CN117546381A - 用于波长光束组合激光系统的单发射器堆叠 - Google Patents

Abstract

在各种实施例中，多个激光发射器被布置成一个或多个线性堆叠，并且向交错反射镜的一个或多个线性堆叠发射光束。交错反射镜将光束引导到共享出射点，从而形成输出光束堆叠。各个光束从其发射器到共享出射点所穿过的光学距离全部彼此相等。

Description

用于波长光束组合激光系统的单发射器堆叠

相关申请

本申请要求于2021年7月16日提交的美国临时专利申请第63/222,613号的权益和优先权，该美国临时专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

技术领域

在各种实施例中，本发明涉及激光系统，具体涉及以堆叠的单光束发射器为特征的激光系统。

背景技术

高功率激光系统用于许多不同的应用，诸如焊接、切割、钻孔和材料加工。这种激光系统通常包括：激光发射器，来自激光发射器的激光耦合到光学纤维(或简称为“光纤”)中；和光学系统，其将来自光纤的激光聚焦到待加工的工件上。用于激光系统的光学系统通常被设计为产生最高质量的激光束，或者等同地，产生具有最低光束参数积(beamparameter product，BPP)的光束。BPP是激光束的发散角(半角)与光束在其最窄点的半径(即束腰、最小光斑尺寸)的乘积。即，BPP＝NA×D/2，其中，D是聚焦光斑(腰)直径，NA是数值孔径；由此，BPP可以通过改变NA和/或D来改变。BPP量化激光束的质量以及它可以聚焦到小光斑的程度，并且通常以毫米-毫弧度(mm-mrad)为单位来表达。高斯光束具有最低可能的BPP，其由激光波长除以π给出。在相同波长下实际光束的BPP与理想高斯光束的BPP的比率表示为M²，其是光束质量的波长无关的量度。

波长光束组合(wavelength beam combining，WBC)是一种用于缩放来自激光二极管、激光二极管条、二极管条的堆叠或以一维或二维阵列布置的其它激光器的输出功率和亮度的技术。已经开发了WBC方法来沿着发射器阵列的一维或二维组合光束。典型的WBC系统包括多个发射器，诸如一个或多个二极管条，其使用色散元件组合以形成多波长光束。WBC系统中的各个发射器单独地谐振，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，该波长特定反馈由色散元件沿着光束组合维度滤波。示例性WBC系统在于2000年2月4日提交的美国专利第6,192,062号、于1998年9月8日提交的美国专利第6,208,679号、于2011年8月25日提交的美国专利第8,670,180号以及于2011年3月7日提交的美国专利第8,559,107号中详细描述，这些专利中的每一个的全部公开内容以引用的方式并入本文。

为了最大化输出功率，许多WBC系统组合由诸如二极管条的多光束发射器发射的光束。(如本文所用的，“多光束发射器”包括在单个封装内的多个光束源，各个光束源发射光束。二极管条是一个示例，其中各个光束源是半导体二极管。)即，在这样的系统中，由多个二极管条中的每一个发射的多个光束被组合成单个输出光束。二极管条方便地在单个封装内提供多个紧密隔开的发射器(例如19-49个或甚至更多)。然而，可能出现与WBC系统中的二极管条的使用有关的各种问题。

在二极管条中，各个二极管发射器在发射的光束的慢轴方向上并排设置。然而，当这样的光束在WBC系统中组合成单个光束时，通常优选的是在快轴维度上这样做以便增强光束质量(例如，在慢轴维度上的光束组合可能导致可能损害组合光束的质量的指向或对准误差)。由此，在WBC系统中，二极管条经常与光束旋转器(或“光学扭转器”)一起使用，光束旋转器将光束旋转90°，从而促进快轴维度上的光束组合。然而，光束旋转器构成WBC系统中的额外花费，并且它们的使用甚至可能导致损害光束质量的功率损耗和光学像差。

另外，许多WBC系统通过将单独的快轴准直(fast-axis collimation，FAC)透镜和慢轴准直(slow-axis collimation，SAC)透镜用于各个二极管条来准直来自各个二极管条的光束。这也导致额外的系统级成本，并且还可能需要大量空间来容纳光学定位在二极管条下游的多个不同SAC透镜。

而且，诸如二极管条的多光束发射器经常遭受“微笑(smile)”，即，在水平的慢轴维度上的未对准或弯曲。即使微笑不是固有地存在于裸二极管条中，但当安装在激光系统中时，由于例如由物理(例如安装)和/或热效应引起的不平衡应力，其可能在二极管条中引起。二极管条通常还需要高操作电流来驱动多个二极管发射器，且可能遭受条内的发射器到发射器热串扰，从而致使冷却方案更复杂且困难。

鉴于以上所述，需要改进的WBC激光源和系统，其解决由使用二极管条引起的问题，同时仍然使得能够形成由许多输入光束的组合产生的高质量输出光束。

发明内容

本发明的各种实施例提供了用于WBC系统的激光束源，其基于单发射器的布置，即，各个单独的封装各自仅包含诸如半导体二极管发射器的单光束源。在各种实施例中，发射器被布置为使得它们的光束被堆叠(例如，在快轴维度上)成对准的光束堆叠，并且这样的光束堆叠可以方便地用作WBC激光系统中的输入。如本文所用的，“堆叠的”光束在相同的方向上传播并且可以是但不是必须重叠的(即，堆叠的光束可以部分或完全重叠，但不是必须的)。虽然堆叠的光束在至少一个维度上(例如，如在平面图或顶视图中观察到的)彼此对准，但是在垂直维度上(例如，如从侧面观察到的)，光束可以不完全重叠并且甚至可以在空间上彼此分离。

在各种实施例中，发射器被布置为使得它们共享单个SAC透镜，并且还使得各个发射器与SAC透镜之间的光学路径长度大致相同(例如，彼此在±10％内相同，或甚至彼此在±5％内相同)。这样，本发明的实施例不仅降低了整个系统的成本并增加了系统的紧凑性(例如，由于使用单个SAC透镜代替各个发射器的专用SAC透镜)，而且由于光束的相等路径长度而提供了极好的光束质量。

在各种实施例中，来自光束发射器(例如，二极管发射器)的光束在快轴上堆叠，从而消除了对光束扭转器的需要以及与其伴随的成本和光束质量以及功率劣化。而且，使用单发射器使得能够使用显著减小的操作电流，因为单发射器可以方便地串联电连接(二极管条实际上是在单个封装中并联连接的多个二极管源)。单发射器也不会遭受发射器微笑，从而产生更高质量的WBC输出。使用单发射器还使发射器之间的热串扰量最小化，这有助于简化源发射器的冷却设计。最后，与二极管条相比，诸如二极管发射器的单发射器还具有长得多的寿命，这实现更大的系统操作时间和更少的维护停机时间和成本。

