DE112019003882T5

DE112019003882T5 - Lasersystem mit treppenförmig angeordneten slow-axis-kollimatoren

Info

Publication number: DE112019003882T5
Application number: DE112019003882.6T
Authority: DE
Inventors: Bryan Lochman; Bien Chann; Matthew SAUTER; Wang-Long Zhou
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2018-10-15
Filing date: 2019-10-10
Publication date: 2021-04-22
Anticipated expiration: 2039-10-11
Also published as: JP7153862B2; US20230275404A1; WO2020081335A1; CN112868150A; US11682882B2; US20200119525A1; US20220045483A1; US11183816B2; CN112868150B; DE112019003882B4; WO2020081335A9; JP2022508765A

Abstract

In verschiedenen Ausführungsformen werden Pointing-Fehler oder Richtungsfehler in einer nicht wellenlängenstrahlkombinierenden Dimension eines Lasersystems zumindest teilweise durch treppenförmige Kollimationslinsen gemildert.

Description

Verwandte Anwendungen
Diese Anmeldung beansprucht den Nutzen und die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/745,623 , die am 15. Oktober 2018 eingereicht wurde.
Technischer Bereich
In verschiedenen Ausführungsformen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Lasersysteme, insbesondere auf Lasersysteme mit besonderen Anordnungen von Slow-Axis-Kollimatoren.
Hintergrund
Hochleistungs-Lasersysteme werden für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Schweißen, Schneiden, Bohren und zur Materialbearbeitung. Solche Lasersysteme umfassen typischerweise einen Laseremitter, dessen Laserlicht in eine optische Faser (oder einfach eine „Faser“) eingekoppelt wird, und ein optisches System, das das Laserlicht aus der Faser auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Optische Systeme für Lasersysteme werden typischerweise so konstruiert, dass sie den hochwertigsten Laserstrahl erzeugen, oder, äquivalent dazu, den Strahl mit dem niedrigsten Strahlparameterprodukt (BPP). Das BPP ist das Produkt aus dem Divergenzwinkel (Halbwinkel) des Laserstrahls und dem Radius des Strahls an seiner engsten Stelle (d.h. die Strahltaille, die minimale Spotgröße). Das heißt, BPP = NA×D/2, wobei D der Durchmesser des Fokussierpunkts (der Strahltaille) und NA die numerische Apertur ist; somit kann der BPP durch Variation von NA und/oder D variiert werden. Der BPP quantifiziert die Qualität des Laserstrahls und wie gut er auf einen kleinen Punkt fokussiert werden kann und wird üblicherweise in Einheiten von Millimeter-Millradianen (mm-mrad) angegeben. Ein gaußförmiger Strahl hat den geringstmöglichen BPP, der durch die Wellenlänge des Laserlichts geteilt durch pi gegeben ist. Das Verhältnis des BPP eines tatsächlichen Strahls zu dem eines idealen Gauß-Strahls bei der gleichen Wellenlänge wird mit M2 bezeichnet, was ein wellenlängenunabhängiges Maß für die Strahlqualität ist.
Die Wellenlängenstrahlkombination (WBC) ist eine Technik zur Skalierung der Ausgangsleistung und Helligkeit von Laserdioden, Laserdiodenbarren, Diodenbarrenstapeln oder anderen Lasern, die in einem ein- oder zweidimensionalen Array angeordnet sind. WBC-Methoden wurden entwickelt, um Strahlen entlang einer oder beider Dimensionen eines Arrays von Emittern zu kombinieren. Typische WBC-Systeme enthalten eine Vielzahl von Emittern, wie z. B. einen oder mehrere Diodenbarren, die mit Hilfe eines dispersiven Elements kombiniert werden, um einen Multi-Wellenlängen-Strahl zu bilden. Jeder Emitter im WBC-System schwingt individuell und wird durch wellenlängenspezifische Rückkopplung von einem gemeinsamen teilreflektierenden Ausgangskoppler stabilisiert, der durch das dispersive Element entlang einer Strahlkombinationsdimension gefiltert wird. Beispielhafte WBC-Systeme sind in den US-Patenten Nr. 6.192.062 , eingereicht am 4. Februar 2000, Nr. 6.208.679, eingereicht am 8. September 1998, Nr. 8.670.180, eingereicht am 25. August 2011, und Nr. 8.559.107, eingereicht am 7. März 2011, detailliert beschrieben, wobei die gesamte Offenbarung jedes dieser Patente durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Verschiedene WBC-Lasersysteme kombinieren Strahlen, die von Strahlemittern entlang einer einzigen Richtung oder Dimension, der sogenannten WBC-Dimension, emittiert werden. Dementsprechend weisen WBC-Systeme oder „Resonatoren“ oft ihre verschiedenen Komponenten auf, die in der gleichen Ebene in der WBC-Dimension liegen. Wie in einigen der oben genannten Referenzen beschrieben, verfügen WBC-Lasersysteme oft über Diodenbarren oder andere Mehrstrahl-Emitter, deren Ausgänge zu einem einzigen Ausgangsstrahl kombiniert werden. Aus Gründen der Kompaktheit und Effizienz kann jeder Diodenbarren mit einem Fast-Axis-Kollimator und einem optischen Rotator (oder „optischen Twister“) gekoppelt sein, die die schnelle und langsame Achse der Strahlen um 90° in der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung drehen. In solchen WBC-Systemen liegt die langsame Achse der Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension oder in der Richtung, die optisch hinter dem optischen Rotator liegt. So können die Emitter eines einzelnen Diodenbalkens alle in der langsamen Achse durch eine einzige Slow-Axis-Kollimationslinse (oder „Slow-Axis-Kollimator“) kollimiert werden.
Um die Effizienz des WBC-Resonators zu maximieren, wird das dispersive Element im WBC-System typischerweise unter dem Littrow-Winkel in der WBC-Dimension konfiguriert. Um zu verhindern, dass sich die Reflexion erster Ordnung vom dispersiven Element zurück zu den Emittern ausbreitet, kann das dispersive Element in die Nicht-WBC-Richtung (d. h. entlang der langsamen Achse) gekippt werden. Diese Verkippung des dispersiven Elements führt jedoch zu unterschiedlichen Zusammensetzungswinkeln für die verschiedenen auf das dispersive Element auftreffenden Strahlen und damit zu Richtungsfehlern (auch Ausrichtungsfehler oder pointing error) in der langsamen Achse optisch stromabwärts des dispersiven Elements für die von den verschiedenen Emittern emittierten Strahlen. Daher besteht ein Bedarf an verbesserten WBC-Systemdesigns, die solche Richtungsfehler verhindern und somit die Effizienz der Systeme verbessern.
Zusammenfassung
Systeme und Techniken gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung kompensieren Richtungsfehler (z. B. Richtungsfehler der langsamen Achse), die z. B. durch die Neigung eines dispersiven Elements in einem WBC-System in der Nicht-WBC-Richtung oder -Dimension verursacht werden. Die Nicht-WBC-Dimension unterscheidet sich von der WBC-Dimension, in der die Strahlen kombiniert werden, und ist in verschiedenen Ausführungsformen annähernd senkrecht dazu. In verschiedenen Ausführungsformen werden solche Pointing-Fehler durch Manipulation einzelner Verschachtelungsspiegel in eine Strahlverschmierung am dispersiven Element umgewandelt. Ausführungsformen der Erfindung reduzieren oder eliminieren dann die Strahlverschmierung mit Arrays von Slow-Axis-Kollimationslinsen (SAC), die „treppenförmig“ sind, d.h. in Höhe und/oder Position (z.B. vertikale Position) relativ zueinander variieren. Jede der SAC-Linsen ist mit einem Diodenbalken oder einem anderen Emitter verbunden, und die Strahlen aller Emitter werden stromabwärts optisch zu einem Multi-Wellenlängen-Ausgangsstrahl kombiniert.
In Ausführungsformen der Erfindung können Strahlemitter (oder einfach „Emitter“) Diodenlaser, Faserlaser, fasergezopfte Diodenlaser usw. umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen, und können einzeln oder in Gruppen als ein- oder zweidimensionale Arrays verpackt sein. In verschiedenen Ausführungsformen sind die Emitter oder Emitter-Arrays Hochleistungs-Diodenbarren, wobei jeder Barren mehrere (z. B. zehn) Emitter aufweist. An den Emittern können Mikrolinsen zur Emitter-Kollimation und Strahlformung angebracht sein. Transformationsoptiken, die normalerweise konfokal sind und zwischen den Emittern und einem dispersiven Element (z. B. einem Beugungsgitter) positioniert sind, kollimieren einzelne Strahlen von verschiedenen Emittern und konvergieren alle Hauptstrahlen der Strahlen zum Zentrum des Gitters, insbesondere in der WBC-Dimension (d. h. der Dimension oder Richtung, in der die Strahlen kombiniert werden). Der vom dispersiven Element gebeugte Hauptstrahl propagiert zu einem teilreflektierenden Auskoppler, der eine Rückkopplung zu den einzelnen Emittern herstellt und die Wellenlängen der einzelnen Emitter über das dispersive Element definiert. Das heißt, der Koppler reflektiert einen Teil der verschiedenen Strahlen zurück zu den einzelnen Emittern, wodurch externe Laserhohlräume gebildet werden, und überträgt den kombinierten Mehrwellenlängenstrahl für Anwendungen wie Schweißen, Schneiden, Bearbeitung, Verarbeitung usw. und/oder zur Einkopplung in eine oder mehrere optische Fasern.
Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können mit Lasersystemen verwendet werden, die Techniken zum Variieren des BPP ihrer Ausgangslaserstrahlen aufweisen, wie sie in der US-Patentanmeldung Nr. 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, und der US-Patentanmeldung Nr. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, beschrieben sind, deren gesamte Offenbarung hierin durch Bezugnahme enthalten ist. Lasersysteme gemäß Ausführungsformen der Erfindung können auch eine Leistungs- und/oder Spektralüberwachungsfunktionalität umfassen, wie in der US-Patentanmeldung Serial No. 16/417,861 , eingereicht am 21. Mai 2019, beschrieben, deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Ausführungsformen der Erfindung können auch Ausrichtungsverfahren und -systeme umfassen, wie sie in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/797,438 beschrieben sind, die am 28. Januar 2019 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Der Begriff „optische Elemente“ kann sich auf Linsen, Spiegel, Prismen, Gitter und dergleichen beziehen, die elektromagnetische Strahlung umleiten, reflektieren, biegen oder auf andere Weise optisch manipulieren, sofern nicht anders angegeben. Strahlenemitter, Emitter oder Laser oder Laser umfassen jede elektromagnetische strahlenerzeugende Vorrichtung, wie z. B. Halbleiterelemente, die einen elektromagnetischen Strahl erzeugen, wobei diese selbstresonierend sein können oder auch nicht. Dazu gehören auch Faserlaser, Scheibenlaser, Nicht-Festkörperlaser, etc. Im Allgemeinen enthält jeder Emitter eine rückseitige Reflexionsfläche, mindestens ein optisches Verstärkungsmedium und eine vordere Reflexionsfläche. Das optische Verstärkungsmedium erhöht die Verstärkung von elektromagnetischer Strahlung, die nicht auf einen bestimmten Teil des elektromagnetischen Spektrums beschränkt ist, sondern sichtbares, infrarotes und/oder ultraviolettes Licht sein kann. Ein Emitter kann mehrere Strahlenemitter, wie z. B. einen Diodenbalken, der so konfiguriert ist, dass er mehrere Strahlen emittiert, umfassen oder im Wesentlichen aus diesen bestehen. Die in den vorliegenden Ausführungsformen empfangenen Eingangsstrahlen können Einzelwellenlängen- oder Mehrwellenlängenstrahlen sein, die mit verschiedenen in der Technik bekannten Techniken kombiniert werden.
