CN112219326A - 波长光束组合激光系统中的功率和光谱监测 - Google Patents

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Abstract

在各种实施例中，监测在激光谐振器内形成的一个或多个辅助衍射光束至少部分地基于控制在激光谐振器内形成的主衍射光束而提供信息。

Description

波长光束组合激光系统中的功率和光谱监测
相关申请
本申请要求2018年5月22日提交的美国临时专利申请No.62/674,652的权益和优先权，其全部公开内容通过引用并入本申请。
技术领域
在各种实施例中，本发明涉及激光系统，特别是具有多个输入光束的波长光束组合激光系统。
背景技术
大功率激光系统用于许多不同的应用，例如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括激光发射器和光学系统，从所述激光发射器发出的激光被耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中，所述光学系统将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。所述光学系统通常设计成能产生最高质量的激光束或者相当于具有最小光束参数乘积(BPP)的光束。BPP是激光束发散角(半角)和光束在其最窄点(即光束腰，最小光斑尺寸)的半径的乘积。BP P量化激光束的质量以及将激光束聚焦到小点的程度，通常以毫米毫弧度(mm-mrad)为单位表示。高斯光束具有尽可能小的BPP，由激光的波长除以pi得到。实际光束与理想高斯光束在相同波长下的BPP之比表示为M2，或者“光束质量因子”，它是与波长无关的光束质量的度量，具有“最佳”质量对应于“最低”光束质量因子1。
波长光束组合(WBC)是一种用于缩放来自激光二极管条、二极管条堆叠或以一维或二维阵列布置的其他激光的输出功率和亮度的技术。已经开发出沿着发射器阵列的一个或两个维度组合光束的WBC方法。典型的WBC系统包括多个发射器，例如一个或多个二极管条，其利用色散元件(例如，衍射光栅)组合起来，形成多波长光束。WBC系统中的每个发射器单独谐振，并且通过来自公共部分反射输出耦合器的波长特定反馈来稳定，该耦合器由色散元件沿着光束组合维度进行滤波。示例性的WBC系统在2000年2月4日提交的美国专利No.6,192,062、1998年9月8日提交的美国专利No.6,208,679、2011年8月25日提交的美国专利No.8,670,180和2011年3月7日提交的美国专利No.8,559,107中详述，每个专利的全部公开内容通过引用并入本文。
高功率WBC激光器可以组合来自数十个甚至数百个光束发射器(例如半导体发射器)的发射输入光束。这些发射器的性能会随着时间的流逝而降低，激光系统内的光学表面在运行过程中可能会损坏或污染，并且WBC谐振器本身可能会随着时间的流逝而失去对准性——这些现象中的任一个都可能导致WBC系统的输出功率波动。监测WBC谐振器输出功率的一种方法是检测谐振器外壳内的杂散光的水平，这相对容易和方便。这些杂散光主要来自激光二极管同时发射、光学器件上的光束削波、未锁定波长的光以及光学器件的散射和反射。但是，由于杂散光的可能原因很多，因此杂散光的水平可能不会直接反映WBC谐振器功率。例如，当对杂散光的很大贡献为未锁定波长时，杂散光的水平可能与谐振器输出功率不相关，或者甚至反相关。
监测WBC谐振器功率的另一种技术是检测主WBC光束的来自光学器件或空气的散射水平。然而，该方法对表面缺陷和空气湍流敏感，并且还受到来自谐振器外部的光学器件和/或物体的背反射的影响。监测WBC谐振器功率的另一种方法是通过将额外的光学器件插入主光路来检测从主光束分出的弱光束。这样的光学器件，特别是用于kW级的高功率WBC谐振器的光学器件，针对在相对宽的WBC波长带上的两个偏振，通常需要在两个表面上具有低反射率(例如，＜0.1％)的抗反射涂层。光学器件的实际反射率可能会受到环境变化(例如温度和湿度的变化)以及涂层表面的可能的退化的影响。因此，通过此方法检测到的功率变化可能无法反映WBC功率的实际波动。鉴于前述内容，需要针对WBC激光系统的功率监测的创新。
发明内容
在各种实施例中，本发明能够通过检测在WBC光路中由色散元件(例如，衍射光栅)引起的一个或多个未使用的衍射光束，来监测WBC激光系统的功率(例如，功率波动和/或功率水平或幅度)。有利地，所监测的光束与WBC谐振器在空间上分离或可以在空间上分离，并且该光束可以是波长锁定的和在空间上组合的。因此，在各种实施例中，被监测的光束具有与WBC谐振器的主衍射输出光束相同的特性，但是光束的检测和使用不会降低谐振器的输出功率水平。另外，检测到的光束基本上不受谐振器外壳内可能出现的波长未锁定的光和/或背反射的影响。最后，光谱变化可以通过检测到的光束监测。由于WBC谐振器中的每个发射器均以其自身独特的波长工作，因此光谱监测能够识别WBC系统内各个发射器的问题或波动。
在本发明的实施例中，光束发射器(或简称为“发射器”)可以包括二极管激光器、光纤激光器、光纤尾纤二极管激光器等，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成，并且可以单独封装或成组封装为一维或二维阵列。在各种实施例中，发射器或发射器阵列是高功率二极管条，每个条具有多个(例如，数十个)发射器。发射器可以具有附于其上的微透镜，用于发射器准直和光束成形。变换光学器件，通常是共焦的且位于发射器和色散元件(例如，衍射光栅)之间，将来自不同发射器的单个光束准直并将光束的所有主光线会聚到光栅中心，特别是在WBC维度上(即光束组合的尺寸或方向)。被色散元件衍射的主光束传播到部分反射的输出耦合器，该耦合器向单个发射器提供反馈并通过色散元件定义单个发射器的波长。也就是说，耦合器将各种光束的一部分反射回它们各自的发射器，从而形成外部激光腔(la sing cavity)，并且将组合的多波长光束透射以用于诸如焊接、切割、机加工、加工等应用和/或用于耦合到一根或多根光纤中。
在本发明的实施例中，由色散元件衍射的、通常被丢弃或以其他方式未被利用的辅助光束被用于WBC系统的功率和/或光谱监测。由于辅助光束没有从WBC系统的主衍射光束中分出，因此不会向主光束中引入其他光学器件和相关的功率损耗。另外，辅助光束的功率水平通常比直接从主光束分出监测光束时能够工作的或需要的功率水平大一个或两个数量级；因此，辅助光束对WBC谐振器内的环境变化(例如，温度和/或湿度的变化)不那么敏感。辅助光束是高度定向的，并且具有集中的功率，且因此在谐振器外壳内受其他杂散光的影响较小或几乎不受其影响。此外，由于辅助光束是波长稳定的(或“锁定波长的”)，因此基本上不受未锁定波长的光的影响——这种未锁定的光将具有与锁定光束不同的波长，且因此将衍射到不同的方向。辅助光束通常也不受来自WBC谐振器内部或外部的光学器件的任何背反射以及来自光纤和/或工件的背反射的影响。
尽管本文中将衍射光栅用作示例性的色散元件，但是本发明的实施例可以利用其他色散元件，例如色散棱镜、透射光栅或中阶梯光栅(Echelle grating)。除了一个或多个衍射光栅之外，本发明的实施例还可以利用一个或多个棱镜，例如，如在2017年1月19日提交的美国专利申请序列号15/410,277中所描述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。
本发明的实施例将多波长输出光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个芯的多个包覆层、在单个包覆层内的多个离散芯区域(或“多个芯”)或被多个包覆层围绕的多个芯。在各种实施例中，输出光束可以被传递到工件以用于诸如切割、焊接等的应用。
这里，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等的任何一种，其重定向、反射、弯曲或以任何其他方式光学地操纵电磁辐射。这里，光束发射器、发射器或激光发射器或激光器包括任何电磁束产生装置，例如半导体元件，其产生电磁束，但可以是或可以不是自谐振的。这些还包括光纤激光器、盘形激光器、非固态激光器、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)等。通常，每个发射器包括后反射表面、至少一个光学增益介质和前反射表面。光学增益介质增加电磁辐射的增益，该增益不限于电磁光谱的任何特定部分，而是可以是可见光、红外光和/或紫外光。发射器可以包括或基本上由多个光束发射器组成，例如配置为发射多个光束的二极管条(diode bar)。
激光二极管阵列、条和/或堆叠，诸如在以下一般描述中描述的那些，可以与在此描述的创新的实施例相关联地使用。激光二极管可以单独地或成组封装，通常以一维行/阵列(二极管条)或二维阵列(二极管条堆叠)的形式封装。二极管阵列堆叠通常为二极管条的垂直堆叠。激光二极管条或阵列通常比等效的单个大面积二极管(broad area diode)具有更高的功率和成本效益。高功率二极管条通常包含大面积发射器阵列，产生光束质量相对较差的数十瓦；尽管功率较高，但亮度通常低于大面积激光二极管。可以堆叠高功率二极管条以产生高功率堆叠二极管条，以产生数百瓦或数千瓦的极高功率。激光二极管阵列可以配置为将光束发射到自由空间或光纤中。光纤耦合二极管激光器阵列可以方便地用作光纤激光器和光纤放大器的泵浦源。
二极管激光条是一种半导体激光器类型，包含一维阵列的大面积发射器，或者可选地包含子阵列，其包含例如10-20个窄条状发射器。大面积二极管条通常包含例如19-49个发射器，每个发射器的尺寸约为例如1μm×100μm。沿1μm尺寸或快轴的光束质量通常受衍射限制。沿100μm尺寸或慢轴或阵列尺寸的光束质量通常受很多倍的衍射限制。通常，用于商业应用的二极管条的激光谐振器长度约为1至4毫米，约10毫米宽，并产生数十瓦的输出功率。大多数二极管条工作在780至1070nm的波长范围内，波长为808nm(对于泵浦钕激光器)和940nm(对于泵浦Yb：YAG)是最突出的。915-976nm的波长范围用于泵浦掺铒或掺镱高功率光纤激光器和放大器。
二极管堆叠只是能够提供非常高的输出功率的多个二极管条的布置。也称为二极管激光器堆叠、多条模块或二维激光器阵列，最常见的二极管堆叠布置为垂直堆叠，其实际上是边缘发射器的二维阵列。这种堆叠可以通过将二极管条连接到薄的散热器并堆叠这些组件以便获得二极管条和散热器的周期性阵列来制造。也有水平二极管堆叠和二维堆叠。为了获得高光束质量，二极管条通常应尽可能靠近彼此。另一方面，有效的冷却要求安装在条之间的散热器的最小厚度。二极管条间距的这种折衷使二极管堆叠在垂直方向上的光束质量(以及随后的亮度)远低于单个二极管条的光束质量。然而，有几种技术来显著减轻该问题，例如，通过不同二极管堆叠的输出的空间交织，通过偏振耦合或通过波长复用。为此目的，已经开发了各种类型的高功率光束整形器和相关设备。二极管堆叠可以提供极高的输出功率(例如数百或数千瓦)。