在本发明的各种实施例中，多个源发射器被布置为一个或多个线性堆叠或布置(即，发射器的大致笔直行)。在各个线性堆叠中，发射器可以在三个相互垂直的维度中的每一个上彼此隔开，并且这些间隔可以沿着线性堆叠中的每一个(或者甚至全部)大致一致。光束被发射到一系列交错反射镜，这些交错反射镜截取光束并将它们反射到共享的出射点，使得光束在出射点沿着一个维度堆叠(即，从而形成“光束堆叠”)。重要的是，交错反射镜被布置为使得各个光束从其发射器到共享出射点所穿过的光学距离彼此近似相等。例如，交错反射镜还可以被布置为一个或多个线性堆叠。本发明的各种实施例以光束的出射点处的单个共享准直透镜(例如，SAC透镜)为特征，以便准直堆叠的光束(例如，在慢轴上)。

在以发射器的多个线性布置为特征的实施例中，发射器可以布置为彼此平行的一系列行。在其它实施例中，线性布置可以被布置为成对镜像。即，各对发射器行将是彼此的镜像(并且由此通常不彼此平行)。在这样的实施例中，特定系统中的发射器的所有线性布置可以具有相同数量的发射器，或者它们中的两个或更多个可以以不同数量的发射器为特征。(例如，为镜像的两行发射器可以跨镜面对称地定向，但是在它们中仍然具有不同数量的发射器。)

在本发明的典型实施例中，发射器以一个或多个线性布置来布置，而不是如于2021年10月29日提交的美国第17/514,130号中描述的螺旋布置并朝向共享中心点发射，该专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。

在各种实施例中，来自多个这种源模块的堆叠的输出光束可以在WBC系统中经由色散元件和部分反射输出耦合器组合成单个输出光束。这种输出光束(其可以是多波长光束)可以耦合到光纤中和/或用于加工各种不同的工件。例如，本发明的实施例可以将一个或多个激光束耦合到光纤中。在各种实施例中，光纤具有围绕单个芯的多个包层、在单个包层内的多个离散的芯区(或“芯”)、或由多个包层围绕的多个芯。

本文中，“光学元件”可以指透镜、反射镜、棱镜、光栅等中的任何一种，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，除非另外指示。

尽管衍射光栅在本文中用作示例性色散元件，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。本发明的实施例除了利用一个或多个衍射光栅之外还可以利用一个或多个棱镜，例如如在于2017年1月19日提交的美国专利申请第15/410,277号中描述的，该申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。

与仅用光探测表面的光学技术(例如，反射率测量)对照，根据本发明的实施例产生的输出光束可用于加工工件，使得工件的表面物理地改变和/或使得特征形成于表面上或表面内。根据本发明实施例的示例性工艺包括切割、熔接、钻孔和钎焊。本发明的各种实施例还在一个或多个光斑处或沿着一维加工路径加工工件，而不是用来自激光束的辐射同时淹没所有或大致所有的工件表面。通常，加工路径可以是曲线的或线性的，并且“线性”加工路径可以以一个或多个方向变化为特征，即，线性加工路径可以由不必彼此平行的两个或更多个大致笔直的段组成。

本发明的实施例可以改变光束形状和/或BPP，以改善或优化不同类型的加工技术或不同类型的被加工材料的性能。本发明的实施例可以利用用于改变BPP和/或激光束的形状的各种技术，这些技术在于2015年2月26日提交的美国专利申请第14/632,283号、于2015年6月23日提交的美国专利申请第14/747,073号、于2015年9月14日提交的美国专利申请第14/852,939号、于2016年6月21日提交的美国专利申请第15/188,076号、于2017年4月5日提交的美国专利申请第15/479,745号以及于2017年7月14日提交的美国专利申请第15/649,841号中描述，这些申请中的每一个的公开内容以引用的方式全文并入本文。

根据本发明的各种实施例的激光系统还可包括输送机构，其将激光输出引导到工件上，同时引起输出与工件之间的相对移动。例如，输送机构可以包括激光头、基本上由激光头构成或由激光头构成，激光头用于将输出朝向工件引导和/或聚焦。激光头本身可相对于工件移动和/或旋转，和/或输送机构可包括用于工件的可移动台架或其它平台，以使得工件能够相对于输出移动，输出可固定在适当位置。

在本发明的各种实施例中，用于加工各种工件的激光束可经由一个或多个光纤(或“输送光纤”)输送到工件。本发明的实施例可以并入有具有许多不同内部构造和几何形状的光纤。这种光纤可以具有一个或多个芯区和一个或多个包层区域。例如，光纤可以包括由内包层分开的中心芯区和环形芯区、基本上由其构成或者由其构成。一个或多个外包层可以围绕环形芯区布置。本发明的实施例可与光纤一起使用和/或并入有光纤，这些光纤具有在于2017年4月5日提交的美国专利申请第15/479,745号、于2018年1月25日提交的美国专利申请第15/879,500号和于2019年11月6日提交的美国专利申请第16/675,655号中描述的配置，这些申请中的每一个的全部公开内容以引用的方式并入本文。

在结构上，根据本发明实施例的光纤可以包括一个或多个高和/或低折射率层，其超出外包层(即，在外包层之外)，而不改变本发明的原理。这些额外层中的各个层也可以称为包层或涂层，并且可以不引导光。除了特别提到的之外，光纤还可以包括一个或多个芯。这些变型在本发明的范围内。本发明的各种实施例在光纤结构中或上不并入有模消除器。类似地，根据本发明实施例的光纤的各个层沿着光纤的整个长度是连续的，并且其中不包含孔、光子晶体结构、断裂、间隙或其它不连续。

根据本发明的光纤可以是多模光纤，因此在其中支持多模(例如，多于三个、多于十个、多于20个、多于50个或多于100个模)。另外，根据本发明的光纤通常是无源光纤，即，没有掺杂有通常用于泵浦光纤激光器和放大器的活性掺杂剂(例如，铒、镱、铥、钕、镝、镨、钬或其它稀土金属)。而是，用于选择根据本发明的光纤的各个层中的期望折射率的掺杂剂通常是不被激光激发的无源掺杂剂，例如氟、钛、锗和/或硼。由此，根据本发明的各种实施例的光纤及其各种芯和包层可以包括玻璃(诸如大致纯的熔融石英和/或熔融石英)、基本上由其构成或由其构成，并且可以掺杂有氟、钛、锗和/或硼。本领域技术人员无需过度实验就可以(通过诸如掺杂的技术)获得根据本发明实施例的光纤的特定层或区域的期望折射率。相关地，根据本发明实施例的光纤可以不在其中或其上并入有反射器或部分反射器(例如，诸如布拉格光栅的光栅)。根据本发明实施例的光纤通常不用被配置为生成不同波长的激光的泵浦光来泵浦。而是，根据本发明实施例的光纤仅沿着其长度传播光而不改变其波长。在本发明的各种实施例中使用的光纤可以以可选的外部聚合物保护涂层或护套为特征，该保护涂层或护套布置在更易碎的玻璃或熔融石英纤维自身周围。

