DE112017000432B4

DE112017000432B4 - Prismen zur verbesserung der strahlqualität und bandbreitenverminderung nutzende wellenlängenstrahlkombinationslasersysteme

Info

Publication number: DE112017000432B4
Application number: DE112017000432.2T
Authority: DE
Inventors: Wang-Long Zhou; Bien Chann; Gary II Dugmore Daniel; Mike Cruz
Original assignee: Teradiode Inc
Current assignee: Panasonic Corp of North America
Priority date: 2016-01-20
Filing date: 2017-01-19
Publication date: 2022-07-21
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: JP6547072B2; US20200310010A1; CN108432067A; US10656429B2; DE112017000432T5; US10268043B2; CN108432067B; JP2019505093A; WO2017127526A1; US11500139B2; US20190265491A1; US20170205632A1

Abstract

Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem, umfassend:einen Strahlemitter, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert;eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein Beugungsgitter;ein Beugungsgitter zum Empfangen und zur Dispersion der empfangenen fokussierten Strahlen, wobei eine Brennebene der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert ist, in Bezug auf eine durch das Beugungsgitter definierte Ebene abgewinkelt ist;einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als einen Mehrwellenlängen-Ausgangsstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Strahlemitter reflektiert; undoptisch stromabwärts der Fokussieroptik und optisch stromaufwärts von dem Beugungsgitter angeordnet, ein oder mehrere erste Prismen zum (i) Empfangen der Strahlen auf einer Eintrittsfläche eines der ersten Prismen bei einem Einfallswinkel und (ii) Übertragen der Strahlen von einer Austrittsfläche von einem der ersten Prismen zu dem Beugungsgitter bei einem Austrittswinkel kleiner als der Einfallswinkel, wobei (a) die resultierende Brennebene der Strahlen so gedreht wird, dass sie im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist, so dass ein Winkel zwischen der Brennebene und der Ebene des Beugungsgitters weniger als 2° ist und (b) die Größen der auf das Beugungsgitter auftreffenden Strahlen im Wesentlichen einander gleich sind.