与仅仅用光探测表面(例如，反射率测量)的光学技术相比，根据本发明的实施例产生的输出光束可用于加工工件，使得工件的表面被物理地改变和/或使得在表面上或表面内形成特征。根据本发明实施例的示例性加工包括切割、熔接、钻孔和焊接。本发明的各种实施例还可以在一个或多个点处或沿着一维线性或曲线加工路径加工工件，而不是用来自激光束的辐射充满全部或基本上全部工件表面。这种一维路径可以由多个段组成，每个段可以是线性的或曲线的。
本发明的实施例可以改变光束形状和/或BPP以针对不同类型的加工技术或正在加工的不同类型的材料改进或优化性能。本发明的实施例可以利用2015年2月26日提交的美国专利申请序列号14/632,283、2015年6月23日提交的美国专利申请序列号14/747,073、2015年9月14日提交的美国专利申请序列号14/852,939、2016年6月21日提交的美国专利申请序列号15/188,076、2017年4月5日提交的美国专利申请序列号15/479,745、和2017年7月14日提交的美国专利申请序列号15/649,841中描述的用于改变BPP和/或激光束形状的各种技术，其各自的公开内容通过引用整体并入本申请。
一方面，本发明的实施例的特征在于一种波长光束组合(WBC)激光系统，其包括分别配置为发射光束的多个光束发射器、用于使朝向衍射光栅的发射光束的主光线会聚的变换光学器件、衍射光栅、部分反射输出耦合器和第一检测装置，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。每个光束可以具有不同的波长。衍射光栅接收光束，并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生主一阶衍射光束和辅助一阶衍射光束。输出耦合器定位为用于接收主一阶衍射光束，将主一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将主一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器。第一检测装置定位成接收辅助一阶衍射光束并检测来自辅助一阶衍射光束的功率和/或光谱信息。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。激光系统可以包括控制器，该控制器配置为从第一检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。所述控制器可以配置为至少部分地基于从第一检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。所述控制器可以配置为至少部分地基于从第一检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅和/或(iv)输出耦合器。
衍射光栅可以包括透射衍射光栅，基本上由透射衍射光栅组成，或由透射衍射光栅组成。主一阶衍射光束可以包括一阶透射，基本上由一阶透射组成，或由一阶透射组成。辅助一阶衍射光束可以包括一阶反射，基本上由一阶反射组成，或由一阶反射组成。衍射光栅可以包括反射衍射光栅，基本上由反射衍射光栅组成，或由反射衍射光栅组成。主一阶衍射光束可以包括一阶反射，基本上由一阶反射组成，或由一阶反射组成。辅助一阶衍射光束可以包括一阶透射，基本上由一阶透射组成，或由一阶透射组成。
衍射光栅可以通过入射光束的衍射产生零阶透射和/或零阶反射。激光系统可以包括第二检测装置，用于检测来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息。所述控制器可以配置为从第二检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。所述控制器可以配置为至少部分地基于从第二检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。所述控制器可以配置为至少部分地基于从第二检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅和/或(iv)输出耦合器。所述第二检测装置可以包括功率检测器，基本上由功率检测器组成，或由功率检测器组成。所述功率检测器可以包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述第二检测装置可以包括分光仪，基本上由分光仪组成，或由分光仪组成。所述第二检测装置可以包括分光仪和功率检测器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述第二检测装置可以包括分束器，用于接收零阶透射和/或零阶反射并且将其部分提供给不同的输出。分束器可以包括光纤耦合器，基本上由光纤耦合器组成，或由光纤耦合器组成。功率检测器可以耦合到分束器的第一输出和/或分光仪可以耦合到分束器的第二输出。
衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角(non-Littrow angle)倾斜。在WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以与在WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以利特罗角(Littrow angle)倾斜。在WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以等于在WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。在非WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以与在非WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
所述第一检测装置可以包括功率检测器，基本上由功率检测器组成，或由功率检测器组成。所述功率检测器可以包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述第一检测装置可以包括分光仪，基本上由分光仪组成，或由分光仪组成。所述第一检测装置可以包括分光仪和功率检测器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述第一检测装置可以包括分束器，用于接收辅助一阶衍射光束并将辅助一阶衍射光束的多个部分提供给不同的输出。分束器可以包括光纤耦合器，基本上由光纤耦合器组成，或由光纤耦合器组成。功率检测器可以耦合到分束器的第一输出和/或分光仪可以耦合到分束器的第二输出。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于一种操作波长光束组合(WBC)激光系统的方法。WBC激光系统可以包括(i)分别配置为发射光束的多个光束发射器，(ii)用于将发射光束的主光线朝向衍射光栅会聚的变换光学器件，(iii)衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生主一阶衍射光束和辅助一阶衍射光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收主一阶衍射光束，将主一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将主一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。从辅助一阶衍射光束检测功率和/或光谱信息，并且至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器(的至少其中一个)和/或主一阶衍射光束。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。控制多个光束发射器和/或主一阶衍射束可以包括，至少部分地基于功率/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束可以包括，至少部分基于功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，和/或(iv)输出耦合器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
衍射光栅可以包括透射衍射光栅，基本上由透射衍射光栅组成，或由透射衍射光栅组成。主一阶衍射光束可以包括一阶透射，基本上由一阶透射组成，或由一阶透射组成。辅助一阶衍射光束可以包括一阶反射，基本上由一阶反射组成，或由一阶反射组成。衍射光栅可以包括反射衍射光栅，基本上由反射衍射光栅组成，或由反射衍射光栅组成。主一阶衍射光束可以包括一阶反射，基本上由一阶反射组成，或由一阶反射组成。辅助一阶衍射光束可以包括一阶透射，基本上由一阶透射组成，或由一阶透射组成。
