度内容。
“物镜”在本文中是指用于将光发射到光纤中的一个或多个透镜。
“光轴”在本文中指的是限定光通过系统传播的路径的假想线，直到第一近似。对于由简单透镜和反射镜组成的系统，光轴穿过每个表面的曲率中心，并且与旋转对称轴重合。对于非旋转对称光学系统，每个平面可以被限定为具有其自己的光轴。此外，波束可以沿着与它们所耦合的透镜和反射镜的光轴不同的光轴或波束轴传播。
“慢轴”(SA)在本文中是指发射到激光二极管的X-Z平面中的光。
“慢轴准直器(SAC)透镜”在这里指的是用于准直激光二极管的慢轴的柱面透镜。
“热导率”(TC)在本文中是指材料传递穿过材料的热量的能力。
“上游”是相对术语，其在本文中是指在光沿着光路行进的方向上位于沿着光路的另一物品和/或过程之前的物品和/或过程。
考虑到可应用所披露技术的原理的许多可能实施例，应认识到，所说明的实施例仅是优选示例且不应视为限制所披露技术的范围。相反，所披露的技术的范围由所附权利要求限定。因此，我们要求在所述权利要求的范围内的所有权利。

Claims (23)

1.一种二极管激光设备，包括：
第一激光二极管，所述第一激光二极管被定位成沿着光轴从出射面发射第一波束，所发射的第一波束具有垂直于所述光轴的垂直快轴和慢轴；
第一快轴准直器，所述第一快轴准直器光耦合到从所述出射面发射的所述第一波束，并且被配置为沿着第一重定向波束轴引导所述第一波束，所述第一重定向波束轴相对于所述第一激光二极管的所述光轴具有非零角度；
第二激光二极管，所述第二激光二极管被定位成从所述第二激光二极管的出射面沿着平行于所述第一激光二极管的光轴的光轴发射第二波束，所述第二波束的慢轴与所述第一波束的慢轴位于共同平面中；和
第二快轴准直器，所述第二快轴准直器光耦合到从所述第二激光二极管的所述出射面发射的所述第二波束并且被配置成沿着第二重定向波束轴引导所述第二波束，所述第二重定向波束轴相对于所述第二激光二极管的所述光轴具有非零角度；
其中，所述第一激光二极管的光轴与所述第一重定向波束轴之间的所述非零角度与所述第二激光二极管的光轴与所述第二重定向波束轴之间的所述非零角度相同；
其中，所述二极管激光设备还包括第一转向镜和第二转向镜，所述第一转向镜和第二转向镜被定位成分别沿着所述第一重定向波束轴和所述第二重定向波束轴接收所述第一波束和所述第二波束，并且将所述第一波束和所述第二波束旋转成沿着所述快轴堆叠，并且将所述第一波束和所述第二波束重定向成相对于所述共同平面以所述非零角度传播。
2.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中，由所述第一快轴准直器提供的所述非零角度大于2度并且小于10度。
3.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中，由所述第一快轴准直器提供的所述非零角度大于3度并且小于6度。
4.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中所述第一激光二极管包括激光二极管棒，所述激光二极管棒包括被设置在所述共同平面中的多个棒发射器，并且所述第一波束包括从对应的棒发射器发射进入所述共同平面的多个波束，所述多个波束由所述第一快轴准直器改变方向，并且其中，所述二极管激光设备还包括柱面透镜阵列，所述柱面透镜阵列被定位成接收来自所述第一快轴准直器的所述多个波束并且沿着相应慢轴准直所述多个波束。
5.如权利要求1所述的二极管激光设备，还包括：
具有第一壳体表面的激光二极管封装壳体；和
衬底，所述衬底被配置成将所述第一激光二极管和第二激光二极管相对于所述第一壳体表面固定。
6.如权利要求5所述的二极管激光设备，其中，所述衬底包括多个衬底块，所述衬底块彼此间隔开并且附接到所述第一壳体表面以及所述第一激光二极管和第二激光二极管上。
7.如权利要求5所述的二极管激光设备，还包括安装到所述第一壳体表面和所述衬底的安装块。
8.如权利要求5所述的二极管激光设备，还包括冷却块，所述冷却块联接到所述壳体上并且被配置成使冷却剂流动。
9.如权利要求8所述的二极管激光设备，其中所述冷却块包括冷却通道，所述冷却通道联接到所述壳体的热联接表面上，所述热联接表面被定位成与所述第一壳体表面相反。
10.如权利要求5所述的二极管激光设备，还包括固化的结合材料，所述固化的结合材料将所述第一快轴准直器和所述第二快轴准直器固定到所述衬底和/或所述第一激光二极管和第二激光二极管，以提供所述非零角度。
11.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中所述第一转向镜和第二转向镜中的一者包括斜面，所述斜面经配置以为由所述第一转向镜和第二转向镜中的另一者旋转的波束提供间隙以邻近所述斜面传播。
12.如权利要求1所述的二极管激光设备，还包括第一慢轴准直器和第二慢轴准直器，所述第一慢轴准直器和所述第二慢轴准直器定位成沿着所述相应的重定向波束轴接收和准直从所述第一快轴准直器和所述第二快轴准直器接收的所述第一波束和所述第二波束，并且准直所述第一波束和所述第二波束的所述慢轴。
13.如权利要求1所述的二极管激光设备，还包括聚焦光学器件，所述聚焦光学器件被配置成将堆叠的波束耦合到光纤中。
14.如权利要求13所述的二极管激光设备，还包括极化复用器，以将所述堆叠的波束与另外的波束堆叠进行组合。
15.如权利要求1所述的二极管激光设备，还包括壳体，所述壳体被配置成支撑所述第一激光二极管和第二激光二极管；和
盖子，所述盖子被配置成封闭激光器壳体。
16.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器具有相对于所述第一激光二极管的光轴成角度设置的光轴，以产生所述第一重定向波束轴的所述非零角度。
17.如权利要求16所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器的光轴相对于所述第一激光二极管的光轴的角度与所述第一重定向波束轴的非零角度相差小于2％。
18.如权利要求16所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器具有平坦输入表面，所述平坦输入表面垂直于所述第一快轴准直器的光轴并且相对于所述出射面以与从所述第一激光二极管发射的所述第一波束的所述第一重定向波束轴和所述第一激光二极管的光轴之间的非零角度相同的角度设置。
19.如权利要求16所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器的光轴在所述第一激光二极管的出射面与所述第一激光二极管的光轴相交。
20.如权利要求19所述的二极管激光设备，其中，交点对应于所述第一快轴准直器的焦点或焦线。
21.如权利要求16所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器是柱面平凸透镜或柱面双凸透镜。
22.如权利要求16所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器在所述第一快轴准直器的光轴的与所述非零角度相对的一侧上具有延伸的接收角。
23.如权利要求1所述的二极管激光设备，其中，所述第一快轴准直器具有与所述第一激光二极管的光轴平行但间隔开距离的光轴，所述距离在所述第一激光二极管的光轴与所述第一重定向波束轴之间产生非零角度。
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