CN116053911A - 激光束方法和系统 - Google Patents

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Y·韦德尼
R·韦雷德
E·谢克尔
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Xiwan Advanced Technology Co ltd
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Abstract

本申请涉及激光束方法和系统。用于操纵和调制激光束的方法和设备。该方法和设备使得在激光系统维持其操作功率时能够激活和去激活激光束。此外，一种混合泵浦模块，该混合泵浦模块被配置为耦合至具有芯和至少一个包层的光纤，该混合泵浦模块包括：与该光纤光学耦合的至少一个聚焦透镜；多个二极管模块，每个二极管模块被配置为在具有包层的光路中输出多模光束；以及在具有芯的光路中的至少一个芯相关模块，该芯相关模块被配置为提供选择的功能。此外，设备和方法被配置用于使光辐射倍频。

Description

激光束方法和系统
本申请是申请日为2019年05月13日，申请号为201980045970.4，发明名称为“激光束方法和系统”的申请的分案申请。
发明背景
操纵从激光器、激光束阵列和光纤阵列发出的光束的能力已在许多领域变得重要，这些领域包括：焊接、切割、勘测、制衣业、激光核聚变、通信、激光印刷、CD和光盘、光谱学、热处理、条形码扫描仪、激光冷却、跟踪和定位技术。在这些和其他相关领域中，激光的应用经常需要对激光束高速激活和去激活。
当前，用于操纵(激活/去激活)光纤束的方法需要操纵激光系统的功率。例如，“接通”/“关断”(关停)种子光束装置(seed beam device)，或转移/阻挡种子光束，或关断其电流。例如由于光纤激光器的自发发射时间，这些功率操纵相对较慢(在1-5KHz范围内)，并且当激光器发射放大的自发发射时，会损坏激光系统的某些部件。
长期以来，需要一种能够实现对高功率激光束进行高速率操纵(激活/去激活)的方法和/或装置，例如可以在光束扫描和其他快速材料加工过程中使用的方法和/或装置。
高功率光纤激光器和光纤放大器需要高亮度泵浦源和高效技术以与掺杂光纤耦合，从而激发离子并启动产生激光的过程。将信号功率与芯(core)耦合也是至关重要的。
将泵浦和/或信号光与掺杂的光纤耦合的常用方法是基于端面泵浦技术(endface pumping technique)经由熔融耦合器，熔融耦合器为光纤合束器或熔锥光纤束(TFB)。具有信号馈通的TFB合束器包括中心输入信号光纤和输出尾纤(卷曲)双包层(DC)光纤(output pigtail(curled)double-clad(DC)fiber)，其将信号和泵浦光合成在单个尾纤中。TFB的使用包括(通过数个多模光纤包围)引导信号光和引导泵浦光。为了使纤维束的直径与输出尾纤的直径相匹配，纤维束应缓慢熔化并逐渐变细。在逐渐变细的过程后，纤维束在锥形腰部周围劈开并熔接成输出尾纤DC光纤。然而，使纤维束变细必然会涉及增加泵浦光的数值孔径(NA)和改变信号光的模场直径(MFD)。因此，锥形纤维束和输出尾纤DC光纤之间必要的光学匹配和机械对准要求可能会导致TFB结构的若干缺点，例如：
-在逐渐变细的过程之后，选择可以与输出尾纤DC光纤匹配的输入光纤的灵活性较低；
-锥形输入信号光纤和输出尾纤DC光纤的信号模式场直径(MFD)之间略有失配或未对准会导致光束质量下降，这主要与信号插入损耗有关，且这也可能在高功率操作时导致对光纤的灾难性的损坏；
-在反向传播信号的情况下，例如对于反向传播的泵浦光纤放大器，信号插入损耗(高达10％)会由于对放大信号光的隔离不足而导致泵浦二极管损坏。
另一种常见的技术包括单片式全光纤合束器(monolithic all-fibercombiner)，例如渐变(GT)波耦合器，其在多包层光纤周围使用锥形毛细管，或者将一个或更多个锥形多模光纤直接熔接到多包层光纤的最外层包层。
然而，当前的合束器的耦合效率不足以允许它们在超高功率放大器和激光器中使用。另外，由于信号光纤与泵浦光纤一起逐渐变细，因此，所导致的信号光纤的小芯直径在与大模面积双包层光纤耦合时产生了严重的失配问题。这些大模场直径失配会导致不可接受的高信号损失，这可能会导致温度升高并损坏TFB。
另一个缺点在于它们易受在激光信号的线宽窄于几十兆赫兹时就会发生寄生非线性过程(主要是受激布里渊散射(SBS))的影响。这是由于光信号场和光纤的芯材的相互作用长度长(由于部件的附加纤维长度所致)。
因此，需要一种克服上述缺陷、可以减少熔接点的数量并且可以减少能量损失的新技术。
在一些实施例中，本发明涉及非线性晶体(NLC)中的高平均功率激光束(high-average power laser beams)的频率转换。其涉及一种用于校正在单个NLC或多个NLC链中的第一个中可能出现的在基频输入光束和频率转换输出光束之间的有害失配相(MP)的装置。
过去为实现高平均功率谐波转换(high-average power harmonic conversion)所做的努力已经达到了由损伤阈值(晶体内部或其抗反射涂层的损伤)或吸收引起的热效应决定的极限。
晶体及其抗反射(AR)涂层的改进使热致失配相(TMP)成为高平均功率性能的主要限制因素。控制TMP的一种选择是使用超低吸收晶体。一个示例是用于1064nm激光器倍频的三硼酸锂(LBO)。
然而，在某种功率电平下，晶体的加热开始降低性能，且因此必须采用某种补偿方法。
文献中已报道的一种方法是使用带有中间相位失配补偿器(PMC)的两个晶体。PMC为一种光学元件，其表现出色散和/或偏振相关的折射率。这种色散可能是材料的固有特性[D.Fluck和P.Gunter在《Optics Comm.》147，305-308(1998)：“Efficient second-harmonic generation by lens wave-guiding in KNbO crystals”；A.K.Hansen、M.Tawfieq、O.B.Jensen、P.E.Andersen、B.Sumpf、G.Erberty和P.M.Petersen在《OpticsExpress》23,15921-15934(2015)：“Concept for power scaling second harmonicgeneration using a cascade of nonlinear crystals”；A.K.Hansen、O.B.Jensen、B.Sumpf、G.Erbert、A.Unterhuber、W.Drexler、P.E.Andersen、P.M.l Petersen在《SPIE会议论文集》第8964卷(2016)：“Generation of 3.5W of diffraction-limited greenlight from SHG of a single tapered diode laser in acascade of nonlinearcrystals”；X.Liu、X.Shen、J.Yin和X.Li在《J.Opt.Soc.Am.B》34，383-388(2017)：“Three-crystal method for thermally induced phase mismatch compensation in second-harmonic generation”]；或者，也可以由外部电场(施加在电光材料上的电场，诸如普克尔盒(Pockels cell)中的电场)施加[Z.Cui、D.Liu，l、M.Suny、J.Miao和J.Zhu在《JOSA B》33,525-534(2016)：“Compensation method for temperature-induced phase mismatchduring frequency conversion in high-power laser systems”]。
PMC已在实验室和仿真中得到证明，在补偿双晶倍频链的第二个晶体中的MP方面非常有效。然而，在足够高的输入功率下，需要更好地处理第一频率转换晶体中的MP。
用于转换输入激光波长的倍频模块可以由一个或更多个串联放置的非线性晶体(NLC)组成。输入光会聚到第一个晶体中，且然后通过消色差光学器件在后续晶体之间进行中继成像(relay-imaged)，从而使每个晶体和每个倍频系统的倍频最大化。晶体可以由相位失配补偿器(PMC)分离，其功能是在任何特定晶体的高强度相互作用区之前校正在倍频过程中发生的基频光束与谐波光束之间的任何相位失配。
通常，即使可以通过改变晶体的操作温度来尝试进行某种程度的控制，此类系统也被视为静态系统。当前的倍频系统被配置为在单个操作点上操作，并PMC被调谐成保持固定量的相位差。因此，需要有源PMC来提供增强的能力。
发明概述
在一些实施例中，提供了用于对由激光系统提供的激光束进行调制的方法，所述激光系统包括至少一个种子激光装置和相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所述种子激光装置的种子光束且被配置为选择性地提供放大的激光束；所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所述种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长或相消光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉来激活所述激光束，从而提供所述激光束；
■通过控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相消光束干涉来去激活所述激光束，从而阻止所述激光束。
在一些实施例中，通过控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉来激活的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。
在一些实施例中，通过控制所述相位调制器以提供所述相消干涉来去激活的步骤包括控制半数的被调谐的相位调制器以将半个相位(π)添加到所述半数的被调谐的相位调制器的光束中。
在一些实施例中，通过控制所述相位调制器以提供所述相消干涉来去激活的步骤包括修改被调谐的相位调制器中的一些。
在一些实施例中，被调谐的相位调制器中的每一个被不同地修改。
在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：通过修改被调谐以提供最大光束强度的相位调制器中的一些来调谐所述激光束，所述修改被配置为使得所述激光束的强度等于所述最大强度的预定百分比。
在一些实施例中，通过控制所述相位调制器以提供所述相消光束干涉来去激活的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最小强度的所述光束干涉。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－至少一个种子激光装置；
－快速光调制器(FOM)，所述快速光调制器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的带宽；
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所调制的种子光束并相应地提供放大的激光束；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述FOM以提供具有第一(窄)带宽(Δω1)的种子光束来激活所述激光束，从而提供所述激光束，所述第一带宽被配置为在所述CBC系统的CBC点处启用相长干涉；
■通过控制所述FOM以提供具有第二(宽)带宽(Δω2，其中Δω2>Δω1)的种子光束来去激活所述激光束，从而阻止所述激光束，所述第二带宽被配置为在所述CBC点处禁用相长干涉。
在一些实施例中，所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所述调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在所述CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
并且其中，激活的步骤还包括控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉。
在一些实施例中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉的步骤包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束；
－第一种子激光装置，所述第一种子激光装置被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
－第二种子激光装置，所述第二种子激光装置被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；以及
－光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；
所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所链接的(第一或第二)种子激光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述链接的种子激光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述光学开关以将所述第一种子光束链接到所述CBC系统并控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉来激活所述激光束，从而提供所述激光束；
■通过控制所述光学开关以将所述第二种子光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而禁用所述相长光束干涉并阻止所述激光束。
在一些实施例中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束；
－第一种子激光装置，所述第一种子激光装置被配置为提供具有第一带宽(Δω1)的第一种子激光束；
－第二种子激光装置，所述第二种子激光装置被配置为提供具有第二带宽(Δω2)的第二种子激光束，所述第二带宽大于所述第一带宽(Δω2>Δω1)；以及
－光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；
其中，所述第一带宽(Δω1)被配置为在所述CBC系统的CBC点处启用相长光束干涉，并且其中，所述第二带宽(Δω2)被配置为在所述CBC点处禁用相长光束干涉；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述光学开关以将所述第一种子激光束链接到所述CBC系统来激活所述激光束，从而启用相长干涉并提供所述激光束；
■通过控制所述光学开关以将所述第二种子激光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而禁用相长干涉并阻止所述激光束。
在一些实施例中，所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所述链接的(第一或第二)种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述链接的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器都被布置为在所述CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
并且其中，激活的步骤还包括控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉。
在一些实施例中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收种子光束并提供放大的激光束；
－第一种子激光器，所述第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
－第二种子激光器，所述第二种子激光器被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；
－光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述CBC系统；以及
－二向色镜，所述二向色镜被配置为接收所述放大的激光束，将具有所述第一波长(λ1)的光束传输到所述激光系统的输出端，并反射具有所述第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供所输出的激光束；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制光学开关以将所述第一种子光束链接到所述CBC系统来激活所述激光束，从而输送并提供所述激光束；
■通过控制光学开关以将所述第二种子光束链接到所述CBC系统来去激活所述激光束，从而反射和避免所述激光束。
在一些实施例中，所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所链接的(第一或第二)种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所链接的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，且被配置为相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
并且其中，所述方法还包括至少在激活的步骤期间控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉。
在一些实施例中，控制所述相位调制器以提供所述相长光束干涉包括调谐所述相位调制器以提供具有最大强度的所述相长光束干涉。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－主振荡器功率放大器(MOPA)，所述主振荡器功率放大器被配置为接收种子光束并提供放大的激光束；
－第一种子激光器，所述第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
－第二种子激光器，所述第二种子激光器被配置为提供具有第二波长(λ2)的第二种子光束，所述第二波长不同于所述第一波长(λ2≠λ1)；
－光学开关，所述光学开关被配置为仅将所述第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到所述MOPA；以及
－二向色镜，所述二向色镜被配置为接收所述放大的激光束，将具有所述第一波长(λ1)的光束传输到所述激光系统的输出端，并反射具有所述第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供所输出的激光束；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制光学开关以将所述第一种子光束链接到所述MOPA来激活所述激光束，从而输送并提供所述激光束；
■通过控制光学开关以将所述第二种子光束链接到所述MOPA来去激活所述激光束，从而反射和避免所述激光束。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－至少一个种子激光装置；