另外，根据本发明实施例的系统和技术通常用于材料加工(例如，切割、钻孔等)，而不是用于诸如光通信或光数据传输的应用。由此，可以耦合到根据本发明实施例的纤维中的激光束可以具有与用于光通信的1.3μm或1.5μm不同的波长。实际上，根据本发明的实施例使用的纤维可以在用于光通信的约1260nm到约1675nm范围内的一个或多个(或甚至所有)波长处呈现色散。

在一个方面，本发明的实施例以一种三维空间中的激光设备为特征，该三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面。激光设备包括布置成一个或多个第一线性堆叠的多个光束发射器和布置成一个或多个第二线性堆叠的多个交错反射镜，基本上由其构成或由其构成。在各个第一线性堆叠中，光束发射器(i)沿着x轴彼此分开(非零)距离Δx，(ii)沿着y轴彼此分开(非零)距离Δy，以及(iii)沿着z轴彼此分开(非零)距离Δz。一个或多个第二线性堆叠的数量等于一个或多个第一线性堆叠的数量。各个交错反射镜被定位为接收由光束发射器中不同的一个光束发射器发射的光束，并且将该光束引导至共享出射点，由此在共享出射点处输出光束堆叠。各个光束从其发射器到共享出射点所穿过的光学距离可以全部彼此相等。

本发明的实施例可以以各种组合中的任何组合包括以下各项中的一个或多个。各个光束发射器可以被配置为仅发射单个光束。在各个第二线性堆叠中，交错反射镜可以(i)沿着x轴彼此分开距离Δx和/或(ii)沿着y轴彼此分开距离Δy。准直透镜可以布置在共享出射点处。准直透镜可以是慢轴准直透镜，其被配置为接收光束堆叠并且使光束堆叠在慢轴上准直。各个光束发射器可以包括二极管发射器，基本上由其构成或者由其构成。设备可以包括多个快轴准直(FAC)透镜。各个FAC透镜可以被定位为接收来自不同发射器的光束并且在快轴上准直光束。一个或多个第一线性堆叠可由单个第一线性堆叠构成。一个或多个第一线性堆叠可以包括多个第一线性堆叠，基本上由其构成或者由其构成。多个第一线性堆叠中的两个或更多个或甚至全部可以彼此平行地布置。多个第一线性堆叠可以被布置为成对镜像。

在激光设备中，Δz可以近似等于Δx。各个光束发射器可以布置在不同的子安装件上。距离Δx可以大于或近似等于单个子安装件的宽度。距离Δz可以大于或近似等于单个子安装件的宽度。在光束堆叠中，由光束发射器发射的光束可以沿着光束的快轴堆叠。各个光束发射器可以平行于x-z平面定向并且被配置为沿着z轴发射光束。各个第一线性堆叠在y-z平面中的第一投影角可以近似等于arctan(Δy/Δz)。各个第一线性堆叠在x-y平面中的第二投影角可以近似等于arctan(Δy/Δx)。各个第一线性堆叠在x-z平面中的第三投影角可以近似等于45°。光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸可以近似等于Δy×N+b，N等于光束发射器的数量，并且b等于各个光束在堆叠方向上的尺寸。堆叠方向可以沿着光束的快轴。各个第二线性堆叠可以是包括多个镜面、基本上由其构成或由其构成的整体部件。各个第二线性堆叠可以包括固定到公共平台的多个交错反射镜，基本上由其构成或者由其构成。

在另一方面，本发明的实施例以一种三维空间中的光束堆叠的方法为特征，该三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面。提供了布置成一个或多个第一线性堆叠的多个光束发射器。在各个第一线性堆叠中，光束发射器(i)沿着x轴彼此分开(非零)距离Δx，(ii)沿着y轴彼此分开(非零)距离Δy，以及(iii)沿着z轴彼此分开(非零)距离Δz。使光束发射器各自朝向布置成一个或多个第二线性堆叠的多个交错反射镜发射光束。交错反射镜接收光束，并且光束被引导至共享出射点，光束在共享出射点处被一维堆叠，从而形成光束堆叠。各个光束从其发射器到共享出射点所穿过的光学距离可以全部彼此相等。

本发明的实施例可以以各种组合中的任何组合包括以下各项中的一个或多个。第一线性堆叠的数量可以等于第二线性堆叠的数量。光束发射器的数量可以等于交错反射镜的数量。各个光束发射器可以被配置为仅发射单个光束。各个交错反射镜可以被定位为接收其中一个光束。各个光束发射器可以包括二极管发射器，基本上由其构成或者由其构成。各个光束可以在其光束发射器下游和交错反射镜上游在快轴上准直。各个光束可以在慢轴上准直。各个光束可以在共享出射点处在慢轴上准直。光束堆叠的至少一部分可以耦合到光纤中。可以用光束堆叠的至少一部分来加工工件。加工工件可以包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和/或铜焊，基本上由其构成或由其构成。加工工件可包括物理地改变工件表面的至少一部分，基本上由其构成或由其构成。

光束堆叠可以与一个或多个额外光束堆叠进行波长光束组合，从而形成波长光束组合(WBC)输出光束。光束堆叠和一个或多个额外光束堆叠可以各自包括相同数量的堆叠光束，基本上由其构成或由其构成。工件可以用WBC输出光束加工。加工工件可以包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊和/或铜焊，基本上由其构成或由其构成。加工工件可包括物理地改变工件表面的至少一部分，基本上由其构成或由其构成。

在各个第二线性堆叠中，交错反射镜可以(i)沿着x轴彼此分开距离Δx和(ii)沿着y轴彼此分开距离Δy。距离Δz可以近似等于距离Δx。各个光束发射器可以平行于x-z平面定向并且被配置为沿着z轴发射光束。各个第一线性堆叠在y-z平面中的第一投影角可以近似等于arctan(Δy/Δz)。各个第一线性堆叠在x-y平面中的第二投影角可以近似等于arctan(Δy/Δx)。各个第一线性堆叠在x-z平面中的第三投影角可以近似等于45°。光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸可以近似等于Δy×N+b，N等于光束发射器的数量，并且b等于各个光束在堆叠方向上的尺寸。堆叠方向可以沿着光束的快轴。

