DE102014008047B4

DE102014008047B4 - Stabilisierte Wellenlängenstrahlvereiniger, Verfahren zur Wellenlängenstrahlvereinigung und stabilisiertes Multiwellenlängenlasersystem

Info

Publication number: DE102014008047B4
Application number: DE102014008047.1A
Authority: DE
Inventors: Bien Chann
Original assignee: Teradiode Inc
Current assignee: Panasonic Corp of North America
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2019-05-09
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: DE102014008047A1

Abstract

Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger, umfassend:
eine Vielzahl an Emittern (302), wobei jeder einen Strahl erzeugt;
eine Sammeloptik (308), die konfiguriert ist, um die Strahlen zu empfangen und an ein dispersives Element (314) abzugeben, wobei das dispersive Element (314) die Strahlen als ein vereinigtes Strahlenprofil überträgt;
einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler (316), der angeordnet ist, um die vereinigten Strahlen von dem dispersiven Element (314) zu empfangen, einen Teil der vereinigten Strahlen zum dispersiven Element (314) zu reflektieren und die vereinigten Strahlen als einen Multiwellenlängenstrahl, der optische Strahlung umfasst, die eine Vielzahl an Wellenlängen aufweist, zu übertragen; und
zumindest zwei Rückstrahler (500a-e), die entlang des Strahlengangs der Strahlen zwischen den Emittern (302) und dem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler (316) angeordnet sind.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegenden Ausführungsformen betreffen im Allgemeinen Lasersysteme und im Besonderen Systeme und Verfahren zum Vereinigen von Wellenlängenstrahlen.
Beschreibung des Standes der Technik
Das Vereinigen von Wellenlängenstrahlen (WBC) ist ein Verfahren zum Skalieren der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdiodenstäben, Stapeln an Diodenstäben sowie anderen Lasern, die in ein- oder zweidimensionalem Array angeordnet sind.
WBC-Verfahren wurden entwickelt, um Strahlen entlang der langsamen oder schnellen Dimension jedes Emitters zu vereinigen. Die Strahlenqualität ist auf die eines einzelnen Emitters beschränkt; eine Vielzahl an Emittern kann jedoch vereinigt werden, um einen Multiwellenlängenausgang zu erzeugen, der die Strahlenqualität eines einzelnen Emitters, aber Ausgangsleistung von mehreren Emittern aufweist. WBC-Systeme können skaliert werden, um mehrere Kilowatt, sogar bis hin zu Megawatt an Ausgangsleistung zu erzeugen. Die erhöhte Ausgangsleistung erfordert jedoch größere Anstrengungen, übliche Komponenten wie etwa Spiegel stabil zu halten. Aktuelle Verfahren umfassen das Anbringen solcher Spiegel an Halterungen und Platten, die ein aktives Kühlsystem aufweisen.
US 2011/0216417 A1 beschreibt einen Wellenlängenstrahlvereiniger, der einen optischen Rotator, eine Transformationsoptik und ein dispersives Element umfasst.
DE 11 2011 100 812 T5 beschreibt ein skalierbares System zur Wellenlängenstrahlkombination, umfassend eine Vielzahl von modularen Lasereingabevorrichtungen, mindestens ein Laserelement und mindestens eine Transformationsoptik, wobei jede Transformationsoptik bewirkt, dass die emittierten Strahlen an einem dispersiven Element überlappen.
US 2010/0110556 A1 beschreibt einen Wellenlängenstrahlvereiniger, der mehrere Laseranordnungen, ein zylindrisches Teleskop, eine Transformationslinse und ein Beugungselement umfasst.
US 2013/0016974 A1 beschreibt eine wellenlängenselektive Laservorrichtung, umfassend eine Anordnung von Laseremittern und eine damit gekoppelte externe Kavität.
DE 699 13 928 T2 beschreibt eine Multiwellenlängen-Laserquelle, umfassend ein Fabry-Perot-Interferometer, das im Hohlraum zwischen einer Visieroptik und einem Netz angeordnet ist.
Die folgende Anmeldung versucht, die festgestellten Probleme durch das Bereitstellen eines Stabilisierungssystems für erhöhte Leistung in WBC-Systemen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Ein stabilisierter Wellenlängenstrahlvereiniger, der eine Vielzahl an Emittern, die jeweils einen Strahl produzieren, eine Sammeloptik, die konfiguriert ist, um die Strahlen auf einem dispersiven Element zu empfangen und abzugeben, wobei das dispersive Element die Strahlen als ein vereinigtes Strahlenprofil überträgt, einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der angeordnet ist, um die vereinigten Strahlen vom dispersiven Element zu empfangen, um einen Teil der vereinigten Strahlen zum dispersiven Element zu reflektieren, das die vereinigten Strahlen als einen Multiwellenlängenstrahl überträgt, der optische Strahlung, die eine Vielzahl an Wellenlängen aufweist, umfasst, und zumindest zwei Rückstrahler umfassen kann, die entlang des Strahlengangs zwischen den Emittern und dem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler angeordnet sind.
Figurenliste

1A ist ein Schaltbild eines Verfahrens zum Vereinigen von Wellenlängenstrahlen (WBC) entlang der Array-Dimension einer einzelnen Reihe an Emittern.
1B ist ein Schaltbild eines WBC-Verfahrens entlang der Array-Dimension eines zweidimensionalen Arrays an Emittern.
1C ist ein Schaltbild eines WBC-Verfahrens entlang der Stapeldimension eines zweidimensionalen Arrays an Emittern.
2 ist ein Schaltbild, das die Folgen von Smile in einem WBC-Verfahren entlang der Stapeldimension eines zweidimensionalen Arrays an Diodenlaseremittern zeigt.
3A ist ein Schaltbild eines WBC-Systems, das einen optischen Rotator umfasst, der selektiv ein eindimensionales Array an Strahlen rotiert.
3B ist ein Schaltbild eines WBC-Systems, das einen optischen Rotator umfasst, der selektiv ein zweidimensionales Array an Strahlen rotiert.
3C ist ein Schaltbild eines WBC-Systems, das einen optischen Rotator umfasst, der selektiv ein eindimensionales Array an Strahlen neu anordnet.
3D veranschaulicht Ausgangsprofilansichten des Systems aus 3C mit und ohne einen optischen Rotator.
4A-C veranschaulichen Beispiele von optischen Rotatoren.
5A-E veranschaulichen verschiedene Rückstrahler zur Verwendung mit einem WBC-System.
6A-B veranschaulichen ein grundlegendes Schaltbild eines WBC-Systems, das eine Vielzahl an Spiegeln und die winkelige und räumliche Rückkopplung eines tatsächlichen Strahls versus einen idealen Strahl umfasst.
7A-C veranschaulichen das Ersetzen von Spiegeln mit Rückstrahlern und das Zeigen des Ausgangs und der Rückkopplung vom idealen versus tatsächlichen Strahl sowohl räumlich als auch winkelig.
8 veranschaulicht ein optisches Schaltbild eines WBC-Systems, das konfiguriert ist, um bis zu einem Kilowatt Leistung oder mehr in eine optische Faser zu koppeln, die eine kleine numerische Apertur und einen kleinen Kerndurchmesser aufweist, wobei die verwendeten Spiegel durch Rückstrahler ersetzt werden können, um Stabilität zu erhöhen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen im Allgemeinen das Gebiet des Skalierens von Laserquellen auf hohe Leistung und hohe Helligkeit unter Verwendung von Verfahren zum Vereinigen von Wellenlängenstrahlen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren zum Erhöhen von Helligkeit, Stabilität und Effektivität von Systemen zum Vereinigen von Wellenlängenstrahlen.