衍射光栅可以通过入射光束的衍射产生零阶透射和/或零阶反射。可以从零阶透射和/或零阶反射检测功率和/或光谱信息。可以至少部分地基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。控制多个光束发射器和/或主一阶衍射束可以包括，至少部分地基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束可以包括，至少部分基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，和/或(iv)输出耦合器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角(non-Littrow angle)倾斜。在WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以与在WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以利特罗角(Littrow angle)倾斜。在WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以等于在WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。在非WBC平面中入射光束与衍射光栅之间的角度可以与在非WBC平面中辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种操作激光谐振器的方法。多个光束从多个光束发射器发射。光束发射器中的每个都可以发射具有不同波长的光束。多个光束被衍射(或以其他方式波长色散)以形成主光束和一个或多个辅助光束。主光束的第一部分被传播回到多个光束发射器。主光束的第二部分从激光谐振器输出。主光束的第二部分可以是多波长光束。功率和/或光谱信息从至少一个所述辅助光束检测。至少部分地基于来自至少一个所述辅助光束的功率和/或光谱信息来控制多个光束发射器和/或主光束。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。主光束可以包括一阶衍射透射，基本上由一阶衍射透射组成，或由一阶衍射透射组成。所述一个或多个辅助光束可以包括(i)一阶衍射反射，(ii)零阶衍射透射，和/或(iii)零阶衍射反射，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。主光束可以包括一阶衍射反射，基本上由一阶衍射反射组成，或由一阶衍射反射组成。所述一个或多个辅助光束可以包括(i)一阶衍射透射，(ii)零阶衍射透射，和/或(iii)零阶衍射反射，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制多个光束发射器和/或主光束可以包括，至少部分地基于来自至少一个所述辅助光束的功率和/或光谱信息，控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。多个光束可以通过衍射光栅或其他色散元件衍射。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以利特罗角倾斜。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
在另一方面，本发明的实施例的特征在于一种操作波长光束组合(WBC)激光系统的方法。WBC激光系统可以包括(i)分别配置为发射光束的多个光束发射器，(ii)用于将发射光束的主光线朝向衍射光栅会聚的变换光学器件，(iii)衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生一阶衍射光束和至少一个零阶衍射光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收一阶衍射光束，将一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。从至少一个零阶衍射光束检测功率和/或光谱信息，并且至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。一阶衍射光束可以包括一阶衍射透射，基本上由一阶衍射透射组成，或由一阶衍射透射组成。一阶衍射光束可以包括一阶衍射反射，基本上由一阶衍射反射组成，或由一阶衍射反射组成。至少一个零阶衍射光束可以包括零阶衍射透射和/或零阶衍射反射，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制多个光束发射器和/或一阶衍射束可以包括，至少部分地基于功率/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束可以包括，至少部分基于功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，和/或(iv)输出耦合器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。衍射光栅可以在W BC平面中相对于入射光束以利特罗角倾斜。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种波长光束组合(WBC)激光系统，其包括分别配置为发射光束的多个光束发射器、用于使朝向衍射光栅的发射光束的主光线会聚的变换光学器件、衍射光栅、部分反射输出耦合器和检测装置，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。每个光束可以具有不同的波长。衍射光栅接收光束，并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生一阶衍射光束和至少一个零阶衍射光束。输出耦合器定位为接收一阶衍射光束，将一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器。所述检测装置从至少一个所述零阶衍射光束检测功率和/或光谱信息。所述检测装置可以被定位成接收至少一个所述零阶衍射光束。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。激光系统可以包括控制器，该控制器配置为从检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束。所述控制器可以配置为至少部分地基于从检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。所述控制器可以配置为至少部分地基于从检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅和/或(iv)输出耦合器。
一阶衍射光束可以包括一阶透射，基本上由一阶透射组成，或由一阶透射组成。一阶衍射光束可以包括一阶反射，基本上由一阶反射组成，或由一阶反射组成。至少一个零阶衍射光束可以包括零阶透射和/或零阶反射，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。衍射光栅可以在WBC平面中相对于入射光束以利特罗角倾斜。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
所述检测装置可以包括功率检测器，基本上由功率检测器组成，或由功率检测器组成。所述功率检测器可以包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述检测装置可以包括分光仪，基本上由分光仪组成，或由分光仪组成。所述检测装置可以包括分光仪和功率检测器，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。所述检测装置可以包括分束器，用于接收至少一个所述零阶衍射光束并将其部分提供给不同的输出。分束器可以包括光纤耦合器，基本上由光纤耦合器组成，或由光纤耦合器组成。功率检测器可以耦合到分束器的第一输出和/或分光仪可以耦合到分束器的第二输出。
在又另一方面，本发明的实施例的特征在于一种利用激光谐振器加工工件的方法。锁定波长的主光束至少部分地通过激光谐振器内的衍射形成。主光束的至少一部分被引导到工件上以处理该工件。在加工之前和/或过程中，在激光谐振器内监测锁定波长的光，以从中检测功率和/或光谱信息。在加工之前和/或过程中，至少部分地基于检测到的功率和/或光谱信息来控制主光束。
本发明的实施例可以包括以下各种组合中的任何一种的一个或多个。可以在不提取主光束的一部分的情况下监测谐振器内的锁定波长的光。可以在不测量主光束的情况下监测谐振器内的锁定波长的光。一个或多个锁定波长的辅助光束可以至少部分地通过衍射与形成主光束同时形成。辅助光束中的一个或多个可以在与主光束不同的方向上衍射。监测激光谐振器内的锁定波长的光可以包括监测至少一个所述辅助光束，基本上由其组成，或由其组成。一个或多个辅助光束可以包括一阶衍射透射或一阶衍射反射，基本上由一阶衍射透射或一阶衍射反射组成，或由其组成。一个或多个辅助光束可以包括零阶衍射透射和/或零阶衍射反射，基本上由零阶衍射透射和/或零阶衍射反射组成，或由其组成。控制主光束可以包括控制主光束或其一部分的功率，基本上由其组成，或由其组成。
形成主光束可以包括，在激光谐振器内，从多个光束发射器发射多个光束，将多个光束聚焦到衍射光栅，以及用衍射光栅衍射光束以形成主光束，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。衍射光栅可以在波长光束组合(WBC)平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。衍射光栅可以在波长光束组合(WBC)平面中相对于入射光束以利特罗角倾斜。衍射光栅可以在非WBC平面中相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
在加工期间，可以至少部分地基于工件的至少一个特征来控制主光束。工件的至少一个特征可以包括工件的厚度和/或工件的成分，基本上由工件的厚度和/或工件的成分组成，或由工件的厚度和/或工件的成分组成。加工工件可以包括物理改变工件的至少一部分表面，基本上由物理改变工件的至少一部分表面组成，或由物理改变工件的至少一部分表面组成。加工工件可以包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、锡焊和/或钎焊，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
通过参考以下描述、附图和权利要求，本文公开的本发明的这些和其他目的以及优点和特征将变得更加显而易见。此外，应当理解，本文描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和置换的形式存在。如本文所用的，术语“基本上”表示±10％，在一些实施例中，表示±5％。除非本文另有定义，术语“基本上由……组成”表示排除有助于实现功能的其他材料。但是这些其他材料可以以痕量共同或单独存在。在本文中，除非另有说明，否则术语“辐射”和“光”可互换使用。在本文中，“下游”或“光学上的下游”用于指示光束在遇到第一元件之后所撞击的第二元件的相对位置，该第一元件是第二元件的“上游”或“光学上的上游”。在本文中，两个部件之间的“光学距离”是两个部件之间光束实际行进的距离；由于例如来自镜子的反射或者光从一个部件行进到另一个部件所经历的传播方向上的其他变化，光学距离可以等于但不一定等于两个部件之间的物理距离。除非另有说明，否则本文中使用的“距离”可以被认为是“光学距离”。
附图说明
在附图中，不同视图中相同的附图标记通常代表相同的部件。而且，附图并不是一定按照比例，而是在于重点说明本发明的原理。在接下来的说明书中，参考以下附图对本发明的各种实施例进行描述，其中：
图1为根据本发明实施例的波长光束组合(WBC)激光系统的示意图；