在又一方面，本发明的实施例以一种波长光束组合(WBC)激光系统为特征，其包括多个光束堆叠模块、色散元件和部分反射输出耦合器，基本上由其构成或由其构成。各个光束堆叠模块被配置为在至少一个维度上堆叠多个发射的光束，并且输出包括光束、基本上由其构成或由其构成的光束堆叠。色散元件被定位为接收多个光束堆叠并且将光束堆叠组合成组合光束。输出耦合器被定位为接收组合光束，将组合光束的第一部分作为WBC输出光束透射，并将组合光束的第二部分反射回色散元件，并因此反射回模块的光束发射器以稳定其发射波长。

本发明的实施例可以以各种组合中的任何组合包括以下各项中的一个或多个。对于两个或更多个光束堆叠模块或甚至各个光束堆叠模块，(i)光束堆叠模块可以包括多个光束发射器，基本上由其构成或由其构成，各个光束发射器被配置为发射光束的其中一个，(ii)光束发射器可以被布置成一个或多个第一线性堆叠，和/或(iii)各个光束从其光束发射器到来自光束堆叠模块的光束堆叠的共享出射点的光学路径可以彼此相等。两个或更多个或甚至每个光束堆叠模块可以包括布置成一个或多个第二线性堆叠的多个交错反射镜，基本上由其构成或由其构成。对于各个光束堆叠模块，(i)一个或多个第二线性堆叠的数量可以等于一个或多个第一线性堆叠的数量，和/或(ii)各个交错反射镜可以被定位为接收由光束发射器中不同的一个光束发射器发射的光束并且将该光束引导至共享出射点。多个第一透镜可以布置在色散元件的光学上游。各个第一透镜可以被配置为从光束堆叠模块的其中一个接收光束堆叠，并且朝向色散元件会聚光束堆叠的主光线。激光系统可包括布置于色散元件光学上游的第二透镜，其被配置为接收所有光束堆叠且准直其光线。激光系统可以包括光学望远镜，其布置在色散元件的光学下游和输出耦合器的光学上游。色散元件可以包括反射衍射光栅或透射衍射光栅，基本上由其构成或由其构成。色散元件可以包括衍射光栅和一个或多个棱镜，基本上由其构成或由其构成。光束堆叠模块可以机械地定位为使光束堆叠朝向色散元件会聚。两个或更多个或甚至各个光束堆叠可以沿着其光束的快轴堆叠。

通过参考以下描述、附图和权利要求，这些和其它目的以及本文公开的本发明的优点和特征将变得更加明显。此外，应当理解，本文所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排列存在。如本文所用，术语“大致”意指±10％，并且在一些实施例中意指±5％。术语“基本上由……构成”意指排除有助于功能的其它材料，除非本文另外定义。然而，这些其它材料可以以痕量共同或单独存在。本文中，除非另外指示，否则术语“辐射”和“光”可互换使用。本文中，“下游”或“光学下游”用于指示光束在遇到第一元件之后撞击的第二元件的相对位置，第一元件在第二元件的“上游”或“光学上游”。本文中，两个部件之间的“光学距离”是光束实际行进的两个部件之间的距离；由于例如从反射镜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的其它变化，光学距离可以但不必须等于两个部件之间的物理距离。除非另外指定，本文所用的距离可被认为是“光学距离”。

附图说明

在附图中，同样的附图标记在不同的视图中通常指代相同的零件。而且，附图不是必须为等比例，而是通常把重点放在说明本发明的原理上。在以下描述中，参考以下附图描述本发明的各种实施例，附图中：

图1A和图1B分别是用于光束堆叠的激光发射器的常规布置的三维模型和示意性顶视图；

图2A至图2C分别是根据本发明的各种实施例的用于光束堆叠的激光发射器的三维线性布置的三维模型、示意性顶视图和示意性侧视图；

图3A至图3C分别是根据本发明的各种实施例的具有用于光束堆叠的激光发射器的两个三维线性布置的示例性激光系统的三维模型、示意性顶视图和示意性侧视图；

图4A和图4B分别是根据本发明的各种实施例的具有用于光束堆叠的激光发射器的三维线性布置的激光系统的三维模型和示意性顶视图；

图5A至图5C分别是根据本发明的各种实施例的用于与发射器的线性堆叠一起使用的交错反射镜的堆叠的三维模型、示意性顶视图和示意性侧视图；以及

图6是根据本发明的各种实施例的激光系统的示意图，该激光系统组合来自激光发射器的多个输入线性布置的多组堆叠光束。

具体实施方式

图1A和图1B作为三维模型(图1A)和示意性顶视图(图1B)描绘了七个单发射器105的常规布置100，其用于沿着发射光束110的快轴的线性竖直堆叠。图1A和图1B示出了从各个发射器发出的三条“光线”；然而，这些光线构成来自单发射器的单个光束，其中，中心光线表示光束的主光线，而外围光线表示光束的近似几何扩展。如图所示，各个光束110首先由FAC透镜115在快轴上准直，各个透镜与其中一个发射器相关联。然后，各个光束由SAC透镜120在慢轴上准直，各个SAC透镜与其中一个发射器相关联。然后，准直的光束被一组交错反射镜125反射到虚拟公共表面130，从而形成光束的竖直堆叠。如在图中可以观察到的，堆叠的光束在图1B的顶视图中(即在慢轴上)看起来完全重叠，并且图1A示出了堆叠的光束在竖直维度(即在快轴上)上的空间分离。

如在图1A和图1B中明显的，传统的线性堆叠布置相对庞大。为了无阻碍地堆叠光束，图1A和图1B的布置100不仅需要发射器105之间的竖直偏移Δy，而且需要水平偏移Δx。在这种情况下，两个相邻发射器105之间的最小水平偏移Δx是单个SAC透镜120的宽度(和/或各个发射器105的子安装件的宽度)。还如图所示，水平偏移Δx导致各个光束110在它们的发射器105与虚拟表面130之间穿过的不同的光学路径长度。这种光学路径长度差异将劣化在表面130处或其光学下游测量的总体光束质量，降低堆叠光束的纤维耦合效率，并增加堆叠光束的纤维耦合数值孔径(NA)。光学路径差异还使得图1A和图1B的堆叠布置100不适合于各种应用和系统，包括WBC技术和系统，其需要用于单独发射器的大致相等的光学路径，以便确保稳定和高效的WBC并且产生组合光束的最高光束质量。另外，图1A和图1B的常规布置100需要用于各个单独发射器105的单独SAC透镜120，这使得其布置和封装复杂化，并且还增加了总的系统成本。