Description

Zugehörige Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/280 964 , eingereicht am 20. Januar 2016, deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin aufgenommen ist.
Technisches Gebiet
In verschiedenen Ausführungsformen betrifft die vorliegende Erfindung Lasersysteme, insbesondere Wellenlängenstrahlkombinationslasersysteme, die eine verbesserte Strahlqualität und eine verengte Wellenlängenbandbreite aufweisen.
Hintergrund
Hochleistungslasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen, wie Schweißen, Schneiden, Bohren und Materialbearbeitung, eingesetzt. Solche Lasersysteme umfassen im Allgemeinen einen Laseremitter, von dem das Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht von der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Das optische System ist im Allgemeinen konstruiert, um den Laserstrahl mit der höchsten Qualität oder äquivalent den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP) zu erzeugen. Das BPP ist das Produkt des Divergenzwinkels (Halbwinkel) des Laserstrahls und des Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d.h. der Strahltaille, der minimalen Punktgröße). Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird im Allgemeinen in Millimeter-Milliradian-Einheiten (mm-mrad) ausgedrückt. Ein Gaußscher Strahl hat die niedrigstmögliche BPP, die durch die Wellenlänge des Laserlichts, dividiert durch pi, gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gaußschen Strahls bei der gleichen Wellenlänge wird M² oder der „Strahlqualitätsfaktor“ bezeichnet, der ein wellenlängenunabhängiges Maß der Strahlqualität ist, wobei die „beste“ Qualität dem „niedrigsten“ Strahlqualitätsfaktor von 1 entspricht.
Wellenlängenstrahlkombination (WBC) ist eine Technik zum Skalieren der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdiodenbarren, Stapeln von Diodenbarren oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. WBC-Verfahren wurden entwickelt, die Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen einer Emitteranordnung zu kombinieren. Typische WBC-Systeme umfassen mehrere Emitter, wie etwa einen oder mehrere Diodenbalken, die unter Verwendung eines dispersiven Elements (z. B. eines Beugungsgitters) kombiniert werden, um einen Strahl mit mehreren Wellenlängen zu bilden. Jeder Emitter in dem WBC-System ist einzeln resonant und wird durch eine wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in US-Patent Nr. US 6,192,062 B1 , eingereicht am 4. Februar 2000, US-Patent Nr. US 6,208,679 B1 , eingereicht am 8. September 1998, US-Patent Nr. US 8,670,180 , B2, eingereicht am 25. August 2011, und US-Patent Nr. US 8,559,107 B2 , eingereicht am 7. März 2011, beschrieben.
Idealerweise kombiniert ein WBC-Lasersystem mit einem Beugungsgitter mehrere Emitter mit unterschiedlichen Wellenlängen, die individuell durch das Gitter definiert sind, zu einem einzigen Ausgangsstrahl mehrerer Wellenlängen mit einer Strahlqualität, die mit einem einzelnen Emitter vergleichbar ist. In der Praxis kann jedoch die Strahlqualität des kombinierten Ausgangsstrahls wesentlich schlechter sein als die eines einzelnen Emitters. Ein Hauptgrund ist, dass unterschiedliche Strahlen von unterschiedlichen Emittern unterschiedliche Einfallswinkel auf dem Gitter haben, was unterschiedliche projizierte Strahlgrößen auf dem Gitter verursacht. In solchen Fällen können sich die Strahlen nicht vollständig auf und optisch stromabwärts von dem Gitter überlappen. Die unterschiedlichen Einfallswinkel können auch zu starken Versetzungen der Taillen von gebeugten Strahlen führen und daher die Rückkopplungsgleichmäßigkeit und die Effizienz des WBC-Resonators reduzieren.
Da ein WBC-System außerdem unterschiedliche Emitter benötigt, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten, kann die verfügbare Wellenlängenbandbreite des Quellen-Arrays eine kritische Ressource sein. In vielen Fällen bestimmt diese Bandbreite die Anforderung an das Dispersionsvermögen des Gitters und definiert die maximale Anzahl von kombinierbaren Emittern oder die minimale Größe eines WBC-Resonators. Die Verringerung der Verwendung der Wellenlängenbandbreite ist gleichbedeutend mit der Erhöhung des Dispersionsvermögen und kann auch dazu beitragen, die Laserleistung zu verbessern, beispielsweise einen schnelleren Kaltstart, eine höhere Effizienz usw.
Dokument US 8,559,107 B2 bezieht sich auf Systeme und Verfahren zur Kombination einer Vielzahl von Laserelementen.
Dokument US 2003/0099433 A1 bezieht sich auf ein optisches Gerät zum Multiplexen eines optischen Signals.
Dokument US 6,731,838 B1 bezieht sich auf Geräte die als Wellenlängen-Multiplexer/Demultiplexer ausgebildet sind.
Kurzdarstellung.
Erfindungsgemäß verbessert die vorliegende Erfindung die Strahlqualität von WBC-Lasersystemen durch Verwendung eines oder mehrerer Prismen in dem WBC-Resonator. Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können einen oder mehrere Emitter (oder „Strahlemitter“), die jeweils einen oder mehrere Strahlen emittieren, eine Transformationslinse, ein oder mehrere Prismen, ein Beugungsgitter (oder ein anderes dispersives Element) und einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler umfassen. Ausführungsformen der Erfindung können auch einen Teleskoplinsensatz (oder „optisches Teleskop“) umfassen, der zwischen dem Beugungsgitter und dem Ausgangskoppler angeordnet ist. Die Emitter können Diodenlaser, Faserlaser, Faser-Pigtail-Diodenlaser usw. umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen und können einzeln oder in Gruppen als ein- oder zweidimensionale Arrays angeordnet sein. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Emitteranordnungen Hochleistungsdiodenbarren, wobei jeder Barren mehrere (z.B. mehrere Dutzend) Emitter aufweist. An den Emitteranordnungen können Mikrolinsen zur Emitterkollimation und Strahlformung angebracht sein. Die Transformationslinse, normalerweise konfokal und zwischen den Emittern und dem Gitter positioniert, kollimiert einzelne Strahlen von verschiedenen Emittern und konvergiert alle Hauptstrahlen der Strahlen zur Mitte des Gitters, insbesondere in der WBC-Dimension (d.h. der Dimension bzw. Abmessung oder Richtung, in der die Strahlen kombiniert werden). Der Teleskoplinsensatz, der stromabwärts des Gitters angeordnet sein kann, kann zwei zylindrische Linsen mit einer Brechkraft in der WBC-Dimension enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen und kann dazu verwendet werden, eine geeignete Ausgangsstrahlgröße zu erzeugen und Taillen der einzelnen Strahlen an oder nahe dem Ausgangskoppler zu werfen. (In verschiedenen Ausführungsformen hat der Teleskoplinsensatz auch Brechkraft in der Nicht-WBC-Dimension.) Der teilreflektierende Ausgangskoppler ist im Allgemeinen ein flacher Teilreflektor, der eine Rückkopplung zu einzelnen Emittern bereitstellt und Wellenlängen von einzelnen Emittern über das Gitter definiert. Das heißt, der Koppler reflektiert einen Teil der verschiedenen Strahlen zurück zu ihren individuellen Emittern, wodurch externe Laserkavitäten gebildet werden, und überträgt den kombinierten Strahl mit mehreren Wellenlängen für Anwendungen, wie Schweißen, Schneiden, Spanen, Bearbeiten usw. und / oder Koppeln in eine oder mehrere optische Fasern.
Wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, hat ein WBC-Resonator eine maximale Rückkopplungswirksamkeit, wenn die Taillen der einzelnen Strahlen alle auf die Oberfläche fallen und eine Rückkopplung liefern. Es versteht sich auch, dass die Strahlqualität des Ausgangsstrahls eines WBC-Resonators im Allgemeinen stark von der Übereinstimmung einzelner Strahlen abhängt, die auf und hinter (d.h. optisch stromabwärts von) dem Gitter überlappt sind. Da der Teleskoplinsensatz, der die Taillen der einzelnen Strahlen auf den Koppler wirft, von allen Strahlen geteilt wird, kann die Gleichheit der einzelnen Strahlen vor dem Eintritt in den Teleskoplinsensatz wichtig sein, um eine effiziente und gleichmäßige Rückkopplung und die hohe Strahlqualität zu erreichen. Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden ein oder mehrere Prismen zum Minimieren der Unterschiede der Strahlen zum Erzielen einer hohen Strahlqualität und Laserleistung verwendet. Ein oder mehrere (oder sogar alle) Prismen können optische Komponenten sein, die getrennt und von dem Beugungsgitter getrennt und von diesem beabstandet sind.
In verschiedenen Ausführungsformen kann eines der Prismen in Kontakt mit dem Beugungsgitter oder sogar Teil einer integrierten Komponente mit dem Beugungsgitter sein; solche Ausführungsformen können auch ein oder mehrere Prismen optisch stromaufwärts und / oder stromabwärts des Prismas / Gitters aufweisen, die räumlich getrennt und voneinander getrennt (und voneinander beabstandet) sind.
In verschiedenen Ausführungsformen wird die Verwendung der Wellenlängenbandbreite des WBC-Resonators durch Verwendung eines oder mehrerer Prismen reduziert. Insbesondere können ein oder mehrere Prismen (z.B. ein anamorphotisches Prismenpaar) zur Strahlgrößenerweiterung verwendet werden. Da die Strahldivergenz umgekehrt proportional zu der Strahlgröße eines kollimierten Laserstrahls ist, kann ein richtig positioniertes Prisma vor (d.h. optisch stromaufwärts von) dem Gitter die Strahlgröße erweitern und den Kegelwinkel der Hauptstrahlen der auf das Gitter einfallenden Strahlen reduzieren und daher eine engere Wellenlängenbandbreite liefern.