图2为根据本发明实施例的由在衍射光束处的衍射产生的衍射光束的示意图；
图3为根据本发明实施例的具有集成监测能力的WBC激光系统的示意图；
图4为根据本发明实施例的具有集成监测能力的WBC激光系统的示意图；
图5A为根据本发明的实施例，在WBC平面中观察的具有集成监测能力的WBC激光系统的示意图；以及
图5B为根据本发明的实施例，在非WBC平面中观察的图5A的WBC激光系统的示意图。
具体实施方式
图1示出了利用一个或多个激光器(或“发射器”或“光束发射器”)105的示例性WBC激光系统100。图1用于说明WBC的基本机制，并且根据本发明的实施例的激光系统可以包括附加元件(例如，附加光学元件、串扰减轻系统等)。在图1的示例中，激光器105的特征在于二极管条，该二极管条具有发射光束110的四个光束发射器(参见放大的输入视图115)，但是本发明的实施例可以利用发射任意数量单独光束的二极管条，或者利用二极管或二极管条的二维阵列或堆叠。在视图115中，每个光束110由线表示，其中该线的长度或较长尺寸表示光束的缓慢发散尺寸(slow diverging dimension)，而高度或较短尺寸表示快速发散尺寸(fast diverging dimension)。准直光学器件120可用于沿快速尺寸准直每个光束110。变换(或“聚焦”)光学器件125用于沿WBC方向130组合每个光束110，所述变换(或“聚焦”)光学器件125可以包括例如一个或多个柱面透镜或球面透镜和/或反射镜，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。然后，变换光学器件125至少部分地(且通常、基本上)将组合的光束重叠到色散元件135上(色散元件1135可以包括例如反射或透射衍射光栅、色散棱镜、棱栅(棱镜/光栅)、透射光栅或中阶梯光栅，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成)，再然后，组合的光束以单个输出轮廓被传输到输出耦合器140上。然后，如输出前视图150所示，输出耦合器140发送组合的光束145。输出耦合器140通常是部分反射的，并且在该外腔系统100中用作所有激光元件的公共前端面。外腔是激光系统，在这里辅助镜在远离每个激光发射器的发射孔或端面的位置处移位。在一些实施例中，附加光学器件放置在发射孔或端面与输出耦合器或部分反射表面之间。因此输出光束145是多波长光束(组合了各个光束110的波长)，并且可以用作激光束传输系统中的输入光束，可以用于加工工件，和/或可以耦合到光纤中。
图2示出了通过示例性衍射光栅200对入射激光束210的衍射。衍射光栅200的平面的法线200a在图2中用点划线示出。光栅200处的衍射遵从以下等式1：
sin a+sinb＝mpl
其中m为衍射级(0，±1，±2，…)，p为光栅间距(即，每单位长度线或槽的数量)，l为波长，当在光栅法线200a的同一侧时，角度a和b具有相同的符号(正或负)。
图2示出了一阶衍射透射220、一阶衍射反射230、零阶透射240和零阶反射250。一阶透射220和反射230遵从等式1，其中m＝1或-1，且零阶透射240和反射250遵从等式1，其中m＝0。对于一阶衍射，在利特罗配置下，即当入射角a等于一阶衍射角b时，衍射效率通常得到优化。
高功率WBC系统通常需要高效衍射，即通常利用透射220或反射230。如果WBC系统利用透射衍射光栅，则一阶透射220通常被用作谐振器光束，且一阶反射230将离开谐振器且通常被丢弃(例如，定向到光束收集器和/或远离谐振器)。如果WBC系统利用反射衍射光栅，则一阶反射230通常具有最高效率并且被用作谐振器光束，而一阶透射220被丢弃。(因此，如本文所使用的，“透射”衍射光栅能够透射并且通常确实透射主衍射光束，但也反射一个或多个辅助较低功率衍射光束。另外，如本文所使用的，“反射”衍射光栅能够反射并且通常确实反射主衍射光束，但也透射一个或多个辅助较低功率衍射光束。因此，基于主高功率衍射光束的形成机理，衍射光栅被称为“透射”或“反射”，且“透射”并不表示不能反射，反之亦然。)在各种实施方式中，由于反射光栅可以具有反射性金属涂层的特征并且可以具有接地的后表面，因此一阶透射220和/或零阶透射240可能难以观察到。
WBC系统中使用的衍射光栅通常具有大于90％的衍射效率。剩余的10％或更少成为功率损耗，并且主要分布在零阶透射240、零阶反射250和效率较低(或“辅助”)的一阶衍射(与透射220或反射230相关)。本发明的实施例将辅助一阶衍射用于WBC谐振器内的功率和/或光谱监测。辅助一阶衍射是波长组合的，像主一阶衍射光束一样，因此可以完美地指示功率波动和WBC谐振器输出的光谱组成动态。
图3示出了根据本发明的各种实施例的WBC谐振器300。在WBC谐振器300中，多个发射器305发射激光束，在图3中由主光线310表示。尽管图3示出了使用四个发射器305，但是本发明的实施例可以具有两个、三个或多于四个的发射器305。通过变换光学器件320使主光线310在衍射光栅315(或其他色散元件)处或附近重叠。在本发明的各种实施例中，变换光学器件320包括一个或多个柱面和/或球面透镜和/或一个或多个其他光学元件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。部分反射的输出耦合器325向WBC谐振器300的发射器305提供反馈，以锁定发射器波长(每个发射器波长通常是唯一的，即彼此不同)，从而将所有的一阶衍射组合成一阶透射光束330和一阶反射光束335。在图3所示的示例性实施例中，光栅315为透射衍射光栅，且因此输出耦合器325位于透射侧(即，与发射器305相对的一侧)，以接收来自光栅315的一阶透射光束330。因此，在所示的实施例中，一阶反射335为用于功率和/或光谱监测的辅助光束。
在本发明的各种实施例中，WBC谐振器可以包括光学系统340，位于光栅315的下游(例如，在光栅315和输出耦合器325之间)，用于光束大小调整和/或减轻交叉耦合。例如，光学系统340可以包括一个或多个透镜和/或用于减轻交叉耦合的任何组件，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成，在2015年12月10日提交的美国专利申请序列号14/964,700中有所描述，其全部公开内容通过引用并入本申请。
如图所示，WBC谐振器300还包括功率检测器345，接收一阶反射335的全部或一部分，并被用来基于其监测WBC功率波动。所述功率检测器345可以包括例如一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。在本发明的各种实施例中，WBC谐振器300还包括在从光栅315到检测器345的光路上的光学系统350。光学系统350可以包括用于光束重定向、成像、聚焦和/或功率衰减的光学器件，和/或用于阻挡杂散光或诸如零阶透射光束355和零阶反射光束360防止到达检测器345的其他光束的组件(例如，一个或多个狭缝)。
在各种实施例中，检测器345耦合至控制系统(或“控制器”)365，其基于检测到的功率来控制WBC谐振器300的一个或多个组件和/或功能。例如，在由检测器345检测到的功率水平的波动或减小的情况下，控制器365可以自动切断供应至系统(例如，至发射器305)的功率。在其他实施例中，在功率波动的情况下，例如在WBC谐振器300工作的初始阶段期间，控制器365可以阻止由输出耦合器325传输的组合的多波长光束330的传播(例如，传播到光纤或要加工的工件)，其中各种组件发热时可能会出现功率波动。例如，控制器365可以配置为经由快门、反射镜或其他防止光束330从其光束出口离开谐振器300的遮挡或重定向机构的操作来阻止光束330的传播。在各种实施例中，控制器365可以配置为在功率波动超过典型或期望输出功率水平的±20％、典型或期望输出功率水平的±10％或典型或期望输出功率水平的±5％的情况下阻止光束330的传播和/或切断至系统300的功率。
在各种实施例中，控制器365可以响应于检测到的功率水平调整衍射光栅315(例如，光栅的倾斜角)和/或变换光学器件320(例如，一个或多个透镜或反射镜的位置和/或角度)。例如，WBC谐振器300可以包括一个或多个定位系统，其响应于来自控制器365的命令并且控制诸如光栅315和变换光学器件320等的组件的定位(例如，倾斜角、位置等)。在各种实施例中，定位系统可以包括例如具有一个或多个致动器的tip/tilt支架，基本上由以上所述组成，或由以上所述组成。
在各种实施例中，控制器365利用监测的功率水平作为反馈，以通过控制提供给发射器305的功率或电流来稳定WBC输出光束，例如，通过控制向发射器305提供功率的电源370。即，如果感测到的输出功率减小，则控制器365可以增加提供给发射器305的功率或电流，反之亦然。在各种实施例中，控制器365可以监测输出功率，并且在输出功率逐渐减小的情况下，控制器365可以利用感测到的输出功率作为反馈来预测系统的工作寿命。例如，控制器365可以预测系统的减小的输出功率(或者类似地，提供给发射器305以抵消减小的输出功率的增大的功率)何时将达到系统的指定操作功率范围之外的水平(例如，超过或低于预定阈值功率水平)并基于功率预测和系统的服务时间(例如，基于总使用时间、使用模式等中的一项或多项)预测系统300的寿命。
控制器365可以提供为软件、硬件或其某种组合。例如，该系统可以在一个或多个传统的服务器级计算机上实现，例如具有CPU板的PC，该CPU板包含一个或多个处理器，例如由加利福尼亚州圣克拉拉市的英特尔公司制造的Pentium或Celeron系列处理器，由伊利诺伊州绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680x0和POWER PC系列处理器，和/或由加利福尼亚州桑尼维尔的Advanced Micro Devices公司制造的ATHLON系列处理器。处理器还可以包括主存储器单元，用于存储与本文所述方法有关的程序和/或数据。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或FLASH存储器，驻留在通常可用的硬件上，例如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、电气可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储器器件(ROM)。在一些实施例中，可以使用外部RAM和/或ROM(诸如光盘、磁盘以及其他常用的存储设备)来提供程序。对于其中功能作为一个或多个软件程序提供的实施例，所述程序可以用许多高级语言中的任何一种来编写，例如PYTHON、FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以用指向驻留在靶计算机上的微处理器的汇编语言来实现；例如，如果软件配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以用Intel 80x86汇编语言实现。所述软件可以实施在制品上，包括但不限于软盘、闪存盘、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。