图2A至图2C作为三维模型(图2A)、x-y平面中的示意性顶视图(图2B)和x-z平面中的示意性侧视图(图2C)描绘了根据本发明实施例的用于沿着快轴进行光束堆叠的11个单发射器205的三维线性布置200。如图所示，各个发射器205与快轴准直(FAC)透镜210相关联，该透镜在快轴上对发射器205所发射的光束进行准直。在FAC透镜210的下游，准直的光束传播到一组交错反射镜215并被其反射，一个反射镜与一个发射器205相关联。光束被反射到共享慢轴准直(SAC)透镜220，该透镜在慢轴上准直所有光束，然后光束被示出为传播到SAC透镜220下游的共享虚拟公共表面225。

如图所示，根据本发明的实施例，发射器205沿着所有x、y和z轴以偏移(表示为Δx、Δy和Δz)线性布置。而且，交错反射镜215也分别沿着x和y轴以与发射器205相同的偏移(Δx,Δy)线性地布置。如上所述，本发明实施例的一个优点是在光束的发射器205与SAC透镜220之间(或者，等同地，在光束的发射器205与虚拟公共表面225之间)所有光束的匹配光学路径长度。根据各种实施例，发射器沿着z轴的偏移(Δz)补偿由发射器之间沿着x轴的偏移(Δx)引起的光束路径差异。即，Δz＝Δx。在各种实施例中，Δz或Δx的最小值可由用于支撑各个发射器205的发射器子安装件的宽度确定。

还如图所示，各个激光束(或子光束)以Δy的间隔在交错反射镜215的下游沿着快轴有效地堆叠。堆叠方向上的总光束尺寸(B，图2B中指示)可以被估计为B＝Δy×N+b，其中，N是堆叠方向上的光束数量，B是光束沿着快轴的准直光束尺寸。注意，至少在所描绘的实施例中，快轴和堆叠方向都沿着y轴在相同的维度上。

因为在各种实施例中，如上所述，Δz＝Δx，所以在图2C的侧视图中，发射器205看起来沿着45°线线性对准。类似地，当从上方观察时(图2B)，发射器205沿着具有等于arctan(Δy/Δx)的角度的线线性对准。在各种实施例中，该角度可能小于45°，因为通常(尽管不是必须的)Δy<Δx。类似地，在y-z平面(未示出)上，发射器205将沿着具有等于arctan(Δy/Δz)的角度的线线性对准，该角度等于arctan(Δy/Δx)。由此，如果各个发射器205在x-z平面上定向并沿着z轴发射，则所有发射器205沿着复合角线性对准，该复合角具有分别在y-z、x-y和x-z平面上的arctan(Δy/Δz)、arctan(Δy/Δx)和45°的投影角。

更一般地，在本发明的实施例中，光束发射器在三维空间中布置成一个或多个笔直的行，这些行不平行于或垂直于光束发射器发射其光束所沿着的轴。例如，如图2A至图2C的示例性布置200所示，发射器205沿z轴发射其光束，而发射器的线性布置限定既不平行也不垂直于z轴的线。在各种实施例中，发射器205的一个或多个笔直的行不平行于或垂直于光束的堆叠维度(例如，慢轴)。

所有发射器205沿着所有x、y和z轴的偏移加上交错反射镜215的对应布置导致在快轴上的有效光学堆叠以及从各个发射器205到虚拟公共表面225的相等光学路径长度。在这样的实施例中，所有光束可以共享单个SAC透镜220，从而能够实现非常紧凑的单发射器堆叠。虽然图2A至图2C描绘了11个发射器205的堆叠布置，但是本发明的实施例可以以少于或多于11个发射器205为特征。

图3A至图3C作为三维模型(图3A)、x-y平面中的示意性顶视图(图3B)和x-z平面中的示意性侧视图(图3C)描绘了根据本发明实施例的具有用于沿着快轴进行光束堆叠的11个单发射器305的两个三维线性布置的激光系统300。与图2A至图2C的实施例中相同，22个发射器305中的每一个与FAC透镜相关联，并且由发射器305发射的光束传播到一组交错反射镜315并被其反射，一个反射镜与一个发射器305相关联。光束被反射到共享SAC透镜320，其在慢轴上准直所有光束。与图2A至图2C中描绘的实施例中相同，在各个发射器305与SAC透镜320之间(或等同地，在各个发射器305与SAC透镜320下游的共享虚拟公共表面325之间)的光学路径长度相同。在图3A至图3C的实施例300中，两个线性发射器布置被对准为彼此的镜像。由此，图3C的侧视图看起来基本上与图2C中描绘的侧视图相同，而图3B的顶视图示出了布置为多行的22个发射器305。虽然所描绘的实施例以发射器的两个线性堆叠为特征，但是根据本发明实施例的激光系统和模块可以包括单发射器的多于两个的线性堆叠，其中每两个相邻的线性堆叠被对准为彼此的镜像；当从上方观察时，这种模块的线性发射器布置可以看起来为“锯齿形”。虽然所描绘的实施例以各个线性堆叠中相同数量的发射器为特征，但是在各种实施例中，两个或更多个线性堆叠可以以不同数量的发射器(并且由此与其相关联的不同数量的交错反射镜)为特征。

根据本发明实施例的激光系统和模块还可以以平行布置的单发射器的多个线性布置而不是如图3A至图3C中的彼此的镜像为特征。图4A和图4B作为三维模型(图4A)和x-y平面中的示意性顶视图(图4B)描绘了具有根据本发明实施例的用于沿着快轴进行光束堆叠的7个单发射器405的三个三维线性布置的激光系统400。更一般地，本发明的实施例可以以多个(M个)单发射器线性堆叠为特征，其中各个堆叠具有N个发射器。如上所述，图4A和图4B描绘了M＝3且N＝7的示例性实施例。在这种实施例中，模块或系统具有M×N个发射器405和M×N个交错反射镜415，并且所有光束传播到单个共享SAC透镜420(并因此传播到虚拟公共表面425)；由此，所有光束的光学路径长度彼此相等，与在上面详述的实施例中相同。如在图4B中更容易观察到的，从上方，发射器405的线性堆叠彼此平行。虽然所描绘的实施例以各个线性堆叠中相同数量的发射器405为特征，但是在各种实施例中，两个或更多个线性堆叠可以以不同数量的发射器(并且由此与其相关联的不同数量的交错反射镜)为特征；即，对于两个或更多个线性堆叠，N可以不同。