Hierin beschriebene Ausführungsformen betreffen die Erhöhung der Stabilisierung von WBC-Systemen, die große Mengen an Leistung hervorbringen, einschließlich solche, die größer als 100W, größer als 500W und größer als ein Kilowatt sind. Durch die verschiedenen Ausführungsformen und Verfahren, die hierin beschrieben sind, kann ein stabilisiertes Lasersystem mit großer Helligkeit und Multiwellenlängenausgang erreicht werden.
Die hierin beschriebenen Lösungsansätze und Ausführungsformen können für ein- und zweidimensionale Strahlenvereinigungssysteme entlang der langsamen Achse, der schnellen Achse oder für andere Strahlenvereinigungsdimensionen gelten. Für die Zwecke dieser Anmeldung können sich optische Elemente auf beliebige der Linsen, Spiegel, Prismen und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung weiterleiten, reflektieren, beugen, sammeln oder auf eine beliebige andere Weise optisch manipulieren. Zusätzlich dazu umfasst der Begriff „Strahl“ elektromagnetische Strahlung. Strahlenemitter umfassen eine beliebige Vorrichtung zum Erzeugen elektromagnetischer Strahlen wie etwa Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, können aber Eigenresonanz aufweisen oder nicht. Sie umfassen auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser, Diodenlaser und so weiter. Im Allgemeinen umfasst jeder Emitter eine hintere reflektierende Oberfläche, zumindest ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium betrifft das Erhöhen der Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung und ist nicht auf die visuellen, IR- oder ultravioletten Teile des elektromagnetischen Spektrums beschränkt. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter wie etwa einen Diodenstab umfassen, der konfiguriert ist, um mehrere Strahlen zu emittieren. Viele der hierin verwendeten Beispiele und Ausführungsformen beschreiben die Verwendung eines Diodenstabs; es wird jedoch in Erwägung gezogen, dass ein beliebiger Emitter, und insbesondere Emitter, die optische Verstärkungselemente aufweisen und insbesondere jene mit breiter Verstärkungsbandbreite, verwendet werden können.
Zusätzlich dazu definiert der Stand der Technik den Begriff „Stapel oder Stapeldimension“ als zwei oder mehrere Arrays, die gestapelt sind, wobei die schnelle Dimension der Strahlen gleich wie die Stapeldimension ist. Diese Stapel sind mechanisch oder optisch vorangeordnet. Für die Zwecke dieser Anmeldung bezieht sich ein Stapel jedoch auf eine Spalte an Strahlen oder an optischen Verstärkungselementen und kann entlang der schnellen Dimension sein oder nicht. Wie oben erörtert können insbesondere einzelne Strahlen oder Elemente innerhalb eines Stapels oder einer Spalte rotiert werden.
Die einzelne langsame oder schnelle Dimension dieser Emitter des Arrays kann auch entlang der Array-Dimension ausgerichtet sein, aber diese Ausrichtung wird nicht angenommen. Das ist wichtig, da manche hierin beschriebenen Ausführungsformen einzeln die langsame Dimension jedes Strahls, der entlang eines Arrays oder einer Reihe ausgerichtet ist, rotieren. Zusätzlich dazu kann die langsame Achse eines Strahls die breitere Dimension des Strahls betreffen, der aus dem optischen Verstärkungsmedium austritt und die typischerweise auch die langsamste Streuungsdimension ist, während die schnelle Achse normalerweise die schmälere Dimension des Strahls betrifft und typischerweise die schnellste Streuungsdimension ist. Die langsame Achse kann auch Einmodenstrahlen betreffen.
In manchen Ausführungsformen ist es nützlich, anzumerken, dass die Array-Dimension und die langsame Dimension jedes ausgesendeten Strahls ursprünglich über die gleiche Achse ausgerichtet sind; diese Dimensionen können jedoch wie in dieser Anmeldung beschrieben an einem Offset-Winkel in Bezug zueinander ausgerichtet sein. In anderen Ausführungsformen sind die Array-Dimension und nur ein Teil der Emitter, die entlang der Array-Dimension angeordnet sind, perfekt ausgerichtet. Zum Beispiel kann die Array-Dimension eines Diodenstabs Emitter aufweisen, die entlang der Array-Dimension angeordnet sind, aber aufgrund von Smile (oftmals eine Deformation oder Krümmung des Stabs) wird die langsame Strahlungsdimension der einzelnen Emitter von der Array-Dimension leicht schrägt oder versetzt.
Aspekte und Ausführungsformen hierin betreffen stabilisierte Systeme mit hoher Leistung und/oder hoher Helligkeit und Multiwellenlänge, die einen vereinigten oder koaxialen Strahl aus sehr niedriger Ausgangsleistung von hunderten oder sogar Megawatt an Ausgangsleistung erzeugen. Der vereinigte Strahl kann variierende Strahlenproduktparameter als Folge von beabsichtigter Platzierung von Sammeloptik und dispersiven Elementen, die in den hierin beschriebenen WBC-Systemen verwendet werden, aufweisen.
Verfahren zum Vereinigen von Wellenlängenstrahlen wurden entwickelt, um asymmetrische Strahlenelemente über ihre jeweilige langsame oder schnelle Achsdimension zu vereinigen. Ein Vorteil, den diese Erfindung bereitstellen möchte, ist die Fähigkeit, Eingangsstrahlen selektiv entweder räumlich oder durch Ausrichtung zu rekonfigurieren, um in WBC-Verfahren mit langsamer und schneller Achse sowie einer Mischung aus beiden verwendet zu werden. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist eine Fähigkeit, Eingangsstrahlen selektiv zu rekonfigurieren, wenn es eine Beziehung mit fixer Position zu anderen Eingangsstrahlen gibt.
1A ist eine grundlegende WBC-Architektur veranschaulicht. In dieser bestimmten Veranschaulichung wird WBC entlang der Array-Dimension oder langsamen Dimension für breitflächige Emitter durchgeführt. Einzelne Strahlen 104 sind in den Figuren durch eine gestrichelte oder einzelne Linie veranschaulicht, wobei die Länge oder längere Dimension des Strahls (Strich) die Array-Dimension oder langsame Streuungsdimension für breitflächige Emitter darstellt und die Höhe oder kürzere Dimension die schnelle Streuungsdimension darstellt. Die Emitter des Diodenstabs 102 sind auf eine Weise angeordnet, dass die Enden der langsamen Dimension jedes ausgesendeten Strahls 104 nebeneinander entlang einer einzelnen Reihe - manchmal als Array bezeichnet - ausgerichtet sind. In manchen Konfigurationen kann eine Kollimationslinse 106 verwendet werden, um jeden Strahl entlang der schnell divergierenden Dimension zu kollimieren. Die Kollimationsoptik kann ferner aus getrennten Kollimationslinsen der schnellen Achse und der langsamen Achse zusammengesetzt sein.