在本发明的各种实施例中，除了功率之外或替代功率，还可以监测来自WBC谐振器中的辅助衍射光束的光谱信息。图4示出了WBC谐振器400，其中，在所示实施例中，对应于一阶反射335的辅助衍射光束用来监测主衍射光束(即，一阶透射330)的功率和光谱信息。在图4中，辅助光束335传播到光纤耦合器400(图示为1×2光纤耦合器)或其他分束器，其将光束分开，以使一部分光束被功率检测器345接收，光束的第二部分被分光仪410接收。如在图3的谐振器300中，控制器365可以耦合至功率检测器345，并且控制器365也可以耦合至分光仪410，使得检测到的功率和光谱信息可以通过控制器用作输入以控制WBC谐振器400的各种功能和/或组件。由于用于谐振器的发射器305每个都可以以不同的波长发射，因此来自分光仪410的光谱信息可以用于监测和/或控制各个发射器305。例如，如果由分光仪410检测到的光谱的特定部分呈现出太高或太低的功率水平，则控制器365可以利用光谱信息来调制单个发射器305或发射器组的操作功率。在本发明的各种实施例中，所监测的光谱信息可以用于将由于系统400的整体退化而导致的功率波动或下降与特定发射器305或发射器组的故障而导致的功率波动或下降区分开。例如，如果检测到特定发射器305的故障或性能下降，则控制器365可以警告操作员和/或关闭至系统的功率，使得可以更换特定的发射器。
图3和图4所示的示例性实施例还示出了由光栅315处的衍射产生的零阶透射光束355和零阶反射光束360。在各种实施例中，这些光束对于WBC功率和光谱监测可能不是理想的，因为它们与WBC谐振器无关。也就是说，这些光束内的功率变化可能不与主WBC光束和WBC输出功率的波动直接相关。然而，在各种实施例中，零阶光束355、360中的一个或多个用于监测发射器功率(即，入射到光栅315上的发射器功率)，所述发射器功率不受WBC谐振器的影响。例如，谐振器未对准(例如，未对准、阻挡或甚至去除了输出耦合器325)将典型地降低WBC输出功率，从而减小功率检测器345检测到的信号，但是这种未对准将通常不会降低零阶光束的功率水平。因此，在各种实施例中，还可以监测(例如，经由专用功率检测器和/或分光仪)零阶光束355、360中的一个或多个(即，反射和/或透射)以获取功率变化及其可能原因的更完整的图像。例如，通过监测零阶光束而检测到的功率和/或光谱信息的差异，可以结合使用辅助一阶光束所检测到的这种差异来使用，以便诊断波动的根本原因。在示例性实施例中，控制器365可以基于从零阶光束355、360中的一个或多个接收的信号(例如，功率和/或光谱信息)来调制提供给发射器305中的一个或多个(且从而从其输出)的功率，且控制器365还可以基于从辅助光束335接收的信号(例如，功率和/或光谱信息)来调整一个或多个其他组件(例如，光栅315、变换光学器件320、耦合器325等)的定位(例如，位置和/或倾斜度)。
图3和图4中示出的示例性WBC谐振器300、400利用以不对应于以上关于图2讨论的利特罗配置的角度配置的衍射光栅315。也就是说，相对于光栅的入射角度(即图2中的角度a)不等于一阶衍射角(即图2中的角度b)，以便在空间上从入射光束310分离辅助一阶反射光束335。尽管这种偏离利特罗配置(off-Littrow configuration)有利于捕获辅助衍射光束而不会干扰入射光束或与入射光束发生干涉，但是偏离利特罗配置可能会导致较低的光栅效率且从而导致WBC谐振器的输出功率较低。
本发明的实施例通过在非WBC方向(或“维度”)上使衍射光栅远离利特罗配置倾斜，同时将光栅保持在WBC平面内的利特罗配置的光栅，解决了这种潜在的效率低下的问题。本发明的该实施例在图5A和5B中示出，其中，在非WBC方向(但不在WBC方向)上，辅助光束(一阶反射335)与入射光束310在空间上分离，有利于通过功率检测器345(和/或分光仪410，在图5A和5B中未示出)对辅助光束的监测。
如图5A中的谐振器500的俯视图所示，衍射光栅510配置为在WBC平面中的利特罗角。因此，当在WBC平面中观察时，一阶反射335，即用于监测的辅助光束，朝向光束源(即，发射器305)传播回去。如图5B的侧视图所示，光栅510在非WBC平面中倾斜角度d，这为相对于入射光束310的一阶反射335引入等于2d的“离散角(walk-off angle)”，从而使一阶反射335能够更容易地传播到功率检测器345(和/或分光仪410，在图5A和5B中未示出)。在各种实施例中，在非WBC平面中的光栅角d相对较小，以便最小化或基本消除诸如像差和/或光束扭曲等可能的有害副作用。例如，在各种实施例中，角度d小于5°、小于3°、小于2°或甚至小于1°。在各种实施例中，角度d可以是至少0.001°、至少0.005°、至少0.01°、至少0.05°、至少0.1°或甚至至少0.5°。在典型的实施例中，如图5A和5B中所示的成角度的光栅对零阶光束355、360的功率和方向几乎没有或没有影响。
如本文所利用的，“WBC平面”对应于根据本发明的实施例，在WBC谐振器中光谱地组合输入光束的平面。另外，“非WBC平面”是与WBC平面不同的平面，例如，基本垂直于WBC平面的平面。
在本发明的各种实施例中，图5A和5B所示的布局可用于包含反射衍射光栅的WBC谐振器。在这样的实施例中，输出耦合器325和光学系统340的定位分别与功率检测器345和光学系统350的定位互换，因为一阶反射335被用作WBC谐振器的主输出光束，而一阶透射330被用于功率和/或光谱监测。
根据本发明的实施例的激光系统可以利用主衍射光束335来处理工件和/或可以将主光束335耦合到光纤中。根据本发明的实施例，控制器365可以基于从检测器345和/或分光仪410接收的信息(详细如上所述)以及还基于所需的加工的类型(例如，切割、焊接等)和/或待加工(或正在加工)工件的一个或多个特征(例如，材料参数、厚度、材料类型等)和/或为输出光束335绘制的所需加工路径的一个或多个特征来控制光束335的功率和/或光谱。这些加工和/或材料参数可以由用户从与控制器365相关联的存储器中的存储数据库中选择，或者可以经由输入设备(例如，触摸屏、键盘、指点设备(比如计算机鼠标)等)输入。一个或多个加工路径可以由用户提供并存储在与控制器365相关联的板载或远程存储器中。在工件和/或加工路径选择之后，控制器365查询数据库以获得相应的参数值。存储的值可以包括适于材料和/或材料上的一个或多个加工路径或加工位置的输出功率或输出光束光谱。
在一些实施例中，控制器365可以从连接到合适的监测传感器的反馈单元接收关于光束相对于工件的定位和/或加工功效的反馈。响应于来自反馈单元的信号，控制器365可以改变光束的功率和/或光谱，如本文所详述。本发明的实施例还可以结合到2015年3月5日提交的美国专利申请序列号14/639,401、2016年9月9日提交的美国专利申请序列号15/261,096以及2017年7月14日提交的美国专利申请序列号15/649,841中公开的装置和技术的各实施例中，每个申请的全部公开内容通过引用并入本申请。
另外，根据本发明实施例的激光系统可以包括用于检测工件厚度和/或其上特征的高度的一个或多个系统。例如，激光系统可以包括用于工件的干涉深度测量的系统(或其部件)，如2015年4月1日提交的美国专利申请序列号14/676,070中详细描述的，其全部公开内容通过引用并入本申请。这样的深度或厚度信息可以由控制器利用来控制光束功率和/或光谱，以优化工件的加工(例如，切割或焊接)，例如根据数据库中对应于正在加工的材料类型的记录。
本文使用的术语和表达用作描述的术语而非限制，并且在使用这些术语和表达时，无意排除所示和所述特征的任何等同物或其部分，而是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。

Claims (88)

1.一种波长光束组合(WBC)激光系统，包括：
多个光束发射器，每个光束发射器配置为发射具有不同波长的光束；
变换光学器件，用于将发射的光束的主光线会聚到衍射光栅；
衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生主一阶衍射光束和辅助一阶衍射光束；
部分反射的输出耦合器，定位为用于接收主一阶衍射光束，将主一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将主一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器；以及
定位成接收辅助一阶衍射光束的第一检测装置，用于检测来自辅助一阶衍射光束的功率和/或光谱信息。
2.根据权利要求1所述的激光系统，进一步包括控制器，该控制器配置为从第一检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。
3.根据权利要求2所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从第一检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
4.根据权利要求2所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从第一检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的至少其中一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅或(iv)输出耦合器。
5.根据权利要求1所述的激光系统，其中，(i)所述衍射光栅为透射衍射光栅，(ii)所述主一阶衍射光束为一阶透射，以及(iii)所述辅助一阶衍射光束为一阶反射。
6.根据权利要求1所述的激光系统，其中，(i)所述衍射光栅为反射衍射光栅，(ii)所述主一阶衍射光束为一阶反射，以及(iii)所述辅助一阶衍射光束为一阶透射。
7.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述衍射光栅通过入射光束的衍射产生零阶透射和/或零阶反射。