Obwohl hier Beugungsgitter als beispielhafte dispersive Elemente verwendet werden, können Ausführungsformen der Erfindung auch andere dispersive Elemente verwenden, wie z. B. dispersive Prismen, Transmissionsgitter oder Echelle-Gitter. Ausführungsformen der Erfindung können zusätzlich zu einem oder mehreren Beugungsgittern ein oder mehrere Prismen verwenden, wie z. B. in der US-Patentanmeldung Serial No. 15/410,277 beschrieben, die am 19. Januar 2017 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung koppeln Ausgangsbündel mit mehreren Wellenlängen in eine optische Faser ein. In verschiedenen Ausführungsformen hat die optische Faser mehrere Mantelschichten, die einen einzigen Kern umgeben, mehrere diskrete Kernbereiche (oder „Kerne“) innerhalb einer einzigen Mantelschicht oder mehrere Kerne, die von mehreren Mantelschichten umgeben sind. In verschiedenen Ausführungsformen können die Ausgangsstrahlen an ein Werkstück für Anwendungen wie Schneiden, Schweißen usw. abgegeben werden.
Laserdioden-Arrays, -Balken und/oder -Stapel, wie sie in der folgenden allgemeinen Beschreibung beschrieben sind, können in Verbindung mit Ausführungsformen der hier beschriebenen Innovationen verwendet werden. Laserdioden können einzeln oder in Gruppen verpackt sein, im Allgemeinen in eindimensionalen Reihen/Arrays (Diodenbarren) oder zweidimensionalen Arrays (Diodenbarrenstapel). 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 Breitfelddiode. Hochleistungsdiodenbarren enthalten in der Regel ein Array aus breitflächigen Emittern, die mehrere zehn Watt bei relativ schlechter Strahlqualität erzeugen; trotz der höheren Leistung ist die Helligkeit oft geringer als bei einer breitflächigen Laserdiode. Hochleistungsdiodenbarren können gestapelt werden, um extrem hohe Leistungen von Hunderten oder Tausenden von Watt zu erzeugen. Laserdioden-Arrays können so konfiguriert werden, dass sie einen Strahl in den freien Raum oder in eine Faser emittieren. Fasergekoppelte Diodenlaser-Arrays können bequem als Pumpquelle für Faserlaser und Faserverstärker verwendet werden.
Ein Diodenlaserbarren ist eine Art von Halbleiterlaser, der eine eindimensionale Anordnung von breitflächigen Emittern oder alternativ Teilanordnungen mit z. B. 10-20 schmalen Streifenemittern enthält. Ein breitflächiger Diodenbarren enthält typischerweise z.B. 19-49 Emitter, die jeweils Abmessungen in der Größenordnung von z.B. 1 µm × 100 µm haben. Die Strahlqualität entlang der 1 µm-Dimension oder schnellen Achse ist typischerweise beugungsbegrenzt. Die Strahlqualität entlang der 100-µm-Dimension oder der langsamen Achse oder der Array-Dimension ist typischerweise um ein Vielfaches beugungsbegrenzt. Typischerweise hat ein Diodenbarren für kommerzielle Anwendungen eine Laserresonatorlänge in der Größenordnung von 1 bis 4 mm, ist etwa 10 mm breit und erzeugt einige zehn Watt Ausgangsleistung. Die meisten Diodenbarren arbeiten im Wellenlängenbereich von 780 bis 1070 nm, wobei die Wellenlängen von 808 nm (zum Pumpen von Neodym-Lasern) und 940 nm (zum Pumpen von Yb:YAG) am prominentesten sind. Der Wellenlängenbereich von 915-976 nm wird zum Pumpen von Erbium-dotierten oder Ytterbium-dotierten Hochleistungs-Faserlasern und -Verstärkern verwendet.
Ein Diodenstapel ist einfach eine Anordnung von mehreren Diodenbarren, die eine sehr hohe Ausgangsleistung liefern können. Auch Diodenlaser-Stack, Multi-Barren-Modul oder zweidimensionales Laserarray genannt, ist die gebräuchlichste Diodenstack-Anordnung die eines vertikalen Stacks, der effektiv eine zweidimensionale Anordnung von Kantenemittern ist. Ein solcher Stapel kann durch das Anbringen von Diodenbarren an dünnen Wärmesenken und das Stapeln dieser Anordnungen hergestellt werden, so dass eine periodische Anordnung von Diodenbarren und Wärmesenken entsteht. Es gibt auch horizontale Diodenstapel und zweidimensionale Stapel. Für eine hohe Strahlqualität sollten die Diodenbarren in der Regel möglichst dicht beieinander liegen. Andererseits erfordert eine effiziente Kühlung eine gewisse Mindestdicke der zwischen den Balken montierten Kühlkörper. Dieser Kompromiss des Diodenbarrenabstands führt dazu, dass die Strahlqualität eines Diodenstapels in vertikaler Richtung (und damit seine Helligkeit) viel geringer ist als die eines einzelnen Diodenbarrens. Es gibt jedoch mehrere Techniken, um dieses Problem deutlich abzuschwächen, z. B. durch räumliche Verschachtelung der Ausgänge verschiedener Diodenstapel, durch Polarisationskopplung oder durch Wellenlängenmultiplexing. Verschiedene Arten von Hochleistungs-Strahlformern und verwandte Geräte wurden für solche Zwecke entwickelt. Diodenstapel können extrem hohe Ausgangsleistungen liefern (z. B. Hunderte oder Tausende von Watt).
Ausgangsstrahlen, die gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung erzeugt werden, können verwendet werden, um ein Werkstück so zu bearbeiten, dass die Oberfläche des Werkstücks physikalisch verändert wird und/oder so, dass ein Merkmal auf oder in der Oberfläche gebildet wird, im Gegensatz zu optischen Verfahren, die lediglich eine Oberfläche mit Licht abtasten (z. B. Reflektivitätsmessungen). Beispielhafte Prozesse gemäß Ausführungsformen der Erfindung umfassen Schneiden, Schweißen, Bohren und Löten. Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung können Werkstücke auch an einem oder mehreren Punkten oder entlang einer eindimensionalen linearen oder gekrümmten Bearbeitungsbahn bearbeiten, anstatt die gesamte oder im Wesentlichen die gesamte Werkstückoberfläche mit der Strahlung des Laserstrahls zu durchfluten. Solche eindimensionalen Pfade können aus mehreren Segmenten zusammengesetzt sein, von denen jedes linear oder gekrümmt sein kann.
Ausführungsformen der Erfindung können die Strahlform und/oder den BPP variieren, um die Leistung für verschiedene Arten von Bearbeitungstechniken oder verschiedene Arten von zu bearbeitenden Materialien zu verbessern oder zu optimieren. Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Techniken zum Variieren von BPP und/oder der Form von Laserstrahlen verwenden, die in der US-Patentanmeldung Serial No. 14/632,283 , eingereicht am 26. Februar 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/747,073 , eingereicht am 23. Juni 2015, der US-Patentanmeldung Serial No. 14/852,939 , eingereicht am 14. September 2015, US-Patentanmeldung Nr. 15/188,076 , eingereicht am 21. Juni 2016, US-Patentanmeldung Nr. 15/479,745 , eingereicht am 5. April 2017, und US-Patentanmeldung Nr. 15/649,841 , eingereicht am 14. Juli 2017, deren Offenbarung hier jeweils in vollem Umfang durch Bezugnahme aufgenommen wird.
In einem Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils einen oder mehrere Strahlen emittieren, ein dispersives Element, eine Vielzahl von Kollimatoren, eine Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln (auch verschachtelte oder verschränkte Spiegel) und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Das dispersive Element empfängt die Strahlen und kombiniert die Strahlen in einer WBC-Dimension (wavelength-beam-combining) zu einem Multi-Wellenlängenstrahl. Die mehreren Kollimatoren sind optisch stromabwärts der Strahlenemitter und optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet. Jeder Kollimator empfängt den einen oder mehrere Strahlen von einem Strahlemitter und kollimiert den einen oder mehrere Strahlen in einer Nicht-WBC-Dimension. Die mehreren Verschachtelungsspiegel sind optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts vom dispersiven Element angeordnet. Die Mehrzahl der Verschachtelungsspiegel kann optisch stromabwärts der Mehrzahl der Kollimatoren angeordnet sein. Die Mehrzahl von Kollimatoren kann optisch stromabwärts der Mehrzahl von Verschachtelungsspiegeln angeordnet sein. Jeder Verschachtelungsspiegel reflektiert den einen oder mehrere Strahlen von einem Strahlemitter in Richtung des dispersiven Elements. Der teilreflektierende Ausgangskoppler empfängt den Multiwellenlängenstrahl vom dispersiven Element, sendet einen ersten Teil des Multiwellenlängenstrahls als Ausgangsstrahl und reflektiert einen zweiten Teil des Multiwellenlängenstrahls zurück zum dispersiven Element. Das dispersive Element ist in der Nicht-WBC-Dimension um einen Winkel ungleich Null gekippt, so dass Reflexionen erster Ordnung der Strahlen vom dispersiven Element von den Strahlemittern weg gerichtet sind, wodurch ein Richtungsfehler (auch Ausrichtungsfehler oder pointing error) in den Multi-Wellenlängenstrahl eingeführt wird. Einer oder mehrere der Verschachtelungsspiegel sind in der Nicht-WBK-Dimension um einen Winkel ungleich Null gekippt, um den Richtungsfehler des Mehrwellenlängenstrahls zu verringern, wodurch in der Nicht-WBK-Dimension am dispersiven Element eine Strahlverschmierung eingeführt wird. Optische Achsen von zwei oder mehr der Kollimatoren sind in der Nicht-WBK-Dimension gegeneinander verschoben, wodurch die durch die gekippten Verschachtelungsspiegel entstehende Strahlverschmierung reduziert wird.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer beliebigen Kombination enthalten. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer langsamen Achse der Strahlen und/oder einer langsamen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer schnellen Achse der Strahlen und/oder einer schnellen Achse der Strahlemittenten entsprechen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektives Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Mindestens einer der Strahlemitter kann einen Diodenbalken oder einen anderen Emitter umfassen, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der so konfiguriert ist, dass er eine Vielzahl diskreter Strahlen emittiert. Für einen ersten Strahlemitter kann (i) die Neigung des dispersiven Elements in der Nicht-WBC-Dimension einen Richtungsfehler mit einem ersten Winkel einführen, und (ii) der mit dem ersten Strahlemitter verbundene Verschachtelungsspiegel kann in der Nicht-WBC-Dimension um einen zweiten Winkel geneigt sein. Der zweite Winkel kann ungefähr gleich dem ersten Winkel sein.