Wie ferner in 1A veranschaulicht kann ein optisches Element 108 verwendet werden, um jeden Strahl entlang der WBC-Dimension 110 zu vereinigen, wie durch die Eingangsvorderansicht 112 gezeigt. Das optische Element 108 kann eine zylindrische oder sphärische Linse oder Spiegel sein. Das optische Element 108 überlappt dann den vereinigten Strahl auf einem dispersiven Element 114 (hier als ein reflektierendes Beugungsgitter gezeigt). Die gebeugten Strahlen erster Ordnung treffen auf einen teilweise reflektierenden Spiegel auf. Ein Resonator ist zwischen der hinteren Fläche der optischen Verstärkungselemente und dem teilweise reflektierenden Spiegel ausgebildet. Als solcher wird der vereinigte Strahl dann als ein einzelnes Ausgangsprofil an einen Ausgangskoppler 116 übertragen. Dieser Ausgangskoppler überträgt dann die vereinigten Strahlen 120 wie durch die Ausgangsvorderansicht 118 gezeigt. Der Ausgangskoppler 116 kann ein teilweise reflektierender Spiegel oder Oberfläche oder optische Beschichtung sein und als eine übliche vordere Seite fungieren, um stabilisierte Wellenlängenrückkopplung für alle optischen Verstärkungselemente im Dioden-Array 102 bereitzustellen. Die Rückkopplung ist hin zum dispersiven Element 114 ausgerichtet, das es in einzelne Wellenlängen filtert, wobei es zurück in jeden Emitter geleitet wird.
Gleichermaßen veranschaulicht 1B einen Stapel an Laserdiodenstäben, die jeweils vier Emitter aufweisen, wobei jeder Stab dreilagig gestapelt ist. Wie 1A ist die Eingangsvorderansicht 112 aus 1B, die in dieser Ausführungsform ein zweidimensionales Array an Strahlen ist, vereinigt, um die Ausgangsvorderansicht 118 oder eine einzelne Spalte an Strahlen 120 bereitzustellen. Die ausgegebenen bzw. emittierten Strahlen im WBC-System 100b wurden entlang der Array-Dimension vereinigt. Hier ist das optische Element 108 eine zylindrische Linse, die verwendet wird, um die Strahlen entlang des Arrays zu vereinigen. Es kann jedoch eine Kombination an optischen Elementen oder eines optischen Systems verwendet werden, so dass die optischen Elemente so angeordnet sind dass sich alle Strahlen auf dem dispersiven Element überlappen und sicherstellen, dass alle Strahlen entlang der Dimension, die die Strahlen nicht vereinigt, sich normal zum Ausgangskoppler verbreiten. Ein einfaches Beispiel eines solchen optischen Systems umfasst die Verwendung einer einzelnen zylindrischen Linse mit der geeigneten Brennweite entlang der strahlenvereinigenden Dimension, in Verbindung mit zwei zylindrischen Linsen, die ein afokales Teleskop entlang der nicht strahlenvereinigenden Dimension ausbilden, wobei das optische System veranlasst wird, Bilder auf die teilweise reflektierenden Spiegel zu werfen. Viele Variationen dieses optischen Systems können verwendet werden, um ähnliche Funktionalität zu erreichen.
Die Array-Dimension aus 1B ist ebenfalls die gleiche Achse wie die langsame Dimension jedes ausgegebenen bzw. emittierten Strahls im Fall eines Multimoden-Diodenlaseremitters. Daher kann dieses WBC-System auch System zum Vereinigen einer langsamen Achse genannt werden, wobei die Vereinigungsdimension die gleiche Dimension der Strahlen ist.
Im Gegensatz dazu veranschaulicht 1C einen Stapel 150 an Laserdioden-Arrays 102, die ein zweidimensionales Array an Strahlen wie bei 120 gezeigt ausbilden, wobei statt entlang der Array-Dimension wie in 1A-B zu vereinigen, die WBC-Dimension nun der Stapeldimension der Emitter folgt. Hier ist die Stapeldimension auch mit der Dimension der schnellen Achse von jedem der ausgegebenen bzw. emittierten Strahlen ausgerichtet. Die Eingangsvorderansicht 112 wird nun vereinigt, um die Ausgangsvorderansicht 118 zu erzeugen, wobei eine einzelne Spalte 120 an Strahlen gezeigt ist.
Es gibt bei allen drei Konfigurationen verschiedene Nachteile. Einer der wesentlichsten Nachteile der in 1A und 1B gezeigten Konfiguration ist, dass Strahlenvereinigung entlang der Array-Dimension durchgeführt wird. So ist die Funktion der Wellenlängenstabilisierung stark von Mängeln des Dioden-Arrays abhängig. Ein Nachteil von Konfiguration 1C ist, dass die Qualität des Ausgangsstrahls auf jene eines einzelnen Laserstabs eingeschränkt ist, und externe Strahlformung zur Strahlsymmetrisierung zum effizienten Einkoppeln in eine Faser erforderlich sein kann.
Wie in 2 veranschaulicht kann ein Dioden-Array mit Smile- oder Richtfehlern Rückkopplung von den optischen Elementen des WBC-Systems verhindern, die aus der Sammellinse, dem Gitter und dem Ausgangskoppler bestehen, um an die optischen Verstärkungselemente der Diode zurückzukoppeln. Manche negativen Folgen dieses fehlerhaften Koppelns sind, dass der WBC-Laser die Wellenlängensperre bricht und der Diodenlaser oder ein ähnliches Gehäuse durch fehlerhaft gekoppelte oder fehlerhaft angeordnete Rückkopplung, die nicht wieder in das optische Verstärkungsmedium eintritt, beschädigt werden kann. Zum Beispiel kann die Rückkopplung möglicherweise ein Epoxid oder Lötmetall treffen, das in Kontakt mit einem Diodenstab ist oder in dessen Nähe kommen kann, was dazu führen kann, dass der Diodenstab katastrophal versagt.
Reihe 1 aus 2 zeigt einen einzelnen Laserdiodenstab 202 ohne jegliche Fehler. Die veranschaulichten Ausführungsformen sind beispielhaft für einen Diodenstab, der an einen Kühlkörper angebracht ist und durch eine Kollimationsoptik 206 der schnellen Achse kollimiert ist. Spalte A zeigt eine perspektivische oder 3-D-Ansicht der Bahn der Ausgangsstrahlen 211, die durch die Kollimationsoptik 206 gehen. Spalte D zeigt eine Seitenansicht der Bahn der emittierten Strahlen 211, die durch die Kollimationsoptik 206 gehen. Spalte B zeigt die Vorderansicht der Laserfläche mit jedem einzelnen optischen Verstärkungselement 213 in Bezug auf die Kollimationsoptik 206. Wie in Reihe 1 veranschaulicht sind die optischen Verstärkungselemente 213 völlig gerade. Zusätzlich dazu ist die Kollimationsoptik 206 in Bezug auf alle optischen Verstärkungselemente 213 zentriert. Spalte C zeigt den erwarteten Ausgangsstrahl von einem System mit dieser Art von Eingang. Reihe 2 veranschaulicht ein Diodenlaser-Array mit Richtfehler. Wie in Spalte B von Reihe 2 gezeigt sind die optischen Verstärkungselemente und die Kollimationsoptik leicht voneinander versetzt. Das Ergebnis ist wie veranschaulicht, dass die emittierten Strahlen eine unerwünschte Bahn aufweisen können, die zu verringerter Lasereffizienz für ein Multiwellenlängen-Stabilisierungssystem führen kann. Zusätzlich dazu kann das Ausgangsprofil versetzt sein, um das System ineffektiv zu machen oder um zusätzliche Modifizierungen zu verursachen. Reihe 3 zeigt ein Array mit Gehäusefehler. Ein solcher Gehäusefehler kann verursachen, dass die optischen Verstärkungselemente sich nicht länger in einer geraden Linie befinden, und kann daher möglicherweise Krümmung des Stabs einleiten. Diese Krümmung ist manchmal als „Smile“ bezeichnet. Wie in Reihe 3 gezeigt, kann Smile noch mehr Probleme der Bahn verursachen, da es keinen einheitlichen Weg oder Richtung gibt, die für das System üblich ist. Spalte D aus Reihe 3 veranschaulicht ferner Strahlen 211, die in verschiedenen Winkeln austreten. Reihe 4 veranschaulicht eine Kollimationslinse, die nicht mit dem optischen Verstärkungselementen auf gedrehte oder gewinkelte Weise ausgerichtet ist. Das Ergebnis ist möglicherweise das schlimmste von allen, da die Ausgangsstrahlen im Allgemeinen die meisten Kollimations- oder Drehfehler aufweisen. In den meisten Systemen ist der tatsächliche Fehler in Dioden-Arrays und -Stapeln eine Kombination aus den Fehlern in den Reihen 2, 3 und 4. Wie in beiden Reihen 2 und 3 gezeigt können bei Verwendung von VBGs und Beugungsgittern die optischen Verstärkungselemente mit Mängeln zu Ausgangsstrahlen führen, die nicht länger in eine Richtung zeigen, die parallel zu der optischen Achse ist. Diese Strahlen außerhalb der optischen Achse führen dazu, dass jedes optische Verstärkungselement mit unterschiedlichen Wellenlängen lasert. Die Vielzahl an unterschiedlichen Wellenlängen erhöht das Ausgangsspektrum des Systems, welches wie oben erwähnt breit wird.