In verschiedenen Ausführungsformen ist der WBC-Resonator auch kompakter und robuster über die Verwendung des einen oder der mehreren Prismen, die eine Stütz- oder Befestigungsbasis für ein normalerweise fragiles Übertragungsgitter bereitstellen können. Obwohl Beugungsgitter hierin als beispielhafte dispersive Elemente verwendet werden, können Ausführungsformen der Erfindung andere dispersive Elemente verwenden, wie beispielsweise dispersive Prismen, Transmissionsgitter oder Echelle-Gitter.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung koppeln Mehrwellenlängen-Ausgangsstrahlen in eine optische Faser. In verschiedenen Ausführungsformen weist die optische Faser mehrere Mantelschichten auf, die einen einzelnen Kern, mehrere diskrete Kernbereiche (oder „Kerne“) innerhalb einer einzelnen Mantelschicht oder mehrere von mehreren Mantelschichten umgebene Kerne umgeben. In verschiedenen Ausführungsformen können die Ausgangsstrahlen an ein Werkstück für Anwendungen, wie Schneiden, Schweißen usw., geliefert werden.
Hier können sich „optische Elemente“ auf beliebige Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, krümmen oder auf andere Weise optisch manipulieren. Hier umfassen Strahlemitter, Emitter oder Laseremitter oder Laser jegliche elektromagnetische Strahlerzeugungsvorrichtung, wie z.B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, aber auch selbst resonant sein können oder nicht. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser, oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator (VCSELs) usw. Im Allgemeinen umfasst jeder Emitter eine rückreflektierende Oberfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere reflektierende Oberfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung der elektromagnetischen Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und / oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann im Wesentlichen mehrere Strahlemitter umfassen oder daraus bestehen, wie etwa einen Diodenbarren, der so konfiguriert ist, dass er mehrere Strahlen emittiert.
Laserdiodenanordnungen, -Barren und / oder -Stapel, wie sie in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschrieben sind, können in Verbindung mit Ausführungsformen der hierin beschriebenen Innovationen verwendet werden. Laserdioden können einzeln oder in Gruppen gepackt sein, im Allgemeinen in eindimensionalen Zeilen / Arrays (Diodenbarren) oder zweidimensionalen Arrays (Dioden-Barren-Stapel). Ein Diodenarray-Stapel ist im Allgemeinen ein vertikaler Stapel von Diodenbarren. Laserdiodenbarren oder -arrays erreichen im Allgemeinen eine wesentlich höhere Leistung und Kosteneffizienz als eine äquivalente einzelne Breitbereich-Diode. Hochleistungsdiodenbarren enthalten im Allgemeinen eine Anordnung von breitflächigen Emittern, die einige zehn Watt mit relativ schlechter Strahlqualität erzeugen; trotz der höheren Leistung ist die Helligkeit oft niedriger als die einer Breitbereich-Laserdiode. Hochleistungsdiodenbarren können gestapelt werden, um gestapelte Hochleistungsdiodenbarren zum Erzeugen extrem hoher Leistungen von Hunderten oder Tausenden von Watt zu erzeugen. Laserdiodenanordnungen können konfiguriert sein, um einen Strahl in den freien Raum oder in eine Faser zu emittieren. Fasergekoppelte Diodenlaseranordnungen können zweckmäßigerweise als Pumpquelle für Faserlaser und Faserverstärker verwendet werden.
Ein Diodenlaserbarren ist eine Art von Halbleiterlaser, der eine eindimensionale Anordnung von Breitflächenemittern enthält oder alternativ Unteranordnungen enthält, die z.B. 10-20 schmale Streifenemitter enthalten. Ein Breitbereich-Diodenbarren enthält im Allgemeinen beispielsweise 19 bis 49 Emitter, die jeweils Abmessungen in der Größenordnung von beispielsweise 1µm × 100 µm aufweisen. Die Strahlqualiät entlang der 1 µm-Dimension oder der Fast-Axis ist im Allgemeinen beugungsbegrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100 µm-Dimension oder Slow-Axis oder Array-Dimension ist im Allgemeinen um ein Vielfaches beugungsbegrenzt. Im Allgemeinen hat ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, ist etwa 10 mm breit und erzeugt eine Ausgangsleistung von mehreren Watt. Die meisten Diodenbarren arbeiten im Wellenlängenbereich von 780 bis 1070 nm, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Laser) und 940 nm (zum Pumpen von Yb: YAG) am bekanntesten sind. Der Wellenlängenbereich von 915-976 nm wird zum Pumpen von Erbium-dotierten oder Ytterbium-dotierten Hochleistungsfaserlasern und -verstärkern verwendet.
Ein Diodenstapel ist einfach eine Anordnung von mehreren Diodenbarren, die eine sehr hohe Ausgangsleistung liefern können. Auch als Diodenlaserstapel, Mehrbarrenmodul oder zweidimensionale Laseranordnung bezeichnet, ist die gebräuchlichste Diodenstapelanordnung diejenige eines vertikalen Stapels, der effektiv eine zweidimensionale Anordnung von Kantenemittern ist. Solch ein Stapel kann hergestellt werden, indem Diodenbarren an dünnen Wärmesenken angebracht werden und diese Anordnungen gestapelt werden, um eine periodische Anordnung von Diodenbarren und Wärmesenken bzw. Kühlkörpern zu erhalten. Es gibt auch horizontale Diodenstapel und zweidimensionale Stapel. Für die hohe Strahlqualität sollten die Diodenbarren im Allgemeinen möglichst nahe beieinander liegen. Auf der anderen Seite erfordert eine effiziente Kühlung eine gewisse minimale Dicke der Kühlkörper, die zwischen den Stäben angebracht sind. Dieser Kompromiss des Diodenbarrenabstandes führt dazu, dass die Strahlqualität eines Diodenstapels in der vertikalen Richtung (und folglich in seiner Helligkeit) viel niedriger ist als die eines einzelnen Diodenbarrens. Es gibt jedoch mehrere Techniken, um dieses Problem wesentlich zu mildern, z.B. durch räumliches Verschachteln der Ausgänge verschiedener Diodenstapel, durch Polarisationskopplung oder durch Wellenlängenmultiplex. Verschiedene Arten von Strahlformern mit hoher Leistung und verwandte Vorrichtungen wurden für solche Zwecke entwickelt. Diodenstapel können sehr hohe Ausgangsleistungen (z. B. Hunderte oder Tausende von Watt) bereitstellen.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem auf, das einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, eine Fokussieroptik, ein Beugungsgitter (oder ein anderes dispersives Element), einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler und ein oder mehrere erste Prismen umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Fokussieroptik fokussiert die mehreren Strahlen auf das Beugungsgitter. Das Beugungsgitter empfängt und dispergiert die fokussierten Strahlen. Die Brennebene der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert sind, ist im Winkel (d.h. in einem Winkel ungleich Null) oder in anderer Weise nicht koplanar bezüglich der durch das Beugungsgitter definierten Ebene. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter im Wesentlichen planar sein, und somit entspricht die durch das Beugungsgitter definierte Ebene der Ebene des Beugungsgitters selbst. Der teilweise reflektierende Ausgangskoppler empfängt die dispergierten Strahlen, überträgt einen Teil der dispergierten Strahlen durch diesen als einen Mehrfachwellenlängen-Ausgangsstrahl und reflektiert einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zu dem Strahlemitter. Das eine oder die mehreren ersten Prismen sind optisch stromabwärts der Fokussieroptik und optisch stromaufwärts dem Beugungsgitter angeordnet. Das eine oder die mehreren ersten Prismen (i) empfangen die Strahlen auf einer Eintrittsfläche eines der ersten Prismen unter einem Einfallswinkel und (ii) übertragen die Strahlen von einer Austrittsfläche eines der ersten Prismen zu dem Beugungsgitter bei einem Austrittswinkel kleiner als der Einfallswinkel, wobei (a) die resultierende Brennebene der Strahlen so gedreht wird, dass sie im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist und (b) die Größen der auf das Beugungsgitter einfallenden Strahlen im Wesentlichen gleich zueinander sind.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der Folgenden in einer beliebigen einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Das eine oder die mehreren ersten Prismen können im Wesentlichen ein einzelnes erstes Prisma mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche umfassen, daraus im Wesentlichen bestehen oder daraus bestehen. Das eine oder die mehreren ersten Prismen können eine Mehrzahl von ersten Prismen umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Eintritts- und Austrittsflächen können sich auf unterschiedlichen ersten Prismen befinden. Das Beugungsgitter kann auf und in Kontakt mit der Austrittsfläche angeordnet sein. Das Beugungsgitter und ein erstes Prisma können eine einzige integrierte Komponente sein. Das Beugungsgitter kann im Wesentlichen mit der Austrittsfläche zusammenfallen. Das Beugungsgitter kann reflektierend sein, wodurch die gebeugten Strahlen von dem Beugungsgitter durch mindestens eines der ersten Prismen übertragen werden, bevor sie von dem Ausgangskoppler empfangen werden. Das Beugungsgitter kann transmissiv sein.