－光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子激光束并调制所述种子激光束的偏振方向；其中，所述调制包括向所述种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所述偏振调制的种子光束并提供放大的激光束；以及
－偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，从而选择性地提供所述激光束；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述种子激光束的总强度的50％的所述光束分量来激活所述激光束，从而提供所述激光束；
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述种子激光束的总强度的50％的所述光束分量来去激活所述激光束，从而避免所述激光束。
在一些实施例中，所述方法还包括以下步骤：通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于所述种子激光束的总强度的预定百分比的所述光束分量来调谐所述激光束。
在一些实施例中，所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所述偏振调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述偏振调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器；
并且其中，所述方法还包括至少在激活的步骤期间控制所述相位调制器以在所述CBC点处提供所述相长光束干涉。
在一些实施例中，所述OPC包括：
－分束组件，所述分束组件被配置为接收具有第一偏振方向(P1)的输入光束，并被配置为输出具有所述第一偏振方向(P1)和第一强度(I1)的第一光束(B1(I1，P1))以及具有所述第一偏振方向(P1)和第二强度(I2)的第二光束(B2(I2，P1))，其中，所述第一强度和第二强度的和(I1+I2)等于所述输入光束的强度；
－偏振转换器，所述偏振转换器被配置为接收所述分束组件的输出光束中的一者(B1或B2)并转换所述输出光束中的所述一者的偏振(从S到P，或者，从P到S，因此P1≠P2，B2(I2,P2)))；以及
－偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，并将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成为第三光束，所述第三光束被提供作为至所述CBC系统的输入；或者，耦合器，所述耦合器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成并将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束分成两个输出光束，其中，所述两个输出光束中仅一个输出光束被提供作为所述CBC系统的输入。
在一些实施例中，所述分束组件包括：
－分束器，所述分束器被配置为接收输入光束并将所述输入光束分成两个光束；
－相位调制器，所述相位调制器被配置为调制所述两个光束中的一个光束的相位；
－耦合器，所述耦合器被配置为(在调制光束中的一个光束的相位之后)接收所述两个光束并在两个位置处提供所述两个光束的干涉，从而提供所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二输出光束(B2(I2，P1))；
－电子控制器，所述电子控制器被配置为(可选地经由分光器(TAP)
和二极管)监测两个干涉位置中的一个干涉位置，并控制所述相位调制器以在所监测的位置处相应地启用相长或相消光束干涉，并且其中，由此对应地向未被监测的干涉位置提供相消或相长光束干涉；
并且其中，控制所述OPC的步骤包括(经由控制器)控制所述相位调制器。
在一些实施例中，提供了用于调制由激光系统提供的激光束的方法，所述激光系统包括：
－至少一个种子激光装置；
－至少一个光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的偏振方向；其中，所述调制包括向所述种子光束提供至少两个偏振分量，
其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；
－主振荡器功率放大器(MOPA)，所述主振荡器功率放大器被配置为接收所调制的种子光束并提供放大的激光束；以及
－偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，从而选择性地提供所述激光束；
所述方法包括以下步骤：
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述光束的总强度的50％的所述光束分量来激活所述激光束，从而提供所述激光束；
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述光束的总强度的50％的所述光束分量来去激活所述激光束，从而避免所述激光束。
在一些实施例中，提供了被配置为调制激光束的激光系统，所述激光系统包括：
－至少一个种子激光装置；
－至少一个光学偏振合束器(OPC)，所述光学偏振合束器被配置为接收所述种子激光装置的种子光束并调制所述种子光束的偏振方向；
－其中，所述调制包括向所述种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；
－相干光束合成(CBC)系统，所述相干光束合成系统被配置为接收所偏振调制的种子光束并提供放大的激光束；
－偏振分束器(PBS)，所述偏振分束器被配置为接收所述放大的激光束，并且仅将具有所述预定偏振方向(P1)的光束传输至所述激光系统的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，因此选择性地提供所述激光束；以及
－电子控制器，所述电子控制器被配置为：
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于所述光束的总强度的50％的所述光束分量来激活所述激光束，因此提供所述激光束；
■通过控制所述OPC以提供具有所述预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于所述光束的总强度的50％的所述光束分量来去激活所述激光束，因此避免所述激光束。
在一些实施例中，所述CBC系统包括：
－多个相位调制器，所述多个相位调制器被配置为与以下项进行(直接或间接)光学连接：所述偏振调制的种子光束、多个光学放大器、至少一个分束器、以及可选的至少一个合束器；所述偏振调制的种子光束、所述多个光学放大器、所述至少一个分束器、以及可选的所述至少一个合束器都被布置为在CBC点处启用相长光束干涉；以及
－至少一个控制电路，所述至少一个控制电路被配置为在所述CBC点处监测光束干涉，并相应地控制所述相位调制器中的至少一个相位调制器以在CBC点处提供所述相长干涉。
在一些实施例中，所述OPC包括：
－分束组件，所述分束组件被配置为接收具有第一偏振方向(P1)的输入光束，并被配置为输出具有所述第一偏振方向(P1)和第一强度(I1)的第一光束(B1(I1，P1))以及具有所述第一偏振方向(P1)和第二强度(I2)的第二光束(B2(I2，P1))，其中，所述第一强度和第二强度的和(I1+I2)等于所述输入光束的强度；
－偏振转换器，所述偏振转换器被配置为接收所述分束组件的输出光束中的一者(B1或B2)并转换所述输出光束中的所述一者的偏振(从S到P，或者，从P到S，因此P1≠P2，B2(I2,P2))；以及
－偏振分束器，所述偏振分束器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，并将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成为第三光束，所述第三光束被提供作为至所述CBC系统的输入；或者，耦合器，所述耦合器被配置为接收所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二转换输出光束(B2(I2，P2))，将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束合成并将所述第一输出光束和所述第二转换输出光束分成两个输出光束，其中，所述两个输出光束中仅一个输出光束被提供作为所述CBC系统的输入。
在一些实施例中，所述分束组件包括：
－分束器，所述分束器被配置为接收输入光束并将所述输入光束分成两个光束；
－相位调制器，所述相位调制器被配置为调制所述两个光束中的一个光束的相位；
－耦合器，所述耦合器被配置为(在调制光束中的一个光束的相位之后)接收所述两个光束并在两个位置处提供所述两个光束的干涉，从而提供所述第一输出光束(B1(I1，P1))和所述第二输出光束(B2(I2，P1))；
－电子控制器，所述电子控制器被配置为(可选地经由分光器(TAP)
和二极管)监测两个干涉位置中的一个干涉位置，并控制所述相位调制器以在所监测的位置处相应地启用相长或相消光束干涉，并且其中，由此相应地向非监测的干涉位置提供相消或相长光束干涉。
在本发明的一些实施例中，提供了混合光纤耦合二极管泵浦模块(简言之，泵浦模块)，所述混合泵浦模块被配置为被耦合至具有芯和至少一个包层的光纤，所述泵浦模块包括：
－在带有所述光纤的光路上的至少一个聚焦透镜；
－多个二极管模块，每个二极管模块被配置为在具有所述包层的光路上输出多模光束；
－在带有所述芯的光路上的至少一个芯相关模块，所述芯相关模块被配置为提供从包括以下项的组中选择的功能：
a)向所述芯输出单模光束；
b)接收来自所述芯的光束，并将所接收到的光束耦合至输出光纤；
c)接收来自所述芯的光束，并将所述接收到的光束反射回所述芯，以及
d)接收来自所述芯的光束，并将所接收到的光束中的一部分反射回所述芯，并将所述接收到的光束的另外的部分耦合至输出光纤。
在一些实施例中，所述泵浦模块还包括体积布拉格光栅(VBG)，所述体积布拉格光栅被配置为将光束变窄并将所述光束锁定到预定波长范围。
在一些实施例中，所述多个二极管模块和所述芯相关模块被布置在至少一行中，使得在每行中所述多个二极管模块和所述芯相关模块的输出光束彼此平行。
在一些实施例中，在两行或更多行的情况下，所述泵浦模块还包括：
－在第一行光束的路径中的至少一个偏振器合束器；
－一个或更多个折叠镜，每个折叠镜用于每个附加行，其中，每个折叠镜被配置为将所述每个折叠镜对应的平行光束行重定向到相应的偏振器合束器中。
在一些实施例中，所述二极管模块中的每个二极管模块包括：
－广域激光器(BAL)；
－BAL关联折叠镜，所述BAL关联折叠镜被配置有在与所述BAL关联折叠镜相关联的BAL和所述包层之间的光路；以及
－可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述BAL和与所述BAL相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所述BAL的光束的形状。
在一些实施例中，所述芯相关模块包括种子模块，所述种子模块包括：
－至少一个种子输入端，所述至少一个种子输入端被配置为耦合至种子激光装置；
－种子关联折叠镜，所述种子关联折叠镜被配置为用于在所述种子输入端和所述芯之间的光路；以及
－可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述种子输入端和与所述种子输入端相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所述种子的光束的形状。
在一些实施例中，所述种子相关模块还包括以下项中的至少一项：
－光束放大器，所述光束放大器被配置为放大所述种子光束；
－分光器(tap)(未示出)或局部反射镜，所述分光器或局部反射镜被配置为对所述种子光束进行采样，以及监测器，所述监测器被配置为监测和提醒反向光束传输；以及
－隔离器，所述隔离器被配置为仅允许光在一个方向上传输。
在一些实施例中，所述芯相关模块包括输出模块，所述输出模块包括：
－输出光纤，所述输出光纤可选地包括端盖元件；
－与所述输出光纤相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述输出光纤之间的光路；
－可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述输出光纤和与所述输出光纤相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所接收到的芯束的形状；以及
－最优的，泵转储器。
在一些实施例中，所述芯相关模块包括高反射(HR)模块，所述高反射模块包括：
－HR镜；
－与所述HR镜相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述HR镜之间的光路；以及
－可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述HR镜和与所述HR镜相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所述相关联的光束的形状。
在一些实施例中，所述HR模块还包括腔内调制器，所述腔内调制器被布置在所述HR镜和与所述HR镜相关联的折叠镜之间，并被配置为调制所反射的光束。
在一些实施例中，所述芯相关模块包括局部反射(PR)模块，所述局部反射(PR)模块包括：
－输出光纤，所述输出光纤可选地包括端盖；
－在带有所述输出光纤的光路中的PR镜；
－与所述PR镜相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述PR镜之间的光路；以及
－可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述PR镜和与所述PR镜相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所述相关联的光束的形状。
在一些实施例中，所述泵浦模块还包括至少一个散热元件，所述至少一个散热元件是从包括以下项的组中选择的：底表面，肋部，螺钉及所述底表面、所述肋部、所述螺钉的任意组合。
在本发明的一些实施例中，提供了光纤放大系统，包括：
－光纤，所述光纤包括芯和至少一个包层；
－根据上述实施例中的至少一些所述的泵浦模块，所述混合泵浦模块被耦合至所述光纤的第一端。
在一些实施例中，所述系统还包括从以下项中选择的至少一项：泵转储器、端盖元件。
在一些实施例中，所述光纤放大系统还包括耦合至所述光纤的第二端的根据上述实施例中的至少一些所述的泵浦模块。
在本发明的一些实施例中，提供了光纤激光系统，包括：
－光纤，所述光纤包括芯和至少一个包层；
－根据上述实施例中的至少一些所述的泵浦模块，所述混合泵浦模块被耦合至所述光纤的第一端；以及
－光纤布拉格光栅(FBG)或根据上述实施例中的至少一些所述的混合泵浦模块，所述光纤布拉格光栅(FBG)或所述混合泵浦模块被耦合至所述光纤的第二端。
在一些实施例中，所述光纤激光系统还包括以下中的至少一项：泵转储器和端盖元件。
本发明的一些实施例基于在功率倍频器(PFD)非线性晶体(NLC)之前向高功率基频光束添加弱二次谐波种子光束。因此，在种子和基频光束之间的相位差被控制成以便提供与第一PFD NLC中将产生的共轭相位差。最终结果是，由PFD的输入以及经过在NLC中的谐波转换区产生最小失配相位(MP)。
在一些实施例中，提供了一种温度和/或角度调谐的PFD NLC，其被配置用于在最大转换区域(如果使用透镜，则为焦点腰部，或者如果光束被准直，则为整个晶体长度)中进行最佳谐波转换，且因此，通过添加种子光束，足够的参数被提供来使转换效率达到在不使用MP时所达到的转换效率的5％之内。
在本发明的一些实施例中，提供了被配置用于使光辐射倍频的新设备，所述新设备包括至少两个顺序的非线性晶体(NLC)：
－第一NLC，所述第一NLC被配置为在接收基频(FF)处的基频光束，并发射在二次谐波频率(FH)处的弱二次谐波光束和在所述基频(FF)处的强剩余光束；所述弱二次谐波光束与所述基频光束之间的所述功率比相应地小于5×10-3：1；以及
－至少一个第二NLC，所述第二NLC被配置为接收先前NLC的在所述基频(FF)处的剩余光束和在所述二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束，并被配置为发射在所述二次谐波频率(FH)处的强倍频光束和在所述基频(FF)处的剩余光束；所述强倍频光束与所述基频光束之间的功率比相应地大于0.3：1。
在一些实施例中，上述设备还包括至少一个相位失配补偿器(PMC)，所述相位失配补偿器被配置为在所述基频(FF)处的剩余光束与在所述二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束被所述第二NLC接收之前校正在所述基频(FF)处的剩余光束与所述二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束之间的相位关系。
在一些实施例中，上述设备还包括至少一个反馈和控制系统，所述反馈和控制系统被配置为对所述强倍频光束进行采样并相应地调整所述PMC以实现所述强倍频光束的最大功率。
在一些实施例中，所述反馈和控制系统包括：至少一个测量元件、至少一个处理元件和被配置为调整所述PMC的至少一个调整元件。
在一些实施例中，上述设备还包括至少一个烘箱，每个烘箱被配置为调整NLC的温度。
在一些实施例中，所述第一NLC的长度(Ls)等于或小于所述第二NLC的长度(LD)的10％(Ls≤0.1LD)。
在一些实施例中，所述第二NLC包括LBO，并且所述第二NLC的长度(LD)大于40mm。
在一些实施例中，所述基频(FF)包括红外(IR)光的特性(λF＝1064nm)，因此二次谐波频率(FH)包括可见光的特性(λH＝532nm)。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC被配置有沿所述每个NLC的晶轴的基频光束偏振或被配置有相对于所述每个NLC的晶轴成45°的基频光束偏振。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC包括从包括以下项的组中选择的至少一种材料：BBO、KTP、LBO、CLBO、DKDP、ADP、KDP、LiIO3、KNbO3、LiNbO3、AgGaS2、AgGaSe2。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC的横向区域的尺寸大于所述每个NLC所接收的输入光束的尺寸。
在一些实施例中，上述设备还包括至少一个会聚元件，所述会聚元件被配置为将光束聚焦到NLC中。
在本发明的一些实施例中，提供了一种用于使光辐射倍频的新方法，所述方法包括：
－向非线性晶体(NLC)提供在基频(FF)处的基频光束和在二次谐波频率(FH)处的弱二次谐波光束；
－从而经由所述NLC发射在所述二次谐波频率(FH)处的强倍频光束和在所述基频(FF)处的剩余光束；
其中，所述提供的弱二次谐波光束与所述基频光束之间的功率比相应地小于5×l0-3：1；
并且其中，所发射的强倍频光束与所述基频光束之间的功率比相应地大于0.3：1。
在一些实施例中，所述方法的提供步骤还包括以下步骤：在所述基频光束和所述弱二次谐波光束之间进行相位失配补偿；并且其中，所述方法还包括控制所述PMC以实现所述强倍频光束的最大功率。