Alle Verschachtelungsspiegel können in einem Winkel ungleich Null in der Nicht-WBC-Dimension gekippt sein. Zwei oder mehr oder sogar alle von Null verschiedenen Neigungswinkel der verschachtelten Spiegel können voneinander abweichen. Mindestens zwei der Verschachtelungsspiegel können in der Nicht-WBC-Dimension unter verschiedenen Winkeln gekippt sein. Alle bis auf einen der Verschachtelungsspiegel können in der Nicht-WBC-Dimension in Winkeln ungleich Null gekippt sein. Der Verschachtelungsspiegel, der einem mittleren Strahlemitter zugeordnet ist, kann in der Nicht-WBC-Dimension in einem Winkel ungleich Null gekippt sein (d. h., der Verschachtelungsspiegel, der einem mittleren Strahlemitter zugeordnet ist, kann in der Nicht-WBC-Dimension in einem Winkel von annähernd Null positioniert sein (z. B. senkrecht zu dem/den ankommenden Strahl(en))). Zwei oder mehr der Verschachtelungsspiegel dürfen in der Nicht-WBC-Dimension nicht in einem Winkel ungleich Null geneigt sein. Jedem Strahlemitter kann ein zweiter Kollimator und/oder ein optischer Rotator zur Drehung des einen oder der mehreren Strahlen um etwa 90° zugeordnet sein. Jeder Kollimator kann ein Slow-Axis-Kollimator sein und/oder jeder zweite Kollimator kann ein Fast-Axis-Kollimator sein. Jeder Kollimator kann ein Fast-Axis-Kollimator sein und/oder jeder zweite Kollimator kann ein Slow-Axis-Kollimator sein. Die Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln kann optisch stromabwärts der Vielzahl von Kollimatoren angeordnet sein. Ein optischer Abstand zwischen jedem der Kollimatoren und dem dispersiven Element kann ungefähr gleich sein. Die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren können unterschiedlich sein. Die Höhen von zwei oder mehr Kollimatoren können annähernd gleich sein. Die Höhen aller Kollimatoren können annähernd gleich sein. Das Lasersystem kann einen oder mehrere Klappspiegel enthalten. Ein oder mehrere Klappspiegel können optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sein.
In einem anderen Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Lasersystem auf, das eine Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils einen oder mehrere Strahlen emittieren, ein dispersives Element, eine Vielzahl von Kollimatoren und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler enthält, im Wesentlichen daraus besteht oder daraus besteht. Das dispersive Element empfängt die Strahlen und kombiniert die Strahlen in einer WBC-Dimension (wavelength-beam-combining) zu einem Multi-Wellenlängenstrahl. Die mehreren Kollimatoren sind optisch stromabwärts der Strahlenemitter und optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet. Jeder Kollimator empfängt den einen oder mehrere Strahlen von einem Strahlemitter und kollimiert den einen oder mehrere Strahlen in einer Nicht-WBC-Dimension. Der teilreflektierende Ausgangskoppler empfängt den Multiwellenlängenstrahl vom dispersiven Element, überträgt einen ersten Teil des Multiwellenlängenstrahls als Ausgangsstrahl und reflektiert einen zweiten Teil des Multiwellenlängenstrahls zurück zum dispersiven Element. Das dispersive Element ist in der Nicht-WBC-Dimension um einen Winkel ungleich Null gekippt, so dass die Reflexionen erster Ordnung der Strahlen vom dispersiven Element von den Strahlemittern weg gerichtet sind, wodurch ein Richtungsfehler in den Multi-Wellenlängenstrahl eingeführt wird. Optische Achsen von zwei oder mehr der Kollimatoren sind in der Nicht-WBC-Dimension gegeneinander verschoben, wodurch der durch das gekippte dispersive Element entstehende Richtungsfehler reduziert wird.
Ausführungsformen der Erfindung können eines oder mehrere der folgenden Merkmale in einer beliebigen Kombination enthalten. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer langsamen Achse der Strahlen und/oder einer langsamen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer schnellen Achse der Strahlen und/oder einer schnellen Achse der Strahlemittenten entsprechen. Das dispersive Element kann ein Beugungsgitter (z. B. ein transmissives Beugungsgitter oder ein reflektives Beugungsgitter) enthalten, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Mindestens einer der Strahlemitter kann einen Diodenbalken oder einen anderen Emitter enthalten, im Wesentlichen aus einem solchen bestehen oder aus einem solchen bestehen, der so konfiguriert ist, dass er eine Vielzahl von diskreten Strahlen emittiert. Die Kollimatoren können eine Strahlverschmierung in der Nicht-WBC-Dimension am dispersiven Element einführen. Jedem Strahlemitter kann ein zweiter Kollimator und/oder ein optischer Rotator zum Drehen des einen oder mehrerer Strahlen um etwa 90° zugeordnet sein. Jeder Kollimator kann ein Slow-Axis-Kollimator sein und/oder jeder zweite Kollimator kann ein Fast-Axis-Kollimator sein. Jeder Kollimator kann ein Fast-Axis-Kollimator sein und/oder jeder zweite Kollimator kann ein Slow-Axis-Kollimator sein. Ein optischer Abstand zwischen jedem der Kollimatoren und dem dispersiven Element kann ungefähr gleich sein. Die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren können unterschiedlich sein. Die Höhen von zwei oder mehr Kollimatoren können annähernd gleich sein. Die Höhen aller Kollimatoren können annähernd gleich sein. Das Lasersystem kann einen oder mehrere Klappspiegel enthalten. Ein oder mehrere Klappspiegel können optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sein.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten eines Lasersystems auf. Das Lasersystem umfasst, besteht im Wesentlichen aus, oder besteht aus (i) einer Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen oder mehrere Strahlen emittieren, (ii) einem dispersiven Element zum Empfangen der Strahlen und Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombination (WBC) Dimension in einen Multi-Wellenlängen-Strahl, und (iii) einem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Multi-Wellenlängen-Strahls von dem dispersiven Element, Übertragen eines ersten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls als Ausgangsstrahl, und Reflektieren eines zweiten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls zurück zu dem dispersiven Element. Die von den mehreren Strahlenemittenten emittierten Strahlen werden am dispersiven Element zu dem Multi-Wellenlängen-Strahl kombiniert. In den Multi-Wellenlängen-Strahl wird ein Richtungsfehler in einer Nicht-WBC-Dimension eingeführt. Die Strahlverschmierung wird am dispersiven Element in der Nicht-WBC-Dimension eingeführt, um den Richtungsfehler des Mehrwellenlängenstrahls zu reduzieren. Die Strahlverschmierung wird reduziert, ohne den Pointing Error des Multi-Wellenlängenstrahls zu erhöhen.
Ausführungsformen der Erfindung können einen oder mehrere der folgenden Punkte in einer beliebigen Kombination enthalten. Der Richtungsfehler kann in den Multi-Wellenlängen-Strahl eingeführt werden, indem das dispersive Element in einem Winkel ungleich Null in der Nicht-WBC-Dimension gekippt wird. Die Strahlverschmierung kann durch Kippen eines oder mehrerer Verschachtelungsspiegel um einen Winkel ungleich Null in der Nicht-WBC-Dimension eingeführt werden. Der eine oder die mehreren Verschachtelungsspiegel können optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts vom dispersiven Element angeordnet sein. Die Strahlverschmierung kann reduziert werden, indem die optischen Achsen von zwei oder mehr Kollimatoren in der Nicht-WBC-Dimension gegeneinander verschoben werden. Die zwei oder mehr Kollimatoren können optisch stromabwärts der Strahlemittenten und optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet sein. Bei den zwei oder mehr Kollimatoren kann es sich um Slow-Axis-Kollimatoren handeln. Die zwei oder mehr Kollimatoren können Fast-Axis-Kollimatoren sein. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer langsamen Achse der Strahlen und/oder einer langsamen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer schnellen Achse der Strahlen und/oder einer schnellen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Strahlen können um ca. 90° gedreht werden, bevor die Strahlen zu einem Multi-Wellenlängenstrahl kombiniert werden. Die Strahlen können in der WBC-Dimension und/oder in der Nicht-WBC-Dimension kollimiert sein.
In einem weiteren Aspekt weisen Ausführungsformen der Erfindung ein Verfahren zum Ausrichten eines Lasersystems auf. Das Lasersystem umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus (i) einer Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils konfiguriert sind, um einen oder mehrere Strahlen zu emittieren, (ii) einem dispersiven Element zum Empfangen der Strahlen und Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombination (WBC) Dimension in einen Multi-Wellenlängen-Strahl, und (iii) einem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Multi-Wellenlängen-Strahls von dem dispersiven Element, Übertragen eines ersten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls als ein Ausgangsstrahl, und Reflektieren eines zweiten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls zurück in Richtung des dispersiven Elements. Die von den mehreren Strahlenemittenten emittierten Strahlen werden am dispersiven Element zu dem Multiwellenlängenstrahl kombiniert. Reflexionen erster Ordnung vom dispersiven Element werden daran gehindert, sich zurück zu den mehreren Strahlemittern auszubreiten. Der Richtungsfehler des Mehrwellenlängenstrahls wird reduziert.
Ausführungsformen der Erfindung können eine oder mehrere der folgenden Maßnahmen in einer beliebigen Kombination umfassen. Das Verhindern, dass sich die Reflexionen erster Ordnung von dem dispersiven Element zurück zu den mehreren Strahlemittern ausbreiten, kann das Kippen des dispersiven Elements um einen Winkel ungleich Null in der Nicht-WBC-Dimension umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen. Der Richtungsfehler kann reduziert werden, indem die optischen Achsen von zwei oder mehr Kollimatoren in der Nicht-WBC-Dimension gegeneinander verschoben werden. Die zwei oder mehr Kollimatoren können optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts vom dispersiven Element angeordnet sein. Bei den zwei oder mehr Kollimatoren kann es sich um Slow-Axis-Kollimatoren handeln. Die zwei oder mehr Kollimatoren können Fast-Axis-Kollimatoren sein. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer langsamen Achse der Strahlen und/oder einer langsamen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Nicht-WBC-Dimension kann einer schnellen Achse der Strahlen und/oder einer schnellen Achse der Strahlenemitter entsprechen. Die Strahlen können um ca. 90° gedreht werden, bevor die Strahlen zu einem Multi-Wellenlängenstrahl kombiniert werden. Die Strahlen können in der WBC-Dimension und/oder in der Nicht-WBC-Dimension kollimiert sein.