Einer der Vorteile des Durchführens von WBC entlang der Stapeldimension (hier auch primär die schnelle Dimension) eines Stapels an Diodenlaserstäben ist, dass es Smile wie in 2 gezeigt ausgleicht. Richtfehler und andere Ausrichtungsfehler werden durch das Durchführen von WBC entlang der Array-Dimension (auch primär langsame Dimension) nicht ausgeglichen. Ein Diodenstab-Array kann mehrere Emitter, typischerweise von 19 bis 49 oder mehr, aufweisen. Wie angemerkt sind Diodenstab-Arrays typischerweise so ausgebildet, dass die Array-Dimension ist, wo die langsame Dimension jedes Emitters neben den anderen Emittern ausgerichtet ist. Wenn WBC entlang der Array-Dimension verwendet wird, egal ob ein Diodenstab-Array 19 oder 49 Emitter (oder eine beliebige andere Zahl an Emittern) aufweist, ist das Ergebnis folglich jenem eines einzelnen Emitters ähnlich. Wenn im Gegensatz WBC entlang der orthogonalen oder schnellen Dimension des gleichen einzelnen Diodenstab-Arrays durchgeführt wird, ist das Ergebnis, dass jeder emittierte Strahl in spektraler Helligkeit zunimmt oder niedrigere spektrale Bandbreite aufweist, aber es findet keine Reduzierung der Zahl an Strahlen statt (äquivalent nimmt die räumliche Helligkeit nicht zu).
Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die sich dieses Themas annimmt, ist in 3A veranschaulicht. Diese Ausführungsform zeigt ein Schaltbild eines WBC-Systems, das bei 300a gezeigt ist, das einen optischen Rotator 305 umfasst, der nach Kollimationslinsen 306 und vor dem optischen Element 308 platziert ist. Es soll angemerkt werden, dass das optische Element 308 von mehreren Linsen oder Spiegeln oder anderen optischen Komponenten umfasst sein kann. Der optische Rotator 305 rotiert individuell die schnelle und langsame Dimension jedes emittierten Strahls, der in der Eingangsvorderansicht 312 gezeigt ist, um die neu ausgerichtete Vorderansicht 307 zu erzeugen. Es soll angemerkt werden, dass die optischen Rotatoren selektiv jeden Strahl einzeln ungeachtet von den anderen Strahlen rotieren können, oder in manchen Fällen ist es möglich, alle Strahlen durch den gleichen Winkel simultan zu rotieren. Es soll auch angemerkt werden, dass ein eine Gruppe an zwei oder mehreren Strahlen simultan rotiert werden kann. Der resultierende Ausgang, nachdem WBC entlang der Array-Dimension durchgeführt ist, ist in der Ausgangsvorderansicht 318 als einzelner Emitter gezeigt. Ein dispersives Element 314 ist als ein Reflektionsbeugungsgitter gezeigt, kann aber auch ein dispersives Prisma, ein Grisma (Prisma+Gitter), ein Transmissionsgitter oder Echellegitter sein.
Diese spezielle Ausführungsform, die in 3A veranschaulicht ist, zeigt nur vier Laseremitter; wie oben erörtert kann dieses System jedoch ein Laserdioden-Array nützen, das viel mehr Elemente umfasst, z.B. 49. Zusätzlich dazu zeigt diese Ausführungsform einen einzelnen Stab, der einen bestimmten Wellenlängenbereich aufweist (Beispiel bei 976 nm), aber sich in der tatsächlichen Praxis aus mehreren Stäben zusammensetzen kann, die alle den gleichen bestimmten Wellenlängenbereich aufweisen und nebeneinander angeordnet sind. Ferner können mehrere Wellenlängenbereiche (Beispiel 976 nm, 915 nm und 808 nm), wobei sich jeder Bereich aus mehreren Stäben zusammensetzt, in einem einzelnen Hohlraum vereinigt werden. Wenn WBC über die schnelle Dimension jedes Strahls durchgeführt wird, wird es einfacher, ein System mit größerer Helligkeit (höhere Effizienz aufgrund von Unempfindlichkeit aufgrund von Stabmängeln) zu entwerfen; zusätzlich dazu werden durch dieses Verfahren auch engere Bandbreite und höherer Ausgangsleistung erreicht.
3B zeigt eine Durchführung, die 3A ähnelt, außer dass der Stapel 350 an Laser-Arrays 302 ein 2-D-Eingangsprofil 312 ausbildet. Das WBC-System 300b umfasst eine oder mehrere Kollimationslinsen 306, einen optischen Rotator 305, ein optisches Element 308, ein dispersives Element 308 (hier ein Beugungsgitter) und einen Ausgangskoppler 316 mit einer teilweise reflektierenden Oberfläche. Jeder der Strahlen wird einzeln durch den optischen Rotator 305 rotiert, um ein Nachrotationsprofil 307 auszubilden. In diesem Beispiel ist die WBC-Dimension entlang der Array-Dimension, aber mit der Rotation kann jeder der Strahlen über ihre schnelle Achse vereinigt werden. WBC der schnellen Achse erzeugt Ausgänge mit sehr engen Linienbreiten und hoher spektraler Helligkeit. Das ist normalerweise ideal für industrielle Anwendungen wie etwa Schweißen. Nachdem das optische Element 308 die rotierten Strahlen auf dem dispersiven Element 314 überlappt, wird ein einzelnes Ausgangsprofil erzeugt und teilweise durch den Hohlraum in die optischen Verlängerungselemente zurückreflektiert. Das Ausgangsprofil 318 kann nun eine Linie von drei (3) Strahlen umfassen, die relativ asymmetrisch sein können.
3C zeigt die gleiche Durchführung, wenn sie bei optischen 2-D-Verstärkungselementen angewandt wird. Das System besteht aus optischen 2-D-Verstärkungselementen 302, einem optischen Rotator 305, einem optischen System (308 und 309a-b), einem dispersiven Element 314 und einem teilweise reflektierenden Spiegel 316. 3C veranschaulicht einen Stapel 350 an Laserdiodenstäben 302, wobei jeder Stab einen optischen Rotator 305 aufweist. Jeder der Diodenstäbe 302 (insgesamt drei) wie im WBC-System 300c gezeigt umfasst vier Emitter. Nachdem die Eingangsvorderansicht 312 durch den optischen Rotator 305 neu ausgerichtet ist, ist die neu ausgerichtete Vorderansicht 307 nun die langsame Dimension jedes Strahls und wird entlang der Stapeldimension ausgerichtet. WBC kann dann entlang dieser Dimension durchgeführt werden, die nun die langsame Achse jedes Strahls ist, und die Ausgangsvorderansicht 318 umfasst nun einzelne Spalten an Strahlen, wobei die langsame Dimension jedes Strahls entlang der Stapeldimension ausgerichtet ist.