Das Lasersystem kann ein oder mehrere zweite Prismen umfassen, die optisch stromabwärts des Beugungsgitters und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sind. Gebeugte (d.h. wellenlängendispergierte) Strahlen von dem Beugungsgitter können von einer Eintrittsfläche eines zweiten Prismas bei einem zweiten Einfallswinkel empfangen werden und von einer Austrittsfläche eines zweiten Prismas bei einem zweiten Austrittswinkel, der größer als der zweite Einfallswinkel ist, gesendet werden, wobei die durch das eine oder die mehreren ersten Prismen eingeführte Ausdehnung der Strahlgröße reduziert oder im Wesentlichen eliminiert wird. Das eine oder die mehreren zweiten Prismen können ein einzelnes zweites Prisma mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das eine oder die mehreren zweiten Prismen können eine Vielzahl von zweiten Prismen umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Eintritts- und Austrittsflächen können sich auf unterschiedlichen zweiten Prismen befinden. Das Lasersystem kann ein optisches Teleskop enthalten, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Ausgangskoppler angeordnet ist. Das optische Teleskop kann die Taillen der gebeugten Strahlen nahe oder im Wesentlichen auf den Ausgangskoppler werfen. Das optische Teleskop kann zwei zylindrische Linsen umfassen, daraus bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen, die in einer Wellenlängenstrahlkombinationsdimension eine optische Brechkraft aufweisen.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zur Wellenlängenstrahlkombination einer Mehrzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen auf. Die Vielzahl von Strahlen wird auf ein Beugungsgitter fokussiert. Die Brennebene der Strahlen ist in Bezug auf eine durch das Beugungsgitter definierte Ebene abgewinkelt. Die Brennebene der Strahlen wird so gedreht und / oder verschoben, dass die Brennebene im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist. Die Strahlen werden mit dem Beugungsgitter wellenlängendispergiert. Ein erster Teil der dispergierten Strahlen wird zum Beugungsgitter zurückreflektiert. Ein zweiter Teil der dispergierten Strahlen wird als ein Mehrfachwellenlängenausgangsstrahl gesendet. Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der Folgenden in einer beliebigen einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Der Mehrfachwellenlängenausgangsstrahl kann alle Wellenlängen der Vielzahl von Strahlen aufweisen. Das eine oder die mehreren ersten Prismen können optisch stromaufwärts des Beugungsgitters angeordnet sein. Das Drehen der Brennebene der Strahlen kann eine Größe von mindestens einem der Strahlen erweitern. Die Strahlgrößenausdehnung kann reduziert oder im Wesentlichen eliminiert werden, nachdem die Strahlen wellenlängendispergiert wurden. Die Ausdehnung der Strahlgröße kann durch ein oder mehrere zweite Prismen reduziert oder im Wesentlichen eliminiert werden. Das eine oder die mehreren zweiten Prismen können optisch nach dem Beugungsgitter angeordnet sein. Das Wellenlängendispersive Ausbilden der Strahlen kann das Transmittieren der Strahlen durch das Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das Wellenlängendispergieren der Strahlen kann ein Reflektieren der Strahlen am Beugungsgitter umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen.
In noch einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem auf, das einen oder mehrere Strahlemitter, die eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittieren, eine Fokussieroptik, ein Beugungsgitter (oder ein anderes dispersives Element), einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler und ein erstes Prisma umfasst, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Die Fokussieroptik fokussiert die mehreren Strahlen auf das Beugungsgitter und definiert eine Brennebene der Strahlen. Das Beugungsgitter empfängt und dispergiert die fokussierten Strahlen. Die Brenneben der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert sind, können im Winkel (d.h. in einem Winkel ungleich Null) oder in anderer Weise nicht koplanar in Bezug auf die durch das Beugungsgitter definierte Ebene sein. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter im Wesentlichen planar sein, und somit entspricht die durch das Beugungsgitter definierte Ebene der Ebene des Beugungsgitters selbst. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Brennebene der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert sind, im Wesentlichen koplanar mit der Ebene, die durch das Beugungsgitter definiert ist. Der teilweise reflektierende Ausgangskoppler empfängt die dispergierten Strahlen, überträgt einen Teil der dispergierten Strahlen durch diesen als einen Mehrfachwellenlängen-Ausgangsstrahl und reflektiert einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zu dem Strahlemitter. Das erste Prisma ist optisch stromabwärts der Fokussieroptik und optisch stromaufwärts zu dem Beugungsgitter angeordnet. Das erste Prisma (i) empfängt die Strahlen auf einer Eintrittsfläche des ersten Prismas unter einem Einfallswinkel und (ii) überträgt die Strahlen von einer Austrittsfläche des ersten Prismas auf das Beugungsgitter unter einem Austrittswinkel, wodurch der resultierende Fokus entsteht. Die Ebene der Strahlen ist im wesentlichen koplanar mit der Ebene, die durch das Beugungsgitter definiert ist. Die Größen der Strahlen, die auf das Beugungsgitter einfallen, können im Wesentlichen gleich sein oder können sich voneinander unterscheiden. Der Einfallswinkel kann kleiner als, ungefähr gleich oder größer als der Austrittswinkel sein.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der Folgenden in einer beliebigen einer Vielzahl von Kombinationen umfassen. Das Beugungsgitter kann auf und in Kontakt mit der Austrittsfläche angeordnet sein. Das Beugungsgitter und das erste Prisma können eine einzige integrierte Komponente sein. Das Beugungsgitter kann im Wesentlichen mit der Austrittsfläche zusammenfallen. Das Beugungsgitter kann reflektierend sein, wodurch die gebeugten Strahlen von dem Beugungsgitter durch das erste Prisma übertragen werden, bevor sie von dem Ausgangskoppler empfangen werden. Das Beugungsgitter kann durchlässig sein.
Das Lasersystem kann ein oder mehrere zweite Prismen umfassen, die optisch stromabwärts des Beugungsgitters und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sind. Gebeugte (d.h. wellenlängendispergierte) Strahlen von dem Beugungsgitter können von einer Eintrittsfläche eines zweiten Prismas bei einem zweiten Einfallswinkel empfangen werden und von einer Austrittsfläche eines zweiten Prismas bei einem zweiten Austrittswinkel, der größer als der zweite Einfallswinkel ist, gesendet werden, wodurch eine Größe von mindestens einem der Strahlen verringert wird. Das eine oder die mehreren zweiten Prismen können ein einzelnes zweites Prisma mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Das eine oder die mehreren zweiten Prismen können eine Vielzahl von zweiten Prismen umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Die Eintritts- und Austrittsflächen können sich auf unterschiedlichen zweiten Prismen befinden. Das Lasersystem kann ein optisches Teleskop enthalten, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Ausgangskoppler angeordnet ist. Das optische Teleskop kann die Taillen der gebeugten Strahlen nahe oder im Wesentlichen auf den Ausgangskoppler werfen. Das optische Teleskop kann zwei zylindrische Linsen umfassen, daraus bestehen oder im Wesentlichen daraus bestehen, die in einer Wellenlängenstrahlkombinationsdimension eine optische Brechkraft aufweisen. Das Lasersystem kann ein oder mehrere zweite Prismen umfassen, die optisch stromabwärts von der Fokussierungsoptik und optisch stromaufwärts von dem ersten Prisma angeordnet sind.
Diese und andere Aufgaben werden zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der vorliegenden Erfindung, die hierin offenbart sind, unter Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die begleitenden Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher. Des Weiteren versteht es sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen vorliegen können. Wenn hierin verwendet, bedeuten die Ausdrücke „im Wesentlichen“ und „ungefähr“ ± 10% und in einigen Ausführungsformen ± 5%. Der Ausdruck „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet andere Materialien ausschließend, die zur Funktion beitragen, sofern nicht anders hierin definiert. Trotzdem können solche anderen Materialien kollektiv oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Hierin werden die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hier wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Anordnung eines zweiten Elements anzuzeigen, auf das ein Lichtstrahl trifft, nachdem er auf ein erstes Element gestoßen ist, wobei das erste Element „stromaufwärts“ oder „optisch stromaufwärts“ des zweiten Elements liegt.
Hierin ist der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich durch Lichtstrahlen zurückgelegt wird; der optische Abstand muss jedoch nicht notwendigerweise gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, beispielsweise aufgrund von Reflexionen von Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das von einer der Komponenten zur anderen wandernde Licht erfährt.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf die gleichen Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt stattdessen darauf gelegt wird, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ein schematisches Diagramm eines partiellen WBC-Resonators in der WBC-Dimension ist, der Strahlgrößenunterschiede auf und hinter einem Beugungsgitter darstellt, die durch unterschiedliche Strahleneinfallswinkel verursacht werden;
1A ein vergrößerter Teil von 1 ist;
2 ein schematisches Diagramm eines WBC-Teilresonators gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ist, der verringerte Strahlgrößenunterschiede auf und nach dem Gitter darstellt;
2A ein vergrößerter Teil von 2 ist;
3 ein schematisches Diagramm eines partiellen WBC-Resonators ist, der mehrere Prismen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält, wobei ein erstes Prisma stromaufwärts des Gitters die Strahlqualität verbessert und die Wellenlängenbandbreite verringert und ein zweites Prisma stromabwärts des Gitters die Strahlaufweitung umkehrt;
3A ein vergrößerter Teil von 3 ist;
4 ein schematisches Diagramm eines partiellen WBC-Resonators ist, der mehrere Prismen vor einem Gitter gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung enthält;
5A und 5B schematische Diagramme partieller WBC-Resonatoren sind, die Prismen enthalten, die eng in Beziehung zu Gittern angeordnet oder mit diesen integriert sind, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung; und
6 ein schematisches Diagramm eines partiellen WBC-Resonators ist, der ein Prisma und ein reflektierendes Gitter gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aufweist.