8.根据权利要求7所述的激光系统，进一步包括第二检测装置，用于检测来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息。
9.根据权利要求8所述的激光系统，其中，所述控制器配置为从第二检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。
10.根据权利要求9所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从第二检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
11.根据权利要求10所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从第二检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的至少其中一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅或(iv)输出耦合器。
12.根据权利要求8所述的激光系统，其中，所述第二检测装置包括功率检测器。
13.根据权利要求12所述的激光系统，其中，所述功率检测器包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆。
14.根据权利要求12所述的激光系统，其中，所述第二检测装置进一步包括分光仪。
15.根据权利要求8所述的激光系统，其中，所述第二检测装置包括分光仪。
16.根据权利要求8所述的激光系统，其中，所述第二检测装置包括分束器，用于接收零阶透射和/或零阶反射并且将其部分提供给不同的输出。
17.根据权利要求16所述的激光系统，其中，所述分束器包括光纤耦合器。
18.根据权利要求16所述的激光系统，进一步包括耦合至所述分束器的第一输出的功率检测器和耦合至所述分束器的第二输出的分光仪。
19.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜，由此，在WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度与在WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
20.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜，由此，在WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度等于在WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度。
21.根据权利要求20所述的激光系统，其中，所述衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜，由此，在非WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度与在非WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
22.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述第一检测装置包括功率检测器。
23.根据权利要求22所述的激光系统，其中，所述功率检测器包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆。
24.根据权利要求22所述的激光系统，其中，所述第一检测装置进一步包括分光仪。
25.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述第一检测装置包括分光仪。
26.根据权利要求1所述的激光系统，其中，所述第一检测装置包括分束器，用于接收辅助一阶衍射光束并将辅助一阶衍射光束的部分提供给不同的输出。
27.根据权利要求26所述的激光系统，其中，所述分束器包括光纤耦合器。
28.根据权利要求26所述的激光系统，进一步包括耦合至所述分束器的第一输出的功率检测器和耦合至所述分束器的第二输出的分光仪。
29.一种操作波长光束组合(WBC)激光系统的方法，所述系统包括(i)分别配置为发射光束的多个光束发射器，(ii)用于将发射的光束的主光线朝向衍射光栅会聚的变换光学器件，(iii)衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生主一阶衍射光束和辅助一阶衍射光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收主一阶衍射光束，将主一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将主一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器，所述方法包括：
检测来自辅助一阶衍射光束的功率和/或光谱信息；以及
至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。
30.根据权利要求29所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束包括：至少部分地基于所述功率和/或光谱信息控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
31.根据权利要求29所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束包括至少部分地基于功率和/或光谱信息控制以下所述中的至少一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，或(iv)输出耦合器。
32.根据权利要求29所述的方法，其中，(i)所述衍射光栅为透射衍射光栅，(ii)所述主一阶衍射光束为一阶透射，以及(iii)所述辅助一阶衍射光束为一阶反射。
33.根据权利要求29所述的方法，其中，(i)所述衍射光栅为反射衍射光栅，(ii)所述主一阶衍射光束为一阶反射，以及(iii)所述辅助一阶衍射光束为一阶透射。
34.根据权利要求29所述的方法，其中，所述衍射光栅通过入射光束的衍射而产生零阶透射和/或零阶反射，且进一步包括检测来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息。
35.根据权利要求34所述的方法，进一步包括至少部分地基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息来控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束。
36.根据权利要求35所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束包括至少部分地基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
37.根据权利要求35所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或主一阶衍射光束包括至少部分地基于来自零阶透射和/或零阶反射的功率和/或光谱信息控制以下所述中的至少一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，或(iv)输出耦合器。
38.根据权利要求29所述的方法，其中，所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜，由此，在WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度与在WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
39.根据权利要求29所述的方法，其中，所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜，由此，在WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度等于在WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜，由此，在非WBC平面内入射光束与衍射光栅之间的角度与在非WBC平面内辅助一阶衍射光束与衍射光栅之间的角度不同。
41.一种操作激光谐振器的方法，所述方法包括：
从多个光束发射器发射多个光束；
衍射多个光束以形成主光束和一个或多个辅助光束；
将主光束的第一部分传播回到多个光束发射器；
输出主光束的第二部分；
检测来自至少一个所述辅助光束的功率和/或光谱信息；以及
至少部分地基于来自至少一个所述辅助光束的功率和/或光谱信息来控制多个光束发射器和/或主光束。
42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述主光束包括一阶衍射透射，且所述一个或多个辅助光束包括以下所述的至少一个：(i)一阶衍射反射，(ii)零阶衍射透射，或(iii)零阶衍射反射。
43.根据权利要求41所述的方法，其中，所述主光束包括一阶衍射反射，且所述一个或多个辅助光束包括以下所述的至少一个：(i)一阶衍射透射，(ii)零阶衍射透射，或(iii)零阶衍射反射。
44.根据权利要求41所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或主光束包括至少部分地基于来自至少一个所述辅助光束的功率和/或光谱信息控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
45.根据权利要求41所述的方法，其中，(i)所述多个光束通过衍射光栅衍射，以及(ii)所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
46.根据权利要求41所述的方法，其中，(i)所述多个光束通过衍射光栅衍射，以及(ii)所述衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜。
47.根据权利要求46所述的方法，其中，衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