在本发明的一些实施例中，提供了被配置为使光辐射的输入倍频并提供包括二次谐波频率的输出光束的设备，所述设备包括：
－至少两个顺序非线性晶体(NLC)；每个NLC被配置为从先前的NLC接收在基频(FF)处的第一光束和可选的在二次谐波频率(FH)处的第二光束，并被配置为发射在所述二次谐波频率(FH)处的强倍频光束以及在所述基频(FF)处的剩余光束；
－至少一个相位失配补偿器(PMC)，所述相位失配补偿器被定位于所述两个NLC之间；所述PMC被配置为在所述基频(FF)处的剩余光束与在所述二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束被随后的NLC接收之前校正在所述基频(FF)处的剩余光束与在所述二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束之间的相位关系；以及
－每个所述PMC配备一个电动旋转装置，所述电动旋转装置被配置为主动旋转所述PMC，且因此主动调整对在所述剩余光束和所述二次谐波光束之间的相位关系的校正。
在一些实施例中，所述设备还包括至少一个反馈和控制系统，所述反馈和控制系统被配置为对所述强倍频光束进行采样并相应地经由所述电动旋转装置使所述PMC倾斜，以实现所述强倍频光束的最大功率。
在一些实施例中，所述反馈和控制系统包括：至少一个分束器、至少一个测量元件、至少一个处理元件和被配置为控制所述电动旋转装置的至少一个控制元件。
在一些实施例中，所述PMC包括表现出色散的光学透明窗，使得所述光束穿过所述窗必经的距离相对于所述光束旋转角变化。根据一些实施例，PMC包括表现出色散的板，使得光束穿过窗必经的距离(例如，在两侧上抛光的光学透明板)相对于光束旋转角而变化。
在一些实施例中，所述马达被配置为使所述PMC以步进和/或连续运动的方式旋转。
在一些实施例中，所述马达还被配置为使所述PMC以限制在上限值和下限值之间的抖动形式旋转。
在一些实施例中，反馈和控制系统被配置为使用所述抖动形式来提供以下至少一项：
－在所述随后的NLC中最小化反向转换，从而最大化所述输出光束的功率；
－在随后的NLC中使反向转换最大化，从而使所述输出光束的功率最小化；
－在动态或静态操作条件下将所述输出光束的功率调整到在最大值和最小值之间的所述预定值，这可能包括使输入激光功率变化和/或使烘箱温度变化。
在一些实施例中，所述马达被配置成在最大谐波转换状态和最小谐波转换状态之间以切换模式旋转所述PMC，使得所述输出光束相应地被接通和关断。
在一些实施例中，所述马达被配置为旋转所述PMC以提供具有受控的上升时间和下降时间以及具有能够控制的持续时间的平顶脉冲。
在一些实施例中，所述马达被配置为根据查找表旋转所述PMC，并因此提供成形的谐波脉冲。
在一些实施例中，所述设备还括至少一个二向色分束器，所述二向色分束器被配置为从所述输出光束中分离出所述剩余光束中的至少一部分。
在一些实施例中，所发射的强倍频光束与所发射的基频光束之间的功率比相应地大于0.3：1。
在一些实施例中，所述设备还包括至少一个烘箱，每个烘箱被配置为调整所述NLC的温度。在一些实施例中，所述设备还包括至少两个烘箱，每个烘箱被配置为调整不同的NLC的温度。
在一些实施例中，对所述PMC的所述主动控制被配置为最小化由容纳所述NLC的所述烘箱的温度变化引起的功率变化。
在一些实施例中，NLC中的至少一个NLC包括LBO，并且其长度(LD)足以实现明显的谐波光。在一些实施例中，NLC中的至少一个NLC包括LBO，并且其长度(LD)大于40mm。
在一些实施例中，所述基频(FF)包括红外(IR)光的特性(λF＝1064nm)，因此二次谐波频率(FH)包括可见光的特性(λH＝532nm)。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC被配置有沿所述每个NLC的晶轴的基频光束偏振或被配置有相对于所述每个NLC的晶轴成45°的基频光束偏振。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC包括从包括以下项的组中选择的至少一种材料：BBO、KTP、LBO、CLBO、DKDP、ADP、KDP、LiIO3、KNbO3、LiNbO3、AgGaS2、AgGaSe2。
在一些实施例中，所述NLC中的每个NLC的横向区域的尺寸大于所述每个NLC所接收的输入光束的尺寸。
在一些实施例中，所述设备还包括至少一个消色差会聚元件，所述消色差会聚元件被配置为将所述基频光束和谐波光束聚焦到NLC中。
在本发明的一些实施例中，提供了一种用于激活(“接通”)和/或去激活(“关断”)来自上述设备的倍频输出光束的方法；该方法包括：
－采样和测量输出光束；
－确定输出光束是否达到“接通”输出所需的最大值(或“关断”输出所需的最小值)，
■如果“否”，则旋转PMC，并从采样步骤重复该方法；
■如果“是”，则保持当前角度为α最大(或α最小)，并在动态输入光束和/或动态烘箱温度的任何情况下，从采样步骤重复该方法。
附图简述
在说明书结论部分中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。然而，关于本发明的组织和操作方法，以及其目的、特征和优点，可以通过在阅读附图时参考以下详细描述而得到最好的理解，其中：
图1示意性地示出了相干光束合成(CBC)系统的现有技术示例；
图2示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括种子激光装置和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置为调制放大的激光束；
图3示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括种子激光装置、快速光调制器(FOM)和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图4示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括均提供不同波长的种子光束的两个种子激光装置、光学开关和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图5示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括均提供不同带宽的种子光束的两个种子激光装置、光学开关和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图6A示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括均提供不同波长的种子光束的两个种子激光装置、光学开关、二向色镜和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图6B示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括两个均提供不同波长的种子光束的种子激光装置、光学开关、二向色镜和主振荡器功率放大器(MOPA)，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图6C示意性地示出了根据一些实施例的另一激光系统，该激光系统包括均提供不同波长的种子光束的两个种子激光装置、光学开关、二向色镜和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图7A示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括种子激光装置、光学偏振合束器(OPC)、偏振分束器(PBS)和相干光束合成(CBC)系统，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图7B示意性地示出了根据一些实施例的激光系统，该激光系统包括种子激光装置、光学偏振合束器(OPC)、偏振分束器(PBS)和主振荡器功率放大器(MOPA)，它们都被配置用于调制放大的激光束；
图8A示意性地示出了根据一些实施例的光学偏振合束器(OPC)；
图8B示意性地示出了根据一些实施例的另一种光学偏振合束器(OPC)；
图9示意性地示出了光纤放大系统的现有技术示例；
图10A、图10B、图10C和图10D示意性地示出了根据本发明的多个实施例的混合泵浦模块；
图11A、图11B和图11C示意性地示出了根据本发明的一些实施例的混合泵浦模块，其中芯相关模块是种子相关模块；
图12示意性地示出了根据本发明的一些实施例的混合泵浦模块，其中芯相关模块为输出模块；
图13示意性地示出了根据本发明的一些实施例的混合泵浦模块，其中芯相关模块是高反射模块；
图14示意性地示出了根据本发明的一些实施例的混合泵浦模块，其中芯相关模块是局部反射模块；
图15示意性地示出了根据本发明的一些实施例的光纤放大系统；
图16A和图16B示意性地示出了根据本发明的一些实施例的光纤激光系统；
图17A、图17B和图17C示意性地表明了根据本发明的一些实施例的用于使辐射激光束倍频的设备的若干设置；
图18A示意性地表明了根据本发明的一些实施例的沿放置在烘箱中的单晶体中的光轴的温度变化的示例，该烘箱设置为用于低功率频率加倍，但是以高功率操作；
图18B示意性地表明了累积到晶体内的每个点的基频光束和倍频光束之间的相位差的示例；
图19A、图19B和图19C示意性地表明了在添加具有共轭相位差的二次谐波种子光束之后的PFD的温度再调谐，以实现聚焦区域中的最小MP和最佳温度的目的；
图20A、图20B和图20C表明了用500W输入光束和50mm播种器晶体执行的一组仿真的总结；
图21表明了根据本发明的一些实施例的在非谐振温度下的播种器光束曲线；
图22A和图22B表明了根据本发明的一些实施例的利用播种器光束和不利用播种器光束的仿真结果以及它们的比较；
图23表明了根据本发明的一些实施例的使用播种器光束的增加值；
图24根据本发明的一些实施例表明了，通过呈现绿色输出光束与PMC旋转的关系，播种器光束提供了相位效应；
图25A、图25B和图25C示意性地表明了根据本发明的一些实施例的用于倍频设备的多个配置；
图26A和图26B示意性地表明了根据本发明的一些实施例的PMC的旋转角或倾斜角度，图26A为正视图和图26B为侧视图；
图27示意性地表明了根据本发明的一些实施例的用于连续调整PMC的旋转角的可选反馈算法；
图28A和图28B示意性地表明了根据本发明的一些实施例的由于烘箱控制器的下冲/过冲(undershoot/overshoot)而导致的晶体温度随时间变化和倍频器功率变化；
图29示意性地表明了根据本发明的一些实施例的，经由抖动控制来旋转PMC的输出功率稳定化，其中PMC被配置为克服烘箱的下冲/过冲；
图30表明了根据本发明的一些实施例的带有反馈的抖动控制的实验结果，该抖动控制用于在操作条件改变之后优化PMC角；
图31A和图31B表明了根据本发明的一些实施例的将谐波功率保持在最大值同时分别利用静态和动态PMC来减小波动的实验结果；
图32表明了根据本发明的一些实施例的在利用和没有利用稳定算法的情况下运行一小时的谐波输出的功率谱；
图33示意性地表明了根据本发明的一些实施例的反向转换相位差；以及
图34A和图34B表明了根据本发明的一些实施例的，通过如图34A中那样快速接通激光器获得的上升时间和通过切换PMC位置而获得的上升时间之间的比较。
应当理解，为了图示的简单和清楚起见，附图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元素的尺寸可能相对于其他元素被放大。此外，在认为适当的情况下，附图标记可以在附图之间重复，以指示对应或相似的元素。
本发明详细描述
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序和部件，以免模糊本发明。
如本文所用，在一个实施例中，术语“约”是指±10％。在另一个实施例中，术语“约”是指±9％。在另一个实施例中，术语“约”是指±9％。在另一个实施例中，术语“约”是指±8％。在另一个实施例中，术语“约”是指±7％。在另一个实施例中，术语“约”是指±6％。在另一个实施例中，术语“约”是指±5％。在另一个实施例中，术语“约”是指±4％。在另一个实施例中，术语“约”是指±3％。在另一个实施例中，术语“约”是指±2％。在另一个实施例中，术语“约”是指±1％。
用于调制激光束的方法和系统
本发明涉及用于操纵和调制来自激光器、激光束阵列和光纤阵列的激光束的方法和设备。更具体地，本发明提供了使激光束能够激活和去激活的方法和设备，同时激光系统例如在不关断系统功率源或减少系统功率源或不阻挡种子激光束的情况下保持其操作功率。因此，在不损坏诸如例如放大器的部件的情况下，并且通过启用更高的操作频率(例如，调制频率可以达到10GHz)来节省(缩短)操作时间。
美国公开2013/0107343中公开了激光放大系统、相干光束合成(CBC)系统的一个示例，该公开表明了一种激光系统，该激光系统包括种子激光器和光学放大子系统，该光学放大子系统接收种子激光器的输出并提供放大的激光输出；该光学放大子系统包括第一多个放大器组件，第一多个放大器组件中的每一个包括第二多个光学放大器，以及相位控制电路，该相位控制电路包括与第一多个放大器组件中的每一个相关联的相位调制功能。
图1表明了相干光束合成(CBC)的一般或典型模型/设计。系统1100包括配置为向CBC系统1101提供种子光束的种子激光器1110。CBC系统1101包括第一光学放大器1121，其接收种子激光器1110的输出并提供第一放大的输出光束。第一分束器1131将第一输出光束分成第一多个输入光束，以被以平行构造布置的第二多个光学放大器1122接收。第二多个光学放大器1122被配置为提供第二多个放大的输出光束。然后，第二多个输出光束由第二多个分束器1132分开，第二多个分束器1132提供第二多个输入光束，第二多个输入光束由以平行构造布置的第三多个光学放大器1123接收，从而提供第三多个放大的输出光束。然后将第三多个放大的输出光束相干合成为单个CBC输出光束170。可以例如由至少一个合束器1140提供相干合成，该合束器被配置为在标为CBC点1171的位置处提供光束干涉，从而提供CBC输出光束。可替代地，可以在自由空间(准直的自由空间，没有任何合束器；未示出)中提供相干光束合成，其中光束干涉发生在标记为CBC点1171的位置处。
CBC系统还包括与第二多个输入光束中的每个相关联的相位控制电路1160，其包括相位调制功能1150。控制电路1160被配置为监测在CBC点1171处的光束干涉，并经由多个相位调制器1150控制第二多个输入光束中的每个输入光束的相位，使得在CBC点1171处接收相长光束干涉。需注意，可以经由光纤1102提供所有的光学连接。还需注意，光学放大器1121、1122、1123可以被配置为具有相同或不同强度的特征；合束器1140可以如美国公开2013/0107343的图4A和图4B中所述进行配置。
激光的脉冲操作是指未归类为连续波(CW)的任何激光，因此光功率以一定的重复率出现在具有一定持续时间的脉冲中。激光波的这种使用涵盖了解决许多不同动机的广泛技术。某些激光被脉冲仅仅是因为它们不能以连续模式运行。在其他情况下，应用需要产生具有尽可能大的能量的脉冲。由于脉冲能量等于平均功率除以重复率，因此有时可以通过降低脉冲速率来实现此目标，以便可以在脉冲之间聚积更多的能量。其他应用依赖于峰值脉冲功率(而不是脉冲中的能量)，特别是为了获得非线性光学效果时。对于给定的脉冲能量，这需要形成可能持续时间最短的脉冲。激光器的准连续波(QCW)操作意味着其泵浦源仅在特定时间间隔内“接通”，该特定时间间隔足够短到显著降低热效应，但仍然足够长以至于激光过程接近其稳态，即激光器在光学上处于连续波操作的状态。占空比(“接通”时间的百分比)可以为例如几个百分比，从而极大地降低了加热以及所有相关联的热效应，诸如热透镜效应和过热损坏。因此，QCW操作允许以较高的输出峰值功率进行操作，但以较低的平均功率为代价。摘自：https://en.wikipedia.org/wiki/Pulsed_lase；(另请参见：https://en.wikipedia.org/wiki/Wikipedia:Text of Creative Commons Attribution-ShareAlike 3.0Unported License)。
本领域技术人员将理解，术语“快速光调制器(FOM)”可以指电光调制器(EOM)(或电光调制器)，其被配置为用于控制带有电子控制信号的激光束的功率、相位或偏振。在一些实施例中，工作原理可以基于线性电光效应(也称为普克尔斯效应)，即，通过电场与场强成比例地改变非线性晶体的折射率。
本领域技术人员将理解，术语“一个或更多个相位调制器”可以指可用于控制激光束的光学相位的光学调制器。常用的相位调制器类型为基于普克尔盒的电光调制器和液晶调制器，但也有可能例如利用例如光纤的热引起的折射率变化或长度变化，或通过拉伸引起的长度变化。在集成光学器件的区域内使用各种相位调制器，其中调制光在波导中传播。
本领域技术人员将理解，术语“一个或更多个主振荡器功率放大器(MOPA)”可以指包括主激光器(或种子激光器)和光学放大器以提高输出功率的配置。在一些实施例中，功率放大器为光纤器件。根据其他实施例，MOPA可以包括固态体激光器和体放大器，或者包括可调外腔二极管激光器和半导体光学放大器。
本领域技术人员将理解，术语“分束器”可以指被配置为将入射光束(例如激光束)分成可以具有或可以不具有相同的光功率的两个或更多个光束的光学装置。在一些实施例中，分束器用作合束器，用于将几个光束合成为单个光束。在一些实施例中，分束器被要求用于干涉仪、自相关器、相机、投影仪和激光系统。在一些实施例中，分束器可以包括以下中的至少一项：
－介电镜，该介电镜可以是可用于分离光束的任何局部反射镜。在激光技术中，介电镜通常用于这种目的。入射角还决定了输出光束的角分离量，例如45°，这通常很方便，但它也可以具有其他值，并影响分束器的特性。经由介电涂层的不同设计，可以实现大范围的功率分配比。
－立方体，其中光束分离发生在立方体内的界面处。这种立方体通常由两个三角形的玻璃棱镜制成，这些棱镜与某种透明的树脂或水泥粘合在一起。该层的厚度可用于调整给定波长的功率分配比。
－光纤分路器，该光纤分路器是一种光纤耦合器，其用作光纤分束器。这样的装置可以通过熔融结合纤维来制成，并且可以具有两个或更多个输出端口。对于块装置，分配比可能会或可能不会强烈取决于输入的波长和偏振。
－平面光波电路(PLC)分路器。PLC为光学集成电路(IC)或使用光波导路由光子的光电路板。
－光栅是一种具有周期性结构的光学部件，其可将光分离和衍射为沿不同方向传播的若干光束。这些光束的方向取决于光栅的间距和光的波长。在一些实施例中，光栅也可以用作合束器。
－多模干涉(MMI)，其是一种光波导，具有用于引导光的空间不均匀结构，即用于限制光可以在其中传播的空间区域的空间不均匀结构。MMI可用于分离和合成光束，例如在集成光学干涉仪中分离和合成光束。
本领域技术人员将理解，术语“光纤耦合器”或“耦合器”可以指具有一个或更多个输入光纤和一个或更多个输出光纤的光纤器件。来自输入光纤的光可以出现在一个或更多个输出端处，且功率分布可能取决于波长和偏振。
本领域技术人员将理解，术语“分光器(tap)”可以指被配置用于50：50、75：25、90：10或99：1的耦合输出比的耦合器。光纤分接可以使用网络分接方法，该方法可以在不断开连接的情况下从光纤提取信号。光纤的分接可以允许将在光芯中传输的某些信号转移到另一根光纤或检测器中。
本领域技术人员将理解，术语“光束干涉”或“干涉”可以指两个或更多个光波重叠以形成更大、更低或相同振幅的合成波的现象。在合成波大于两个原始波中的任一个的情况下，称为“相长干涉”；当两个波的总和小于任一波时，甚至可以等于零时，被称为“相消干涉”。