Beschreibung im Einzelnen
1 zeigt ein typisches herkömmliches Layout eines Wellenlängenstrahlkombinations-(WBC) -Resonators 100 in der WBC-Dimension. Der Resonator 100 weist mehrere Emitter 102, 104, 106, eine Transformationslinse 108 mit einer Brennweite f1, ein Beugungsgitter 110, einen Teleskoplinsensatz mit Linsen 112, 114 und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler 116 auf. Obwohl in 1 und den anderen Figuren nicht gezeigt, können die Emitter Mikrolinsen haben, die daran angebracht sind, um die anfängliche große Divergenz zu verringern und um die Form und Ausrichtung des Strahls zu verbessern. Die Transformationslinse 108 ist normalerweise zu Emittern und dem Gitter 110 konfokal angeordnet. Die Linse 108 kollimiert einzelne Emitter und konvergiert Emitter-Hauptstrahlen zur Mitte des Gitters 110, insbesondere in der WBC-Dimension. Die Hauptstrahlen der Emitter 102, 104, 106 sind mit 118, 120 bzw. 122 bezeichnet. Wie in 1 gezeigt, bilden die Emitter 102, 104, 106 das Quellenfeld für den WBC-Resonator 100 mit einer Abmessung von D (124) auf der WBC-Ebene. Für einen gegebenen WBC-Resonator definiert die Quellenabmessung D (124) den Konuswinkel 0 (126) des Hauptstrahleinfalls auf das Gitter 110 und daher die Wellenlängenbandbreite des Resonators.
Die Linse 112 und die Linse 114 bilden einen Teleskoplinsensatz, der zur Strahlgrößenreduzierung, insbesondere in der WBC-Dimension, und auch zum Werfen von Taillen von einzelnen Strahlen auf den Ausgangskoppler 116 ausgelegt ist. Der Koppler 116, im Allgemeinen ein Teilreflektor, stellt eine Rückkopplung zu einzelnen Emittern über das Gitter 110 bereit und überträgt auch den kombinierten Multiwellenlängenausgangsstrahl 127. Für eine hohe Strahlqualität, insbesondere in der WBC-Dimension, ist ein WBC-Resonator im Allgemeinen so konstruiert, dass alle Hauptstrahlen in der Mitte des Gitters überlappt sind. Wie in 1 gezeigt, wird die ideale Überlappung der Hauptstrahlen in der Mitte 128 des Gitters 110 zu einer perfekten kollinearen Überlappung aller Hauptstrahlen nach dem Gitter 110 führen. Die Überlappung einzelner Strahlen hinter dem Gitter 110 ist jedoch aufgrund von Unterschieden in den Strahlgrößen einzelner Strahlen, die durch die Unterschiede von Einfallswinkeln auf dem normalerweise geneigten Gitter 110 verursacht werden, tatsächlich unvollständig. Eine solche unvollständige Überlappung der Strahlen verschlechtert die Strahlqualität des Ausgangsstrahls des WBC-Resonators ungefähr um einen Faktor von S_N / S₁, wobei S_N (130) die Strahlgröße des Strahls von dem Emitter 106 ist, der den größten Einfallswinkel zu dem Gitter 110 aufweist, und S₁ (132) ist die Strahlgröße des Strahls von dem Emitter 102, der den kleinsten Einfallswinkel zu dem Gitter aufweist.
Die Differenzgrößen von Strahlen, die sich optisch hinter dem Gitter befinden, verschlechtern nicht nur die Qualität des Ausgangsstrahls, sondern reduzieren auch die Rückkopplungsgleichmäßigkeit zwischen Emittern und die gesamte Rückkopplungseffizienz, weil der gemeinsame Teleskoplinsensatz 112, 114 nur für einen bestimmten Eingangsemitterstrahl optimiert werden kann. Andere Strahlen können daher große Rückkopplungsverluste erleiden, da ihre Taillen weit von dem Koppler 116 entfernt sein können.
Strahlgrößenunterschiede optisch stromabwärts von dem Gitter können auch erklärt werden durch die Diskrepanz der Brennebene 134, die senkrecht zum mittleren Hauptstrahl 120 ist, und die Orientierung des Gitters 110, das normalerweise so ausgelegt ist, dass es bei einem Winkel relativ zu dem zentralen Hauptstrahl 120 zum Erzielen des benötigten Dispersionsvermögens und Beugungseffizienz stark geneigt ist. Wie gezeigt, kann die Fokalebene 134 in Bezug auf das Gitter 110 gedreht werden (d.h. in einem von null verschiedenen Winkel) oder in anderer Weise nicht koplanar sein. Wenn die Brennebene 134 so geneigt werden kann, dass sie entlang des Gitters 110 liegt, können die Strahlgrößenunterschiede nach dem Gitter 100 eliminiert oder minimiert werden.