48.一种操作波长光束组合(WBC)激光系统的方法，所述系统包括(i)分别配置为发射光束的多个光束发射器，(ii)用于将发射的光束的主光线朝向衍射光栅会聚的变换光学器件，(iii)衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生一阶衍射光束和至少一个零阶衍射光束，以及(iv)部分反射的输出耦合器，其定位成接收一阶衍射光束，将一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器，所述方法包括：
检测来自至少一个零阶衍射光束的功率和/或光谱信息；以及
至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束。
49.根据权利要求48所述的方法，其中，所述一阶衍射光束包括一阶衍射透射。
50.根据权利要求48所述的方法，其中，所述一阶衍射光束包括一阶衍射反射。
51.根据权利要求48所述的方法，其中，所述至少一个零阶衍射光束包括零阶衍射透射或零阶衍射反射中的至少其中一个。
52.根据权利要求48所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束包括至少部分地基于所述功率和/或光谱信息控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
53.根据权利要求48所述的方法，其中，控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束包括至少部分地基于功率和/或光谱信息控制以下所述中的至少一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅，或(iv)输出耦合器。
54.根据权利要求48所述的方法，其中，衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
55.根据权利要求48所述的方法，其中，衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜。
56.根据权利要求55所述的方法，其中，衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
57.一种波长光束组合(WBC)激光系统，包括：
多个光束发射器，每个光束发射器配置为发射具有不同波长的光束；
变换光学器件，用于将发射的光束的主光线会聚到衍射光栅；
衍射光栅，用于接收光束并通过入射在衍射光栅上的光束的衍射产生一阶衍射光束和至少一个零阶衍射光束；
部分反射的输出耦合器，定位为用于接收一阶衍射光束，将一阶衍射光束的第一部分作为多波长输出光束透射，以及将一阶衍射光束的第二部分反射回多个光束发射器；以及
检测装置，用于检测来自至少一个所述零阶衍射光束的功率和/或光谱信息。
58.根据权利要求57所述的激光系统，进一步包括控制器，所述控制器配置为从所述检测装置接收功率和/或光谱信息，以及至少部分地基于所述信息来控制多个光束发射器和/或一阶衍射光束。
59.根据权利要求58所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从所述检测装置接收的功率和/或光谱信息来控制提供给光束发射器中的一个或多个的功率和/或电流。
60.根据权利要求58所述的激光系统，其中，所述控制器配置为至少部分地基于从所述检测装置接收的功率和/或光谱信息控制以下所述的至少其中一个的位置和/或倾斜角：(i)光束发射器中的一个或多个，(ii)变换光学器件，(iii)衍射光栅或(iv)输出耦合器。
61.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述一阶衍射光束为一阶透射。
62.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述一阶衍射光束为一阶反射。
63.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述至少一个零阶衍射光束包括零阶透射或零阶反射中的至少其中一个。
64.根据权利要求57所述的激光系统，其中，衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
65.根据权利要求57所述的激光系统，其中，衍射光栅在WBC平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜。
66.根据权利要求65所述的激光系统，其中，衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
67.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述检测装置包括功率检测器。
68.根据权利要求67所述的激光系统，其中，所述功率检测器包括一个或多个光电二极管和/或一个或多个热电堆。
69.根据权利要求67所述的激光系统，其中，所述检测装置进一步包括分光仪。
70.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述检测装置包括分光仪。
71.根据权利要求57所述的激光系统，其中，所述检测装置包括分束器，所述分束器用于接收至少一个所述零阶衍射光束并将其部分提供给不同的输出。
72.根据权利要求71所述的激光系统，其中，所述分束器包括光纤耦合器。
73.根据权利要求71所述的激光系统，进一步包括耦合至所述分束器的第一输出的功率检测器和耦合至所述分束器的第二输出的分光仪。
74.一种利用激光谐振器加工工件的方法，所述方法包括：
至少部分地通过衍射在激光谐振器内形成锁定波长的主光束；
将主光束引导到工件上以加工所述工件；
在加工之前和/或过程中，监测激光谐振器内的锁定波长的光，以从中检测功率和/或光谱信息；以及
在加工之前和/或过程中，至少部分地基于检测的功率和/或光谱信息来控制主光束。
75.根据权利要求74所述的方法，其中，在不提取主光束的一部分或不测量主光束的情况下，监测谐振器内的锁定波长的光。
76.根据权利要求74所述的方法，进一步包括至少部分地通过衍射与形成所述主光束同时形成一个或多个锁定波长的辅助光束。
77.根据权利要求76所述的方法，其中监测激光谐振器内的锁定波长的光包括监测至少一个所述辅助光束。
78.根据权利要求76所述的方法，其中，所述一个或多个辅助光束包括一阶衍射透射或一阶衍射反射。
79.根据权利要求76所述的方法，其中，所述一个或多个辅助光束包括零阶衍射透射或零阶衍射反射中的至少一个。
80.根据权利要求74所述的方法，其中，控制主光束包括控制主光束的功率。
81.根据权利要求74所述的方法，其中，形成主光束包括，在激光谐振器内：
从多个光束发射器发射多个光束；
将多个光束聚焦到衍射光栅；以及
用衍射光栅衍射光束以形成主光束。
82.根据权利要求81所述的方法，其中，衍射光栅在波长光束组合(WBC)平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
83.根据权利要求81所述的方法，其中，衍射光栅在波长光束组合(WBC)平面内相对于入射光束以利特罗角倾斜。
84.根据权利要求83所述的方法，其中，衍射光栅在非WBC平面内相对于入射光束以非利特罗角倾斜。
85.根据权利要求74所述的方法，进一步包括，在加工过程中，至少部分地基于工件的至少一个特征来控制主光束。
86.根据权利要求85所述的方法，其中工件的至少一个特征包括工件的厚度和/或工件的成分。
87.根据权利要求74所述的方法，其中加工工件包括物理改变工件表面的至少一部分。
88.根据权利要求74所述的方法，其中加工工件包括切割、焊接、蚀刻、退火、钻孔、锡焊或钎焊中的至少一种。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552377A (zh) * 2022-02-16 2022-05-27 中国电子科技集团公司第四十四研究所 基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器
CN114900231A (zh) * 2022-04-08 2022-08-12 南京天兴通电子科技有限公司 一种可以自动识别波长的pon网络光功率计及其识别方法
CN117871044A (zh) * 2023-12-14 2024-04-12 中国计量科学研究院 一种测定Littrow衍射角的装置及方法

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7462219B2 (ja) 2020-05-08 2024-04-05 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 レーザ加工装置
JP7412662B1 (ja) 2023-07-12 2024-01-12 三菱電機株式会社 レーザ装置およびレーザ加工装置

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6907051B1 (en) * 2001-08-31 2005-06-14 Nlight Photonics Corporation Dynamically spectrally tailored raman pump laser
US20110216417A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 TeraDiode, Inc. Selective Repositioning and Rotation Wavelength Beam Combining System and Method
CN103081261A (zh) * 2010-03-05 2013-05-01 泰拉二极管公司 波长光束组合系统与方法
CN103151696A (zh) * 2013-02-20 2013-06-12 中国科学院武汉物理与数学研究所 激光频率和功率的稳定方法及稳定装置
CN103904557A (zh) * 2014-03-25 2014-07-02 中国科学院半导体研究所 激光器合束装置和方法
CN104254950A (zh) * 2012-01-20 2014-12-31 艾克瑟劳斯股份公司 用于oct的具有grism的波长可调谐外腔激光二极管
US20150104180A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-16 TRUMPF Laser GmbH + Co. KG (TLS) High brightness dense wavelength multiplexing laser