本领域技术人员将理解，术语“光学放大器”可以指接收一些输入信号并生成具有较高光功率的输出信号的装置。在一些实施例中，输入和输出为在自由空间或光纤中传播的激光束。放大发生在所谓的增益介质中，该介质必须从外部源“泵浦”(即提供能量)。在一些实施例中，光学放大器被光学地、化学地或电泵浦。
本领域技术人员将理解，术语“二向色镜”可以指的是在两个不同的波长处具有明显不同的反射或透射特性的镜。
本领域技术人员将理解，术语“种子激光器”可以指输出被注入到放大器或另一激光器中的激光器。种子激光器的典型类型为小型激光二极管(单频或增益开关)、短腔光纤激光器和微型固态激光器，诸如非平面环形振荡器(NPRO)。
现在参考图2，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1270(更具体地，高功率激光束)的激光系统1200。系统1200包括：
-相干光束合成(CBC)系统；以及
-至少一个种子激光装置1210，该种子激光装置被配置为向CBC系统1201提供至少一个输入种子光束；
输出激光束1270由CBC系统选择性地提供。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来进行提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图2所示的CBC系统1201的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1250，该多个相位调制器被配置为(例如，经由光纤)与以下进行直接或间接光学连接1202：由种子激光装置提供的种子光束、多个光学放大器1220、至少一个分束器1230、以及可选的至少一个合束器1240(可以在没有任何合束器的情况下提供光束相干合成，例如，准直的自由空间；未示出)，它们都被布置成在CBC点1271处启用相长或相消光束干涉；以及
-至少一个控制电路1260，该至少一个控制电路被配置为在CBC点1271处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器1250中的至少一个相位调制器，以提供相长或相消光束干涉。
在一些实施例中，激光系统1200被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1270的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1270(换句话说，当需要“接通”激光束1270时)，经由控制电路1260控制相位调制器1250以在CBC点1271处启用相长干涉，从而提供输出激光束1270；
■为了使激光束1270去激活(换句话说，当需要“关断”激光束1270时)，经由控制电路1260控制相位调制器1250以在CBC点1271处启用相消干涉，从而阻止输出激光束1270。
在一些实施例中，控制相位调制器以启用相长干涉包括调谐相位调制器以在CBC点1271处提供具有最大强度的激光束。
-在一些相关的实施例中，控制相位调制器以启用相消干涉包括控制半数的先前被调谐以提供最大光束强度的相位调制器1250，以将半个相位(π)添加到它们先前调谐的光束中。
-根据其他相关实施例，控制相位调制器以启用相消干涉包括修改先前被调谐以提供最大光束强度的相位调制器1250中的一些；所述修改可以彼此相同、或不同。
-在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些其他相关实施例中，该方法还包括以下步骤：通过(经由控制器1260)修改被调谐以提供最大光束强度的相位调制器中的一些来调谐激光束1270，其中，该修改被配置为使输出激光束1270的强度等于先前提供的最大强度的在0％至100％之间的预定百分比范围(例如：5％，10％，25％，50％，75％，90％，95％或任何其他百分比)。
在一些实施例中，经由控制器1260控制相位调制器以启用相消干涉包括在CBC点1271处修改相位调制器以提供具有最小强度的激光束。
现在参考图3，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1370(更具体地，高功率激光束)的另一激光系统1300。系统1300包括：
-至少一个种子激光装置1310；
-快速光调制器(FOM)1316，该快速光调制器被配置为接收种子激光装置的种子激光束并调制其带宽；
-相干光束合成(CBC)系统1301，该相干光束合成系统被配置为接收调制的种子光束并相应地提供放大的激光束1370。
在一些实施例中，FOM 1316调制被配置为在两个预定带宽之间选择第一带宽(Δω1)或第二带宽(Δω2)，其中第二带宽大于第一带宽(Δω2>Δω1)。
在一些实施例中，选择第一带宽(Δω1)，使得其相干长度Lc1长于系统中不同信道之间的光程差(OPD)的均方根(RMS)，Lc1>OPD；并且其中，选择第二带宽(Δω2)，使得其相干长度Lc2短于系统中不同信道之间的OPD的RMS，Lc2<OPD。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图3所示的CBC系统1301的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1350，该多个相位调制器被配置为例如，经由光纤)与以下项进行直接或间接光学连接(：由种子激光装置1310提供的种子光束、多个光学放大器1320、至少一个分束器1330、以及可选的至少一个合束器1340(可以在没有任何合束器的情况下提供光束合成，例如，准直的自由空间；未示出)，它们都被布置成在CBC点1371处启用相长或相消光束干涉；以及
-至少一个控制电路1360，该控制电路被配置为在CBC点1371处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器1350中的至少一个，以提供相长或相消光束干涉。
在一些实施例中，激光系统1300被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1370的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1370，控制FOM 1316以在CBC点1371处提供具有被配置为启用相长干涉的窄带宽(Δω1)的种子激光束，从而提供输出激光束1370；
■为了去激活激光束1370，控制FOM 1316以在CBC点1371处提供具有被配置为禁用相长干涉的宽带宽(Δω2，其中Δω2>Δω1)的种子激光束，从而阻止输出激光束1370。
在一些实施例中，其中，控制FOM 1316以提供具有窄带宽的种子激光束的步骤还包括经由控制电路1360控制相位调制器1350以在CBC点1371处启用相长干涉。
在一些实施例中，控制相位调制器以提供相长光束干涉的步骤包括调谐相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。
在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些实施例中，由CBC系统1301的至少一个控制电路1360提供对FOM 1316的控制。根据其他实施例，由高级控制电路1361提供对FOM 1316的控制，该高级控制电路1361被配置为控制FOM 1316和CBC系统1301的至少一个控制电路1360。
现在参考图4，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1470(更具体地，高功率激光束)的另一激光系统1400。系统1400包括：
-相干光束合成(CBC)系统1401，该相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束1470；
-第一种子激光装置1410，该第一种子激光装置被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
-第二种子激光装置1411，该第二种子激光装置被配置为提供具有不同于第一波长(λ2≠λ1)的第二波长(λ2)的第二种子光束；以及-光学开关1415，该光学开关被配置为仅将第一种子激光束和第二种子激光束中的一个链接到CBC系统1401；
因此，输出激光束1470由CBC系统1401提供。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图4所示的CBC系统1401的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1450，该多个相位调制器被配置为(例如，经由光纤)与以下进行直接或间接光学连接：链接的(第一或第二)
种子激光束、多个光学放大器1420、至少一个分束器1430、以及可选的至少一个合束器1440(可以在没有任何合束器的情况下提供光束合成，例如，准直的自由空间；未示出)，它们都被布置成在CBC点1471处启用相长光束干涉；以及
-至少一个控制电路1460，该控制电路被配置为在CBC点1471处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器中的至少一个相位调制器。
在一些实施例中，如果基于第一波长(λ1)将相位调制器1450调谐到允许相长干涉，则第二波长(λ2)被选择成使得它不能在CBC点1471处提供相长光束干涉。
在一些实施例中，至少一个合束器1440是对波长敏感的衍射光学元件(DOE)，从而被配置为合成具有特定波长(即第一波长(λ1))的光束并被配置成散射具有其他波长(包括第二波长(λ2))的光束。这种合束器的非限制性示例是达曼光栅，其中合成光束之间的最佳角度对波长非常敏感。因此，光束被布置成对于具有第一波长(λ1)的第一种子激光束实现最大合成效率。因此，当将种子激光束切换为具有第二波长(λ2，其中λ2≠λ1)的第二激光束时，合成效率下降，并因此输出光束1470被禁用。
在一些实施例中，激光系统1400被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1470的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1470，控制光学开关1415以将第一种子光束链接到CBC系统1401，并经由控制电路1460控制相位调制器1450，以在CBC点1471处启用相长干涉，从而提供输出激光束1470；
■为了去激活激光束1470，控制光学开关1415以将第二种子光束链接到CBC系统1401(不修改相位调制器1450)，从而在CBC点1471处禁用相长干涉，并阻止输出激光束1470。
注意，为了说明的目的，在激活激光束1470之后，基于第一种子激光束1410的第一波长(λ1)，相位调制器1450被调谐以在CBC点1471处启用相长干涉，因此当光学开关1415链接具有第二波长(λ2，λ2≠λ1)的第二种子激光束时，不重新调整相位调制器1450，因此不会发生相长干涉，从而被禁用。因此，当光学开关1415再次链接具有第一波长(λ1)的第一种子激光束时，相位调制器1450已经被调整。
在一些实施例中，根据上述实施例及其选择的特征，λ1和λ2被选择成使得它们的差(λ2≠λ1)允许光束激活和去激活。
在一些实施例中，控制相位调制器1450以提供相长光束干涉的步骤包括调谐相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。
在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些实施例中，由CBC系统1401的至少一个控制电路1460提供对光学开关1415的控制。根据其他实施例，由高级控制电路1461提供对光学开关1415的控制，该高级控制电路1461被配置为控制光学开关1415和CBC系统1401的至少一个控制电路1460。
现在参考图5，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1570(更具体地，高功率激光束)的激光系统1500。系统1500包括：
-相干光束合成(CBC)系统1501，该相干光束合成系统被配置为接收种子激光束并相应地提供放大的激光束；
-第一种子激光装置1510，该第一种子激光装置被配置为提供具有窄带宽(Δω1)的第一种子激光束；
-第二种子激光装置1511，该第二种子激光装置被配置为提供具有大于第一带宽(其中Δω2>Δω1)的宽带宽(Δω2)的第二种子激光束；以及
-光学开关1515，该光学开关被配置为仅将第一种子激光束和第二种子激光束中的一者链接到CBC系统1501；
-其中，窄带宽(Δω1)被配置为在CBC系统1501的CBC点1571处启用相长光束干涉，并且其中，宽带宽(Δω2)被配置为在CBC点1571处禁用相长光束干涉；因此输出激光束1570由CBC系统1501提供。
在一些实施例中，第一带宽(Δω1)被选择成使得其相干长度Lc1长于系统中不同信道之间的光程差(OPD)的RMS，Lc1>OPD；并且其中，第二带宽(Δω2)被选择成使得其相干长度Lc2短于系统中不同信道之间的OPD的RMS，Lc2<OPD。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图5所示的CBC系统1501的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1550，该多个相位调制器被配置为(例如，经由光纤)与以下进行直接或间接光学连接：链接的(第一或第二)种子激光束、多个光学放大器1520、至少一个分束器1530、以及可选的至少一个合束器1540(可以在没有任何合束器的情况下提供光束合成，例如，准直的自由空间；未示出)，它们都被布置成在CBC点1571处启用相长光束干涉；以及
-至少一个控制电路1560，该控制电路被配置为在CBC点1571处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器中的至少一个相位调制器。
在一些实施例中，激光系统1500被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1570的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1570，控制光学开关1515以将第一种子激光束链接到CBC系统1501，从而在CBC点1571处启用相长干涉，并提供输出激光束1570；
■为了去激活激光束1570，控制光学开关1515以将第二种子激光束链接到CBC系统1501，从而在CBC点1571处禁用相长干涉，并阻止输出激光束1570。
在一些实施例中，激活的步骤还包括经由控制器1560控制相位调制器1550，以在CBC点1571处启用相长干涉。
在一些实施例中，控制相位调制器1550以提供相长光束干涉的步骤包括调谐相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。
在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些实施例中，由CBC系统1501的至少一个控制电路1560提供对光学开关1515的控制。根据其他实施例，由高级控制电路1561提供对光学开关1515的控制，该高级控制电路1561被配置为控制光学开关1515和CBC系统1501的至少一个控制电路1560。
现在参考图6A和图6C，它们表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1670A/1670C(更具体地，高功率激光束)的激光系统1600A/1600C。
如图6A所示，系统1600A包括：
-相干光束合成(CBC)系统1601A，该相干光束合成系统被配置为接收种子光束并提供放大的激光束1672A；
-第一种子激光器1610，该第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
-第二种子激光器1611，该第二种子激光器被配置为提供具有不同于第一波长(λ2≠λ1)的第二波长(λ2)的第二种子光束；
-光学开关1615，该光学开关被配置为仅将第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到CBC系统1601A；以及
-二向色镜1680A，该二向色镜被配置为接收放大的激光束1672A，
将具有第一波长(λ1)的光束传输到激光系统1600A的输出端，并反射具有第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供输出激光束1670A。
在一些实施例中，第一波长(λ1)、第二波长(λ2)和二向色镜1680A被选择成使得当具有第一波长(λ1)时，二向色镜1680A通过超过50％(优选地约100％)的光束；并且当具有第二波长(λ2)时，反射超过50％(优选地约100％)的光束。
如图6C所示，系统1600C包括：
-相干光束合成(CBC)系统1601C，该相干光束合成系统被配置为接收种子光束并提供放大的激光束1672C；
-第一种子激光器1610，该第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子光束；
-第二种子激光器1611，该第二种子激光器被配置为提供具有不同于第一波长(λ2≠λ1)的第二波长(λ2)的第二种子光束；
-光学开关1615，该光学开关被配置为仅将第一种子光束和第二种子光束中的一者链接到CBC系统1601C；以及
-二向色镜1680C，该二向色镜被配置为接收放大的激光束1672C，将具有第一波长(λ1)的光束传输到激光系统1600C的输出端，并反射具有第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供输出激光束1670C。
在一些实施例中，第一波长(λ1)、第二波长(λ2)和二向色镜1680C被选择成使得当具有第一波长(λ1)时，二向色镜1680A通过超过50％(优选地约100％)的光束；并且当具有第二波长(λ2)时，反射超过50％(优选地约100％)的光束。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图6A所示的CBC系统1601A的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1650，该多个相位调制器被配置为与以下进行(直接或间接)光学连接：链接的(第一或第二)种子光束、多个光学放大器1620、至少一个分束器1630、以及可选的至少一个合束器1640；上述都被布置为在CBC点1671A处启用相长光束干涉；
以及
-至少一个控制电路1660，该控制电路被配置为在CBC点1671A处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器中的至少一个相位调制器。
在一些实施例中，对于如图6A所示的包括至少一个合束器1640的CBC系统配置1601A，可以将二向色镜1680A放置在CBC点1671A之外。在一些实施例中，二向色镜1680A可以放置在CBC点之前。
根据本发明的其他实施例，CBC系统配置1601C如图6C所示，包括：
-多个相位调制器1650，该多个相位调制器被配置为与以下进行(直接或间接)光学连接：链接的(第一或第二)种子光束，多个光学放大器1620，至少一个分束器1630，并且其中，光束合成被配置为发生在自由空间中；上述都被布置为在CBC点1671A处启用相长光束干涉，CBC点1671A在该表明中被设置在远场处；以及