Diese und andere Aspekte, zusammen mit Vorteilen und Merkmalen der hier offengelegten vorliegenden Erfindung, werden durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung, die begleitenden Zeichnungen und die Ansprüche deutlicher werden. Darüber hinaus ist es zu verstehen, dass die Merkmale der verschiedenen hier beschriebenen Ausführungsformen sich nicht gegenseitig ausschließen und in verschiedenen Kombinationen und Permutationen existieren können. Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ ±10%, und in einigen Ausführungsformen, ±5%. Der Begriff „besteht im Wesentlichen aus“ bedeutet, dass andere Materialien, die zur Funktion beitragen, ausgeschlossen sind, sofern hier nicht anders definiert. Nichtsdestotrotz können solche anderen Materialien gemeinsam oder einzeln in Spurenmengen vorhanden sein. Die Begriffe „Strahlung“ und „Licht“ werden hier austauschbar verwendet, sofern nicht anders angegeben. Hierin wird „stromabwärts“ oder „optisch stromabwärts“ verwendet, um die relative Position eines zweiten Elements zu bezeichnen, 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. Der „optische Abstand“ zwischen zwei Komponenten ist der Abstand zwischen zwei Komponenten, der tatsächlich von Lichtstrahlen durchlaufen wird; der optische Abstand kann, muss aber nicht zwangsläufig gleich dem physikalischen Abstand zwischen zwei Komponenten sein, z. B. aufgrund von Reflexionen an Spiegeln oder anderen Änderungen der Ausbreitungsrichtung, die das Licht auf dem Weg von einer der Komponenten zur anderen erfährt. Die hier verwendeten Abstände können als „optische Abstände“ betrachtet werden, sofern nicht anders angegeben.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen auf dieselben Teile in den verschiedenen Ansichten. Auch sind die Zeichnungen nicht unbedingt maßstabsgetreu, wobei der Schwerpunkt im Allgemeinen auf der Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung liegt. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben, in denen:

1 ist ein schematisches Diagramm eines Wellenlängen-Strahlkombinierers (WBC-Resonator) gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
ist eine schematische Darstellung eines dispersiven Elements und verschiedener Strahlen in einer WBC-Dimension gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
Die sind schematische Darstellungen eines dispersiven Elements und verschiedener Strahlen in einer Nicht-WBC-Dimension gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
ist ein Diagramm der Richtungsfehler von Strahlen in einer Nicht-WBC-Richtung, die durch eine Verkippung eines dispersiven Elements gemäß Ausführungsformen der Erfindung verursacht werden;
ist ein Diagramm der Strahlverschmierung am dispersiven Element, wenn die in gezeigten Richtungsfehler gemäß Ausführungsformen der Erfindung auf annähernd Null reduziert werden;
ist ein Diagramm der Linsenverschiebungen, die verwendet werden, um die Strahlverschmierung von gemäß Ausführungsformen der Erfindung auf annähernd Null zu reduzieren;
ist ein Diagramm der relativen Linsenverschiebungen für zwei verschiedene Anordnungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung, basierend auf der in dargestellten Kurve;
ist ein Diagramm der Reststrahlverschmierung, die sich aus den Linsenverschiebungen von gemäß den Ausführungsformen der Erfindung ergibt;
6A ist ein Diagramm der simulierten Unterschiede in der Strahlverschmierung für linke und rechte Randemitter eines Diodenbalkens relativ zum mittleren Emitter für eine der Anordnungen von Linsenverschiebungen von 5A gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
ist ein Diagramm der simulierten Unterschiede im Zeigefehler für linke und rechte Randemitter eines Diodenbalkens relativ zum mittleren Emitter für eine der Anordnungen von Linsenverschiebungen von gemäß Ausführungsformen der Erfindung;
Die 7A-7D sind schematische Darstellungen eines WBC-Resonators in Nicht-WBC-Richtung, entsprechend den in den 2A-2D dargestellten Ausführungsformen, gemäß Ausführungsformen der Erfindung; und
7E ist eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Verschachtelungsspiegels, der wie in 7C dargestellt gemäß Ausführungsformen der Erfindung gekippt ist.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt schematisch verschiedene Komponenten eines WBC-Resonators 100, der in der dargestellten Ausführungsform die von neun verschiedenen Diodenbarren emittierten Strahlen kombiniert (wie hier verwendet, bezieht sich „Diodenbarren“ auf einen beliebigen Mehrstrahl-Emitter, d. h. einen Emitter, von dem mehrere Strahlen aus einem einzigen Gehäuse emittiert werden). Ausführungsformen der Erfindung können mit weniger oder mehr als neun Emittern verwendet werden. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung kann jeder Emitter einen einzelnen Strahl emittieren, oder jeder der Emitter kann mehrere Strahlen emittieren. Die Ansicht von 1 ist entlang der WBC-Dimension, d.h. der Dimension, in der die Strahlen der Balken kombiniert werden. Der beispielhafte Resonator 100 weist neun Diodenbalken 105 auf, und jeder Diodenbalken 105 umfasst, besteht im Wesentlichen aus oder besteht aus einem Array (z. B. eindimensionales Array) von Emittern entlang der WBC-Dimension. Jeder Emitter eines Diodenbalkens 105 emittiert einen unsymmetrischen Strahl mit einer größeren Divergenz in einer Richtung (bekannt als die „schnelle Achse“, hier vertikal relativ zur WBC-Dimension ausgerichtet) und einer kleineren Divergenz in der senkrechten Richtung (bekannt als die „langsame Achse“, hier entlang der WBC-Dimension).
In verschiedenen Ausführungsformen ist jeder der Diodenstäbe 105 mit einer Fast-Axis-Kollimator (FAC)/optischen Twister-Mikrolinsenbaugruppe verbunden (z. B. angebracht oder anderweitig optisch gekoppelt), die die schnelle Achse der emittierten Strahlen kollimiert, während die schnelle und die langsame Achse der Strahlen um 90° gedreht werden, so dass die langsame Achse jedes emittierten Strahls senkrecht zur WBC-Dimension stromabwärts der Mikrolinsenbaugruppe verläuft. Die Mikrolinsenbaugruppe konvergiert auch die Hauptstrahlen der Emitter von jedem Diodenbalken 105 in Richtung eines dispersiven Elements 110. Geeignete Mikrolinsenbaugruppen sind in den US-Patenten Nr. 8,553,327 , eingereicht am 7. März 2011, und Nr. 9,746,679 , eingereicht am 8. Juni 2015, beschrieben, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird.
Bei den hier vorgestellten Ausführungsformen der Erfindung sind sowohl eine FAC-Linse als auch ein optischer Twister (z. B. als Mikrolinsenbaugruppe) mit jedem der Strahlemitter und/oder der emittierten Strahlen verbunden, und somit beeinflussen die SAC-Linsen (wie unten beschrieben) die Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension. In anderen Ausführungsformen werden die emittierten Strahlen nicht gedreht, und FAC-Linsen können verwendet werden, um die Richtungswinkel in der Nicht-WBC-Dimension zu ändern. Daher wird davon ausgegangen, dass sich Verweise auf SAC-Objektive hier im Allgemeinen auf Objektive mit Brechkraft in der Nicht-WBC-Dimension beziehen, und solche Objektive können in verschiedenen Ausführungsformen FAC-Objektive enthalten. So können in verschiedenen Ausführungsformen, z. B. Ausführungsformen, in denen emittierte Strahlen nicht gedreht werden und/oder die schnellen Achsen der Strahlen in der Nicht-WBC-Dimension liegen, FAC-Objektive verwendet werden (d. h. treppenförmig), wie hier für SAC-Objektive beschrieben.
Wie in 1 gezeigt, weist der Resonator 100 auch einen Satz von SAC-Linsen 115 auf, wobei eine SAC-Linse 115 mit einem der Diodenstäbe 105 verbunden ist und von diesem Strahlen empfängt. Jede der SAC-Linsen 115 kollimiert die langsamen Achsen der von einem einzelnen Diodenbalken 105 emittierten Strahlen. Nach der Kollimation in der langsamen Achse durch die SAC-Linsen 115 breiten sich die Strahlen zu einem Satz von Verschachtelungsspiegeln 120 aus, die die Strahlen 125 auf das dispersive Element 110 umlenken. Durch die Anordnung der Verschachtelungsspiegel 120 kann der Freiraum zwischen den Diodenbarren 105 reduziert bzw. minimiert werden. Stromaufwärts des dispersiven Elements 110 (das z. B. ein Beugungsgitter, wie das in 1 dargestellte transmissive Beugungsgitter, umfassen, im Wesentlichen daraus bestehen oder daraus bestehen kann) kann optional eine Linse 130 verwendet werden, um die Teilstrahlen (d. h. andere emittierte Strahlen als die Hauptstrahlen) von den Diodenstäben 105 zu kollimieren. In verschiedenen Ausführungsformen ist die Linse 130 in einem optischen Abstand von den Diodenstäben 105 angeordnet, der im Wesentlichen gleich der Brennweite der Linse 130 ist. Beachten Sie, dass in typischen Ausführungsformen die Überlappung der Hauptstrahlen am dispersiven Element 110 in erster Linie auf die Umlenkung der Verschachtelungsspiegel 120 und nicht auf die Fokussierleistung der Linse 130 zurückzuführen ist.
Ebenfalls in 1 dargestellt sind Linsen 135, 140, die ein optisches Teleskop zur Abschwächung des optischen Übersprechens bilden, wie in US-Patent Nr. 9,256,073 , eingereicht am 15. März 2013, und US-Patent Nr. 9,268,142 , eingereicht am 23. Juni 2015, offenbart, deren gesamte Offenbarung hiermit durch Bezugnahme hierin aufgenommen wird. Der Resonator 100 kann auch einen oder mehrere optionale Klappspiegel 145 zur Umlenkung der Strahlen enthalten, so dass der Resonator 100 in eine kleinere physikalische Grundfläche passen kann. Das dispersive Element 110 kombiniert die Strahlen von den Diodenbarren 105 zu einem einzelnen, mehrwelligen Strahl 150, der sich zu einem teilreflektierenden Ausgangskoppler 155 ausbreitet. Der Koppler 155 überträgt einen Teil des Strahls als Ausgangsstrahl des Resonators 100, während ein anderer Teil des Strahls zurück zum dispersiven Element 110 und von dort zu den Diodenbarren 105 als Rückkopplung reflektiert wird, um die Emissionswellenlängen der einzelnen Strahlen zu stabilisieren.