US20160149374A1 (en) * 2014-11-22 2016-05-26 Bien Chann Wavelength beam combining laser systems utilizing etalons
CN107073643A (zh) * 2014-10-14 2017-08-18 株式会社天田控股集团 直接二极管激光加工装置及其输出监视方法
CN107771299A (zh) * 2015-06-23 2018-03-06 特拉迪欧德公司 用于改变激光输送系统中的光束参数乘积的光学元件布置

Family Cites Families (24)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4552463A (en) * 1984-03-15 1985-11-12 Harry Hodson Method and apparatus for producing a colloidal mixture
JPH06101607B2 (ja) * 1985-12-26 1994-12-12 松下電器産業株式会社 波長多重光通信用光源
US6192062B1 (en) 1998-09-08 2001-02-20 Massachusetts Institute Of Technology Beam combining of diode laser array elements for high brightness and power
US6208679B1 (en) 1998-09-08 2001-03-27 Massachusetts Institute Of Technology High-power multi-wavelength external cavity laser
JP4083464B2 (ja) * 2002-05-02 2008-04-30 富士通株式会社 波長可変光源装置およびそれを用いた光増幅器
US20060132766A1 (en) * 2004-12-21 2006-06-22 Bruce Richman Continuously tunable external cavity diode laser
US7436588B2 (en) * 2006-10-05 2008-10-14 Northrop Grumman Corporation Method and system for hybrid coherent and incoherent diffractive beam combining
US8670180B2 (en) 2010-03-05 2014-03-11 TeraDiode, Inc. Wavelength beam combining laser with multiple outputs
US9778448B2 (en) 2010-03-05 2017-10-03 TeraDiode, Inc. Optical cross-coupling mitigation systems for wavelength beam combining laser systems
US9620928B2 (en) * 2010-07-16 2017-04-11 Massachusetts Institute Of Technology Continuous wave or ultrafast lasers
JP6368250B2 (ja) * 2012-02-14 2018-08-01 テラダイオード， インコーポレーテッド 二次元マルチビームのスタビライザーおよびコンバイニングシステムおよび方法
CN105940577B (zh) * 2014-01-30 2019-01-18 三菱电机株式会社 光束耦合装置以及光束耦合装置的输出恢复方法
US9366887B2 (en) 2014-02-26 2016-06-14 TeraDiode, Inc. Systems and methods for laser systems with variable beam parameter product utilizing thermo-optic effects
DE112015000994B4 (de) 2014-02-26 2024-01-18 Panasonic Corporation of North America (n.d.Ges.d. Staates Delaware) Systeme für Mehrstrahl-Laseranordnungen mit veränderbarem Strahlparameterprodukt
US9435964B2 (en) 2014-02-26 2016-09-06 TeraDiode, Inc. Systems and methods for laser systems with variable beam parameter product
US11780029B2 (en) 2014-03-05 2023-10-10 Panasonic Connect North America, division of Panasonic Corporation of North America Material processing utilizing a laser having a variable beam shape
US11204506B2 (en) 2014-03-05 2021-12-21 TeraDiode, Inc. Polarization-adjusted and shape-adjusted beam operation for materials processing
US9889524B2 (en) 2014-03-05 2018-02-13 TeraDiode, Inc. Polarization-adjusted beam operation for materials processing
US9719776B2 (en) 2014-04-01 2017-08-01 TeraDiode, Inc. Feature and depth measurement using multiple beam sources and interferometry
DE112017000432B4 (de) 2016-01-20 2022-07-21 TeraDiode, Inc. Prismen zur verbesserung der strahlqualität und bandbreitenverminderung nutzende wellenlängenstrahlkombinationslasersysteme
CN108780189B (zh) 2016-04-06 2021-11-19 特拉迪欧德公司 用于改变激光束轮廓的光纤结构和方法
JP6437173B1 (ja) * 2017-03-30 2018-12-12 昭和電工株式会社 ＳｉＣ単結晶体の品質評価方法及びこれを利用した炭化珪素単結晶インゴットの製造方法
US10958043B2 (en) * 2018-04-02 2021-03-23 Mitsubishi Electric Corporation Laser device
JP7060799B2 (ja) * 2018-05-31 2022-04-27 日亜化学工業株式会社 光源装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6907051B1 (en) * 2001-08-31 2005-06-14 Nlight Photonics Corporation Dynamically spectrally tailored raman pump laser
US20110216417A1 (en) * 2010-03-05 2011-09-08 TeraDiode, Inc. Selective Repositioning and Rotation Wavelength Beam Combining System and Method
CN103081261A (zh) * 2010-03-05 2013-05-01 泰拉二极管公司 波长光束组合系统与方法
CN104254950A (zh) * 2012-01-20 2014-12-31 艾克瑟劳斯股份公司 用于oct的具有grism的波长可调谐外腔激光二极管
CN103151696A (zh) * 2013-02-20 2013-06-12 中国科学院武汉物理与数学研究所 激光频率和功率的稳定方法及稳定装置
US20150104180A1 (en) * 2013-10-14 2015-04-16 TRUMPF Laser GmbH + Co. KG (TLS) High brightness dense wavelength multiplexing laser
CN103904557A (zh) * 2014-03-25 2014-07-02 中国科学院半导体研究所 激光器合束装置和方法
CN107073643A (zh) * 2014-10-14 2017-08-18 株式会社天田控股集团 直接二极管激光加工装置及其输出监视方法
US20160149374A1 (en) * 2014-11-22 2016-05-26 Bien Chann Wavelength beam combining laser systems utilizing etalons
CN107771299A (zh) * 2015-06-23 2018-03-06 特拉迪欧德公司 用于改变激光输送系统中的光束参数乘积的光学元件布置

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114552377A (zh) * 2022-02-16 2022-05-27 中国电子科技集团公司第四十四研究所 基于异构集成的单向注入锁定半导体激光器
CN114900231A (zh) * 2022-04-08 2022-08-12 南京天兴通电子科技有限公司 一种可以自动识别波长的pon网络光功率计及其识别方法
CN117871044A (zh) * 2023-12-14 2024-04-12 中国计量科学研究院 一种测定Littrow衍射角的装置及方法
CN117871044B (zh) * 2023-12-14 2024-06-25 中国计量科学研究院 一种测定Littrow衍射角的装置及方法

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