-至少一个控制电路1660，该控制电路被配置为在CBC点1671C处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器中的至少一个相位调制器。
根据图6C所示的实施例，将二向色镜1680C放置在CBC点1671C之前。
在一些实施例中，图6A和图6C所示的两种配置的激光系统1600A/1600C被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1670A/1670C的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1670A/1670C，控制光学开关1615以将第一种子激光束链接到CBC系统1601A/1601C，从而传输并提供输出激光束1670A/1670C；
■为了去激活激光束1670A/1670C，控制光学开关1615以将第二种子激光束链接到CBC系统1601A/1601C，从而反射并避免输出激光束1670A/1670C。
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：经由控制电路1660控制相位调制器1650，以在CBC点1671A/1671C处启用相长干涉。在一些实施例中，控制相位调制器的步骤可以仅在激活激光束的步骤期间进行，并且在去激活期间不进行相位调制。
在一些实施例中，控制相位调制器1650以提供相长光束干涉包括调谐相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。
在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些实施例中，由CBC系统1601A/1601C的至少一个控制电路1660提供对光学开关1615的控制。根据其他实施例，由高级控制电路1661提供对光学开关1615的控制，该高级控制电路1661被配置为控制光学开关1615和CBC系统1601A/1601C的至少一个控制电路1660。
现在参考图6B，其表明了被配置为提供和调制激光束1670B的激光系统1600B。系统1600B包括：
-主振荡器功率放大器(MOPA)1620B，该主振荡器功率放大器被配置为接收种子光束并提供放大的激光束1672B；
-第一种子激光器1610B，该第一种子激光器被配置为提供具有第一波长(λ1)的第一种子激光束；
-第二种子激光器1611B，该第二种子激光器被配置为提供具有不同于第一波长(λ2≠λ1)的第二波长(λ2)的第二种子激光束；
-光学开关1615B，该光学开关被配置为仅将第一种子激光束和第二种子激光束中的一者链接到MOPA 1620B；以及
-二向色镜1680B，该二向色镜被配置为接收放大的激光束1672B，将具有第一波长(λ1)的光束传输到激光系统1600B的输出端，并反射具有第二波长(λ2)的光束，因此选择性地提供输出激光束1670B。
激光系统1600B被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1670B的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1670B，控制光学开关1615B以将第一种子光束链接到MOPA1620B，从而传输并提供激光束1670B；
■为了去激活激光束1670B，控制光学开关1615B以将第二种子光束链接到MOPA1620B，从而反射和避免激光束1670B。
在一些实施例中，根据上述实施例及其选择的特征，选择λ1和λ2使得它们的差(λ2≠λ1)实现光束激活和去激活。
现在参考图7A，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1770(更具体地，高功率激光束)的激光系统1700A。系统1700A包括：
-至少一个种子激光装置1710；
-光学偏振合束器(OPC)1717，该光学偏振合束器被配置为接收种子激光装置的种子激光束并调制其偏振方向(其输出光束以附图标记1718表示)；其中，该调制包括向种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；
-相干光束合成(CBC)系统1701，该相干光束合成系统被配置为接收偏振调制种子激光束1718并提供放大的激光束1772；以及
-偏振分束器(PBS)1790，该偏振分束器被配置为接收放大的激光束1772，并且仅将具有预定偏振方向(P1)的光束传输到激光系统1700A的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，因此选择性地提供激光束1770；
因此，经由CBC系统1701提供输出激光束1770。
在本发明的一些实施例中，CBC系统的部件可以以许多不同的设计和配置来提供，其中一些设计和配置在本领域中是已知的，对于如图1所示的CBC系统1101的非限制性示例，或者对于如图7A所示的CBC系统1701的另一非限制性示例，CBC系统的部件包括：
-多个相位调制器1750，该多个相位调制器被配置为与以下进行(直接或间接)光学连接：偏振调制的种子光束1718、多个光学放大器1720、至少一个分束器1730、以及可选的至少一个合束器1740；
上述都被布置为在CBC点1771处启用相长光束干涉；以及
-至少一个控制电路1760，该控制电路被配置为在CBC点1771处监测光束干涉，并相应地控制相位调制器中的至少一个相位调制器。
在一些实施例中，激光系统1700A被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1770的快速和有效的调制，包括：
●为了激活激光束1770，控制OPC 1717以提供具有预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于种子激光束的总强度的50％(优选地约100％)的光束分量，从而提供输出激光束1770；
·为了去激活激光束1770，控制OPC 1717以提供具有预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于种子激光束的总强度的50％(优选地约0％)的光束分量，从而避免输出激光束1770。
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：通过控制OPC 1717以提供具有预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于种子激光束的总强度的预定百分比的光束分量来调谐激光束。
在一些实施例中，该方法还包括以下步骤：经由控制电路1760控制相位调制器1750以在CBC点1771处启用相长干涉。在一些实施例中，控制相位调制器的步骤可以仅在激活激光束的步骤期间进行，并且在去激活期间不进行调制。
在一些实施例中，控制相位调制器1750以提供相长光束干涉包括调谐相位调制器以提供具有最大强度的相长光束干涉。
在一些实施例中，如果激光强度大于最大强度的50％，则考虑相长干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的100％，则优选考虑相长干涉。在一些实施例中，如果激光强度等于或小于最大强度的50％，则考虑相消干涉；其中，如果激光强度约为最大强度的0％，则优选考虑相消干涉。
在一些实施例中，并且如图8A和图8B所示，光学偏振合束器(OPC)1717包括：
-分束组件1820，该分束组件被配置为接收具有第一偏振方向(P1)的输入光束，并输出具有第一偏振方向(P1)和第一强度(I1)的第一光束(B1(I1，P1))以及具有第一偏振方向(P1)和第二强度(I2)的第二光束(B2(I2，P1))，其中，第一强度和第二强度的和(I1+I2)等于输入种子光束的强度；
-偏振转换器1830，该偏振转换器被配置为接收分束组件1820输出光束中的一者(B1或B2)并转换其偏振；从S到P，或从P到S，因此P1≠P2；例如，在转换了B2的偏振的情况下(如图8A和图8B所示)，B1(I1，P1)和B2(I2，P2)；又例如，在转换了B1的偏振的情况下(未示出)，B1(I1，P2)和B1(I2，P1)；以及
-偏振分束器(PBS)1840A(如图8A所示)，该偏振分束器被配置为接收第一输出光束(B1(I1，P1))和第二转换输出光束(B2(I2，P2))，并将它们合成(叠加)为第三光束，第三光束被提供作为至CBC系统1701的输入；或者，耦合器1840B(如图8B所示)，该耦合器被配置为接收第一输出光束(B1(I1，P1))和第二转换输出光束(B2(I2，P2))，将它们合成(叠加)，以及然后将它们分成两个输出光束，其中，两个输出光束中仅一个输出光束被提供作为CBC系统1701的输入。在一些实施例中，另一输出光束可以被另外的系统使用。
在一些实施例中，分束组件1820包括：
-分束器1821，该分束器被配置为接收输入光束并将输入光束分成两个输出光束；在一些实施例中，两个输出光束的强度之间的关系是恒定的。
-相位调制器1822，该相位调制器被配置为调制两个光束中的一个光束的相位；
-耦合器1823，该耦合器被配置为接收两个光束(在调制其中一个光束的相位之后)并在两个位置1823A和1823B处提供它们的干涉，从而提供第一输出光束(B1(I1，P1))和第二输出光束(B2
(I2，P1))；
-电子控制器1826，该电子控制器被配置为经由分光器1824和二极管1825监测两个干涉位置1823A中的一个干涉位置，并控制相位调制器1822以在监测位置1823A处相应地启用相长或相消光束干涉，并且其中，由此向非监测干涉位置1823B相应地提供相消或相长光束干涉；由此确定第一强度(I1)；
并且其中，控制OPC 1717的方法步骤包括(经由控制器1826)控制相位调制器1822。
在一些实施例中，由CBC系统1701的至少一个控制电路1760提供对OPC 1717的控制。根据其他实施例，由高级控制电路1761提供对光学开关1717的控制，该高级控制电路被配置为控制光学开关1717和CBC系统1701的至少一个控制电路1760。
现在参考图7B，其表明了根据本发明的一些实施例的被配置为提供和调制激光束1770B的激光系统1700B。系统1700B包括：
-种子激光装置1710B；
-光学偏振合束器(OPC)1717，该光学偏振合束器被配置为接收种子激光装置的种子激光束并调制其偏振方向(其输出光束以附图标记1718B表示)；其中，该调制包括向种子光束提供至少两个偏振分量，其中，所述偏振分量中的一个偏振分量包括预定偏振方向(P1)；
-主振荡器功率放大器(MOPA)1720B，该主振荡器功率放大器被配置为接收种子光束并提供放大的激光束1772B；以及
-偏振分束器(PBS)1790B，该偏振分束器被配置为接收放大的激光束1772B，并且仅将具有预定偏振方向(P1)的光束传输到激光系统1700B的输出端，并反射具有另外的偏振方向的光束，因此选择性地提供输出激光束1770B。
激光系统1700B被配置为根据以下方法来提供对输出激光束1770B的快速和有效的调制，包括：
■为了激活激光束1770B，控制OPC 1717以提供具有预定偏振方向(P1)且强度(I1)大于光束的总强度的50％(优选地约100％)的光束分量，从而提供激光束1770B；
■为了去激活激光束1770B，控制OPC 1717以提供具有预定偏振方向(P1)且强度(I1)等于或小于光束的总强度的50％(优选地约0％)的光束分量，从而避免激光束1770B。
需注意，本发明的所有实施例提供了在两种调制状态(光束“接通”/光束“关断”)期间保持种子激光器和CBC系统(及其各种部件)处于活动状态的激光调制方法和/或系统，从而如背景中所述，防止了种子光束“关停”或“阻挡”可能引起的任何损害。
在本发明的一些实施例中，上述激光调制方法和/或系统1200、1300、1400、1500、1600A、1600B、1600C、1700A、1700B可以经由其控制器进行控制，并根据开关元件的限制，可以被用于激光装置在最高到数10个GHz的非常高的频率下(例如：10MHz、100MHz、1GHz、10GHz、100GHz及它们的任意组合)的准连续波(QCW)操作。在本发明的一些实施例中，上述激光调制方法和/或系统1200、1300、1400、1500、1600A、1600B、1600C、1700A、1700B可以经由其控制器进行控制，并可以用于激光装置在测量范围在0％至100％(例如：1％、5％、10％、25％、50％、75％、95％、99％及它们的任意组合)之间的各种占空比下的准连续波(QCW)操作。
在本发明的一些实施例中，可以将使用上述系统1200、1300、1400、1500、1600A、1600B、1600C、1700A、1700B的至少一些上述方法组合为一个激光系统，以实现对激光束的更灵活的操作。
混合光纤耦合二极管泵浦激光模块
在一些实施例中，本发明涉及被配置为提供光信号放大器并且更具体地提供被配置为耦合至光纤的混合光纤耦合二极管泵浦激光模块(并且简而言之，混合泵浦模块)的方法和设备。本领域技术人员将理解，根据一些实施例，术语“混合”可以指泵浦和信号的组合。
本领域技术人员将理解，光纤放大系统被配置为吸收和耦合来自若干多模泵和通常一个单模种子装置的能量，并将其放大以输出高功率单模光束。
图9表明了光纤放大系统的一般或典型模型/设计。光纤放大系统2100包括：种子激射装置2110，其经由光纤(标有线-和熔合点符号x)连接到都作为多模合束器(MMC)2170的输入的放大器2120、隔离器2130、分光器元件2140和监测器2141以及模式场适配器(MFA)2150，该多模合束器被配置为将六个泵浦模块2160的光纤与源自种子装置的一根光纤一起组合到有源光纤2180中。有源光纤被配置为接收输入信号并生成具有较高光功率的输出信号。如图所示，有源光纤在第一端连接到MMC(如上所述)，以及在第二端连接到泵转储器(pump dump)2190，该泵转储器被配置为将剩余的泵浦功率和散射的信号转储(dump)到包层中，其中系统的输出通常是经由具有端盖2191的输出光纤来实现的。如图所示，对输送光束的光纤的使用需要多个熔接点2192，这些熔接点用“x”符号标记。
本领域技术人员将理解，上述“熔接点”也被称为熔接接头。本领域技术人员将理解，熔接是利用热量将两个光纤端到端相连接的动作。目的是将两根光纤熔接在一起，使得穿过光纤的光不会被接头散射或反射回去，且从而使接头及其周围的区域几乎与原始光纤本身一样坚固。在从熔接机上去除拼接的光纤之前，要进行验证测试，以确保接头足够坚固到承受处理、包装和长期使用。裸露的光纤区域可以通过重涂或接头保护器进行保护。因此，需要一种光纤放大系统，其可以减少熔接点的数量，可以减少能量损失和生产成本。
本领域技术人员将理解，术语“多模合束器(MMC)”可以指被配置为将若干光纤合成为一根光纤的光学部件(在图9的示例中：六根泵浦连接的光纤+一根种子连接的光纤)，其与光纤放大器兼容，使得来自泵浦模块的光进入包层，且来自种子的光进入芯。MMC为复杂的装置(例如，需要特殊功能来散热)，因此价格昂贵。
本领域技术人员将理解，根据一些实施例，术语“光纤放大器”或“有源光纤放大器”可以指的是从若干泵浦模块和种子模块接收功率的掺杂光纤(例如，图9：六个多模光束+一个单模光束)并输出具有增强效果的单模光束(归因于单模种子)。整个直径可以为约400微米，其中芯直径可以为约20微米。来自泵浦模块的光进入包层，且来自种子的光进入芯。例如，光纤放大器基于具有芯的“有源”光纤，该芯掺杂有激光有源离子，诸如Er3+，Nd3+或Yb3+。通常，除了输入信号光之外，光纤耦合器还用于引入一些“泵浦光”。该泵浦光被激光有源离子吸收，将其转变为激发电子态，从而允许经由受激发射来放大其他波长的光。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“泵转储器”可以指光束转储器，该光束转储器是被设计为吸收或偏转包层中的剩余未吸收的泵浦功率或散射信号的装置。对于图9的示例，吸收保留在有源纤维的包层中的发射。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“隔离器”可以指被配置为仅允许光在一个方向上传输的光学元件。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“泵浦模块”可以指其中二极管提供多模光束的模块。本领域技术人员将理解，术语“广域激光(BAL)二极管”可以指的是提供具有椭圆形横截面的多模光束的二极管。BAL(也称为宽条纹或宽发射器激光二极管、单发射器激光二极管和高亮度二极管激光器)是边缘发射激光二极管，其中前端面处的发射区域具有宽条纹的形状。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“单模”可以指仅一个横向模被激发的光束。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“偏振器合束器”可以指被配置为将具有垂直偏振的两个信号合成在一起的光学元件。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“体积布拉格光栅(VBG)”可以指包括在玻璃块内的光栅的光学器件，其被配置为以相对于入射光束波长成一定角度地反射入射光束。体积布拉格光栅的典型应用是激光器(最常见是激光二极管)的波长稳定。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“端盖”可以指被配置为扩大光束的横截面的光学器件。光纤端盖是通过将短长度的材料熔接或激光熔合到光纤端面上而形成的。光纤端盖在包括形成准直器在内的许多应用中都是必需的，以允许高功率光纤激光束扩展以降低空气/石英界面处的功率密度，并保护结构化光纤免受环境侵害。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“一个或更多个相位调制器”可以指可用于控制激光束的光学相位的光学调制器。常用的相位调制器类型是基于普克尔盒的电光调制器、铌酸锂(LiNbO3)电光调制器和液晶调制器，但也有可能例如利用例如光纤的热引起的折射率变化或长度变化，或通过拉伸引起的长度变化。在集成光学器件的区域内使用各种相位调制器，其中调制光在波导中传播。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“分束器”可以指被配置为将入射光束(例如激光束)分成两个或更多个光束的光学器件，该两个或更多个光束可以具有或可以不具有相同的光功率。在一些实施例中，分束器用作合束器，以用于将几个光束合成为单个光束。在一些实施例中，干涉仪、自相关器、相机、投影仪和激光系统需要分束器。在一些实施例中，分束器可以包括：
-介电镜，该介电镜可以是可用于分离光束的任何局部反射镜。在激光技术中，介电镜通常用于这种目的。入射角还决定了输出光束的角分离量，例如45°，这通常很方便，但它也可以具有其他值，并影响分束器的特性。经由介电涂层的不同设计，可以实现大范围的功率分配比。
-立方体，其中光束分离发生在立方体内的界面处。这种立方体通常由两个三角形的玻璃棱镜制成，该两个三角形的玻璃棱镜与某种透明的树脂或水泥粘合在一起。该层的厚度可用于调整给定波长的功率分配比。
-光纤分路器，该光纤分路器为一种光纤耦合器，其用作光纤分束器。这样的装置可以通过纤维的熔融结合来制造，并且可以具有两个或更多个输出端口。对于块器件，分配比可能会或可能不会强烈取决于输入的波长和偏振。