图5A至图5C作为三维模型(图5A)、x-y平面中的示意性顶视图(图5B)和x-z平面中的示意性侧视图(图5C)描绘了根据本发明的实施例的用于与N个发射器的线性堆叠一起使用的N个交错反射镜510的堆叠500。如图所示，交错反射镜510以示例性偏移(Δx)和间隔(Δy)对准，以便与N个单发射器的线性堆叠一起使用。如图所示，根据本发明的实施例，交错反射镜的镜面520以45°角布置，使得来自对应发射器的激光束将以90°角反射。在各种实施例中，利用45°的反射镜角度，因为使用以其它角度布置的交错镜实际上是不方便的。在各种其它实施例中，可以利用不同的反射镜角度。

根据本发明的实施例，反射镜堆叠500可被组装为单个整体部分或零件，例如经由光学接触或经由粘合剂(例如环氧树脂)结合，或用适当的固定装置固定就位。单独的反射镜510可以与离线激光束和/或适当的夹具和固定装置预先对准。

在各种实施例中，反射镜堆叠500可以是经由例如模制或3D打印制成的整体部件。这些部件可以具有N个窄的镜面520，表面520之间具有期望的偏移(Δx)和间隔(Δy)。作为整体部件，反射镜堆叠500可具有笔直切割的后表面、倒角的侧边缘和/或任何其它形状。N个窄镜面520可以在单个基板上加工(经由例如蚀刻或激光加工)，该基板诸如为包括玻璃、陶瓷和/或诸如铜和/或铝的反射金属、基本上由其构成或由其构成的基板。在各种实施例中，镜面520被抛光和/或涂布(例如，用金属涂层)以获得高反射率。

一旦根据本发明实施例的三维线性发射器布置被用于在一个维度上堆叠光束，则堆叠的光束可以被用作诸如WBC激光系统的更复杂的激光系统的输入，或者可以被直接耦合到一个或多个光纤中(即，被用于直接纤维耦合)。图6示意性地描绘了根据本发明的实施例的一个这样的WBC系统600，其组合来自三个不同的线性输入布置或“模块”的多组堆叠的光束。图6在WBC或光束组合的维度上描绘了WBC系统600。图6的系统600中的各个模块605可以包括上面详述的任何线性发射器布置。线610表示来自由各个模块605发射的各个光束堆叠的光束的主光线。虽然为了清楚起见，对于各个模块605仅示出了三条线610，但是在本发明的各种实施例中，各个模块605可以利用多于三个单独的发射器形成光束堆叠。

如图6所示，模块605可单独地成角度，使得从而发射的光束堆叠(以及因此它们的出射点和SAC透镜，如果存在的话)朝向色散元件615(其可包括例如衍射光栅，基本上由其构成或由其构成)会聚。还如所示，透镜620可以与各个模块605相关联，以将从而发射的主光线会聚到色散元件615。另外，共享透镜625可在光束堆叠入射在色散元件615上之前校准来自所有模块的光束堆叠的各个光束。

在色散元件615处，来自模块605的光束被组合成单个光束630，该单个光束传播到部分反射输出耦合器635。在耦合器635处，光束630的第一部分作为WBC输出光束从系统输出，而光束630的反射的第二部分传播回到模块605中的各个发射器，用于反馈和波长锁定(即，稳定发射器的发射波长)。一个或多个可选光学系统640可布置在色散元件615和/或输出耦合器635的光学下游，用于诸如光束成形、成像、光束重定向或重新定位和/或交叉耦合减轻的一个或多个目的。例如，光学系统640可以包括用于减轻光学串扰的光学望远镜，基本上由其构成或由其构成，如在于2013年3月15日提交的美国专利第9,256,073号、于2015年6月23日提交的美国专利第9,268,142号中公开的，上述专利的全部公开内容以引用的方式并入本文。

在图6的WBC激光系统600中，各个模块605可被认为在概念上类似于在常规WBC系统中使用的二极管条。然而，图6的WBC系统600利用光学堆叠的单发射器而不是封装的多个发射器，诸如二极管条。这提供了几个优点。例如，由于光束在快轴方向上堆叠，所以不需要使用光学旋转器或扭转器，从而简化了系统并防止了诸如削波损失和光学像差的复杂化。另外，在模块605中，没有发射器微笑，该微笑可能显著降低WBC光束质量并影响波长锁定。另外，图6的系统600可以在显著更低的操作电流下操作，因为模块605的单发射器可以容易地串联电连接。另外，由于单发射器彼此隔开，所以在各个发射器之间存在较少的热串扰或没有热串扰，因此用于图6的系统600的冷却系统(例如，其可以利用流动的冷却剂流体)可以更不复杂或完全省略。

在本发明的各种实施例中，包括一个或多个线性发射器布置的激光系统(例如，激光系统600)的输出光束可以例如经由光纤模块传播到输送光纤(其可以耦合到激光输送头)和/或用于加工工件。例如，来自图6所描绘的激光系统的输出光束可以耦合到输送纤维中，或者输出光束可以与一个或多个其他激光系统的输出光束组合(经由例如偏振光束组合、空间光束组合等)，并且组合的光束可以耦合到输送纤维中以便加工工件。

在各种实施例中，激光头包含一个或多个光学元件，其用于将输出光束聚焦到工件上以便对其进行加工。例如，根据本发明实施例的激光头可以包括一个或多个准直器(即，准直透镜)和/或聚焦光学器件(例如，一个或多个聚焦透镜)。如果进入激光头的光束已经准直，则激光头可以不包括准直器。根据各种实施例的激光头还可以包括一个或多个保护窗、聚焦调节机构(手动或自动的，例如，一个或多个转盘和/或开关和/或选择按钮)。激光头还可包括用于例如激光功率、目标材料温度和/或反射率、等离子体光谱等的一个或多个监测系统。激光头还可包括用于光束成形和/或光束质量调节(例如，可变BPP)的光学元件，并且还可包括用于光束的偏振和/或聚焦光斑的轨迹的控制系统。在各种实施例中，激光头可包括一个或多个光学元件(例如，透镜)和用于其选择和/或定位的透镜操纵系统，以便例如改变输出光束的光束形状和/或BPP，如在于2016年6月21日提交的美国专利申请第15/188,076号中详细描述的，该美国专利申请的全部公开内容以引用的方式并入本文。示例性的工艺包括切割、穿孔、熔接、铜焊、退火等。输出光束可相对于工件平移(例如，经由光束及/或工件的平移)以穿过工件的至少一部分上或横跨工件的至少一部分的加工路径。