In verschiedenen Ausführungsformen ist das dispersive Element 110 unter dem Littrow-Winkel ausgerichtet, d. h., wo der Beugungswinkel gleich dem Einfallswinkel ist, für eine hohe Beugungseffizienz, zumindest in der WBC-Dimension. Da die Emitter jedes Diodenbalkens 105 in der WBC-Dimension notwendigerweise geringfügig räumlich voneinander getrennt sind, wird ein Strahl von einem einzelnen Emitter auf das dispersive Element 110 unter einem Winkel einfallen, der sich geringfügig von den Einfallswinkeln der anderen von den anderen Emittern emittierten Strahlen unterscheidet. Das heißt, typischerweise emittiert höchstens ein Emitter von jedem Diodenbalken tatsächlich einen Strahl, der unter dem Littrow-Winkel auf das dispersive Element 110 trifft, und die anderen Strahlen befinden sich in Winkeln, die sich geringfügig von dem Littrow-Winkel unterscheiden. Bezugnehmend auf können die verschiedenen Strahlen von den Diodenbalken 105, die unter einem anderen Winkel als dem Littrow-Winkel auf das dispersive Element 110 treffen, Probleme mit der Rückkopplung haben. 2A zeigt in der WBC-Dimension ein dispersives Element 200, das unter dem Littrow-Winkel (θ) für einen mittleren Strahl 205 (z. B. den mittleren Strahl (oder einen von ihnen, für einen Strahlemitter, der eine gerade Anzahl von Strahlen aussendet) eines Strahlemitters 105) konfiguriert ist. Die Strahlen 210 und 215 sind Strahlen (z. B. benachbarte Strahlen und/oder Strahlen, die vom mittleren Strahl 205 entfernt sind), die unter einem vom Littrow-Winkel abweichenden Winkel auf das Dispersionselement 200 einfallen. Die Linie 220 stellt die Normale auf das dispersive Element 200 dar. Wie oben erwähnt, kombiniert das dispersive Element 200 die Strahlen 205, 210, 215 zu einem einzigen Ausgangsstrahl 225, der sich in Richtung eines Ausgangskopplers ausbreitet (in 2A nicht dargestellt). Die Rückkopplung 230 wird vom Ausgangskoppler empfangen und durch das dispersive Element 200 in separate Komponenten aufgeteilt, die sich jeweils zurück zu einem der Emitter ausbreiten (in nicht dargestellt). Die Rückkopplung 235 ist beispielsweise die Rückkopplungskomponente, die sich zurück zu dem dem Strahl 215 zugeordneten Emitter ausbreitet.
In ist auch eine Reflexion erster Ordnung 240 des dispersiven Elements 200 dargestellt, die sich im dargestellten Beispiel ebenfalls zurück zum Emitter des Strahls 215 ausbreitet. Die Reflexion erster Ordnung 240 konkurriert mit dem gewünschten Rückkopplungsstrahl 235 und führt dadurch zu einer Instabilität bei der Wellenlängenstabilisierung des Strahls 215 oder sogar dazu, dass der Strahl 215 bei der falschen Wellenlänge stabilisiert wird. Dies wird dazu führen, dass die Leistung des WBC-Resonators instabil und/oder reduziert ist. (Exemplarische Ausführungsformen der Erfindung sind hierin beschrieben, wie eine Reflexion erster Ordnung von einem dispersiven Element wie ein Beugungsgitter, die problematisch ist, d.h., kann mit einem gewünschten Rückkopplungsstrahl konkurrieren und / oder Instabilitäten in der Emission und / oder Leistung erstellen. Die hierin beschriebenen Prinzipien, Techniken und Systeme gemäß den Ausführungsformen der Erfindung können jedoch auch auf Fälle mit problematischen Reflexionen höherer Ordnung angewendet werden (z. B. Reflexionen zweiter Ordnung, Reflexionen dritter Ordnung usw.).
Die Wellenlänge λ1 der gewünschten Rückkopplung 235 und die konkurrierende Wellenlänge λ2 der Reflexion erster Ordnung am dispersiven Element 200 können durch die Gleichungen bestimmt werden: $λ 1 = \frac{sin (θ) + sin (θ + Δ θ)}{p}$
$λ 2 = \frac{2 \times sin (θ + Δ θ)}{p}$
wobei p die Liniendichte (d. h. Linien pro Längeneinheit) des dispersiven Elements 200 ist und (θ+Δθ) der Einfallswinkel des Strahls 215 ist, wie in gezeigt. Diese Gleichungen zeigen, dass die Wellenlängen λ1 und λ2 immer unterschiedlich sind, es sei denn, Δθ=0, was für den beispielhaften Mittelstrahl 205 in der Fall ist.
Um Rückkopplungskonkurrenz zu vermeiden, die durch die Reflexion erster Ordnung vom dispersiven Element entsteht, beinhalten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine leichte Neigung des dispersiven Elements 200 in der Nicht-WBC-Richtung, die in 2A als Richtung 245 angegeben ist. Wenn das dispersive Element 200 um einen Winkel δ gekippt ist, breitet sich die Reflexion erster Ordnung 240 in einem Winkel von 2δ relativ zur Rückkopplung von einem nicht gekippten dispersiven Element aus, wie in 2B gezeigt, die eine Ansicht von 2B entlang des Pfeils A ist. In 2B überlappen sich die einfallenden Strahlen 205, 210, 215 entlang der Nicht-WBC-Dimension, und die gestrichelte Linie 250 zeigt die nicht gekippte Ausrichtung des dispersiven Elements 200. (Beachten Sie, dass, obwohl illustrative Ausführungsformen der Erfindung beschreiben das dispersive Element als in der Littrow-Zustand in der WBC-Dimension ausgerichtet ist, ist dies nicht notwendigerweise der Fall; in verschiedenen Ausführungsformen kann das dispersive Element gekippt oder in einem Nicht-Littrow-Winkel in der WBC-Dimension ausgerichtet sein, und Ausführungsformen der Erfindung immer noch Probleme, die aus Neigung des dispersiven Elements in der Nicht-WBC-Richtung zu lindern).
Wie jedoch in angedeutet, kann die Neigung des dispersiven Elements 200 zu einer Dispersion des gebeugten Strahls 225 in der Nicht-WBC-Richtung führen, die aus kleinen zusammengesetzten Winkeln zwischen den einfallenden Strahlen und der Oberfläche des dispersiven Elements 200 resultiert, wenn es geneigt ist. Diese Dispersion bzw. der Richtungsfehler der Strahlen in der Nicht-WBC-Richtung kann zu einer instabilen Wellenlängenstabilisierung und einer instabilen WBC-Resonatorleistung führen.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, wie in gezeigt, können die Richtungsfehler von den wellenlängendispersen (d. h. gebeugten) Strahlen in eine Gesamtstrahlverschmierung ΔS am dispersiven Element in Nicht-WBC-Richtung über Einstellungen der einzelnen Verschachtelungsspiegel, die die Strahlen zum dispersiven Element reflektieren (d. h. Spiegel 120 in ), übersetzt werden. Die Strahlverschmierung verschlechtert die Strahlqualität in der Nicht-WBC-Richtung um (ΔS/S×100)%, wobei S die Strahlgröße am dispersiven Element in der Nicht-WBC-Dimension ist. In verschiedenen Ausführungsformen können die SAC-Objektive (z. B. SAC-Objektive 115 in ) individuell in der Nicht-WBC-Richtung, d. h. der langsamen Achse in (aus der Seite heraus), justiert (z. B. verschoben) werden, um den resultierenden Schmiereffekt ΔS zu minimieren. (Äquivalent dazu können SAC-Linsen verwendet werden, deren zentrale optische Achsen auf den gewünschten unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind; d. h. die SAC-Linsen können unterschiedliche Größen haben, wobei die zentrale optische Achse jeder Linse auf der gewünschten Ebene für die Treppe angeordnet ist. Wenn hier von einer Verschiebung oder Justierung der SAC-Linsen die Rede ist, ist dies gleichbedeutend mit der Verwendung von SAC-Linsen, deren optische Achsen auf der gewünschten Höhe oder Position liegen). 2D zeigt einen optimierten Fall, in dem die Richtungsfehler der Strahlen durch Justierungen der Neigungen der Verschachtelungsspiegel 120 minimiert werden und die resultierende Strahlverschmierung durch Verschiebungen der SAC-Linsen 115 in der Nicht-WBC-Richtung (z. B. langsame Achse im Beispiel von 1) minimiert wird.
Die 3A, 3B, 4, 5A und 5B zeigen die Ergebnisse eines numerischen Beispiels gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung und basierend auf dem WBC-Resonator 100 von 1. In dem Beispiel ist das dispersive Element 110 in Richtung der langsamen Achse um 10 mrad gekippt und unter dem Littrow-Winkel (in der WBC-Dimension) bei einer Zentralwellenlänge von 975 nm konfiguriert, wobei andere Einfallswinkel auf das dispersive Element innerhalb von ±3° des Littrow-Winkels liegen. Im Beispiel wird außerdem angenommen, dass jede SAC-Linse 115 die langsame Achse der Strahlen ihres zugehörigen Diodenbalkens 105 so kollimiert, dass am dispersiven Element 110 die Strahlgröße der langsamen Achse etwa 3,5 mm und die Divergenz der langsamen Achse etwa 4 mrad beträgt.