-光栅是一种具有周期性结构的光学部件，其可将光分离和衍射为沿不同方向传播的若干光束。出现的着色是结构着色的一种形式。这些光束的方向取决于光栅的间距和光的波长，以便光栅充当色散元件。在一些实施例中，光栅也可以用作合束器。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“光纤耦合器”或“耦合器”可以指代具有一个或更多个输入光纤和一个或更多个输出光纤的光纤器件。来自输入光纤的光可以出现在一个或更多个输出端处，其中功率分布可能取决于波长和偏振。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“分光器(tap)”或“分光器元件(tap element)”可以指被配置用于50：50、75：25、90：10或99：1的耦合输出比的耦合器。光纤分接可以使用网络分接方法，该方法可以在不断开连接的情况下从光纤提取信号。光纤的分接可以允许将在光纤的芯中传输的某些信号转移到另一根光纤或检测器或监测器中。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“光学放大器”可以指接收一些输入信号并生成具有较高光功率的输出信号的装置。在一些实施例中，输入和输出是在自由空间或在光纤中传播的激光束。放大发生在所谓的增益介质中，该所谓的增益介质必须从外部源“泵浦”(即提供能量)。在一些实施例中，光学放大器被光学地、化学地或电泵浦。
本领域技术人员将理解，根据一些实施例，术语“二向色镜”可以指的是在两个不同的波长处具有明显不同的反射或传输特性的镜。
本领域技术人员将理解，根据本发明的一些实施例，术语“种子激光器”可以指输出被注入到放大器或另一激光器中的激光器。种子激光器的典型类型为小型激光二极管(单频或增益开关)、短腔光纤激光器和微型固态激光器，诸如非平面环形振荡器(NPRO)。
现在参考图10A、图10B、图10C和图10D，其示意性地表明了配置为耦合至光纤2240的混合泵浦模块。在一些实施例中，光纤可以为掺杂的(有源)光纤或无源光纤(数据格式透明)。光纤包括芯2241和至少一个包层2242。如图10A、图10B、图10C和图10D所示，泵浦模块2200包括：
-与光纤2240处于自由空间光路中的至少一个聚焦透镜2230；
-多个二极管模块2210，每个二极管模块被配置为经由光学透镜输出与光纤的包层2242处于自由空间光路中的多模光束；
-与光纤的芯2241处于自由空间光路中的至少一个芯相关模块2220，
该芯相关模块被配置为提供从包括以下项的组中选择的功能：
a)经由光学透镜向光纤的芯2241输出单模光束；
b)经由聚焦透镜接收来自光纤的芯2241的光束，并将接收到的光束耦合至输出光纤2411(图12)；
c)经由聚焦透镜从光纤的芯2241接收光束，并且再次经由聚焦透镜将接收到的光束反射回到芯2241；以及
d)经由聚焦透镜从光纤的芯2241接收光束，并再次经由聚焦透镜将接收到的光束的一部分反射回芯，并将接收到的光束的另一部分耦合至输出光纤2610(图14)。
在一些实施例中，术语“单模光束”是指包括一种或几种光束模式(范围在1至10种模式之间)的光束。
在一些实施例中，多个二极管模块2210与光纤的包层2242处于自由空间光路中。在一些实施例中，该光路不包括用于该光路的任何光纤。在一些实施例中，一些二极管模块2210也与光纤的芯2241处于自由空间光路中。
在一些实施例中，芯相关模块2220仅与光纤的芯2241处于自由空间光路中；这意味着没有光学光耦合至光纤2240的包层2242中。在一些实施例中，该光路不包括用于该光路的任何光纤。
在一些实施例中，混合泵浦模块2200还包括体积布拉格光栅(VBG)2250，该体积布拉格光栅被配置为将二极管的光束变窄并锁定到窄的预定波长范围。在一些实施例中，常见的VGB为976波长锁定模块，其与高吸收窄线宽硼化钇(Yb)离子完全匹配。在一些实施例中，并且如图10D所示，VGB位于聚焦透镜2230和光纤2240之间。
在一些实施例中，多个二极管模块2210和芯相关模块2220在至少一行2281中进行布置，使得它们的输出光束每行彼此平行。图10A、图10B和图10C表明了具有多个二极管模块2210(在该示例中为八个二极管模块)和芯相关模块2220在单行中进行布置的系统的等距视图、俯视图和正视图。图10D表明了具有多个二极管模块2210(在该示例中为十七个二极管模块)和芯相关模块2220在两行2281和2282中进行布置的系统的等距视图。
在一些实施例中，并且如图10D所示，对于两行或更多行2181、2182的情况，泵浦模块还包括：
-在第一光束行2281的光路上的至少一个偏振器合束器2260；
-一个或更多个折叠镜2282A，每个折叠镜用于每个附加行，其中，
每个折叠镜被配置为将其对应的平行光束行重定向到其相应的偏振器合束器中。
在一些实施例中，并且如图10A和图10B所示，每个二极管模块2210包括：
-广域激光器(BAL)2211，该广域激光器被配置为输出多模光束；
-BAL关联折叠镜2212，该BAL关联折叠镜配置有在其相关联的BAL和光纤的包层2242之间的光路(经由聚焦透镜2230)；以及-可选地，至少一个透镜2213、2214被布置在BAL与其相关联的折叠镜2212之间，并被配置为调整BAL光束的形状。
现在参考图11A、图11B和图11C，该图示意性地表明了混合泵浦模块2300，该混合泵浦模块包括如图10A-10D所示的混合泵浦模块2200中的至少一些特征和元素。在一些实施例中，芯相关模块为种子相关模块2301，其被配置为经由光学透镜向光纤的芯输出单模光束。种子相关模块2301包括：
-至少一个种子输入端2311，该种子输入端被配置为经由光纤2310耦合至种子激光装置2702(如图15所示)；
-种子相关联的折叠镜2312，该种子相关联的折叠镜被配置为经由聚焦透镜2230用于种子输入端与光纤的芯2241之间的光路，以及
-可选地，至少一个透镜2313，该至少一个透镜被布置在种子输入端及其相关联的折叠镜2312之间，并被配置为调整种子光束的形状。
在一些实施例中，其中，种子相关模块2300还包括以下中的至少一项：
-分光器(未示出)或局部反射镜2305和监测器2306，如图11A所示，位于种子输入端2311与最佳透镜2313或折叠镜2312之间，被配置为对种子光束进行采样、监测该种子光束并发出反向光束传输(返回种子输入端2311)的警报；
-光束放大器2315，如图11B所示，位于种子输入端2311和最佳透镜2313或折叠镜2312之间，被配置为放大种子光束；以及
-隔离器2316，如图11C所示，位于种子输入端2311与最佳透镜2313或折叠镜2312之间，被配置为仅允许光在一个方向上透射。
现在参考图12，该图示意性地表明了混合泵浦模块2400，该混合泵浦模块包括如图10A-10D所示的混合泵浦模块2200中的至少一些特征和元素。在一些实施例中，芯相关模块为输出模块2401，其被配置为经由聚焦透镜从光纤的芯接收光束，并将接收到的光束耦合至输出光纤2411。输出模块2401，包括：
-输出光纤2411，可选地包括端盖元件2409；
-与输出光纤2411相关联的折叠镜2412，其被配置用于在光纤的芯2241与输出光纤2411之间的光路；
-可选地，至少一个透镜2413，该至少一个透镜被布置在输出光纤2411及其相关联的折叠镜2412之间，并被配置为调整接收到的芯束的形状；以及
-最优地，泵转储器(未示出)。
在一些实施例中，输出模块2400还包括分光器(未示出)或局部反射镜2405以及监测器2406，分光器(未示出)或局部反射镜2405以及监测器2406位于输出光纤2411与最佳透镜2413或折叠镜2412之间，并被配置为对种子光束进行采样、对其进行监测并发出反向光束传输的警报(返回折叠镜2412)。
现在参考图13，其示意性地表明了混合泵浦模块2500，该混合泵浦模块包括如图10A-10D所示的混合泵浦模块2200中的至少一些特征和元素。在一些实施例中，芯相关模块是高反射(HR)模块2501，其被配置为经由聚焦透镜接收来自光纤的芯2241的光束，并将接收到的光束再次经由聚焦透镜反射回芯2241。(HR)模块2501包括：
-HR镜2511，
-与HR镜2511相关联的折叠镜2512，其被配置用于光纤的芯2241和HR镜之间的光路，以及
-可选地，至少一个透镜2513，该至少一个透镜被布置在HR镜2511和与其相关联的折叠镜2512之间，被配置为调整相关联的光束的形状。
在一些实施例中，(HR)模块2501被配置为以光纤谐振器的形式来回反射所接收到的光束。
在一些实施例中，HR模块2501还包括腔内调制器2510，该腔内调制器被布置在HR镜2511和与其相关联的折叠镜2512之间，被配置为调制反射光束的幅度、相位或偏振或它们的任意组合。在一些实施例中，腔内调制器包括非声光调制器或电光调制器。在一些实施例中，腔内调制允许脉冲激光行为。
现在参考图14，其示意性地表明了混合泵浦模块2600，该混合泵浦模块包括如图10A-10D所示的混合泵浦模块2200中的至少一些特征和元素。在一些实施例中，芯相关模块是局部反射(PR)模块2601，包括：
-输出光纤2610，可选地包括端盖2609；
-PR镜2611，其在带有输出光纤2610的光路中；
-与PR镜2611相关联的折叠镜2612，该折叠镜被配置用于光纤的芯2241和PR镜2611之间的光路；以及
-可选地，至少一个透镜2613，该至少一个透镜被布置在PR镜2611和与其相关联的折叠镜2612之间，被配置为调整相关联的光束的形状。
在一些实施例中，混合泵浦模块2200、2300、2400、2500、2600的组件被配置为通过如上所述测量光束路径和调整元件的位置和/或取向而以光机械方式对准。在一些实施例中，调整是由跳汰真空捕集器(Jig vacuum catcher)提供的。在一些实施例中，调整后的元件是选自以下项的至少一种：芯模块中的任何一种、二极管模块中的任何一种、种子装置中的任何一种、BAL中的任何一种、折叠镜中的任何一种、透镜中的任何一种、光束放大器中的任何一种、分光器或局部反射镜和监测器中的任何一种、隔离器中的任何一种、HR镜中的任何一种、PR镜中的任何一种、种子输入端中的任何一种、一个或更多个聚焦镜头，VGB。
在一些实施例中，被配置为对光束的横截面整形的透镜2213、2214、2313、2413、2513、2613中的至少一些选自：快速进入准直仪(FAC)2213和慢进入准直仪(SAC)2214。
在一些实施例中，折叠镜2212、2312、2412、2512、2612中的至少一些折叠镜被配置为分接(穿过)一部分反射光束，以用于进一步的监测目的(例如，如图11A中的2399所示)。
现在参考图15，其示意性地表明了光纤放大系统2700。在本发明的一些实施例中，光纤放大系统2700包括：
-有源光纤2740，包括芯和至少一个包层；
-混合激光泵浦模块2300，该混合激光泵浦模块包括根据上述实施例的种子相关模块2301，该混合激光泵浦模块耦合至光纤的第一端2744。
如图15所示，光纤放大系统2700被配置为从种子激光装置2702接收种子激光束并将其放大为高功率单模激光束。
在一些实施例中，光纤放大系统2700还包括混合泵浦模块2400，该混合泵浦模块包括耦合至光纤的第二端2745的输出模块2401。本领域技术人员将理解，混合泵浦模块2400可以用作反向泵浦模块(counter pump module)，该反向泵浦模块被配置为增加在有源光纤2745处的光束放大。
在一些实施例中，光纤放大系统2700还包括选自以下项的至少一者：泵转储器2703、具有耦合至有源光纤2740的第二端2745的端盖元件2704的输出光纤2411。
本领域技术人员将理解，根据如上所述的各种实施例的光纤放大系统2700显著减少了所需的熔接接头的数量，同时允许二极管模块的数量不受依赖。例如，图9的现有技术系统2100包括六个二极管并且需要至少九(9)个熔接接头。当前的系统2700包括至少八个(可以更多)二极管模块，但是仅需要两(2)个熔接接头。
现在参考图16A和图16B，其示意性地表明了根据本发明的一些实施例的光纤激光系统2800，包括：
-光纤2840，包括芯和至少一个包层；
-混合激光泵浦模块2500，该混合激光泵浦模块包括耦合至光纤的第一端2844的HR模块2501；以及
-光纤布拉格光栅(FBG)2804(如图16B所示)或包括PR模块2601的混合激光泵浦模块2600(如图16A所示)，所述光纤布拉格光栅(FBG)2804或混合激光泵浦模块2600被耦合至光纤的第二端2845。
本领域技术人员将理解，混合泵浦模块2600可以用作反向泵浦模块，其被配置为增加在有源光纤2840处的光束放大。
在一些实施例中，光纤激光系统2800还包括以下中的至少一项：泵转储器2803和包括端盖元件2804的输出光纤。
经由在主光束中共线生成的弱高频种子光束的增强频率转换
本发明的一些实施例涉及非线性晶体(NLC)中的高平均功率激光束的频率转换。在一些实施例中，在具有1064nm的波长的光的倍频的示例中，术语“高平均功率”是指来自连续激光器的大于300W的功率，其中在低吸收LBO中，“高功率绿色”大于100W。
在一些实施例中，本发明提供了一种用于校正可能在非线性晶体(NLC)的单功率倍频器(PFD)或多功率倍频器(PFD)链中的第一个中出现的基频输入光束与频率转换的输出光束之间的有害的失配相位(MP)的器件。
在本申请的一些实施例中，本申请公开了“非线性晶体”，或简称为“NLC”或“晶体”；需注意，这些术语是可替代使用的。在本申请的一些实施例中，本申请公开了“功率倍频器”，或简称为“PFD”或“倍频”；需注意，这些术语是可替代使用的。在本申请的一些实施例中，本申请公开了“非线性晶体的功率倍频器”，或简称为“PFD NLC”，或“倍频NLC”，或“倍频晶体”；需注意，这些术语是可替代使用的。在本申请的一些实施例中，本申请公开了“二次谐波”，或简称为“谐波”；需注意，这些术语是可替代使用的。
在一些实施例中，以下两个因素被控制以进行有效的频率转换：晶体的相互作用区域中的温度、以及在基频光束和一个或更多个NLC输出谐波光束之间的相对相位。
根据现有技术，关于第一倍频NLC，仅通过烘箱来保持谐波转换区域中的接近最佳晶体参数，该烘箱不控制随着光束从第一倍频NLC的入口(在该入口处生成第一谐波光子)传播到该第一倍频NLC的一次谐波转换区域而累积的相位失配。这导致不良的高功率频率转换。这样做的原因是，均匀温度烘箱(UTO)仅具有一个可以改变的参数(烘箱温度)，并且由于靠近烘箱输入面的光束的MP取决于该定位处的局部温度。在一些实施例中，本发明提供了一种在第一倍频NLC的前面强加光束之间所需的任何相位差以便在光束已经传播到谐波转换区域时是最佳的装置。
文献中报道的一种方法是使用带有中间相位失配补偿器(PMC)的两个PFD NLC。PMC为一种光学元件，其表现出色散和/或偏振相关的折射率。这种色散可以是材料的固有特性，也可以是外部场(施加于电光材料(诸如普克尔盒)的电场)强加的。
这种直列式晶体-PMC-晶体方法的优点就是色散元件仅起到引起两个波长的共传播光束之间可控相位差的作用，并且不需要达到对单独生成的光束的干涉(亚波长)光路长度控制。这大大降低了灵敏度和稳定性要求。
提出了有关相位失配校正的现有工作的重点：
i.每个NLC均被配置为实现最大频率转换，即每个NLC均用作PFD。
对于使用的每个晶体，寻求最低的吸收等级。
ii.仅在退出第一晶体之后，PMC才会校正第一晶体的TMP。
iii.PMC与温度和/或角度调谐一起可以校正第二倍频晶体中的TMP。
iv.到目前为止，除了对第一PFD晶体进行温度或角度调谐外，还没有办法补偿放置在均匀温度烘箱(UTO)中的第一晶体内的TMP，或者可替代地，保持在主要转换区域(如果使用聚焦透镜，则为聚焦区域)中进行最佳谐波转换的条件。
v.更复杂的梯度温度烘箱(GTO)可以排除在单个烘箱内生成MP。然而，如果需要线性梯度，则GTO需要控制烘箱的输入和输出温度，或者，如果由于光吸收而引起的温度升高沿晶体的长度变化(就像聚焦在晶体中心的光束一样)，则GTO需要控制沿烘箱轴的多个点的温度。
在一些实施例中，本文提出的本发明涉及一种克服在点(iv)中提到的限制的装置，用于补偿第一PFD NLC中的MP以便提高第一PFD和随后的PFD中的倍频效率的装置。
在本发明的一些实施例中，并且如图17A所示，通过在第一PFD NLC3200之前在放置在高功率基频光束3101中的“播种器”NLC 3100中生成低功率二次谐波种子光束来提供改进。通过添加PMC 3502来控制来自播种器NLC的基频光束3101和一个或更多个谐波光束3202之间的相位差。在一些实施例中并且如图17B所示，将播种器NLC 3100设置在温度受控的烘箱3701中。在一些实施例中，放置在播种器晶体3100之后的PMC 3502与反馈控制系统3602一起被提供，反馈控制系统3602被配置为在第一PFD NLC 3200之后对谐波光3202进行采样，并相应地控制PMC，以获得最大谐波光3202。
重要的是要强调，播种器晶体3100仅需要产生低功率谐波光束3102，该低功率谐波光束3102相对于基频光束3101的相位可以被控制。因此，可能不需要将基频光束聚焦到播种器晶体3100内的小点，也不需要播种器晶体具有与第一倍频NLC 3200所使用的长度(Ls)大致相同的长度。
高功率下的光吸收生成影响谐波转换的横向和轴向温度变化。因此，在沿着传播轴的所有定位处(从正面，通过任意焦点，直到背面)，温度都随着激光功率的增加而增加。这需要随着激光功率的增加降低烘箱温度。
在一些实施例中，在所有使用均匀温度烘箱(UTO)的情况下，沿光轴的温度由于吸收率的变化而变化(绿色吸收率高于IR吸收率)，因此朝向晶体的后半部分的热量变大，并且如果使用聚焦透镜来增加激光强度，则冷却取决于激光束半径。在现有技术场景中，在第一PFD NLC中，基频光束和谐波光束之间没有初始相位匹配的独立控制。唯一可观察到的参数是输出谐波功率，且这受沿整个晶体长度发生的变化的影响。现有技术方案是通过使烘箱温度变化来最大化产生的谐波光的量。对于聚焦光束的相位匹配的情况，主要考虑的是在聚焦区域保持正确的温度。改变温度以在聚焦区域实现最佳谐波转换意味着在晶体开始时温度不是最佳。所得的MP降低谐波转换。本发明提供了如下的改进。
在一些实施例中，烘箱温度可以被重新调谐以在聚焦区域处获得相位匹配，然而，在UTO内，不能校正从第一PFD NLC的正面到中间累积的MP。
在一些实施例中，在第一PFD NLC 3200之前向高功率基频光束3101添加弱二次谐波种子光束3102被配置为使得能够独立于控制聚焦区域中的相位匹配而在第一PFD NLC之前调整输入相位差。
根据本发明的实施例，在第一长PFD NLC 3200之前提供“短”非线性晶体(播种器晶体)3100。播种器晶体3100被配置为生成相对于强基频光束可以处于可控制相位的弱二次谐波光束。
在一些实施例中，提供了PMC 3501以在播种器NLC 3100之后调整IR绿色MP，使得播种器-NLC MP加上来自第一PFD NLC的前半部分的第一PFD的MP等于零，即，
∑MP＝MP播种器+MPl/2PFD＝0
需注意，在PFD晶体的前半部分中累积的MP比在后半部分中累积的MP更重要。这是因为达到焦点的MP强烈影响聚焦区域的倍频。聚焦区域之后累积的MP不会强烈降低该晶体中的倍频，这是因为强度已经下降。另外，下一个PMC可以校正MP的该后一部分。
需注意，当由于NLC吸收而生成热量时，温度偏离相位匹配且特别是非临界相位匹配(NCPM)所需的温度。负面后果是：
●温度、角度、光谱带宽减小→在大多数倍频发生的聚焦区域中最为关键。
·随着光束传播通过晶体，相位失配会积聚；即使在倍频弱的区域中。此相位失配会在以后降低倍频效率或引起反向转换。MP的积聚在入射面和聚焦区域末端之间最为关键。
在一些实施例中，提供了均匀的烘箱温度再调谐技术以减轻一些热效应。
在一些实施例中，调整烘箱温度只能校正一种效果：在聚焦区域达到T＝T相位匹配，或者直到NLC的聚焦区域达到∑MP＝0。