Die Optiken 309a und 309b stellen ein zylindrisches Teleskop bereit, um entlang der Array-Dimension abzubilden. Die Funktion der drei zylindrischen Linsen ist es, zwei Hauptfunktionen bereitzustellen. Erstens ist die mittlere zylindrische Linse 308 die Sammellinse und ihre Hauptfunktion besteht darin, alle Strahlen zu sammeln und sie an das dispersive Element zu leiten. Zweitens bilden die zwei anderen zylindrischen Linsen 309a und 309b ein afokales zylindrisches Teleskop entlang der nicht-strahlenvereinigenden Dimension aus. Ihre Hauptfunktion besteht darin, sicherzustellen, dass alle optischen Verstärkungselemente entlang der Nicht-Strahlenvereinigung sich normal zum teilweise reflektierenden Spiegel ausbreiten. So weist die Durchführung wie in 3C gezeigt die gleichen Vorteile wie jene, die in 1C gezeigt sind, auf.
Im Gegensatz zur Durchführung wie in 1C gezeigt ist jedoch der Ausgangsstrahl nicht gleich wie der Eingangsstrahl. Die Zahl an Emittern im Ausgangsstrahl 318 in 3C ist gleich wie die Zahl an Stäben im Stapel. Wenn zum Beispiel die 2-D-Laserquelle aus einem Stapel mit drei Stäben besteht, wobei jeder Stab aus 49 Emittern zusammengesetzt ist, dann ist der Ausgangsstrahl in 1C ein einzelner Stab mit 49 Emittern. In 3C ist jedoch der Ausgangsstrahl ein einzelner Stab mit nur drei Emittern. Daher ist die Qualität oder Helligkeit des Ausgangsstrahls mehr als eine Größenordnung höher. Diese Helligkeitsverbesserung ist für Faserkopplung sehr signifikant. Zum Skalieren hoher Leistung und Helligkeit können mehrere Stapel nebeneinander angeordnet sein.
Um diese Konfiguration ferner zu veranschaulichen wird zum Beispiel angenommen, dass WBC aus einem Stapel mit drei Stäben durchgeführt werden soll, wobei jeder Stab 19 Emitter umfasst. Bisher gibt es drei Optionen. Erstens kann Vereinigen von Wellenlängenstrahlen entlang der Array-Dimension durchgeführt werden, um drei Strahlen wie in 1B gezeigt zu erzeugen. Zweitens kann Vereinigen von Wellenlängenstrahlen entlang der Stapeldimension durchgeführt werden, um 19 Strahlen wie in 1C gezeigt zu erzeugen. Drittens kann Vereinigen von Wellenlängenstrahlen entlang der Array-Dimension unter Verwendung eines Strahlenrotators durchgeführt werden, um 19 Strahlen wie in 3C gezeigt zu erzeugen. Es gibt verschiedene Abwägungen für alle drei Konfigurationen. Der erste Fall bietet die höchste räumliche Helligkeit, aber die niedrigste spektrale Helligkeit. Der zweite Fall bietet die niedrigste räumliche Helligkeit mit mittelmäßiger spektraler Helligkeit, wobei Strahlensymmetrisierung nicht erforderlich ist, um in eine Faser einzukoppeln. Der dritte Fall bietet die niedrigste räumliche Helligkeit aber die höchste spektrale Helligkeit, wobei Strahlensymmetrisierung erforderlich sein kann, um in eine optische Faser einzukoppeln. Bei manchen Anwendungen ist dies wünschenswerter.
Um die Verringerung an Asymmetrie zu veranschaulichen, zeigt 3D das finale Ausgangsprofil 319a, wobei das System aus 300b keinen optischen Rotator aufwies, und das Ausgangsprofil 319b, wobei das System einen optischen Rotator umfasst. Auch wenn diese Figuren nicht im Maßstab gezeichnet sind, veranschaulichen sie einen Vorteil, der durch die Verwendung eines optischen Rotators in einem System mit dieser Konfiguration erreicht werden kann, wobei WBC über die langsame Dimension jedes Strahls durchgeführt werden kann. Das kürzere und breitere 319b ist für Faserkopplung geeigneter als das größere und schmälere 319a.
Beispiele verschiedener optischer Rotatoren sind in 4A-C gezeigt. 4A veranschaulicht einen Array an zylindrischen Linsen (419a und 419b), das den Eingangsstrahl 411a veranlasst, zu einer neuen Ausrichtung bei 411b rotiert zu werden. 4B zeigt ähnlicherweise den Eingang 411a, der auf das Prisma in einem Winkel auftrifft, der zu einer neuen Ausrichtung oder einem Rotationsstrahl 411b führt. 4C veranschaulicht eine Ausführungsform unter Verwendung einer Reihe an Stufenspiegeln 417, um den Eingang 411a zu veranlassen, mit einem 80-90-Grad-Winkel mit den anderen Eingangsstrahlen zu rotieren, was zu einer neuen Ausrichtung der Strahlen 411b führt, wobei sie nebeneinander entlang ihrer jeweiligen schnellen Achse ausgerichtet sind. Diese und andere Vorrichtungen können Rotation durch sowohl nicht polarisierungsempfindliche als auch polarisierungsempfindliche Mittel veranlassen. Viele dieser Vorrichtungen werden effizienter, wenn die eintretenden Strahlen in zumindest der schnellen Dimension kollimiert sind. Es wird auch verstanden, dass die optischen Rotatoren die Strahlen selektiv mit unterschiedlichen Graden rotieren können, einschließlich weniger als 90 Grad, 90 Grad und größer als 90 Grad.
Die optischen Rotatoren in den vorhergehenden Ausführungsformen können selektiv einzelne Strahlen, Reihen oder Spalten und Gruppen von Strahlen rotieren. In manchen Ausführungsformen kann ein festgelegter Rotationswinkel, wie etwa ein Bereich von 80-90 Grad, auf das gesamte Profil oder eine Teilmenge des Profils angewendet werden. In anderen Fällen werden variierende Rotationswinkel auf jeden Strahl, jede Reihe, Spalte oder jede Teilmenge des Profils einzeln angewendet. Zum Beispiel kann ein Strahl um 45 Grad im Uhrzeigersinn rotiert werden, während ein angrenzender Strahl um 45 Grad gegen den Uhrzeigersinn rotiert wird. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass ein Strahl um 10 Grad und ein anderer um 70 Grad rotiert. Die Flexibilität, die das System bereitstellt, kann für eine Vielzahl an Eingangsprofilen angewendet werden, die wiederum helfen, festzustellen, wie das Ausgangsprofil gebildet wird. Zum Beispiel liegt das Durchführen von WBC entlang eines Zwischenwinkels zwischen der langsamen und der schnellen Dimension der emittierten Strahlen auch innerhalb des Bereiches der Anmeldung.