在利用光学输送纤维的实施例中，光纤可以具有许多不同的内部构造和几何形状。例如，光纤可以包括由内包层分开的中心芯区和环形芯区、基本上由其构成或者由其构成。一个或多个外包层可以围绕环形芯区布置。本发明的实施例可并入有光纤，这些光纤具有在于2017年4月5日提交的美国专利申请第15/479,745号、于2018年1月25日提交的美国专利申请第15/879,500号和于2019年11月6日提交的美国专利申请第16/675,655号中描述的配置，这些申请中的每一个的全部公开内容以引用的方式并入本文。

在各种实施例中，控制器可通过控制例如一个或多个致动器来控制激光头或输出光束相对于工件的运动。控制器可以存在于以如本文所公开的螺旋发射器布置为特征的激光系统中。控制器也可操作常规的定位系统，其被配置为引起输出激光束与被加工的工件之间的相对移动。例如，定位系统可以是任何可控的光学、机械或光机系统，其用于引导光束沿着二维或三维工件通过加工路径。在加工期间，控制器可操作定位系统和激光系统，使得激光束沿着工件穿过加工路径。加工路径可由用户提供并存储在机载或远程存储器中，该存储器还可存储与加工类型(切割、焊接等)相关的参数和执行该加工所需的光束参数。所存储的值可以包括例如适合于材料的各种工艺(例如，穿孔、切割、焊接等)的光束波长、光束形状、光束偏振等、加工的类型和/或加工路径的几何形状。

如绘图和扫描领域所公知的，输出光束与工件之间的必要相对运动可以通过使用可移动反射镜的光束的光学偏转、使用台架、丝杠或其它布置的激光器的物理移动、和/或用于移动工件而不是(或除了)光束的机械布置来产生。在一些实施例中，控制器可从反馈单元接收关于光束相对于工件的位置和/或加工效能的反馈，反馈单元将连接到合适的监测传感器。

控制器可以作为软件、硬件或其某种组合来提供。例如，系统可以在一个或多个常规的服务器类计算机上实施，诸如具有包含一个或多个处理器的CPU板的PC，该处理器诸如由加利福尼亚圣克拉拉的因特尔公司制造的奔腾或赛扬处理器系列、由绍姆堡的摩托罗拉公司制造的680×0和POWER PC处理器系列、I11、和/或由加利福尼亚森尼维耳市的先进微电子器件公司制造的处理器的速龙线。处理器还可以包括用于存储与本文所述的方法相关的程序和/或数据的主存储单元。存储器可以包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)和/或驻留在通常可用的硬件(诸如一个或多个专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA))上的闪存、电可擦可编程只读存储器(EEPROM)、可编程只读存储器(PROM)、可编程逻辑器件(PLD)或只读存储装置(ROM)。在一些实施例中，可以使用诸如光盘、磁盘以及其它常用储存装置的外部RAM和/或ROM来提供程序。对于其中功能被提供为一个或多个软件程序的实施例，程序可以用多种高级语言中的任何一种来编写，诸如FORTRAN、PASCAL、JAVA、C、C++、C#、BASIC、各种脚本语言和/或HTML。另外，软件可以以致力于驻留在目标计算机上的微处理器的汇编语言来实施；例如，如果软件被配置为在IBM PC或PC克隆上运行，则可以以因特尔80x86汇编语言来实施该软件。软件可以在制品上具体实施，包括但不限于软盘、跳跃驱动器、硬盘、光盘、磁带、PROM、EPROM、EEPROM、现场可编程门阵列或CD-ROM。

另外，激光系统可并入有一个或多个系统，其用于检测工件的厚度和/或工件上的特征的高度。例如，激光系统可并入有用于工件的干涉深度测量的系统(或其部件)，如在于2015年4月1日提交的美国专利申请第14/676,070号中详细描述的，该美国专利申请的全部公开内容以引证的方式并入本文。控制器可利用这种深度或厚度信息来控制输出光束以优化工件的加工(例如，切割、穿孔或焊接)，例如，根据数据库中对应于被加工的材料类型的记录。

本文采用的术语和表述被用作描述性的术语而非限制性的术语，并且在使用这种术语和表述时不旨在排除所示出和描述的特征或其部分的任何等同物，但是应当认识到，在所要求保护的本发明的范围内，各种修改是可能的。

Claims (50)

1.一种三维空间中的激光设备，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述激光设备包括：

多个光束发射器，其布置成一个或多个第一线性堆叠，其中，在各个第一线性堆叠中，所述光束发射器(i)沿着x轴彼此分开距离Δx，(ii)沿着y轴彼此分开距离Δy，以及(iii)沿着z轴彼此分开距离Δz；和

多个交错反射镜，其布置成一个或多个第二线性堆叠，其中，(i)所述一个或多个第二线性堆叠的数量等于所述一个或多个第一线性堆叠的数量，并且(ii)各个交错反射镜被定位为接收由所述光束发射器中不同的一个光束发射器发射的光束并且将所述光束引导至共享出射点，由此，在所述共享出射点处输出光束堆叠，

其中，各个光束从其发射器到所述共享出射点所穿过的光学距离全部彼此相等。

2.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。

3.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在各个第二线性堆叠中，所述交错反射镜(i)沿着x轴彼此分开所述距离Δx和(ii)沿着所述y轴彼此分开所述距离Δy。

4.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：准直透镜，其布置在所述共享出射点处。

5.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述准直透镜是慢轴准直透镜，其被配置为接收所述光束堆叠并且使所述光束堆叠在慢轴上准直。

6.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个光束发射器包括二极管发射器。

7.根据权利要求1所述的激光设备，还包括：多个快轴准直(FAC)透镜，各个FAC透镜被定位为接收来自不同发射器的光束并且在快轴上准直所述光束。

8.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述一个或多个第一线性堆叠由单个第一线性堆叠构成。

9.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述一个或多个第一线性堆叠包括多个第一线性堆叠。

10.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠彼此平行地布置。

11.根据权利要求9所述的激光设备，其中，所述多个第一线性堆叠被布置为成对镜像。

12.根据权利要求1所述的激光设备，其中，Δz近似等于Δx。

13.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

各个光束发射器布置在不同的子安装件上；并且

Δx大于或近似等于单个子安装件的宽度。

14.根据权利要求13所述的激光设备，其中，Δz大于或近似等于单个子安装件的宽度。

15.根据权利要求1所述的激光设备，其中，在所述光束堆叠中，由所述光束发射器发射的光束沿着所述光束的快轴堆叠。

16.根据权利要求1所述的激光设备，其中：

各个光束发射器平行于x-z平面定向并且被配置为沿着z轴发射光束；

各个第一线性堆叠在y-z平面中的第一投影角近似等于arctan(Δy/Δz)；

各个第一线性堆叠在x-y平面中的第二投影角近似等于arctan(Δy/Δx)；以及

各个第一线性堆叠在x-z平面中的第三投影角近似等于45°。

17.根据权利要求1所述的激光设备，其中，所述光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸近似等于Δy×N+b，N等于所述光束发射器的数量，并且b等于各个光束在所述堆叠方向上的尺寸。