在一些实施例中，添加播种器NLC和PMC允许将输入相位设置为晶体的相位失配的共轭，即：
Δφ播种器＝(-)MPPFD
其与PFD NLC的焦点的温度无关。
在一些实施例中，PMC可能不是必需的。播种器晶体本身会生成功率倍频晶体中最佳倍频所需的相位失配。这种失配的根源可能通过在IR光束通过期间控制播种器晶体的加热水平，或由操作人员强加的烘箱温度变化而引起的有意移动来提供。然而，应该说明，改变烘箱温度的响应比旋转PMC或向电光PMC装置施加电压要慢得多。
在一些实施例中，无论(在基频光束和谐波光束之间的)何种相位差离开播种器晶体，PMC都可以生成所需的或预定的相位差。在一些实施例中，可以比烘箱温度更快地调整PMC。在一些实施例中，随着相位差的调整，PMC允许播种器晶体的功率保持固定。
在一些实施例中，PFD NLC内引起的任何相位失配可以通过使用播种器NLC来减轻，其中共轭失配用于减轻变化的激光波长和/或烘箱温度引起的MP。
在一些实施例中，可以将上述技术应用于具有恒定极化周期的任何周期性极化的晶体。
现在参考图17A-17C，图17A-17C表明了根据本发明的多个实施例的用于被配置为生成弱二次谐波种子光束3102、用于相对于高功率输入光束(基频光束)3101控制其相位的设备3000的若干设置3100。在一些实施例中，在生成二次谐波种子光束3102和调整相位偏移之后，将光束传播到功率倍频(PFD)晶体3200中。在这里描绘的情况下，一个长波长光束被倍频。消色差光学器件3402(消色差透镜或多波长镜)可用于将两个光束3102、3103聚焦到第一PFD晶体3200内的同一点，以便增加强度，且从而增强频率转换。
在一些实施例中，当发生相位匹配时，倍频是有效的。
在一些实施例中，输入波3102、3103从第一高频光子开始到通过频率转换区的末端以完全相同的速度传播通过PFD晶体3200。在一些实施例中，通过控制光束相对于晶轴的偏振取向，可以使两个波长之间的相位匹配发生在某些晶体中。较高频率的光束将沿其优选相位匹配轴自动偏振。
在一些实施例中，相位匹配为折射率的函数，而折射率又是相对于晶轴的传播的函数、偏振的函数和晶体温度的函数。在一些实施例中，针对特定输入波长保持在特定温度下的某些晶体对传播角度和/或带宽特别不敏感。在这些情况下，频率转换称为非临界相位匹配(NCPM)。因此，例如，如果将保持在149.1℃的LBO用于将1064nm光束的频率加倍，则可以将光束聚焦到相对较长的晶体中。在一些实施例中，然后可以优化焦点和相互作用长度。然而，NCPM对温度敏感，并且据推断，NCPM对光吸收敏感。绿光吸收约为红外吸收的四倍。
在本发明的一些实施例中，提供了一种配置为使光辐射的频率加倍并在图17A-17C中进行了表明的新设备3000。设备3000包括至少两个顺序的非线性晶体(NLC)3100、3200、3300：
-第一NLC 100，该第一NLC被配置为接收在基频(FF)处的基频光束3101，并发射在二次谐波频率(FH)处的弱二次谐波光束3102和在基频(FF)处的强剩余光束3103；弱二次谐波光束3102与基频光束3101之间的功率比相应地小于5×10-3：1；以及
-至少一个第二NLC 3200和任何可选的后续NLC 3300，其被配置为可选地在调整了它们的相位差进行了最佳倍频之后接收先前的NLC 3100、3200的在基频(FF)处的剩余光束3103、3203和在二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束3102、3202，并且其被配置为发射在二次谐波频率(FH)处的强倍频光束3202、3302以及在基频(FF)处的剩余光束3203、3303；强倍频光束3202、3203和基频光束3101之间的功率比相应地大于0.3：1。
在一些实施例中，设备3000还包括至少一个相位失配补偿器(PMC)3502、3503，该相位失配补偿器被配置为在基频(FF)处的剩余光束3103、3203与在二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束3102、3202被第二NLC3200和/或任何后续NLC 3300接收之前校正在基频(FF)处的剩余光束3103、3203与在二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束3102、3202之间的相位关系。在一些实施例中，PMC包括色散元件，其积分值可以通过倾斜或通过所施加的电压来控制。
图17A-17B表明了根据本发明的多个实施例的仅具有一个倍频的NLC 3200的设备3000，而图17C表明了具有两个倍频的NLC 3200、3300的设备(第一倍频的NLC 3200和第二倍频的NLC 3300)。图17A-17B表明了设备3000，其中在第一倍频NLC 3200之前提供了PMC3502，而图17C表明了一种设备，其中提供了两个PMC 3502、3503，在第一倍频NLC3200之前提供了一个PMC 3502，以及在第二倍频NLC 3300之前提供了另一个PMC 3503。
在一些实施例中，设备3000还包括至少一个反馈和控制系统3602、3603，该反馈和控制系统被配置为对强倍频光束3202、3302进行采样并相应地调整PMC 3502、3503以实现强倍频光束3202、3302在很宽的操作条件范围内的最大功率。
图17B表明了反馈和控制系统3602，该反馈和控制系统被配置为对由第二NLC3200(其为第一倍频NLC)发射的强倍频光束3202进行采样，并相应地调整在第一倍频NLC3200之前提供的PMC 3502；而图17C表明了反馈和控制系统3603，该反馈和控制系统被配置为对由第三NLC3300(其为第二倍频NLC)发射的强倍频光束3302进行采样，并相应地调整在第二倍频NLC 3300之前提供的PMC 3503；3602、3603二者都可以按顺序提供。
在一些实施例中，反馈和控制系统3602、3603包括：
-至少一个测量元件(未示出)，例如光电探测器；
-至少一个处理元件(未示出)，该处理元件被配置用于分析从至少一个测量元件接收到的数据，并相应地提供用于一个或更多个PMC调整的控制指令；以及
-至少一个调整元件(未示出)，该调整元件被配置为根据控制指令调整PMC 3502、3503；例如通过电动旋转装置和/或通过向PMC施加电压使PMC倾斜。
在一些实施例中，设备3000还包括至少一个烘箱3701、3702(在图17B中表明)，每个烘箱被配置为调整NLC 3100、3200的温度(播种器NLC 3100和/或倍频NLC 3200)。
在一些实施例中，第一NLC 3100(播种器NLC)的长度(Ls)基本上小于第二NLC3100(倍频NLC)的长度(LD)。在一些实施例中，Ls等于LD的10％或更小，Ls≤0.1LD。
在一些实施例中，第二NLC 3200和任何可选的后续NLC 3300包括LBO材料(用于转换连续波激光)，并且其长度(LD)大于40mm。
在一些实施例中，基频(FF)包括红外(IR)光的特性(λF＝1064nm)，因此二次谐波频率(FH)包括可见光的特性(λH＝532nm)。
在一些实施例中，每个NLC被配置有沿其晶轴的基频光束偏振(类型1)或配置有相对于其晶轴成45°的基频光束偏振(类型2)。
在一些实施例中，每个NLC包括从包含以下项的组中选择的至少一种材料：BBO、KTP、LBO、CLBO、DKDP、ADP、KDP、LiI03、KNb03、LiNb03、AgGaS2、AgGaSe2。
在一些实施例中，每个NLC的横向区域3210的尺寸大于其所接收的输入光束的尺寸。
在一些实施例中，该设备还包括至少一个准直透镜3401，该准直透镜被配置为使输入光线精确地平行。在一些实施例中，该设备还包括至少一个会聚元件3402、3403，该会聚元件被配置为将倍频光束和剩余光束都聚焦到随后的元件中，例如聚焦到NLC或PMC中，可选地聚焦到中心(例如，图17A中的3215)。
在本发明的一些实施例中，提供了一种用于使光辐射倍频的新方法，该方法包括：
-向非线性晶体(NLC)提供在基频(FF)处的基频光束和在二次谐波频率(FH)处的弱二次谐波光束；
-从而经由NLC发射在二次谐波频率(FH)处的强倍频光束和在基频(FF)处的剩余光束。
其中，所提供的弱二次谐波光束与基频光束之间的功率比相应地小于5×l0-3：1。
其中，发射的强倍频光束与基频光束之间的功率比分别大于0.3：1。
在一些实施例中，提供的步骤还包括经由相位失配补偿器(PMC)补偿在基频光束和弱二次谐波光束之间的相位失配；并且其中，该方法还包括控制PMC以实现强倍频光束的最大功率。
现在参考图18A和图18B。图18A示意性地示出了针对低功率转换而温度调谐的单晶中沿光轴的温度变化，但是当以高功率操作时其经历加热，而图18B示出了直至晶体中任何位置Z的累积相位。温度以(T0＝149.1℃)给出，其中T0(Z)为轴上温度。如图所示，晶体在聚焦区域最热。这是因为在焦点处热量必须穿过的生热区(光束)周围的区域最低，并且因为在焦点处在离开传热区(未被照射的晶体)之前热量必须穿过的距离最长。温度分布相对于聚焦区域是不对称的，因为随着光束的传播会生成更多的绿色，因此在晶体的后半部分会吸收更多的光。在这种情况下，晶体中的每个点都太热，因此MP单调增加。
如上所述，图18A示意性地表明了放置在被设置用于1064nm光束的低功率倍频的烘箱中的单个LBO晶体中沿光轴的温度变化。在一些实施例中，最佳倍频发生在149.1℃。由于激光束加热，TO大于最佳温度。温度分布不均匀是因为光束被聚焦到晶体的中心，并且绿色吸收率比IR吸收率大大约4倍。由于这种加热，最佳倍频不会发生。
图18B示意性地表明了基频光束和倍频光束之间的总相位差。需注意，相位失配从晶体的正面开始，并且即使大多数倍频都发生在聚焦区域，也会逐渐积聚。MP的积聚会严重影响聚焦区域的频率转换。
现在参考图19A-19C，图19A-19C表明了PFD晶体的温度再调谐，随后添加了共轭种子相差，以在其中发生多数频率转换的聚焦区域中实现最小MP和最佳温度。在一些实施例中，图18A-18B中描绘的条件被视为起始条件。
图19A描绘了根据一些实施例的具有由播种器晶体提供的温度再调谐和相移的解决方案，播种器晶体是该解决方案的基础。第一步，如常规方法一样，对PFD进行温度调谐，如图19B所示，其中反馈参数为第一PFD之后的最大谐波功率。然而，在一些实施例中，由播种器晶体生成的二次谐波种子光束的相位可能不是最佳的。为了实现相对于播种器晶体的最佳相位差，需要改变PMC，如图19C所示。重复执行此两步过程，直到没有进一步的改进为止。仿真表明，无论初始相位差如何，几乎总是可以达到最佳，并且该最佳值非常接近完美PM所实现的转换效率。
在一些实施例中，如上所述的设备3000可以被结合到各种系统中；以下是几个非限制性示例：
·工业应用系统，诸如为了切割、焊接、表面处理或进行增材制造的目的而照射红外吸收率差的工件。
·科学应用系统，诸如泵浦Ti：蓝宝石，以用于以高重复频率和以高平均功率生成飞秒脉冲的目的，或用于通过进一步的总混频/附加倍频来生成更高的频率或通过添加光学参数振荡器来生成低于二次谐波的可调谐频率的目的。
·需要快速执行侵入性手术的医疗应用系统。
仿真测试
现在参考图20A、图20B和图20C，其表明了用500W输入光束执行的一组仿真的结果。使用厚50mm的播种器晶体来生成二次谐波种子光束，其相位差与校正PFD NLC中的MP所需的共轭相位差明显不同。需注意，从所需的播种器光束功率的角度来看，本来可以使用更薄的晶体。
仿真中包含的模型：
a.每个波长的轴向依赖吸收。
b.光束聚焦到晶体的中间。
c.计算光束内(加热区)和未辐照区(传热区)的横向温度。
d.基于热光系数和片段传播长度计算出的相位。
e.使用SNLO将每个片段倍频。
f.晶体分为七(7)个片段。每个片段的光束直径恒定。
g.使用输出以进行定性分析。
图20A-20C表明了轴向温度偏离最佳温度的三种情况(蓝色虚线)。输入激光功率为500W，且使用了50mm的播种器晶体。测试结果为：
·带实圆圈的黑色线表示温度变化，而烘箱无需从低功率再调谐。
·带有正方形的橙色线表示为最大倍频功率进行温度调谐后的温度偏移。
·带有三角形的绿线表示再调谐PMC和最终(较小)温度再调谐后的温度。
在聚焦区域的中心，将优化目标设置为T0(Z)＝149.1℃。假设沿输入面的热传递与内部的热传递相等。假设在输入面上的热传递为零。测试了其他边界条件。
图20B表明了使用提供的播种器NLC时在基频光束(输入光束)和倍频光束之间的相位差。调整了PMC相位，以便在PFD NLC的中心达到最佳倍频。这种策略总是产生最佳的倍频。
图20C示出了在光束通过PFD传播时的绿光束功率。需注意，温度和PMC再调谐之前的不良转换是明显的。还需注意，通过在温度再调谐后添加PMC，输出将增加1.3倍，并达到了计算的功率，而没有相位失配。
表1表明了在利用50mm播种器晶体和不利用50mm播种器晶体的情况下将500W输入光束倍频时的仿真结果一览。
表1.不利用50mm播种器和利用50mm播种器的500W倍频一览
Figure BDA0004067781780000701
1.仅选择50mm播种器以示出其自然MP的效果。
2.P2ω(播种器)＝2.545W
3.尽管强加热，但倍频达到了最大理论水平
表2表明了在利用10mm播种器晶体和不利用10mm播种器晶体的情况下将500W输入光束倍频时的测试结果一览。
表2.不利用10mm播种器和利用10mm播种器的500W倍频一览
Figure BDA0004067781780000711
1.P2ω(播种器)＝0.1018W
2.尽管强加热，但倍频达到了最大理论水平
上述仿真测试需要注意的重点是：
·需要两个独立的参数来校正温度和PMC的相位失配。虽然我们已经分析了温度引起的相位失配，但是温度+PMC校正技术可以应用于其他原因的MP。
·在分析的聚焦几何形状和使用均匀温度的烘箱的情况下，可以在PFD的较长部分上实现可接受的相位匹配。
·校正可以明显提高性能。可以将性能水平提高到不带MP的PFD的水平。
(播种器晶体+PMC)的使用与多个PFD完全兼容。在这种情况下，每个附加PFD之前都有其自己的PMC。通过第二PFD晶体进行仿真表明，可以达到～350W(70％的转换效率)。
一项实验测试的目的是证明，与上述某些实施例一样，注入具有受控的基频谐波相位差的弱种子光束，可以从“功率倍频器”产生比未播种配置更好的倍频。该测试具有以下特点：
a.第一烘箱的低温生成弱种子光束。图21示出了针对不同非谐振温度的种子光束曲线图。当温度对应于提供所需功率的次级峰值时，可获得最佳曲线。在这种情况下，选择了190mW。
b.确定Pw≈220W+P2w≈30W的最佳第二烘箱温度。
c.升高第二烘箱温度以仿真额外的加热。这样做两次，一次将PMC保持在恒定角度，以及然后旋转PMC以产生最大倍频。
测试了两个播种器功率，以区分输入功率放大和相位感应效应。
图22A和图22B表明了利用播种器光束和不利用播种器光束的实验结果及其比较。图22A针对0.643瓦的播种器，以及图22B针对0.188瓦的播种器；橙色(上方)行用于“利用播种器”，蓝色(下方)行用于“不利用播种器”。图22A和图22B表明了：
1.在0.643瓦特播种器的最佳温度下，“利用播种器”和“不利用播种器”结果之间存在差异。这表明了功率放大和相位效应。
2.在0.188瓦特播种器的最佳温度下，“利用播种器”和“不利用播种器”结果之间无差异。升高的温度仅显示失配的相位效应。(水平和/或垂直)差异显示有所改善。
图23通过计算下式得出了使用播种器光束的附加值：
(P2W-利用播种器-P2W-不利用播种器)/P2W-利用播种器vs第二烘箱温度。
其似乎适中，因为最大值出现在边锋(wings)上，并没有使我们回到峰值加倍。
在一些实施例中，对于商业产品，产生具有SD＝±1.5％量级的波动的恒定功率的光束。倍频器的温度带宽越宽，则越容易保持这种稳定性。
表3表明了处于98.5％的水平的温度调谐曲线的宽度。
表3
Figure BDA0004067781780000731
因此，“不利用播种器”带宽比烘箱控制器的功能更严格。“利用播种器”带宽是可行的。
图24表明了通过呈现绿色输出光束与PMC旋转的关系，播种器光束提供了相位效应；
1.只有相位控制才能引起反向转换(功率降低)。
2.通过旋转PMC以获得固定的烘箱温度，且功率被修改。
3.仅0.19W的播种器会导致输出降低7瓦特。因此，确认了相位控制。
因此，根据上述一些实施例，上述播种器仿真测试得出的结论是，使用种子光束，可以从单个光束提供绿色功率>200瓦特的输出。
使用两个晶体之间的主动控制的相位失配补偿器增强谐波转换系统的功能
在一些实施例中，本发明通过反馈或查找表向PMC提供了动态控制的附加功能，以扩展频率转换系统的能力。在一些实施例中，这可以产生以下至少一项：在容纳晶体的烘箱中存在温度变化的情况下增强稳定性、激光器的平均功率的变化以、及调制谐波光束的能力。
在一些实施例中，本文描述的PMC包括玻璃窗。在一些实施例中，PMC通常可应用于表现出色散的任何光学元件，该色散是某些外部可控参数的函数。
参考图25A、图25B和图25C，图25A、图25B和图25C表明了被配置为使光辐射4101的输入倍频并且提供包括二次谐波频率4302的输出光束4400的设备4000。该设备包括：
-至少两个顺序非线性晶体(NLC)4200、4300；每个NLC被配置为从先前的NLC 4200接收在基频(FF)处的第一光束4101或4203和可选的在二次谐波频率(FH)处的第二光束，并发射在二次谐波频率(FH)处的强倍频光束4202、4302以及在基频(FF)4203、4303处的剩余光束；
-被定位于两个NLC之间的至少一个相位失配补偿器(PMC)4503；
该PMC被配置为在基频(FF)处的剩余光束4203与在二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束4202被随后的NLC接收之前，校正在基频(FF)处的剩余光束4203与在二次谐波频率(FH)处的二次谐波光束4202之间的相位关系；以及
-每个PMC配备的一个电动旋转装置，该电动旋转装置被配置为主动旋转PMC，且因此主动调整对在剩余光束和二次谐波光束之间的相位关系的校正。
在一些实施例中，设备4000还包括至少一个反馈和控制系统，该反馈和控制系统被配置为对强倍频光束进行实时采样并相应地经由电动旋转装置地以连续或逐步的方式使PMC倾斜，以连续实现强倍频光束的最大功率。
在一些实施例中，反馈和控制系统包括：至少一个分束器4610、至少一个测量元件(例如，光电二极管4620)、至少一个处理元件4630和至少一个被配置为控制电动旋转装置4650的控制元件4640。
在一些实施例中，PMC包括表现出色散的光学透明窗，使得光束穿过窗必经的距离相对于其旋转角变化。在一些实施例中，PMC包括表现出色散的板，使得光束穿过窗必经的距离(例如，在两侧上抛光的透明板)相对于其旋转角而变化。
在一些实施例中，马达被配置为以连续实时的方式使PMC以步进和/或连续运动的方式旋转。
在一些实施例中，马达还被配置为使PMC以限制在上限值和下限值之间的抖动形式旋转。
在一些实施例中，其中，反馈和控制系统被配置为使用抖动形式来提供以下至少一项：
-在随后的NLC中最小化反向转换，从而最大化输出光束的功率；
-在随后的NLC中使反向转换最大化，从而使输出光束的功率最小化；
-可选地在选自以下项的静态操作调节或动态操作条件下，将输出光束的功率调整到在最大值和最小值之间的预定值：改变输入激光功率和改变烘箱温度。
在一些实施例中，马达被配置成在最大谐波转换状态和最小谐波转换状态之间以切换模式旋转PMC，使得输出光束相应地被接通和关断。
在一些实施例中，马达被配置为旋转PMC以提供具有受控的上升时间和下降时间以及具有可控制的持续时间的平顶脉冲。
在一些实施例中，马达被配置为根据查找表旋转PMC，并因此提供成形的谐波脉冲。