In den obenstehenden WBC-Ausführungsformen sind Faltspiegel oder - optiken nicht gezeigt. In vielen praktischen Anwendungen werden jedoch Faltspiegel verwendet, um den Strahlengang auf ein einziges Gehäuse, das tragbarer ist, oder zur Verwendung in verschiedenen Anwendungen zu beschränken. Zum Beispiel kann in manchen oben beschriebenen Ausführungsformen eine lenkende zylindrische Linse 108 zwischen den Emittern und dem dispersiven Element platziert werden, um die Vielzahl an Strahlen entlang einer strahlenvereinigenden Dimension zu fokussieren, oder zu veranlassen dass die auf dem oder nahe des dispersiven Elements konvergieren. Wenn diese Linse 108 eine Brennweite auf jeder Seite weg vom Emitter und dem dispersiven Element platziert ist, bedeutet das, dass die minimale Weglänge zwischen den Emittern und dem dispersiven Element zumindest zwei Mal die Brennweite von 108 beträgt. Diese Weglänge kann bis zu einem Meter Länge betragen. Um den gesamten Platzbedarf des WBC-Systems zu verringern kann daher eine Vielzahl an Faltspiegeln zwischen diese optischen Elemente insertiert werden, um die Weglänge von einem Meter auf 1/3 Meter zu verringern, was es dem WBC-System ermöglicht, in einem kompakteren Gehäuse platziert zu sein. Zusätzliche Faltspiegel, die nach dem dispersiven Element platziert sind, können ebenfalls in Verbindung mit anderen optischen Elementen zu verschiedenen anderen Zwecken verwendet werden.
Rückstrahler für erhöhte Stabilität
5A-E veranschaulichen verschiedene Rückstrahler, die in einem WBC-System verwendet werden können, um Stabilität zu erhöhen. 5A veranschaulicht einen Rückstrahler 500a, wobei der Winkel zwischen zwei reflektierenden Oberflächen 502a-b 90 °C beträgt. Diese Art von Rückstrahlern wird oft Porroprisma genannt; für die Zwecke dieser Anmeldung können jedoch zumindest zwei reflektierende Oberflächen, die einen Winkel von weniger als (5C) oder mehr als 90 °C (5B) aufweisen, verwendet werden, um die Stabilisierung von WBC-Systemen zu unterstützen. Zusätzlich dazu weisen einige Rückstrahler zwei reflektierende Oberflächen auf, die in einer fixen Position relativ zueinander angebracht sind, aber eine Öffnung 504 statt eines Eckpunkts haben, wo andere reflektierende Oberflächen aufeinandertreffen, wie etwa in 5A-C. Andere Rückstrahler umfassen mehrwinkelige Oberflächen oder mehrere reflektierende Oberflächen, die eine fixe Position zueinander aufweisen, wie etwa ein Rückstrahler 500e, der in 5E gezeigt ist. Hier weist 500e vier reflektierende Oberflächen 502a-d auf, die eine Öffnung 504 statt eines Eckpunkts haben, um den die reflektierenden Oberflächen positioniert sind, und Scheitel 506 haben, die positioniert sind, wo die reflektierenden Oberflächen aufeinandertreffen und einen Winkel ausbilden. Einige Rückstrahler (nicht gezeigt) umfassen jene, die gekrümmte Oberflächen aufweisen, einschließlich manche, bei denen die Krümmung über die Oberfläche variiert. Sowohl 2-D- als auch 3-D-Rückstrahler werden hierin in Erwägung gezogen.
6A-B veranschaulichen ein grundlegendes Schaltbild eines WBC-Systems, das eine Vielzahl an Spiegeln enthält, wobei die winkelige und räumliche Rückkopplung von einem tatsächlichen Strahl versus einen idealen Strahl veranschaulicht ist. Ein Diodenstab 602 emittiert eine Vielzahl an Strahlen, die durch eine SAC-Linse 604 laufen und auf einen ersten Spiegel 606 treffen, der ein Interleaver-Spiegel ist, der emittierte Strahlen von mehreren Diodenstäben überlappen kann, um die räumliche Entfernung zwischen den Emittern im System zu verringern. Vom Spiegel 606 treffen die Strahlen auf einen anderen Spiegel 608, der die Strahlen zu Spiegel 610 und dann zu Spiegel 612 umleitet, der als ein Durchgangsspiegel veranschaulicht ist. Alternativ dazu kann in manchen Ausführungsformen der Spiegel 612 verwendet werden, um die Strahlen aus der Ebene umzuleiten und dann auf einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler 614, der den Ausgangsstrahl 620 überträgt und einen Teil zurück zu den ursprünglichen Emittern 602 reflektiert. Korrekte Rückkopplung in WBC-Systemen ermöglicht jedem einzelnen Emitter, über eine einzelne Wellenlänge korrekt zu lasern, was wiederum hilft, ein Ausgangsstrahlprofil mit hoher Leistung und Multiwellenlänge zu schaffen, das in manchen Fällen die Strahlenqualität ähnlich jener eines einzelnen Emitters aufweisen kann.
Wie oben erwähnt erhöhen mehrere reflektierende Oberflächen jedoch den Bedarf, genaue optische Positionen über mehrere optische Elemente zu erhalten, obwohl sie den Platzbedarf eines WBC-Systems verringern. In einem Flügel oder einem anderen Gehäusesystem, in dem jedes der optischen Elemente angebracht ist, kann Erhitzen, Abkühlen, Vibration oder andere Belastung dazu führen, dass die Halterungen sich verschieben, wobei der ideale Strahlenweg 620 auf einen tatsächlichen Strahlenweg 622 wie in 6B gezeigt geändert wird. 6B veranschaulicht den Abstand, δθ 630 oder die von der Normalposition abweichende Position für den Spiegel 610, für die zum Zweck dieses Beispiels angenommen werden kann, dass sie für jeden der gezeigten Spiegel gleich ist. Für die Formeln, die in 6C-D gezeigt sind, ist N gleich wie die Zahl an Spiegeln, die verwendet wird, um die räumliche Verschiebung δx für die Ausgabe und die Rückkopplungsstrahlen zu ermitteln.
Wenn in einem Szenario die folgenden Parameter verwendet werden:

1) Die Strahlendivergenz beträgt etwa 2,8 mrad, also ist 2*N*2*δθ <= 0,28 mrad oder δθ <= 0,014 mrad
2) N=5 Gesamtzahl an Spiegeln
3) 2 Fakultät aufgrund des Spiegels (δθ-Abstand verändert sich auf 2*δθ), aufgrund des doppelten Wegpfads
4) Abstand zwischen den Spiegeln beträgt:
1. a. 606-614 ~ 1200 mm ist die Distanz vom Interleaver zum Koppler
2. b. 608-614 ~ 1000 mm Distanz von M1 zum Koppler
3. c. 610-614 ~ 700 mm Distanz von M2 zum Koppler
4. d. 612-614 ~ 400 mm Distanz von M3 zum Koppler
5. e. 604-614 ~ 1500 mm Distanz vom Koppler zu SAC
5) Strahlengröße am Ausgangskoppler beträgt ~ 3,5 mm, also ist δx" <=0,35 mm
6) δx"= 2*δθ*(a + b + c + d + e) <= 0,35 mm
7) δx"=2*0,014 mrad* 4800 mm=0,13 mm <=0,35 mm
8) Wenn δθ ~ 0,2 mrad schlimmstenfalls,
9) dann ist der Rückkopplungswinkel-Offset ~ 4 mrad und
10)der räumliche Rückkopplungsüberlappungs-Offset ~ 1,9 mm, was zu null Rückkopplung an jeden der Emitter führen würde.

Die obenstehenden Beispiele veranschaulichen den Bedarf für eine Lösung Problems der Stabilisierungserhaltung in einem WBC-System, das eine Vielzahl an Spiegeln aufweist.