Tabelle 1 und Tabelle 2, nachstehend, zeigen ein numerisches Beispiel eines typischen herkömmlichen WBC-Resonators, der oben beschrieben wurde, und liefern somit eine Referenz zum Vergleich für die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, die nachstehend dargestellt sind. Tabelle 1: Entwurfsparameter eines beispielhaften WBC-Resonators 100

Quellenabmessung D	50mm
Emitterdivergenz in WBC-Ebene	20mrad
Linsen 108 Brennweite (f1)	300mm
Gitterliniendichte	1850/mm
Mittenemitterwellenlänge	970nm
Gitter ausgelegt im Littrow-Winkel bei Mittenwellenlängen

Tabelle 2: Berechnete Ergebnisse des Resonators 100, definiert durch Tabelle 1

Weglänge (von Emittern zum Koppler)	~800mm
Hauptstrahlkonvergenzwinkel (θ)	9,6°
Strahlgrößendifferenz nach Gitter (S_N/S₁)	1,47 (47%)
Wellenlängenbandbreite (Emitter 102 zu Emitter 106)	40nm

Tabelle 2 zeigt die Ergebnisse des WBC-Resonators basierend auf den in Tabelle 1 definierten Parametern. Der Resonator weist eine Gesamtweglänge von etwa 800 mm auf, einschließlich -600 mm stromaufwärts des Gitters 110, was etwa der doppelten Brennweite f1 entspricht, und etwa 200 mm stromabwärts des Gitters 110, ein Abstand, der für die richtige Ausgangsstrahlgröße und Taillenposition verwendet wird. Für eine gegebene Transformationslinse 108 und ein Gitter 110 legt die Quellenabmessung D (124) den Einfallskonuswinkel 0 (126) und somit die Wellenlängenbandbreite des Resonators fest.
Die große Strahlgrößendifferenz (47%), die in Tabelle 2 gezeigt ist, impliziert, dass die Qualität des Ausgangsstrahls um einen Faktor von etwa 1,47 schlechter sein kann, als die eines einzelnen Emitters (unter der Annahme, dass jeder Emitter die gleiche Strahlqualität hat). Die große Strahlgrößendifferenz wird auch dazu neigen, einen großen Unterschied der Taillenpositionen zu verursachen und daher die Rückkopplungsgleichförmigkeit und die gesamte Rückkopplungseffizienz stark reduzieren. Somit wird eine Verringerung der Strahlgrößendifferenz der Strahlen nicht nur die Qualität des Ausgangsstrahls, sondern auch die Laserleistung verbessern.
Die Wellenlängenbandbreite, die in Tabelle 2 gezeigt ist, zeigt, dass die Betriebswellenlänge des Kantenemitters an einem Ende um 40 nm von dem Kantenemitter an dem anderen Ende, d.h. den Emittern 102 und 106 in 1, verschieden sein wird. Unter der Annahme, dass die Quellenemitter Diodenlaser sind, würde, da Diodenlaser im 970 nm-Band einen Verstärkungsbereich von etwa 30 nm haben, das Quellenemitterfeld dieses WBC-Resonators mindestens zwei verschiedene Diodenlaserbänder benötigen, um die gesamte Bandbreite abzudecken. Noch wichtiger ist, dass, da Diodenlaser die Wellenlänge mit einer Rate von etwa 0,35 nm /°C verschieben können, die Anzahl der Bänder, die erforderlich sind, um diesen WBC-Laser sowohl bei niedrigem Strom (niedrige Temperatur) als auch bei hohem Strom (hohe Temperatur) arbeiten zu lassen, viel größer als zwei sein kann. Mehr Bänder bedeuten mehr Chip-Designs und mehr Arbeit beim Binning und Screening und führen daher zu höheren Kosten für das Lasersystem. Wie dem Fachmann klar ist, kann ein breiter Wellenlängenbereich außerdem zusätzliche Leistungsverluste von Beschichtungsoberflächen und zusätzliche Kosten für die Beschichtungen hinzufügen.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gehen auf die oben erwähnten Probleme ein. 2 zeigt einen WBC-Resonator 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Wie gezeigt, weist der Resonator 200 innerhalb des Strahlengangs ein Prisma 202 mit einem Eckenwinkel α (204), eine Eintrittsfläche 206 und eine Austrittsfläche 208 auf. Der Winkel zwischen der Eintrittsfläche 206 und der Austrittsfläche 208 entspricht dem Eckenwinkel 204. In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist das Prisma 202 ein rechtwinkliges Prisma mit einem Eckenwinkel von ungefähr 10° bis ungefähr 45°, obwohl Ausführungsformen der Erfindung auch andere Prismen wie nicht rechtwinklige Prismen aufweisen. Für einen bestimmten Resonator 200 können viele Faktoren einschließlich der Mittenwellenlänge, des Gittereinfallswinkels und des Prismenbrechungsindex usw. die Auswahl des Prismeneckenwinkels 204 und die relative Ausrichtung des Prismas 202 beeinflussen. Wie in 2 gezeigt, liegt das Prisma 202 auf der WBC-Ebene und ist mit seinem Eckenwinkel 204 ausgerichtet, der auf das Gitter 110 zeigt, wodurch ein großer Einfallswinkel und ein kleiner Austrittswinkel für den zentralen Hauptstrahl 120 gebildet werden. Wie ebenfalls gezeigt, sind in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die Eintrittsfläche 206 und / oder die Austrittsfläche 208 (und sogar alle Oberflächen des Prismas 202) nicht parallel zu der Ebene des Gitters 110.
In dem Resonator 200 hat das Prisma 202 mindestens zwei Effekte. Erstens führt es eine lineare Phasenverzögerung in der WBC-Dimension ein, was zu einer geneigten Brennebene 210 führt, die sich zur Ebene des Gitters 110 hin neigt, so dass die Differenz der projizierten Strahlgrößen einzelner Strahlen auf dem Gitter 110 minimiert wird. Dieser Effekt ist sehr augenfällig, wenn er mit dem Layout des in 1 gezeigten Resonators 100 verglichen wird. Die Brennebene 210 ist im Wesentlichen koplanar mit der Ebene des Gitters 110, d.h. ein Winkel zwischen der Brennebene 210 und der Ebene des Gitters 110 ist weniger als 2°. Der Winkel kann weniger als 1°, weniger als 0,5°, weniger als 0,2° oder sogar weniger als 0,1° betragen. Zweitens wegen des größeren Einfallswinkels auf der Eintrittsfläche 206 (d.h. des Winkels zwischen den ankommenden Strahlen und der Oberflächennormalen der Eintrittsfläche 206) und des kleineren Austrittswinkels von der Austrittsfläche 208 (d.h. des Winkels zwischen der Austrittsfläche und der Oberflächennormalen der Austrittsfläche 208), können die Laserstrahlen, die durch das Prisma 202 hindurchtreten, um einen Strahldehnungsfaktor F erweitert werden. Entsprechend kann der Hauptstrahlkonvergenzwinkel β (212) optisch stromabwärts des Prismas 202 um den gleichen Faktor F im Vergleich zu dem Konvergenzwinkel θ (214) optisch stromaufwärts des Prismas 202 verringert werden, d.h. F = θ /ß > 1. Daher wird die Wellenlängenbandbreite des WBC-Resonators 200 im Vergleich zu dem Resonator 100 effektiv um einen Faktor F verringert. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann der Wert von F für ein einzelnes Prisma bis zu 4 und für ein Prismenpaar bis zu 16 betragen. Somit kann das effektive Dispersionsvermögen einer Prisma-Gitter-Kombination mehrere Male größer sein als bei Systemen, die nur ein Gitter verwenden. Man beachte, dass der dramatische Anstieg des Dispersionsvermögens durch Verwendung eines oder mehrerer Prismen in einem WBC-Resonator nicht auf das natürliche Dispersionsvermögen des Prismas (der Prismen) zurückzuführen ist, die im Vergleich zu dem in einem solchen Resonator verwendeten Gitter vernachlässigbar ist, sondern auf die effektive Strahlgrößenausdehnung nach Durchlaufen des oder der Prismen (z.B. wie bei einem anamorphotischen Prismenpaar).

Zu Vergleichszwecken ist in Tabelle 3 ein Zahlenbeispiel des WBC-Resonators 200 von 2 auf der Grundlage der gleichen Entwurfsparameter, wie in der obigen Tabelle 1 angegeben. Tabelle 3: Berechnete Ergebnisse des WBC-Resonators 200 mit Parametern wie in Tabelle 1

Weglänge (vom Emitter zum Koppler)	>900mm
Hereinkommender Hauptstrahlkonvergenzwinkel (θ)	9,6°
Hauptstrahlkonvergenz zum Gitterwinkel (β)	6°
Prisma 1 Strahlerweiterungsfaktor (F)	1,6
Strahlgrößendifferenz nach Gitter	~1%
Wellenlängenbandbreite	25nm