3A entspricht dem in 2B dargestellten Fall. 3A ist ein Diagramm der Richtungsfehler der Strahlen aus den verschiedenen Diodenbalken 120 in Nicht-WBC-Richtung, die durch eine Verkippung des dispersiven Elements 110 des Resonators 100 von 1 um 10 mrad verursacht werden. 3B entspricht dem in 2C dargestellten Fall. 3B ist ein Diagramm der Strahlverschmierung am dispersiven Element 110, wenn die in 3A gezeigten Richtungsfehler durch individuelle Einstellungen der verschiedenen Verschachtelungsspiegel 120 auf annähernd Null reduziert werden. Es ist zu beachten, dass in diesem Beispiel der mittlere Diodenbalken 105 (d.h. Diodenbalken Nr. 5 in 1) einen Richtungsfehler von annähernd Null aufweist, so dass der diesem Diodenbalken 105 zugeordnete Verschachtelungsspiegel 120 (d.h. der Verschachtelungsspiegel 120, der die Strahlen von diesem Diodenbalken 105 empfängt) nicht gekippt werden muss, um Richtungsfehler auszugleichen. Daher umfassen Ausführungsformen der Erfindung Ausführungsformen, in denen einer oder mehrere der interleaving Spiegel 120 (z. B. alle bis auf einen interleaving Spiegel 120, zum Beispiel alle bis auf die interleaving Spiegel 120 mit einem Zentrum Emitter wie eine Diodenleiste zugeordnet), aber nicht alle der interleaving Spiegel 120, gekippt werden, um für Pointing-Fehler zu kompensieren. (Wie hierin verwendet, ist ein „zentraler“ Emitter, wie z. B. ein Diodenbalken, ein Emitter innerhalb eines Arrays oder einer Linie von Emittern, bei dem ungefähr die gleiche Anzahl von Emittern auf beiden Seiten davon angeordnet ist. Zum Beispiel kann die Anzahl der Emitter auf beiden Seiten des mittleren Emitters gleich sein; bei anderen Emittern kann die Anzahl der Emitter auf einer Seite des mittleren Emitters um 1, 2 oder sogar 3 höher sein als die Anzahl der Emitter auf der anderen Seite des mittleren Emitters). Die Richtungsfehler von etwa ±0,4 mrad in der Nicht-WBC-Richtung ( , die etwa 20 % der Divergenz der langsamen Achse am dispersiven Element entsprechen, können zu einem erheblichen Leistungsverlust im WBC-Resonator 100 führen. Die aus der Reduktion der Pointing-Fehler ( . h. der Strahlverschiebungen am dispersiven Element in der langsamen Achse, von etwa ±0,4 mm resultierende Verschmierung kann die Strahlqualität in der langsamen Achse um über 20 % verschlechtern.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wird die Strahlverschmierung in der Nicht-WBC-Richtung (z. B. langsame Achse) durch individuelle Verschiebung der in gezeigten SAC-Linsen 115 in der langsamen Achse reduziert. ist ein Diagramm der Verschiebungen (modelliert über ZEMAX-Simulationen) für die SAC-Linsen 115, die erforderlich sind, um die Strahlverschmierung von auf annähernd Null zu reduzieren. Unter der Annahme, dass die verschiedenen SAC-Linsen 115 ungefähr die gleiche Größe und Form haben, entspricht die Verschiebung der einzelnen SAC-Linsen einer Verschiebung der zentralen optischen Achsen der SAC-Linsen um den gleichen Betrag. Wie in 4 gezeigt, können die SAC-Linsen 115 jeweils um einen unterschiedlichen Betrag verschoben werden (selbst in Ausführungsformen, in denen, wie in 1 gezeigt, der Abstand zwischen den Emittern 105 in der WBC-Dimension annähernd konstant ist), abhängig von dem Diodenbalken 105, der der SAC-Linse 115 zugeordnet ist. In anderen Ausführungsformen kann diese „Treppe“ von SAC-Linsenverschiebungen jedoch eine oder mehrere SAC-Linsen umfassen, die in der Nicht-WBC-Dimension (z. B. der langsamen Achse) ungefähr auf demselben Niveau wie eine oder mehrere andere nahe gelegene SAC-Linsen verschoben oder positioniert sind. Solche Anordnungen können in Ausführungsformen wünschenswert sein, in denen der Platz um die SAC-Linsen herum begrenzt ist, da es schwierig sein kann, eine zuverlässige Anpassung der Linsenverschiebung in engen Räumen zu realisieren, ohne andere Probleme zu verursachen, wie z. B. die Induzierung einer Scheitelrolle.
In sind die relativen Verschiebungen der SAC-Linsen für zwei verschiedene Anordnungen (oder „Treppen“) gemäß Ausführungsformen der Erfindung dargestellt, basierend auf der in dargestellten Idealkurve. Die Gesamthöhen (d. h. der maximale Unterschied in der Verschiebung) ist für jede der Ausführungsformen gleich, etwa 0,7 mm. Da keine der beiden Ausführungsformen exakt der Idealkurve aus entspricht, gibt es eine Reststrahlverschmierung in der langsamen Achse, wie in gezeigt. Die folgende Tabelle fasst die Linsenverschiebungen für die beiden Fälle zusammen, die mit Staircase 1 und Staircase 2 bezeichnet sind.

SAC # 1 2 3 4 5 6 7 8 9

Auslenkung Treppe 1 (mm) -0.1 -0.1 -0.05 -0.05 0 0.05 0.15 0.3 0.6

Treppe 2 Verschiebung (mm) -0.1 -0.09 -0.07 -0.04 0 0.06 0.14 0.3 0.6
Wie gezeigt, weist Treppe 1 weniger unterschiedliche Linsenverschiebungen auf, d. h. sie enthält SAC-Linsen, die in etwa auf der gleichen Höhe verschoben sind, trotz der daraus resultierenden Zunahme der Restverschmutzung. Im Gegensatz dazu hat Treppe 2 unterschiedliche Linsenverschiebungen für jede der Linsen und entspricht eher dem idealisierten Fall aus , was zu weniger Restschmiere führt. Wie in gezeigt, beträgt der gesamte Bereich der Restverschmierung für die beiden Fälle etwa 0,09 mm bzw. 0,03 mm, was einer Verschlechterung der Strahlqualität in der langsamen Achse von etwa 2,6 % bzw. 0,9 % entspricht. Ausführungsformen der Erfindung reduzieren die Reststrahlverschmierung in der langsamen Achse, die aus der Neigungsverstellung von Verschachtelungsspiegeln resultiert, auf Werte unter ca. 3 mm, unter ca. 2 mm, unter ca. 1 mm, unter ca. 0,5 mm, unter ca. 0,1 mm oder unter ca. 0,05 mm. Ausführungsformen der Erfindung reduzieren die Degradation des Strahls in der langsamen Achse, die aus der Neigungsverstellung der Verschachtelungsspiegel resultiert, auf Werte unter ca. 10%, unter ca. 8%, unter ca. 5%, unter ca. 3%, unter ca. 2% oder unter ca. 1%.
Es ist bemerkenswert, dass die Restverschmierung von 5B das Verhalten von nur den mittleren Emittern jedes der Diodenstäbe 105 darstellt. Das heißt, 5B kann einem Beispiel entsprechen, in dem jeder Diodenbalken 105 durch einen Emitter ersetzt wird, der nur einen einzigen Strahl aussendet. In verschiedenen Ausführungsformen hat jedoch jeder der Diodenstäbe 105 mehrere Emitter und emittiert somit mehrere Strahlen. In verschiedenen Ausführungsformen kann ein Diodenbalken 105 oder eine andere Strahlquelle mit mehreren Emittern eine beliebige Anzahl von Emittern (und entsprechenden Strahlen) aufweisen, z. B. mehr als 8, mehr als 10, mehr als 20, mehr als 30, mehr als 40, von 10 bis 50 oder von 19 bis 46. Wie oben beschrieben, können Strahlen von nicht-zentralen Emittern auf jedem Balken aufgrund ihrer leicht unterschiedlichen Einfallswinkel auf das dispersive Element unterschiedliche Richtungsfehler (und daraus resultierende Strahlverschmierungen) aufweisen. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung sind die SAC-Linse und der Verschachtelungsspiegel für jeden Diodenbalken optimal zum mittleren Emitter des Diodenbalkens positioniert und gekippt. Daher kann es wünschenswert sein, Richtungsfehler und Strahlverschmierungen zu berücksichtigen, die mit den anderen Emittern jedes Diodenbalkens verbunden sind. Die und sind Diagramme der simulierten Unterschiede in der Streuung und den Richtungsfehlern für den linken und rechten Randemitter jedes Diodenbalkens relativ zum zentralen Emitter des Balkens. Es werden die Restverschmierungen angenommen, die sich aus der Verwendung von Staircase 1 aus ergeben. In der Simulation wird eine Balkenbreite (d. h. der Abstand zwischen dem linken und rechten Randemitter) von 9,4 mm verwendet. Wie gezeigt, beträgt der maximale Unterschied in der Strahlverschmierung im Vergleich zu der des mittleren Emitters weniger als 0,6 µm und der maximale Unterschied im Richtungsfehler weniger als 0,05 mrad, die beide einen vernachlässigbaren Einfluss auf die Leistung des WBC-Resonators 100 haben.
Die 7A-7D sind schematische Darstellungen des Resonators 100 in Nicht-WBC-Richtung, die jeweils den in Bezug auf die 2A-2D beschriebenen Fällen entsprechen. Jede der 7A-7D enthält einen einzelnen Diodenbalken 105, die SAC-Linse 115 und den mit dem Diodenbalken 105 verbundenen Verschachtelungsspiegel 120, das dispersive Element 110 und den Ausgangskoppler 155. Andere Komponenten des Resonators 100 sind der Einfachheit halber weggelassen worden. In 7A breitet sich der Resonatorstrahl 150 von der Diodenleiste 105 zum Ausgangskoppler 155 aus und ist durch eine durchgezogene Linie dargestellt. Da im Fall von 7A das dispersive Element 110 nicht gekippt ist, überlappt der Resonatorstrahl 150 die Mittellinie 700 senkrecht zum Ausgangskoppler 155, und die Reflexion erster Ordnung des Strahls in der Nicht-WBC-Dimension kann den Rückkopplungsstrahl vom Ausgangskoppler 155 nachteilig beeinflussen (d. h., indem er sich zurück zum Emitter ausbreitet). Der schwarze Punkt auf dem Verschachtelungsspiegel 120 stellt den Punkt dar, an dem der Resonatorstrahl auf den Spiegel 120 trifft und in Richtung des dispersiven Elements 110 reflektiert wird.
Wie in 7B gezeigt, wird, wenn das dispersive Element 110 um einen Winkel δ in die Nicht-WBC-Richtung (z. B. die langsame Achse) gekippt wird, ein Zeigerfehler mit einem Winkel α in den Resonatorstrahl 150 induziert. Der Richtungsfehlerwinkel α (in mrad) ist annähernd proportional zum Kippwinkel δ (in mrad) des dispersiven Elements 110 und der Gitterliniendichte p des dispersiven Elements (in Linien/µm). Der Richtungsfehlerwinkel ist auch ungefähr proportional zum Tangens von Δθ, dem Off-Littrow-Einfallswinkel (in WBC-Richtung) des Strahls (wie oben in Bezug auf beschrieben). Diese Beziehungen können durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden α ≈ 0,5 × 8 × p × tan(Δθ). In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann das dispersive Element 110 in der Nicht-WBC-Richtung (d.h. die langsame Achse) um einen Winkel von bis zu 5 mrad, bis zu 10 mrad, bis zu 15 mrad, bis zu 20 mrad, bis zu 25 mrad oder sogar bis zu 30 mrad gekippt werden. Die Neigung kann, in verschiedenen Ausführungsformen, mindestens 1 mrad, mindestens 2 mrad, mindestens 3 mrad oder sogar mindestens 5 mrad betragen.
Wie in 7C gezeigt, kann die Neigung des Verschachtelungsspiegels 120 um einen Winkel β in der Nicht-WBC-Dimension (z. B. die langsame Achse) eingestellt werden, um den Zeigerfehlerwinkel α zu eliminieren, der eine instabile Wellenlängenstabilisierung verursachen kann. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist die Neigung δ des dispersiven Elements 110 größer (z. B. etwa 10× größer oder sogar 100× größer) als der Zeigerfehlerwinkel α. Und, in verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung, die Verschachtelung Spiegel Neigung β ist etwa gleich der Pointing-Fehler-Winkel α.