在一些实施例中，设备4000还包括至少一个二向色分束器4801，该二向色分束器被配置为从输出光束4400中分离出至少一部分剩余光束4303。
在一些实施例中，发射的强倍频光束与发射的基频光束之间的功率比相应地大于0.3：1。
在一些实施例中，设备4000还包括至少一个烘箱，每个烘箱被配置为调整NLC的温度。在一些实施例中，设备4000还包括至少两个烘箱，每个烘箱被配置为调整不同的NLC的温度。
在一些实施例中，对PMC的主动控制被配置为最小化由容纳NLC的烘箱的温度变化引起的功率变化。
在一些实施例中，NLC中的至少一个NLC包括LBO，并且其长度(LD)足以实现明显的谐波光。在一些实施例中，NLC中的至少一个NLC包括LBO，并且其长度(LD)大于40mm。
在一些实施例中，基频(FF)包括红外(IR)光的特性(λF＝1064纳米nm)，因此二次谐波频率(FH)包括可见光的特性(λH＝532nm)。
在一些实施例中，每个NLC被配置有沿其晶轴的基频光束偏振或配置有相对于其晶轴成45°的基频光束偏振。
在一些实施例中，每个NLC包括从包括以下项的组中选择的至少一种材料：BBO、KTP、LBO、CLBO、DKDP、ADP、KDP、LiIO3、KNbO3、LiNbO3、AgGaS2、AgGaSe2。
在一些实施例中，每个NLC的横向区域的尺寸大于其所接收的输入光束的尺寸。
在一些实施例中，设备4000还包括至少一个消色差会聚元件4232或4231和4232，该消色差会聚元件被配置为将基频光束和谐波光束聚焦到NLC中。
在本发明的一些实施例中，设备4000还包括至少一个准直透镜4406，该准直透镜被配置为使其通过的光束射线近似精确地平行。在一些实施例中，设备4000还包括至少一个会聚元件4404、4405，诸如消色差透镜或反射镜，该会聚元件被配置为将倍频光束和剩余光束都聚焦到随后的元件中，例如聚焦到另外的NLC中。
在一些实施例中，PMC由薄的(～1mm)抗反射涂层的熔融石英窗(athin(～1mm)anti-reflection coated,fused-silica window)组成。在一些实施例中，材料的本征色散用于在通过它的基频光束和谐波光束之间添加可控制量的相位差。
以下示例表明，根据一些实施例，通过对PMC的主动控制来实现增强的能力。在一些实施例中，PMC被安装在电动旋转(或倾斜)基座4650上。在一些实施例中，并且如图26A和图26B所示，基频谐波相位差根据PMC的旋转角α而增加。增加的旋转(或倾斜)角α(来自垂直于光束定位的PMC，α＝0)增加了经由PMC的光路，图26B：P1>P0，其中P0为α＝0的路径，以及P1为α>0的路径。
在一些实施例中，可以基于查找表(预定义的表，基于早先的数据库)或者通过使用反馈系统4603来选择提供最佳输出光束(例如，处于用户指定的功率的光束)4400的最佳旋转角作为旋转到预定定位的结果，如图25A和图25B所示(利用有反馈系统)；图25C表明了不利用反馈系统的设备。在一些实施例中，并且如图25A和25B所示，可以通过使用功率测量检测器(例如，光电二极管，图25B中的4620)对输出光束4400进行采样来实现反馈。在一些实施例中，在两种情况下(查询表和反馈系统)，使用计算机(或微处理器)4630以经由驱动电子装置4640向马达4650发送控制信号。
在一些实施例中，并且例如如图27所示，反馈算法可以用于连续地调整PMC的旋转角，以便发现最大的倍频效率且然后保持最大的倍频效率，并减小(例如减小两倍)由烘箱的温度稳定性限制引起的绿色功率波动，并且该反馈算法用于保持恒定的晶体温度。在一些实施例中，反馈控制可用于校正PMC角，以克服由于光吸收量不同而引起晶体温度变化的激光输入功率的变化。
在一些实施例中，相反倍频是反向转换。在第一晶体中生成的倍频光可以反向转换为第二晶体中的基频(如果调整相位差以产生该效应的话)。PMC在引入这种反向转换相位差方面很有效。因此，PMC可以旋转以最大化或最小化倍频。该效应允许通过在低绿色(LG)从而输出光束“关断”和高绿色(HG)角从而输出光束“接通”之间切换PMC角来生成谐波脉冲。
在一些实施例中，并且如图27所示，提供了一种用于激活(“接通”)和/或去激活(“关断”)上述设备4000的倍频输出光束的方法5000。该方法包括：
·实时采样和测量4710输出光束；
·连续或频繁地确定输出光束是否达到“接通”输出4720所需的最大值(或“关断”输出所需的最小值)，
-如果“否”4730，则旋转PMC，并从采样步骤4710重复该方法；
-如果“是”4740，则保持当前角度为α最大(或α最小)，并在动态输入光束和/或动态烘箱温度的任何情况下，从采样步骤4710重复该方法。
在一些实施例中，“接通”/“关断”状态足够长，使得可以实现最佳的最大值/最小值。在一些实施例中，对于更快的“上升”时间或“下降”时间(“接通”/“关断”)，旋转步骤包括在两个预定状态之间切换PMC，因此对谐波输出光束进行快速调制。
测试了设备4000和方法5000，并表明了输出光束4400的激活(“接通”)，其上升时间(30毫秒ms)仅受所采用的特定数据通信硬件限制。在一些实施例中，上升时间仅应受旋转系统的惯性以及转矩和马达在两个位置(“接通”/“关断”)之间切换的精度限制。这样，在相位切换模式下，应产生<1ms的上升时间。
在一些实施例中，图25B以用于以下测试演示的配置示意性地表明了包括两个非线性晶体(NLC)4200、4300的上述设备4000。表明的谐波转换设置使用放置在烘箱中的两个非线性晶体，并由主动控制的相位失配补偿器(PMC)板隔开。PMC安装在马达上，马达的定位可以使用查找表或由对谐波输出光束进行采样的光电二极管提供的反馈来进行计算机控制。在这种设置中，光束被聚焦到每个晶体中，从而使每个晶体的转换效率最大化。在一些实施例中，并且如在该测试设置中所使用的，NLC包括被定向用于类型1的非临界相位匹配的三硼酸锂(LBO)。如图所示，NLC被容纳在电阻烘箱中，电阻烘箱的温度保持在约149.1±0.15℃。由于吸收了基频波长和谐波波长的光，最佳温度随输入功率而变化。晶体吸收的程度是重要的因素。最佳温度的典型变化是在10W和250W基频光束功率之间变化若干度。
在一些实施例中，对温标变化的敏感性与晶体长度成反比。在测试的设备中，单个晶体的长度至少为40毫米(mm)，并且每个设备有两个功率倍频晶体。通常要求±1％的谐波功率稳定性。这意味着通过两次晶体通过对烘箱温度稳定性的要求约为±0.04℃，在此示例中，晶体经历相同的温度变化(通过对一个晶体进行两次通过测试)。这样的温度稳定性超出了大多数烘箱和控制器的能力。每当温度降至一定水平以下时，烘箱控制器就会通过向加热电阻器施加电脉冲来工作。这会提高晶体温度，但始终会导致过冲。
图28A和图28B示意性地表明了根据本发明的一些实施例的归因于烘箱控制器的下冲/过冲的晶体温度随时间的变化和倍频器功率的变化。图28A表明了烘箱温度的变化，它没有跨越用于倍频的最佳温度，而图28B表明了跨越了最佳倍频温度的烘箱温度。对于典型的系统，加热和冷却的特征时间约为一分钟。如图所示，如图28A所示，如果温度未跨过最佳温度点，则谐波光功率变化会模仿烘箱温度变化的频率。如图28B所示，当烘箱温度确实跨过最佳温度点时，则谐波功率变化的频率会增加，直到温度波动频率增加两倍(当温度变化在T最佳附近对称时)。该结果是具有以下事实的结果：每次温度跨过T最佳时(在上升或下降过程中)谐波功率都会达到峰值，但对于正和负ΔT，功率都会下降。
在一些实施例中，由于温度变化导致基频光和谐波光之间的相位失配，因此可以使用相位失配补偿器(PMC)板来添加共轭相位，以使烘箱引起的失配相位无效。在一些实施例中，由于烘箱温度连续变化，所以PMC旋转也连续变化。因此，将PMC放在电动旋转台上。在一些实施例中，PMC旋转角经由抖动控制而变化。在一些实施例中，抖动控制是有意施加的噪声形式，其用于使量化误差随机化，从而防止大规模模式。
图29表明了根据本发明的一些实施例的经由抖动控制旋转PMC实现的输出功率稳定，该PMC被配置为克服烘箱的下冲/过冲。如图所示，有源PMC响应由时间的垂直线显示。在每个响应周期结束时评估旋转方向和速度。由于晶体开始加热或冷却与PMC重新定向之间的时间延迟，会导致错误结果和功率下降。如图所示，将高频、小振幅、旋转抖动控制应用于PMC。在一些实施例中，抖动频率上限由物理惯性加上反馈信号积分以及系统的响应时间来确定。在一些实施例中，抖动频率下限由应用要求或由抖动引起的功率波动的高度/深度决定。在一些实施例中，最佳PMC诱导的相位不是恒定的，而是周期等于烘箱温度变化的周期的锯齿。除此较慢的变化之外，还有抖动相位变化。当抖动控制正确跟踪烘箱变化时，谐波功率就会以抖动频率的两倍波动。如果PMC相位存在误差(例如，当烘箱接通后晶体刚刚开始加热，并且在处理反馈信号和向PMC发送控制信号方面存在滞后时)，则功率下降，并且高频波动减小到抖动频率。
在一些实施例中，如图30所示，在操作条件改变之后，使用带反馈的抖动控制来优化PMC角，并且根据一些实施例，然后将谐波功率保持在最大值，同时如图31A所示在静态PMC的情况下减小典型值的约±3.7％的抖动，并且根据某些实施例，当PMC使用主动反馈控制操作时，如图31B所示，减小典型值的约±1.6％的抖动，在图31B中使用了连续抖动(右上侧表明了在1440.5-1442.7秒的时区的缩放视图)。对于这些测量，反馈光电二极管被监测。须注意：图30表明了输出的绿色功率，其中反馈控制的PMC被旋转，以使输出达到其最大电平(P2ω＝80瓦特)。功率上升期间的锯齿为PMC抖动控制的结果。使用反馈光电二极管获取数据。图31A和图31B表明了在没有连续反馈控制的PMC稳定的情况下(图31A)和在有连续反馈控制的PMC稳定的情况下(图31B)的功率波动的比较。图31A和图31B表明了60分钟运行中的10分钟窗口。对于这些测量，反馈光电二极管被监测。
在一些实施例中，可以通过查看频域中的功率计数据来获得更多的见解。这在图32中得到了演示，其中使用快速傅立叶变换(FFT)来分析在使用稳定算法(下部曲线)和不使用稳定算法(上部曲线)的情况下的一小时的运行。对于不使用稳定算法的情况下执行的运行，谐波转换以最佳相位匹配开始，但随时间漂移。因此，可以在烘箱特性温度响应频率处以及在该频率的两倍处观察到两个偏移峰值。还需注意，刚好超过0Hz的恒定功率(恒定输出)尖峰时，存在低频功率的增加量。须注意：在0Hz处存在一个等于1的点。这是信号的恒定功率分量。在一些实施例中，完全稳定的光束将仅包含这一个点。这是功率漂移的另一个指示。连续抖动稳定的结果非常不同。烘箱引起的功率波动降低了约5倍，以及低频漂移也大大降低了。由于抖动稳定算法，生成了超出绘图范围的更高频率分量。这些频率超出了使用的Ophir 50(150)功率计的频率响应。
在一些实施例中，可以使用与用于最大化两个NLC设备4000中的谐波转换的技术相同的技术来实现并保持高水平的反向转换。在一些实施例中，唯一改变的参数是红外(IR)-绿相位差。图33表明了这种效果的仿真，其中显示了针对不同输入功率旋转PMC板对谐波输出功率的影响的Smith非线性光学(SNLO)仿真。在高功率下(LG/HG<0.10)，已经通过实验实现了典型的低绿色与高绿色比率(大于十倍)。在一些实施例中，该效果可以用于调制(“接通”/“关断”)高功率连续波(CW)绿光束。这很重要，因为仅接通和关断基频光束只会导致几分钟的上升时间。须注意：原因是为了使高功率倍频，烘箱温度下降，以考虑IR和绿色吸收率。首次接通激光器时，由于温度太低，所以倍频效率低。随着红外光被吸收，晶体温度上升，并生成更多的绿色。绿色的吸收率进一步提高了晶体温度，该温度接近其最佳高功率值。在一些实施例中，直到达到基频且然后绿色吸收率使晶体达到热平衡，才能达到完全的倍频效率。
图34A和图34B表明了根据一些实施例的如图34A中所示通过快速“接通”输入激光束实现的上升时间(从最小功率到最大功率)和如图34B所示通过切换PMC位置实现的上升时间(从最小功率到最大功率)之间的比较；IR输入功率为246瓦特；最大绿色功率为75瓦特。使用热电堆功率计(τ上升＝2秒)执行图34A中的测量，而使用反馈光电二极管获得图34B中所示的迹线(τ上升＝30毫秒)。在此测试设置中，PMC激活系统的上升时间受到在光电二极管与计算机之间以及在计算机与PMC旋转台之间通信时间的限制。虚线显示了快速接通时光纤激光器的上升时间。点线显示了绿色输出功率的上升要慢得多。这种缓慢的响应是由于达到热平衡所需的时间，首先是由于IR吸收，以及然后是由于绿色吸收，因为产生了更多的绿色功率。使用PMC切换的更快的响应是具有以下事实的结果：第一晶体处于热平衡状态，而第二晶体由于IR吸收而被局部加热。亚毫秒级的上升时间应该是通过最小化惯性和通过马达加控制器的适当选择来实现的。
应指出，更复杂的脉冲整形是该技术的直接扩展。在一些实施例中，只要可以导出、编程且然后执行相关的与时间相关的PMC角，就可以生成任何整形脉冲。
在一些实施例中，如上所述的设备4000可以被结合到各种系统中；几个非限制性示例包括：
·工业应用系统，诸如为了切割、焊接、表面处理或进行增材制造的目的而照射红外吸收率差的工件。
·学应用系统，诸如泵浦Ti：蓝宝石，以用于以高重复频率和以高平均功率生成飞秒脉冲的目的，或用于通过进一步的总混频/附加倍频来生成更高的频率或通过添加光学参数振荡器来生成低于二次谐波的可调谐频率的目的。
·需要快速执行侵入性程序的医疗应用系统。
虽然本文已经说明和描述了本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、改变和等同物。因此，应理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这些修改和改变。

Claims (17)

1.一种混合泵浦模块，所述混合泵浦模块被配置为被耦合至具有芯和至少一个包层的光纤，所述泵浦模块包括：
在具有所述光纤的光路上的至少一个聚焦透镜；
多个二极管模块，每个二极管模块被配置为在具有所述包层的光路上输出多模光束；
在具有所述芯的光路上的至少一个芯相关模块，所述芯相关模块被配置为提供从包括以下项的组中选择的功能：
a)向所述芯输出单模光束；
b)接收来自所述芯的光束，并将接收到的光束耦合至输出光纤；
c)接收来自所述芯的光束，并将所述接收到的光束反射回所述芯，以及
d)接收来自所述芯的光束，并将接收到的光束中的一部分反射回所述芯，并将所述接收到的光束的另一部分耦合至输出光纤。
2.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，还包括体积布拉格光栅(VBG)，所述体积布拉格光栅被配置为将光束变窄并锁定到预定波长范围。
3.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述多个二极管模块和所述芯相关模块被布置在至少一行中，使得在每行中所述多个二极管模块和所述芯相关模块的输出光束彼此平行。
4.根据权利要求3所述的混合泵浦模块，其中，在两行或更多行的情况下，所述泵浦模块还包括：
在第一行光束的路径中的至少一个偏振器合束器；
一个或更多个折叠镜，每个折叠镜用于每个附加行，其中，每个折叠镜被配置为将所述每个折叠镜对应的平行光束行重定向到相应的偏振器合束器中。
5.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述二极管模块中的每个二极管模块包括：
广域激光器(BAL)；
BAL关联折叠镜，所述BAL关联折叠镜被配置有在所述BAL关联折叠镜的相关联的BAL和所述包层之间的光路；以及
可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述BAL和所述BAL的相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所述BAL的光束的形状。
6.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述芯相关模块包括种子模块，所述种子模块包括：
至少一个种子输入端，所述至少一个种子输入端被配置为耦合至种子激光装置；
种子关联折叠镜，所述种子关联折叠镜被配置为用于在所述种子输入端和所述芯之间的光路；以及
可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述种子输入端和所述种子输入端的相关联的折叠镜之间，并被配置为调整种子的光束的形状。
7.根据权利要求6所述的混合泵浦模块，其中，所述种子相关模块还包括以下项中的至少一项：
光束放大器，所述光束放大器被配置为放大种子光束；
分光器或局部反射镜，所述分光器或局部反射镜被配置为对所述种子光束进行采样，以及监测器，所述监测器被配置为监测和提醒反向光束传输；以及
隔离器，所述隔离器被配置为仅允许光在一个方向上传输。
8.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述芯相关模块包括输出模块，所述输出模块包括：
输出光纤，所述输出光纤可选地包括端盖元件；
与所述输出光纤相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述输出光纤之间的光路；
可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述输出光纤和所述输出光纤的相关联的折叠镜之间，并被配置为调整所接收到的芯束的形状；以及
最优地，泵转储器。
9.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述芯相关模块包括高反射(HR)模块，所述高反射模块包括：
HR镜；
与所述HR镜相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述HR镜之间的光路；以及
可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述HR镜和所述HR镜的相关联的折叠镜之间，并被配置为调整相关联的光束的形状。
10.根据权利要求9所述的混合泵浦模块，其中，所述HR模块还包括腔内调制器，所述腔内调制器被布置在所述HR镜和所述HR镜的相关联的折叠镜之间，并被配置为调制所反射的光束。
11.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，其中，所述芯相关模块包括局部反射(PR)模块，所述局部反射(PR)模块包括：
输出光纤，所述输出光纤可选地包括端盖；
在具有所述输出光纤的光路中的PR镜；
与所述PR镜相关联的折叠镜，所述折叠镜被配置用于在所述芯和所述PR镜之间的光路；以及
可选地，至少一个透镜，所述至少一个透镜被布置在所述PR镜和所述PR镜的相关联的折叠镜之间，并被配置为调整相关联的光束的形状。
12.根据权利要求1所述的混合泵浦模块，还包括至少一个散热元件，所述至少一个散热元件是从包括以下项的组中选择的：底表面，肋部，螺钉及这些项的任意组合。
13.一种光纤放大系统，包括：
掺杂光纤，所述光纤包括芯和至少一个包层；
根据权利要求6所述的混合泵浦模块，所述混合泵浦模块被耦合至所述光纤的第一端。
14.根据权利要求13所述的光纤放大系统，其中，所述系统还包括从以下项中选择的至少一项：泵转储器、端盖元件。
15.根据权利要求13所述的光纤放大系统，还包括耦合至所述光纤的第二端的根据权利要求8所述的混合泵浦模块。
16.一种光纤激光系统，包括：
光纤，所述光纤包括芯和至少一个包层；
根据权利要求9所述的混合泵浦模块，其被耦合至所述光纤的第一端；以及
耦合至所述光纤的第二端的光纤布拉格光栅(FBG)。
17.根据权利要求16所述的光纤激光系统，还包括以下中的至少一项：泵转储器和端盖元件。
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