Eine Lösung für den in 6A-D gezeigten Aufbau ist in 7A veranschaulicht, wobei 3 der 5 Spiegel durch Rückstrahler ersetzt sind. Der Ausgangskoppler 614 kann durch eine Viertelwellenplatte 718, einen Rückstrahler 716 und einen polarisierenden Strahlenteilerwürfel 717 ersetzt werden. Diese Anordnung hilft, die Stabilisierung des Systems zu steigern, indem die Spiegel 798, 710 und 716 weniger empfindlich gegen räumliches oder winkeliges Verschieben wie in 7B veranschaulicht gemacht werden, wobei jeder rotiert wurde, aber der Strahlenpfad immer noch parallel verläuft, um winkeliges oder räumliches Verschieben zu erhalten und nicht zu verewigen.
7C veranschaulicht ferner die Verschiebungsmenge, die der tatsächliche Strahlenausgang und die Rückkopplungswege übernehmen können, verglichen mit einem idealen Strahl, der auf dem Ersetzen von manchen Spiegeln durch die Rückstrahler basiert. Zum Beispiel kann die Zahl an Spiegeln oder N, die zur räumlichen Verschiebung (δx) beitragen, von 5 auf 2 verringert werden, was die räumliche Verschiebung um 60% verringert, wenn angenommen wird, dass die Abstand (δθ) für beide Spiegel gleich ist. Außerdem ist der Rückkopplungswinkel-Offset nun aufgrund der parallelen Wege, die durch die Rückstrahler geschafft werden, auf null verringert.
Das in 9 gezeigte optische Schaltbild, das ein WBC-Kilowatt-Lasersystem 1100, das konfiguriert ist, um bis zu einem Kilowatt Leistung oder mehr in eine einzelne optische Faser einzukoppeln, veranschaulicht, profitiert von der Integration von Rückstrahlern für 1116, 1128 und 1130, die sonst Spiegel sein würden, um das System kompakt zu halten. Source-Laser 1102 sind mechanische Stapel an Diodenlaserstäben. Die Source-Diodenlaser können mehr als 1 kW pro Stapel bereitstellen, von denen zwei mechanische Stapel 1102 im gezeichneten Schaltbild installiert sind. Die mechanischen Stapel an Diodenlasern umfassen die Source-Emitter 1102 in diesem Lasersystem 1100. Der Resonator umfasst den äußeren Hohlraum zur Vereinigung von Wellenlängenstrahlen. Der Nachresonator umfasst die strahlenformenden Optiken, einschließlich einen Polarisierungsmultiplexer 1134 und eines oder mehrere optische Rekonfigurationselemente 1136, die das stabförmige asymmetrische Strahlenprofil, das vom Resonator ausgeht, in ein symmetrischeres Quadratstrahlenprofil transformieren, das für Faserkopplung geeignet ist. Der Nachresonator kann auch anamorphe Optiken 1138, die Faseroptik (FOM) 1140, das teilweise ein Fokussierungselement zur Faserkopplung umfasst, und die Kopplungsfaser 1142 umfassen.
Die mechanischen Diodenstapel 1102, die in 1100 eingesetzt werden, können über verschiedene im Handel verfügbare Diodenlaserstapel bereitgestellt sein. Zum Beispiel werden in einer Ausführungsform zwei Stapel mit 15 Stäben verwendet, wobei jeder Stab im Stapel aus 19 Emittern besteht; andere Typen von Diodenlaserstäben können ebenfalls verwendet werden, einschließlich Stäbe mit 49 Emittern. Für die gleiche Ausführungsform können Stäbe mit 3,5 mm Länge des Hohlraums verwendet werden, aber Längen des Hohlraums im Bereich von 1 bis 5 mm sind umsetzbar. Jeder Multimodenemitter im Stab weist üblicherweise eine Streifenbreite von 100 Mikronen auf. Jeder Diodenlaserstab weist eine Fast-Axis-Kollimations-(FAC) und eine Slow-Axis-Kollimations-(SAC)Linse, gezeigt als 1106 nach der Fläche des Emitters, auf.
Für die in 8 gezeigte Durchführung beträgt die Gesamtrohleistung von den Stapeln für Stapel mit 2x15 Stäben (insgesamt 30 Stäbe) etwa 2,4 kW, wenn jeder Stab ungefähr 80 W an Laserleistung bei 976 nm beiträgt. Obwohl die Verwendung von Rückstrahlern die Notwendigkeit eines Wärmemanagementsystems nicht beseitigt, ermöglichen sie dem System, flexibler zu sein und sich auf andere wichtige Komponenten wie etwa die Diodenstäbe zu konzentrieren.
Die optische Konfiguration des WBC-Resonators kann einen räumlichen Interleaver 1108 und die folgenden Optiken umfassen: L1 1110, L2 1112, L3 1114, M4 1116, ein Wellenplättchen 1118, ein Gitter 1120, L4 1122, L5y 1124, L5x 1126, M5 1128, M6 1130 und den Ausgangskoppler 1132. Der räumliche Interleaver 1108 dient dazu, den optischen Ausgang räumlich von zwei mechanischen Diodenlaserstapeln 1102 zu verschachteln. Da die Dicke jedes (implementierten) Mikrokanalkühlers ungefähr 2 mm beträgt, weist jeder mechanische Stapel eine Stabteilung von 2 mm auf. Der räumliche Interleaver 1108 kann ein optisches Fenster sein, das Streifen von alternierenden HR- und AR-Beschichtungen bei einem Abstand von 1 mm aufweist (andere Konzeptionen sind möglich). Wenn er in einem 45-Grad-Winkel zwischen den beiden Stapeln (die Stapel sind mit 90 Grad in Bezug zueinander abgewinkelt) platziert ist, ermöglich der räumliche Interleaver 1108 den Ausgangsstäben, räumlich verschachtelt zu werden, was effektiv zu einem optischen Stapel an Diodenlaserstäben führt, der aus 30 Stäben mit 1 mm Abstand besteht.
Die Linsen (L1-L5_xy ), das Gitter 1120 und die Spiegel des Resonators können gemäß den hierin beschriebenen WBC-Systemen angeordnet sein. Es soll angemerkt werden, dass M4-M6 durch Rückstrahler ersetzt werden können, und sogar der Ausgangskoppler 1132 kann durch den in 7A-C gezeigten ersetzt werden.
Ein Vorteil des Lasers 1100 ist, dass er Diodenlaserausgang mit hoher Helligkeit, bis zu kW-Klasse und darüber, für viele Anwendungen (einschließlich industrielle und militärische Anwendungen) in einem relativ effizienten und kompakten, vollständig eigenständigen und schlüsselfertigen System liefern kann. Das gesamte Lasersystem kann in einen Standardrahmen mit 19 Zoll eingepasst werden, das üblicherweise für Elektronikausrüstung verwendet wird. Die Leistungsumwandlungseffizienz des Lasersystems kann im Bereich von 40 % oder mehr liegen, und ein solches effizientes System verringert sowohl die Leistungs- als auch die Kühlanforderungen des gesamten Lasersystems dramatisch.
Der Nachresonator 1150 besteht aus dem Polarisierungsmultiplexer 1134, dem optischen Rekonfigurationselement 1136, dem anamorphen Element 1138, der Faseroptik (FOM) 1140 und der optischen Faser 1142. Der Polarisierungsmultiplexer 1134 verbessert die Qualität des Ausgangsstrahls um einen Faktor zwei durch das Depolarisieren des Laserausgangs und das räumliche Vereinigen der zwei Polarisierungen. Die Emitterverteilung kann nach dem Polarisierungsmultiplexer von 1x19 auf 1x10 umgewandelt werden. Das optische Rekonfigurationselement 1136, das aus einer einzelnen optischen Platte mit geeigneten HR- und AR-Beschichtungen oder anderen vorher beschriebenen Ausführungen bestehen kann, umverteilt das Emitterprofil von 1x10 auf 5x2. Das anamorphe Element 1138 kann eine Reihe von Linsen sein, die konfiguriert ist, um den Füllfaktor der 5x2-Strahlenverteilung zu steigern und um sicherzustellen, dass der Strahl ungefähr quadratisch mit einer geeigneten Größe und numerischen Apertur beim Fernfeld zur Faserkopplung ist. Andere optische Umwandlungsfaktoren für die Nachresonatorkomponenten sind ebenfalls möglich.