Wie hier beschrieben, führt die Korrektur der Richtungsfehler in der Nicht-WBC-Richtung, die aus der Verkippung des dispersiven Elements resultieren, typischerweise zu einer erhöhten Strahlverschmierung in der Nicht-WBC-Richtung am dispersiven Element. Diese Strahlverschmierung ist in durch ΔS dargestellt. Wie in 7D gezeigt, führt eine Verschiebung der SAC-Linse 115 (d. h. so, dass der Strahl nicht auf die vertikale Mitte und/oder optische Achse der SAC-Linse 115 trifft) in der Nicht-WBC-Dimension (z. B. die langsame Achse) um einen Betrag T zu einem Versatz der Strahlposition am Verschachtelungsspiegel 120 um einen Betrag ΔS'. Wie in 7D angedeutet, ist dieser Versatz am Verschachtelungsspiegel ΔS' in verschiedenen Ausführungsformen: $Δ S' = D \times \frac{T}{f} = (L - D) \times β + ε$
wobei f die Brennweite der SAC-Linse 115 ist, D der optische Abstand zwischen der SAC-Linse 115 und dem Verschachtelungsspiegel 120 ist, L der optische Abstand zwischen der SAC-Linse 115 und dem dispersiven Element 110 ist und ε die Reststrahlverschmierung am dispersiven Element 110 ist. Da in Ausführungsformen der Erfindung die Reststrahlverschmierung auf annähernd Null reduziert wird und da, wie oben beschrieben, β annähernd gleich dem Pointing Error Winkel α ist, kann die Verschiebung T der SAC-Linse wie folgt ausgedrückt werden: $T \approx α \times f \times \frac{L}{D - 1} \approx 0,5 \times δ \times p \times tan (Δ θ) \times f \times \frac{L}{D - 1} .$
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung ist der optische Abstand L von der SAC-Linse 115 zu dem dispersiven Element 110 für alle verschiedenen Emitter annähernd gleich. Somit kann gemäß Ausführungsformen der Erfindung die SAC-Treppe, d. h. die Anordnung der SAC-Linsen-Offsets/Versetzungen, annähernd durch dargestellt werden: $T_{k} = 0,5 \times δ \times p \times tan (Δ θ_{k}) \times f \times \frac{L}{D_{k} - 1}$
wobei der tiefgestellte Index k für jeden Strahlemitter steht, d. h. k=1, 2, ... , n, wobei n die Anzahl der Strahlemitter ist. Wie aus dieser Gleichung ersichtlich, ist der erforderliche SAC-Linsenversatz umso größer, je kleiner der Abstand zwischen der SAC-Linse 115 und dem Verschachtelungsspiegel 120 ist. In Ausführungsformen, in denen der optische Abstand D von der SAC-Linse 115 zum Verschachtelungsspiegel 120 für jeden Strahlemitter annähernd gleich ist, folgen die SAC-Treppen-Offsets einer linearen oder im Wesentlichen linearen Beziehung proportional zu Δθk. Andere Ausführungsformen der Erfindung, wie die in den 4 und 5A gezeigt, umfassen im Wesentlichen parabolische SAC-Linsen-Treppenbeziehungen, zumindest teilweise aufgrund der Tatsache, dass Tk umgekehrt proportional zu Dk in solchen Ausführungsformen ist. Gemäß Ausführungsformen der Erfindung können die optischen Abstände D zwischen verschiedenen SAC-Linsen und ihren entsprechenden Verschachtelungsspiegeln variieren, und somit ist die Form der SAC-Linsentreppe nicht auf linear (oder im Wesentlichen linear) oder parabolisch (oder im Wesentlichen parabolisch) beschränkt, und die SAC-Linsentreppe kann nicht einmal monoton zunehmen; vielmehr kann sie schrittweise zunehmen (z. B. mit einem, zwei oder mehr Schritten der Verschiebung).
Ausführungsformen der Erfindung können SAC-Linsentreppen auch in WBC-Resonatoren enthalten, in denen keine Verschachtelungsspiegel verwendet werden. In solchen Ausführungsformen kann die SAC-Linsentreppe etwa wie folgt definiert sein: $T_{k} = 0,5 \times δ \times p \times tan (Δ θ_{k}) \times f .$
In solchen Ausführungsformen eliminieren die Verschiebungen des SAC-Linsenarrays im Wesentlichen die durch die Verkippung des dispersiven Elements verursachten Pointing-Fehler, können aber zu einer unkompensierten Reststrahlverschmierung am dispersiven Element führen. Eine solche Strahlverschmierung kann ungefähr wie folgt berechnet werden: $Δ S_{k} = \frac{L}{f \times T_{k}} .$
Das gleiche numerische Beispiel, das oben beschrieben wurde, aber ohne die Verwendung von Verschachtelungsspiegeln, führt zu einer Gesamtstrahlverschmierung am dispersiven Element von über 0,9 mm, was einer Verschlechterung der Strahlqualität in der langsamen Achse von über 25 % entspricht.
zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Verschachtelungsspiegels 120, der wie in gekippt ist. Die durchgezogene Linie entspricht dem einfallenden Strahl, der relativ zu der Mittellinie 700 aus dargestellt ist. Wie dargestellt, ist der Verschachtelungsspiegel 120 in der Nicht-WBC-Dimension (z. B. langsame Achse) gekippt (d. h. gedreht), und der einfallende Strahl wird vom Verschachtelungsspiegel 120 unter einem Winkel β in der Nicht-WBC-Richtung (z. B. langsame Achse) reflektiert.
In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung beträgt die Offset-Verschiebung einer SAC-Linse nicht mehr als ca. 5 % ihrer Brennweite, oder sogar nicht mehr als ca. 3 % ihrer Brennweite. Im obigen Zahlenbeispiel mit SAC-Linsen mit einer Brennweite von 50 mm kann beispielsweise die größte Verschiebung der SAC-Linsentreppe auf ca. 2,5 mm oder weniger oder sogar auf ca. 1,5 mm oder weniger begrenzt sein. In verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Offset-Verschiebung einer SAC-Linse mindestens etwa 0,1 %, mindestens etwa 0,2 %, mindestens etwa 0,5 % oder mindestens etwa 1 % ihrer Brennweite betragen.
In Ausführungsformen der Erfindung kann die Gesamthöhe einer SAC-Linsentreppe (d. h. der Bereich der Verschiebungen des SAC-Linsenarrays) reduziert werden, indem das dispersive Element in einem Winkel eingestellt wird, der kleiner ist als der Littrow-Winkel (in WBC-Richtung) für den mittleren (oder, in verschiedenen Ausführungsformen, einzigen) Emitter. Solche Ausführungsformen können eine geringfügig niedrigere Beugungseffizienz und eine geringfügig niedrigere Dispersionsleistung des dispersiven Elements aufweisen. Für das oben dargestellte numerische Beispiel verringert sich durch die Einstellung des Neigungswinkels des dispersiven Elements auf 1° weniger als der Littrow-Winkel die Gesamthöhe der SAC-Linsentreppe von etwa 0,7 mm auf etwa 0,4 mm.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die SAC-Linsentreppe über eine Verschiebung (z. B. eine vertikale Verschiebung, senkrecht zur Strahleinfallsrichtung) einer oder mehrerer der SAC-Linsen im WBC-Resonator erreicht werden. In anderen Ausführungsformen können die verschiedenen SAC-Linsen jeweils eine unterschiedliche Höhe in Richtung der langsamen Achse haben, so dass der Mittelpunkt jeder Linse (z. B. die optische Achse) in der richtigen Höhe angeordnet ist. In solchen Ausführungsformen können die Grundflächen der verschiedenen SAC-Linsen im Wesentlichen koplanar sein (müssen aber nicht), während die Mittelpunkte der SAC-Linsen um die gewünschten Beträge versetzt sind. In verschiedenen Ausführungsformen können sowohl die Position (z. B. die Basisposition) als auch die Höhe von zwei oder mehr der SAC-Linsen innerhalb einer Treppe variieren.
In verschiedenen Ausführungsformen sind die verschiedenen SAC-Linsen auf einer im Wesentlichen ebenen Plattform angeordnet, und die SAC-Linsen sind in verschiedenen Höhen über die Basis versetzt, z. B. über Abstandshalter oder Linsenbasen mit unterschiedlichen Höhen oder Dicken. In anderen Ausführungsformen können die verschiedenen SAC-Linsen und deren Sockel annähernd identisch in Größe und Form sein, und die gemeinsame Plattform kann selbst Bereiche unterschiedlicher Höhe definieren (z. B. Mesas oder andere Vorsprünge), auf denen die SAC-Linsen an den entsprechenden Stellen platziert werden können. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Verschiebung einer oder mehrerer der SAC-Linsen nach der Installation auf der gemeinsamen Plattform über z. B. einen oder mehrere Aktuatoren eingestellt werden.
In verschiedenen Ausführungsformen können Strahlverschmierungen und/oder Richtungsfehler verschiedener Strahlen zur anschließenden Korrektur durch Spiegelneigung und/oder Linsenverschiebung über ein Erkennungssystem erkannt werden, das überlappende Strahlen zur Untersuchung ihrer einzelnen Strahlkomponenten de-multiplexiert, wie in der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 62/797,438 beschrieben, die am 28. Januar 2019 eingereicht wurde und deren gesamte Offenbarung hier durch Bezugnahme aufgenommen ist. Beispielsweise können Strahlverschmierungen und/oder Pointing-Fehler erkannt werden, und die Neigung und/oder Verschiebung einzelner Komponenten kann durch einen menschlichen Bediener oder durch ein computergesteuertes Steuersystem (und mechanische Einstellvorrichtungen wie Aktuatoren, Schneckengetriebe usw.) eingestellt werden, wodurch die beobachteten Strahlverschmierungen und/oder Pointing-Fehler minimiert werden.