Wie in Tabelle 3 gezeigt, wird unter Verwendung des Prismas 202 in dem Resonator 200 der Strahlgrößenunterschied dramatisch von 47% (siehe Tabelle 2) auf etwa 1 % verringert. Modelle, die unter Verwendung der optischen ZEMAX-Modellierungssoftware entwickelt wurden, haben auch gezeigt, dass es nach dem Einsetzen des Prismas 202 in den Resonator 200 möglich ist, alle Taillen der einzelnen Strahlen innerhalb von 5% des Rayleigh-Bereichs zum Koppler 116 zu werfen, verglichen mit über 50% für Resonator 100, dem das Prisma 202 fehlt. Dies ist ein starker Hinweis darauf, dass die Minimierung der Unterschiede in der Strahlgröße durch die Verwendung eines oder mehrerer Prismen die Gleichförmigkeit und Effizienz der Rückkopplung stark verbessern wird. Tabelle 3 zeigt auch, dass die Wellenlängenbandbreite um einen Faktor von 1,6 von 40 nm (siehe Tabelle 2) auf 25 nm verringert wird, wie es aufgrund der 1,6 × -Strahlausdehnung, die durch das Prisma 202 bereitgestellt wird, erwartet wird.
In verschiedenen Ausführungsformen können Systeme, die ein oder mehrere Prismen (z. B. das Prisma 202) aufweisen, aufgrund der vergrößerten Strahlgröße und der längeren Weglänge stromaufwärts des Gitters 110 ein Gitter 110 größerer Abmessungen verwenden. Wie in Tabelle 3 gezeigt, wird die vollständige Weglänge um > 100 mm vergrößert, und ein addierter Abstand zwischen der Linse 112 und dem Koppler 116 kann verwendet werden, um die Ausgabe unverändert zu halten.
3 zeigt einen WBC-Resonator 300 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung. Wie gezeigt, weist der Resonator 300 ein zusätzliches Prisma 302 auf, das verwendet wird, um die Strahlgröße zu verkleinern, d.h. die vom Prisma 202 verursachte Strahlaufweitung rückgängig zu machen, so dass die gesamte Resonatorweglänge unverändert bleiben oder sogar verkürzt werden kann. Wie gezeigt, kann das Prisma 302 zwischen dem Gitter 110 und der Linse 112 angeordnet sein, obwohl das Prisma 302 irgendwo zwischen dem Gitter 110 und dem Koppler 116 positioniert sein kann. Wie gezeigt, ist das Prisma 302 so angeordnet, dass der Einfallswinkel auf der Eintrittsfläche 304 des Prismas 302 kleiner als der Austrittswinkel von der Austrittsfläche 306 des Prismas 302 ist, was zu einer kleinen Strahlgröße optisch stromabwärts des Prismas 302 führt. In beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung ist das Prisma 302 ein rechtwinkliges Prisma mit einem Eckenwinkel zwischen der Eintrittsfläche 304 und der Austrittsfläche 306 im Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 45°, obwohl Ausführungsformen der Erfindung auch andere Prismen, wie z.B. nicht rechtwinklige Prismen aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Eckwinkel der Prismen 202, 302 ungefähr gleich. Wie in 3 gezeigt, sind in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung die Eintrittsfläche 304 und / oder die Austrittsfläche 306 (oder sogar alle Oberflächen des Prismas 302) nicht parallel zur Ebene des Gitters 110.
4 zeigt eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die das Prisma 202 des Resonators 200 durch ein Prismenpaar 400, 402 optisch vor dem Gitter 110 ersetzt. In der dargestellten Ausführungsform sind die Prismen 400, 402 angeordnet, um die Brennebene der Strahlen im Wesentlichen auf dem Gitter 110 zu platzieren, ebenso wie das Prisma 202 in dem Resonator 200. Wie gezeigt, sind die Prismen 400, 402 so angeordnet, dass für jedes Prisma der Einfallswinkel auf der Eintrittsfläche des Prismas kleiner als der Austrittswinkel von der Austrittsfläche des Prismas ist. Obwohl 4 zwei Prismen 400, 402 darstellt, die das Prisma 202 des Resonators 200 ersetzen, umfassen Ausführungsformen der Erfindung mehr als zwei Prismen, die sich optisch stromaufwärts des Gitters 110 befinden und angeordnet sind, um Strahlgrößenunterschiede optisch stromabwärts des Gitters 110 zu minimieren. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung umfassen Vorteile der Verwendung von zwei oder mehr Prismen in einer solchen Weise die Einführung einer steileren linearen Phasenverzögerung, d.h. die Erzeugung einer weiteren geneigten Brennebene, die verwendet werden kann, wenn der Einfallswinkel auf das Gitter sehr groß ist. Außerdem tragen solche Ausführungsformen dazu bei, die Einfallswinkel auf die Prismen selbst zu verringern, was zum Minimieren oder Reduzieren von Reflexionsverlusten durch Antireflexionsbeschichtung wünschenswert sein kann. Die Ausführungsformen der Erfindung umfassen auch Anordnungen ähnlich jenen von 4, bei denen mehrere Prismen die Funktionalität des Prismas 302 in 3 ersetzen und replizieren. Wie in 4 gezeigt, sind in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, bei denen mehrere Prismen optisch stromaufwärts und / oder stromabwärts des Gitters 110 angeordnet sind, die Eintrittsflächen und / oder Austrittsflächen (oder sogar alle Oberflächen) von mindestens einem (oder sogar alle) der Prismen nicht parallel zur Ebene des Gitters 110.
Die 5A und 5B zeigen zusätzliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung, bei denen Prismen verwendet werden, um den Unterschied der Strahlgrößen auf und optisch stromabwärts von dem Gitter 110 zu minimieren. Wie gezeigt, stellen die Prismen 500, 502 auch jeweils eine starre Trägeroberfläche bereit, auf der das Gitter 110 befestigt und physisch gestützt werden kann. Da das Gitter 110 im Allgemeinen dünn und zerbrechlich ist, können Resonatoren, in denen das Gitter 110 an dem Prisma befestigt ist und mit diesem in Kontakt steht, sowohl kompakter als auch robuster sein. Zum Beispiel kann ein optischer Klebstoff oder ein anderes Kopplungsmittel verwendet werden, um das Gitter 110 an der Austrittsfläche des Prismas anzubringen. Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung umfassen auch die Verwendung von einzelnen integrierten optischen Komponenten, die ein Prisma mit einem Beugungsgitter an der Austrittsfläche kombinieren.
Wie in 5A gezeigt, kann das Prisma 500 ein gleichschenkliges dreieckiges Prisma mit einem Eckenwinkel α (504) zwischen der Eintrittsfläche 506 und der Austrittsfläche 508 im Bereich von ungefähr 45° bis ungefähr 75° sein. In solchen Ausführungsformen kann die Strahlgröße hinter dem Gitter 100 ungefähr gleich der Strahlgröße stromaufwärts des Prismas 500 sein, und somit kann die Wellenlängenbandbreite des Resonators mit oder ohne Prisma 500 im Wesentlichen unverändert sein. Das heißt, der Einfallswinkel auf das Prisma 500 und der Austrittswinkel von dem Prisma 500 können bei verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung im Wesentlichen gleich sein. Im Gegensatz dazu ist das in 5B dargestellte Prisma 502 dem Prisma 202 ähnlich und hat einen Eckenwinkel im Bereich von ungefähr 10° bis ungefähr 45°. Da das Prisma 502 so ausgerichtet ist, dass seine Austrittsfläche ungefähr dem Brennpunkt der Strahlen und der Oberfläche des Gitters 110 entspricht, neigt das Prisma 502 dazu, die Strahlgröße zu verkleinern, und daher kann die Wellenlängenbandbreite des Resonators erweitert werden, wenn das Prisma 502 verwendet wird. Das heißt, in verschiedenen Ausführungsformen kann der Einfallswinkel auf das Prisma 502 kleiner sein als der Austrittswinkel von dem Prisma 502.
Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können reflektierende Beugungsgitter anstelle von transmissiven Gittern verwenden, wie in 6 gezeigt. Wie gezeigt, sendet und fokussiert ein einzelnes Prisma 600 die Strahlen zu einem reflektierenden Gitter 602 und empfängt und überträgt die gebeugten Strahlen zu der Linse 112 und von dort zu dem Koppler 116. Wenn somit die Strahlen zu dem Reflexionsgitter 602 gesendet werden, wirkt das Prisma 600 als das in den 2 und 3 dargestellte Prisma 202, und wenn die vom Reflexionsgitter 602 empfangenen gebeugten Strahlen übertragen werden, wirkt das Prisma 600 als das in 3 dargestellte Prisma 302. Wie in 6 gezeigt, sind in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung eine oder mehrere (oder sogar alle) der Oberflächen des Reflexionsgitters 602 nicht parallel zu der Ebene des Gitters 110.