Die Faseroptik (FOM) 1140 kann aus einer Linse bestehen und das Translationssystem, das verwendet wird, um den Laserausgang in die Faser 1142 zu richten, kann aktiv gekühlt werden, um den Betrieb in kW-Klasse zu bewältigen. Die optische Faser 1142 kann mit einer optischen LLK-B-Faser kompatibel sein und einen Kerndurchmesser von 200 µm und eine numerische Apertur (NA) von bis zu 0,2 aufweisen. Da die optische Faser 1142 die NA ungefähr erhält, ist es möglich, Laserausgang mit weniger als 0,2 NA zu erreichen, abhängig von der Strahlenqualität des Laserstrahleingangs in das FOM 1140. Es kann auch Hochleistungsfaser eines beliebigen anderen Typs mit Erfolg verwendet werden, einschließlich, aber nicht ausschließlich QBH- und LLK-D-Faser.
Die obenstehende Beschreibung ist nur veranschaulichend. Da nun einige Aspekte von zumindest einer Ausführungsform dieser Erfindung einschließlich die bevorzugten Ausführungsformen beschrieben wurden, ist es offensichtlich, dass Fachleuten auf dem Gebiet Veränderungen, Modifizierungen und Verbesserungen in den Sinn kommen. Solche Veränderungen, Modifizierungen und Verbesserungen sollen Teil dieser Offenbarung sein und innerhalb des Geists und des Schutzumfangs der Erfindung liegen. Demgemäß sind die vorhergehende Beschreibung und Zeichnungen nur beispielhaft.

Claims

Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger, umfassend: eine Vielzahl an Emittern (302), wobei jeder einen Strahl erzeugt; eine Sammeloptik (308), die konfiguriert ist, um die Strahlen zu empfangen und an ein dispersives Element (314) abzugeben, wobei das dispersive Element (314) die Strahlen als ein vereinigtes Strahlenprofil überträgt; einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler (316), der angeordnet ist, um die vereinigten Strahlen von dem dispersiven Element (314) zu empfangen, einen Teil der vereinigten Strahlen zum dispersiven Element (314) zu reflektieren und die vereinigten Strahlen als einen Multiwellenlängenstrahl, der optische Strahlung umfasst, die eine Vielzahl an Wellenlängen aufweist, zu übertragen; und zumindest zwei Rückstrahler (500a-e), die entlang des Strahlengangs der Strahlen zwischen den Emittern (302) und dem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler (316) angeordnet sind.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei zumindest zwei der Strahlenemitter (302) im Verhältnis zueinander eine fixe Position aufweisen.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei die Strahlenemitter (302) eine erste reflektierende Oberfläche und ein optisches Verstärkungsmedium aufweisen.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Kollimationsoptik (306), die konfiguriert ist, um Strahlen von den Strahlenemittern (302) zu empfangen und einen oder mehrere Strahlen entlang einer Dimension des Strahls zu kollimieren.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei die emittierten Strahlen ein asymmetrisches Profil aufweisen.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei der teilweise reflektierende Ausgangskoppler (316) das einzige reflektierende Element in dem System ist, das kein Rückstrahler ist.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei die reflektierende Oberfläche der Rückstrahler (500a-e) gebogen ist.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei der Winkel zwischen den reflektierenden Oberflächen der Rückstrahler (500a-e) weniger als 90 Grad beträgt.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 1, wobei jeder der Rückstrahler (500a-e) ein Prisma ist.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger, umfassend: eine Vielzahl an Emittern (302), wobei jeder einen Strahl erzeugt; eine Sammeloptik (308), die konfiguriert ist, um die Strahlen zu empfangen und an ein dispersives Element (314) abzugeben, wobei das dispersive Element (314) die Strahlen als ein vereinigtes Strahlenprofil überträgt; einen polarisierten Strahlteiler (717), der konfiguriert ist, um die vereinigten Strahlen zu empfangen und zu übertragen; eine Viertelwellenplatte (718), die positioniert ist, um die vereinigten Strahlen von dem Strahlteiler (717) zu empfangen; und einen Rückstrahler (500a-e), der konfiguriert ist, um die vereinigten Strahlen von der Viertelwellenplatte (718) zu empfangen und zurück zur Viertelwellenplatte (718) zu leiten.
Stabilisierter Wellenlängenstrahlenvereiniger nach Anspruch 10, ferner umfassend: zumindest zwei zusätzliche Rückstrahler (500a-e), die entlang des Strahlengangs der Strahlen zwischen den Emittern (302) und dem polarisierten Strahlteiler (717) angeordnet sind.
Verfahren zur Wellenlängenstrahlenvereinigung, umfassend: selektives Rotieren von elektromagnetischen Strahlen, die durch eine Vielzahl an Strahlenemittern (302) emittiert werden; Zuführen der selektiv rotierten Strahlen an ein dispersives Element (314); Übertragen eines vereinigten Strahlenprofils von dem dispersiven Element (314); Weiterleiten eines Teils der vereinigten Strahlen zurück in die Strahlenemitter (302); Übertragen der vereinigten Strahlen als einen Multiwellenlängenstrahl, umfassend optische Strahlung, die eine Vielzahl an Wellenlängen aufweist; und Verringern des räumlichen und winkeligen Offsets der Ausgangs- und Rückkopplungsstrahlen durch Verwendung eines oder mehrer Rückstrahler (500a-e).
Verfahren nach Anspruch 12, ferner umfassend: einzelnes Kollimieren der emittierten Strahlen entlang einer Dimension vor dem selektiven Rotieren der Strahlen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei zumindest zwei der Strahlenemitter (302) im Verhältnis zueinander eine fixe Position aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei ein Nachresonator (1150), umfassend einen Polarisierungsmultiplexer (1134), ein optisches Rekonfigurationselement (1136), ein anamorphes Element (1138) und eine Faseroptik (1140), den Multiwellenlängenstrahl empfängt, der optische Strahlung umfasst, die eine Vielzahl an Wellenlängen aufweist.
Stabilisiertes Multiwellenlängenlasersystem, umfassend: einen Wellenlängenvereinigungsresonator, umfassend: eine Vielzahl an Emittern (302), wobei jeder einen Strahl erzeugt, eine Sammeloptik (308), die konfiguriert ist, um die Strahlen zu empfangen und an ein dispersives Element (314) abzugeben, wobei das dispersive Element (314) die Strahlen als ein vereinigtes Strahlenprofil überträgt; einen polarisierten Strahlteiler (717), der konfiguriert ist, um die vereinigten Strahlen zu empfangen und zu übertragen; eine Viertelwellenplatte (718), die positioniert ist, um die vereinigten Strahlen von dem Strahlteiler (717) zu empfangen; einen Rückstrahler (500a-e), der konfiguriert ist, um die vereinigten Strahlen von der Viertelwellenplatte (718) zu empfangen und zurück zur Viertelwellenplatte (718) zu leiten; und einen Nachresonator (1150), umfassend: einen Polarisierungsmultiplexer (1134), ein optisches Rekonfigurationselement (1136), ein anamorphes Element (1138) und eine Faseroptik (1140).