Die hier verwendeten Begriffe und Ausdrücke dienen der Beschreibung und nicht der Einschränkung, und es ist nicht beabsichtigt, durch die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale oder Teile davon auszuschließen, aber es wird anerkannt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Umfangs der beanspruchten Erfindung möglich sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

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Claims

Lasersystem, aufweisend: eine Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils einen oder mehrere Strahlen emittieren; ein dispersives Element zum Empfangen der Strahlen und Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombination (WBC) Dimension zu einem Multi-Wellenlängen-Strahl; eine Vielzahl von Kollimatoren, die optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts von dem dispersiven Element angeordnet sind, wobei jeder Kollimator den einen oder die mehreren Strahlen von einem Strahlemitter empfängt und den einen oder die mehreren Strahlen in einer Nicht-WBC-Dimension kollimiert; eine Vielzahl von Verschachtelungsspiegeln, die optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts von dem dispersiven Element angeordnet sind, wobei jeder Verschachtelungsspiegel den einen oder die mehreren Strahlen von einem Strahlemitter in Richtung des dispersiven Elements reflektiert; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Mehrwellenlängenstrahls von dem dispersiven Element, zum Übertragen eines ersten Teils des Mehrwellenlängenstrahls als Ausgangsstrahl und zum Reflektieren eines zweiten Teils des Mehrwellenlängenstrahls zurück in Richtung des dispersiven Elements, wobei: das dispersive Element in der Nicht-WBC-Dimension um einen Winkel ungleich Null gekippt ist, so dass Reflexionen erster Ordnung der Strahlen vom dispersiven Element von den Strahlemittern weg gerichtet sind, wodurch ein Richtungsfehler in den Mehrwellenlängenstrahl eingeführt wird, einer oder mehrere der Verschachtelungsspiegel in der Nicht-WBC-Dimension um einen von Null verschiedenen Winkel gekippt sind, um den Richtungsfehler des Mehrwellenlängenstrahls zu reduzieren, wodurch eine Strahlverschmierung in der Nicht-WBC-Dimension am dispersiven Element eingeführt wird, und optische Achsen von zwei oder mehr der Kollimatoren in der Nicht-WBC-Dimension gegeneinander versetzt sind, wodurch die durch die gekippten Verschachtelungsspiegel entstehende Strahlverschmierung reduziert wird.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer langsamen Achse der Strahlen entspricht.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer schnellen Achse der Strahlen entspricht.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Strahlemitter einen Diodenbarren umfasst, der so konfiguriert ist, dass er eine Vielzahl diskreter Strahlen emittiert.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei für einen ersten Strahlenemitter die Neigung des dispersiven Elements in der Nicht-WBC-Dimension einen Richtungsfehler mit einem ersten Winkel einführt; und der dem ersten Strahlemitter zugeordnete Verschachtelungsspiegel in der Nicht-WBC-Dimension um einen zweiten Winkel geneigt ist.
Lasersystem nach Anspruch 6, wobei der zweite Winkel ungefähr gleich dem ersten Winkel ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei alle Verschachtelungsspiegel in der Nicht-WBC-Dimension in einem von Null verschiedenen Winkel geneigt sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei mindestens zwei der Verschachtelungsspiegel in der Nicht-WBC-Dimension in unterschiedlichen Winkeln geneigt sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei alle bis auf einen der Verschachtelungsspiegel unter Winkeln ungleich Null in der Nicht-WBC-Dimension geneigt sind.
Lasersystem nach Anspruch 10, wobei der Verschachtelungsspiegel, der einem mittleren Strahlemitter zugeordnet ist, nicht in einem von Null verschiedenen Winkel in der Nicht-WBC-Dimension geneigt ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei zwei oder mehr der Verschachtelungsspiegel nicht in einem von Null verschiedenen Winkel in der Nicht-WBC-Dimension geneigt sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, das ferner in Verbindung mit jedem Strahlemitter (i) einen zweiten Kollimator und (ii) einen optischen Rotator zum Drehen des einen oder mehrerer Strahlen um etwa 90° umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 13, wobei jeder Kollimator ein Slow-Axis-Kollimator ist und jeder zweite Kollimator ein Fast-Axis-Kollimator ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Verschachtelungsspiegeln optisch stromabwärts der Mehrzahl von Kollimatoren angeordnet ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei ein optischer Abstand zwischen jedem der Kollimatoren und dem dispersiven Element ungefähr gleich ist.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren unterschiedlich sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren ungefähr gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, wobei die Höhen aller Kollimatoren ungefähr gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 1, das ferner einen oder mehrere Faltspiegel umfasst, die optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sind.
Ein Lasersystem, aufweisend: eine Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils einen oder mehrere Strahlen emittieren; ein dispersives Element zum Empfangen der Strahlen und Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombination (WBC) Dimension zu einem Multi-Wellenlängen-Strahl; eine Vielzahl von Kollimatoren, die optisch stromabwärts der Strahlemitter und optisch stromaufwärts des dispersiven Elements angeordnet sind, wobei jeder Kollimator den einen oder die mehreren Strahlen von einem Strahlemitter empfängt und den einen oder die mehreren Strahlen in einer Nicht-WBC-Dimension kollimiert; und einen teilreflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Mehrwellenlängenstrahls von dem dispersiven Element, zum Übertragen eines ersten Teils des Mehrwellenlängenstrahls als Ausgangsstrahl und zum Reflektieren eines zweiten Teils des Mehrwellenlängenstrahls zurück in Richtung des dispersiven Elements, wobei: das dispersive Element in der Nicht-WBC-Dimension in einem Winkel ungleich Null gekippt ist, so dass Reflexionen erster Ordnung der Strahlen von dem dispersiven Element von den Strahlemittern weg gerichtet sind, wodurch ein Richtungsfehler in den Mehrwellenlängenstrahl eingeführt wird, und optische Achsen von zwei oder mehr der Kollimatoren in der Nicht-WBC-Dimension gegeneinander verschoben sind, wodurch der durch das gekippte dispersive Element entstehende Richtungsfehler reduziert wird.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer langsamen Achse der Strahlen entspricht.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer schnellen Achse der Strahlen entspricht.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei das dispersive Element ein Beugungsgitter umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei mindestens einer der Strahlemitter einen Diodenbarren umfasst, der so konfiguriert ist, dass er eine Vielzahl diskreter Strahlen emittiert.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Kollimatoren eine Strahlverschmierung in der Nicht-WBC-Dimension am dispersiven Element einführen.
Lasersystem nach Anspruch 21, das ferner in Verbindung mit jedem Strahlemitter (i) einen zweiten Kollimator und (ii) einen optischen Rotator zum Drehen des einen oder mehrerer Strahlen um etwa 90° umfasst.
Lasersystem nach Anspruch 27, wobei jeder Kollimator ein Slow-Axis-Kollimator ist und jeder zweite Kollimator ein Fast-Axis-Kollimator ist.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei ein optischer Abstand zwischen jedem der Kollimatoren und dem dispersiven Element ungefähr gleich ist.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren unterschiedlich sind.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Höhen von zwei oder mehr der Kollimatoren ungefähr gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 21, wobei die Höhen aller Kollimatoren ungefähr gleich sind.
Lasersystem nach Anspruch 21, das ferner einen oder mehrere Faltspiegel umfasst, die optisch stromabwärts des dispersiven Elements und optisch stromaufwärts des Ausgangskopplers angeordnet sind.
Verfahren zum Ausrichten eines Lasersystems mit (i) einer Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen oder mehrere Strahlen emittieren, (ii) einem dispersiven Element zum Empfangen der Strahlen und zum Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombinations-Dimension (WBC) zu einem Multi-Wellenlängen-Strahl und (iii) einem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Multi-Wellenlängen-Strahls von dem dispersiven Element, zum Übertragen eines ersten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls als Ausgangsstrahl und zum Reflektieren eines zweiten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls zurück in Richtung des dispersiven Elements, wobei das Verfahren umfasst: Kombinieren von Strahlen, die von der Vielzahl von Strahlemittern emittiert werden, zu dem Multi-Wellenlängenstrahl am dispersiven Element; Einbringen eines Richtungsfehlers in den Mehrwellenlängenstrahl in einer Nicht-WBC-Dimension; Einführen einer Strahlverschmierung am dispersiven Element in der Nicht-WBC-Dimension, um den Richtungsfehler des Mehrwellenlängenstrahls zu reduzieren; und Reduzierung der Strahlverschmierung ohne Erhöhung des Richtungsfehlers des Mehrwellenlängenstrahls.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei der Richtungsfehler in den Mehrwellenlängenstrahl durch Kippen des dispersiven Elements in einem von Null verschiedenen Winkel in der Nicht-WBC-Dimension eingeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Strahlverschmierung durch Kippen eines oder mehrerer Verschachtelungsspiegel in einem von Null verschiedenen Winkel in der Nicht-WBC-Dimension eingeführt wird, wobei der eine oder die mehreren Verschachtelungsspiegel optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts von dem dispersiven Element angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Strahlverschmierung durch Verschieben der optischen Achsen von zwei oder mehr Kollimatoren voneinander in der Nicht-WBC-Dimension reduziert wird, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts von dem dispersiven Element angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren Slow-Axis-Kollimatoren sind.
Verfahren nach Anspruch 37, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren Fast-Axis-Kollimatoren sind.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer langsamen Achse der Strahlen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer schnellen Achse der Strahlen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 34, das ferner das Drehen der Strahlen um etwa 90° vor dem Kombinieren der Strahlen zu einem Multiwellenlängenstrahl umfasst.
Verfahren zum Ausrichten eines Lasersystems mit (i) einer Vielzahl von Strahlemittern, die jeweils so konfiguriert sind, dass sie einen oder mehrere Strahlen emittieren, (ii) einem dispersiven Element zum Empfangen der Strahlen und zum Kombinieren der Strahlen in einer Wellenlängen-Strahl-Kombinations-Dimension (WBC) zu einem Multi-Wellenlängen-Strahl und (iii) einem teilweise reflektierenden Ausgangskoppler zum Empfangen des Multi-Wellenlängen-Strahls von dem dispersiven Element, zum Übertragen eines ersten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls als Ausgangsstrahl und zum Reflektieren eines zweiten Teils des Multi-Wellenlängen-Strahls zurück in Richtung des dispersiven Elements, wobei das Verfahren umfasst: Kombinieren von Strahlen, die von der Vielzahl von Strahlemittern emittiert werden, zu dem Multi-Wellenlängenstrahl am dispersiven Element; Verhindern, dass sich Reflexionen erster Ordnung von dem dispersiven Element zurück zu der Vielzahl von Strahlemittern ausbreiten; und Reduzieruen eines Richtungsfehlers des Mehrwellenlängenstrahls.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei das Verhindern der Ausbreitung der Reflexionen erster Ordnung von dem dispersiven Element zurück zu der Vielzahl von Strahlemittern das Kippen des dispersiven Elements in einem von Null verschiedenen Winkel in der Nicht-WBC-Dimension umfasst.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei der Richtungsfehler durch Verschieben der optischen Achsen von zwei oder mehr Kollimatoren voneinander in der Nicht-WBC-Dimension reduziert wird, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren optisch stromabwärts von den Strahlemittern und optisch stromaufwärts von dem dispersiven Element angeordnet sind.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren Slow-Axis-Kollimatoren sind.
Verfahren nach Anspruch 45, wobei die zwei oder mehr Kollimatoren Fast-Axis-Kollimatoren sind.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer langsamen Achse der Strahlen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 43, wobei die Nicht-WBC-Dimension einer schnellen Achse der Strahlen entspricht.
Verfahren nach Anspruch 43, das ferner das Drehen der Strahlen um etwa 90° vor dem Kombinieren der Strahlen zu einem Mehrwellenlängenstrahl umfasst.