18.根据权利要求17所述的激光设备，其中，所述堆叠方向沿着光束的快轴。

19.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠是包括多个镜面的整体部件。

20.根据权利要求1所述的激光设备，其中，各个第二线性堆叠包括固定到公共平台的多个交错反射镜。

21.一种三维空间中的光束堆叠的方法，所述三维空间具有相互垂直的x、y和z轴并且限定x-y、x-z和y-z平面，所述方法包括：

提供多个光束发射器，其布置成一个或多个第一线性堆叠，其中，在各个第一线性堆叠中，所述光束发射器(i)沿着x轴彼此分开距离Δx，(ii)沿着y轴彼此分开距离Δy，以及(iii)沿着z轴彼此分开距离Δz；

使得所述光束发射器各自朝向布置成一个或多个第二线性堆叠的多个交错反射镜发射光束；以及

用所述交错反射镜接收光束，并且将所述光束引导至共享出射点，所述光束在所述共享出射点处被一维堆叠，从而形成光束堆叠，

其中，各个光束从其发射器到所述共享出射点所穿过的光学距离全部彼此相等。

22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述第一线性堆叠的数量等于所述第二线性堆叠的数量。

23.根据权利要求21所述的方法，其中，各个光束发射器被配置为仅发射单个光束。

24.根据权利要求21所述的方法，其中，各个交错反射镜被定位为接收光束的其中一个。

25.根据权利要求21所述的方法，其中，各个所述光束发射器包括二极管发射器。

26.根据权利要求21所述的方法，还包括：在各个所述光束的光束发射器下游和所述交错反射镜上游在快轴上准直各个所述光束。

27.根据权利要求21所述的方法，还包括：在慢轴上准直各个所述光束。

28.根据权利要求21所述的方法，还包括：在所述共享出射点处在所述慢轴上准直所述光束堆叠。

29.根据权利要求21所述的方法，还包括：将所述光束堆叠的至少一部分耦合到光纤中。

30.根据权利要求21所述的方法，还包括：用所述光束堆叠的至少一部分来加工工件。

31.根据权利要求30所述的方法，其中，加工所述工件包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊中的至少一个。

32.根据权利要求30所述的方法，其中，加工所述工件包括物理地改变所述工件的表面的至少一部分。

33.根据权利要求21所述的方法，还包括：将所述光束堆叠与一个或多个额外光束堆叠进行波长光束组合，从而形成波长光束组合(WBC)输出光束。

34.根据权利要求33所述的方法，其中，所述光束堆叠和所述一个或多个额外光束堆叠各自包括相同数量的堆叠光束。

35.根据权利要求33所述的方法，还包括：用所述WBC输出光束加工工件。

36.根据权利要求35所述的方法，其中，加工所述工件包括切割、熔接、蚀刻、退火、钻孔、钎焊或铜焊中的至少一个。

37.根据权利要求35所述的方法，其中，加工所述工件包括物理地改变所述工件的表面的至少一部分。

38.根据权利要求21所述的方法，其中，在各个第二线性堆叠中，所述交错反射镜(i)沿着x轴彼此分开所述距离Δx和(ii)沿着所述y轴彼此分开所述距离Δy。

39.根据权利要求21所述的方法，其中，Δz近似等于Δx。

40.根据权利要求21所述的方法，其中：

各个光束发射器平行于x-z平面定向并且被配置为沿着z轴发射光束；

各个第一线性堆叠在y-z平面中的第一投影角近似等于arctan(Δy/Δz)；

各个第一线性堆叠在x-y平面中的第二投影角近似等于arctan(Δy/Δx)；以及

各个第一线性堆叠在x-z平面中的第三投影角近似等于45°。

41.根据权利要求21所述的方法，其中，所述光束堆叠在堆叠方向上的光束尺寸近似等于Δy×N+b，N等于所述光束发射器的数量，并且b等于各个光束在所述堆叠方向上的尺寸。

42.根据权利要求41所述的方法，其中，所述堆叠方向沿着光束的快轴。

43.一种波长光束组合(WBC)激光系统，包括：

多个光束堆叠模块，其各自被配置为在一个维度上堆叠多个发射的光束，并且输出包括所述光束的光束堆叠；

色散元件，其被定位为接收多个光束堆叠并且将所述光束堆叠组合成组合光束；以及

部分反射输出耦合器，其被定位为接收所述组合光束，将所述组合光束的第一部分作为WBC输出光束透射，并将所述组合光束的第二部分反射回所述色散元件，

其中，对于各个光束堆叠模块，(i)所述光束堆叠模块包括多个光束发射器，其各自被配置为发射所述光束的其中一个，(ii)所述光束发射器被布置成一个或多个第一线性堆叠，和(iii)各个所述光束从其光束发射器到来自所述光束堆叠模块的所述光束堆叠的共享出射点的光学路径彼此相等。

44.根据权利要求43所述的WBC激光系统，其中，各个光束堆叠模块包括多个交错反射镜，其布置成一个或多个第二线性堆叠，并且其中，对于各个光束堆叠模块，(i)所述一个或多个第二线性堆叠的数量等于所述一个或多个第一线性堆叠的数量，并且(ii)各个交错反射镜被定位为接收由所述光束发射器中不同的一个光束发射器发射的光束并且将所述光束引导至所述共享出射点。

45.根据权利要求43所述的WBC激光系统，还包括：多个第一透镜，其布置在所述色散元件的光学上游，各个第一透镜被配置为从所述光束堆叠模块的其中一个接收光束堆叠，并且朝向所述色散元件会聚所述光束堆叠的主光线。

46.根据权利要求43所述的WBC激光系统，还包括：布置于所述色散元件光学上游的第二透镜，其被配置为接收所有所述光束堆叠且准直其光线。

47.根据权利要求43所述的WBC激光系统，还包括：光学望远镜，其布置在所述色散元件的光学下游和所述输出耦合器的光学上游。

48.根据权利要求43所述的WBC激光系统，其中，所述色散元件包括反射衍射光栅或透射衍射光栅。

49.根据权利要求43所述的WBC激光系统，其中，所述光束堆叠模块机械地定位为使所述光束堆叠朝向所述色散元件会聚。

50.根据权利要求43所述的WBC激光系统，其中，各个光束堆叠沿着其光束的快轴堆叠。