Claims

Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem, umfassend: einen Strahlemitter, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert; eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein Beugungsgitter; ein Beugungsgitter zum Empfangen und zur Dispersion der empfangenen fokussierten Strahlen, wobei eine Brennebene der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert ist, in Bezug auf eine durch das Beugungsgitter definierte Ebene abgewinkelt ist; einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als einen Mehrwellenlängen-Ausgangsstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Strahlemitter reflektiert; und optisch stromabwärts der Fokussieroptik und optisch stromaufwärts von dem Beugungsgitter angeordnet, ein oder mehrere erste Prismen zum (i) Empfangen der Strahlen auf einer Eintrittsfläche eines der ersten Prismen bei einem Einfallswinkel und (ii) Übertragen der Strahlen von einer Austrittsfläche von einem der ersten Prismen zu dem Beugungsgitter bei einem Austrittswinkel kleiner als der Einfallswinkel, wobei (a) die resultierende Brennebene der Strahlen so gedreht wird, dass sie im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist, so dass ein Winkel zwischen der Brennebene und der Ebene des Beugungsgitters weniger als 2° ist und (b) die Größen der auf das Beugungsgitter auftreffenden Strahlen im Wesentlichen einander gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Größen der auf das Beugungsgitter auftreffenden Strahlen innerhalb von ± 10% gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die ersten Prismen aus einem einzelnen ersten Prisma mit der Eintrittsfläche und der Austrittsfläche bestehen; und/oder wobei die Prismen eine Vielzahl von ersten Prismen umfassen, wobei die Eingangs- und Ausgangsflächen auf unterschiedlichen ersten Prismen liegen.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei das Beugungsgitter reflektierend ist, wodurch die gebeugten Strahlen von dem Beugungsgitter durch mindestens eines der ersten Prismen übertragen werden, bevor sie von dem Ausgangskoppler empfangen werden.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei das Beugungsgitter durchlässig ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, weiter umfassend ein zweites Prisma, das optisch stromabwärts des Beugungsgitters und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet ist, wobei gebeugte Strahlen aus dem Beugungsgitter von einer Eintrittsfläche des zweiten Prismas in einem zweiten Einfallswinkel empfangen werden und von einer Austrittsfläche des zweiten Prismas bei einem zweiten Austrittswinkel, der größer als der zweite Einfallswinkel ist, übertragen werden, wodurch ein durch das eine oder die mehreren ersten Prismen eingeführtes Ausdehnen der Strahlgröße reduziert oder eliminiert wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, weiter umfassend ein optisches Teleskop, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Ausgangskoppler angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 7, wobei das optische Teleskop zwei zylindrische Linsen umfasst, die in einer Wellenlängenstrahlkombinationsdimension optische Brechkraft aufweisen.
Verfahren zur Wellenlängenstrahlkombination einer Vielzahl von Strahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen, wobei das Verfahren umfasst: Fokussieren der Mehrzahl von Strahlen zu einem Beugungsgitter, wobei, gesehen in einer Wellenlängenstrahlkombinations-Dimension eine Brennpunktebene der Strahlen in Bezug auf eine durch das Beugungsgitter definierte Ebene abgewinkelt ist; Drehen der Brennebene der Strahlen derart, dass die Brennebene im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist, so dass ein Winkel zwischen der Brennebene und der Ebene des Beugungsgitters weniger als 2° ist; wobei das Drehen der Brennebene der Strahlen unter der Verwendung von einem oder mehreren ersten Prismen erfolgt zum (i) Empfangen der Strahlen auf einer Eintrittsfläche eines der ersten Prismen bei einem Einfallswinkel und (ii) Übertragen der Strahlen von einer Austrittsfläche von einem der ersten Prismen zu dem Beugungsgitter bei einem Austrittswinkel kleiner als der Einfallswinkel, Wellenlängendispergieren der Strahlen mit dem Beugungsgitter; Reflektieren eines ersten Teils der dispergierten Strahlen zurück zu dem Beugungsgitter; und Übertragen eines zweiten Teils der dispergierten Strahlen als ein Mehrfachwellenlängen-Ausgangsstrahl.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Brennebene der Strahlen durch das eine oder die mehreren ersten optischen Prismen gedreht wird, die optisch stromaufwärts des Beugungsgitters angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Drehen der Brennebene der Strahlen eine Größe von mindestens einem der Strahlen ausdehnt.
Verfahren nach Anspruch 11, weiter umfassend das Reduzieren oder Eliminieren eines Ausdehnens der Strahlgröße, nachdem die Strahlen wellenlängendispergiert wurden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Ausdehnen der Strahlgröße durch ein oder mehrere optisch stromabwärts des Beugungsgitters angeordnete zweite Prismen reduziert oder eliminiert wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wellenlängendispergieren der Strahlen das Übertragen der Strahlen durch das Beugungsgitter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei das Wellenlängendispergieren der Strahlen das Reflektieren der Strahlen mit dem Beugungsgitter umfasst.
Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem, umfassend: einen Strahlemitter, der eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert; eine Fokussieroptik zum Fokussieren der Vielzahl von Strahlen auf ein Beugungsgitter, wobei die Fokussieroptik eine Brennebene der Strahlen definiert; ein Beugungsgitter zum Empfangen und zur Dispersion der empfangenen fokussierten Strahlen; einen teilweise reflektierenden Ausgangskoppler, der so positioniert ist, dass er die dispergierten Strahlen empfängt, einen Teil der dispergierten Strahlen als einen Mehrwellenlängen-Ausgangsstrahl durchlässt und einen zweiten Teil der dispergierten Strahlen zurück zum Strahlemitter reflektiert; und optisch stromabwärts der Fokussieroptik und optisch stromaufwärts dem Beugungsgitter angeordnet, ein erstes Prisma zum (i) Empfangen der Strahlen auf einer Eintrittsfläche des ersten Prismas unter einem Einfallswinkel und (ii) Übertragen der Strahlen von einer Austrittsfläche des ersten Prismas zum Beugungsgitter bei einem Austrittswinkel, wobei (a) die resultierende Brennebene der Strahlen im Wesentlichen koplanar mit der durch das Beugungsgitter definierten Ebene ist, so dass ein Winkel zwischen der Brennebene und der Ebene des Beugungsgitters weniger als 2° ist und (b) die Größen der auf das Beugungsgitter auftreffenden Strahlen im Wesentlichen einander gleich sind.
Wellenlängenstrahlkombinationslasersystem nach Anspruch 1, wobei die Größen der auf das Beugungsgitter auftreffenden Strahlen innerhalb von ± 10% gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 16, wobei das Beugungsgitter auf der Austrittsfläche angeordnet ist; und/oder wobei das Beugungsgitter und das erste Prisma eine einzelne integrierte Komponente sind.
Lasersystem nach Anspruch 16, wobei das Beugungsgitter reflektierend ist, wodurch die dispergierten Strahlen von dem Beugungsgitter durch das erste Prisma übertragen werden, bevor sie von dem Ausgangskoppler empfangen werden.
Lasersystem nach Anspruch 16, wobei das Beugungsgitter durchlässig ist.
Lasersystem nach Anspruch 16, weiter umfassend ein zweites Prisma, das optisch stromabwärts von dem Beugungsgitter und optisch stromaufwärts von dem Ausgangskoppler angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei dispergierte vStrahlen aus dem Beugungsgitter von einer Eintrittsfläche des zweiten Prismas mit einem zweiten Einfallswinkel empfangen und von einer Austrittsfläche des zweiten Prismas mit einem zweiten Austrittswinkel größer als der zweite Einfallswinkel übertragen werden, wobei eine Größe von mindestens einem der Strahlen verringert wird.
Lasersystem nach Anspruch 16, weiter umfassend ein optisches Teleskop, das zwischen dem Beugungsgitter und dem Ausgangskoppler angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 23, wobei das optische Teleskop zwei zylindrische Linsen aufweist, welche in einer Wellenlängenstrahl-Kombinationsdimension optische Brechkraft aufweisen.
Lasersystem nach Anspruch 16, weiter umfassend ein zweites Prisma, das optisch stromabwärts von der Fokussierungsoptik und optisch stromaufwärts von dem ersten Prisma angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 16, wobei die Brennebene der Strahlen, die durch die Fokussieroptik definiert ist, in Bezug auf die durch das Beugungsgitter definierte Ebene abgewinkelt ist.