DE69324869T2

DE69324869T2 - Vielfachlasersystem mit schmaler Bandbreite

Info

Publication number: DE69324869T2
Application number: DE69324869T
Authority: DE
Inventors: Ronald R. Stephens
Original assignee: Hughes Electronics Corp
Current assignee: DirecTV Group Inc
Priority date: 1992-09-10
Filing date: 1993-09-09
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2013-09-10
Also published as: IL106983A0; EP0587154B1; IL106983A; JP2725980B2; DE69324869D1; US5386426A; EP0587154A2; EP0587154A3; JPH06181356A

Description

Diese Erfindung betrifft Lasersysteme, bei denen die Output-Bandbreite durch das Zurückführen von Laserstrahlen zu der Laserquelle über ein optisches Beugungsgitter reduziert wird, und genauer gesagt die Verwendung dieses Verfahrens für Laserdiodenarrays mit hoher Leistung.
In der Vergangenheit wurden Beugungsgitter bei externen Hohllasersystemen verwendet, um die Output-Bandbreite von einem Diodenlaser, insbesondere von einem Vielfachstreifen-Quanten- Well-Heterostruktur-Diodenlaser deutlich zu reduzieren. Indem ein kleiner Anteil seiner Ausgangsleistung zum Laser zurück reflektiert wird, kann die Linienbreite deutlich reduziert werden. Eine Übersicht der Verfahren, die verwendet wurden, um die Spektren von Diodenlasern zu reduzieren, wird in Wieman et al., "Using Diode Lasers for Atomic Physics", Rev. Sci. Instrum., Band 62, Nr. 1, Januar 1991, Seiten 1-20 gegeben. Die Entwicklungen, die in dieser Übersicht abgedeckt werden, sind auf Einzelelement-Einmoden-Einrichtungen beschränkt, die sehr enge spektrale Outputs bei niedrigen Leistungspegeln erzeugen.
Anwendungen der Beugungsgitter-Feedback-Verfahren auf Diodenlaser waren allgemein auf engbandige Laser mit Verstärkungskanalbreiten von ungefähr 3 bis 6 Mikron begrenzt (vergl. Patrick et al., "Frequency Stabilization of a Diode Laser Using Simultaneous Optical Feedback From a Diffraction Grating and a Narrow Band Fabry-Pero Cavity", Rev. Sci. Instrum., Band 62, Nr. 11, November 1991, Seiten 2595-2595) oder allenfalls auf optisch gekoppelte breitbandige Mehrfachstreifen-Laser mit Verstärkungskanalbreiten von ungefähr 100 Mikron (vergl. Epler et al., "Super Modes of Multiple-Stripe Quantum-Well Heterostructure Laser Diodes Operated (CW, 300 K) in an External- Grating Cavity", Journal of Armlied Physics, Band 57, Nr. 5, 1. März 1985, Seiten 1489-1494).
Die Arbeit in diesem Bereich war auf das Erreichen einer äusserst engen Emission einer einfachen longitudinalen Mode zentriert, oder auf der Erforschung der speziellen Modenstruktur in einem Forschungszusammenhang. Die Ausgangsleistung war nicht von primärer Bedeutung, und die Einrichtungen waren auf einige -zig Milliwatt begrenzt. Zum Beispiel in Harvey et al., "External-Cavity Diode Laser Using a Grazing-Incidence Diffraction Grating", Optics Letters, Band 16, Nr. 12, 15. Juni 1991, Seiten 9910-912 wurde ein Beugungsgitter verwendet, um die Linienbreite eines GaAlAs-Diodenlasers um einen Faktor von mehr als 1000 von 40 MHz auf weniger als 10 kHz zu reduzieren, während die Ausgangsleistung auf weniger als 20 mW begrenzt war; in dem oben erwähnten Epler-Artikel auf eine Bandbreite, die von 5 Moden mit 12 Å (1nm = 10 Å) auf 0,2 Å mit einer Mode mit einer Diodenausgangsleistung von 170 mW reduziert wurde.
Selbst wenn die Ausgangsleistung das Hauptziel ist, sind infolge von thermischen Verlusten breitflächige Einzelelement- Laser letztlich auf Leistungen von ungefähr 1 bis 2 Watt begrenzt. Jedoch gibt es Anwendungen, die erheblich grössere Leistungen erfordern. Insbesondere erfordern optisch gepumpte Upconversion-Laser schmalbandige Diodenpumpen von hoher Leistung, um die hohen Ausgangsleistungen und gute Effizienz bei der elektrisch/optischen Konversion zu erreichen, die für einen vollen kommerziellen Wert notwendig ist. Upconversion-Laser werden verwendet, um infrarote in sichtbare Strahlung umzusetzen; ein ganzfarbiger Upconversion-Laser, der von einem Infrarot-Laser mit einer einzigen Wellenlänge gepumpt ist, ist z. B. in McFarlane, Patent-Nr. 5 008 890 beschrieben, das auf Hughes Aircraft Company, den Anmelder der gegenwärtigen Erfindung, übertragen wurde. Arrays von räumlich getrennten (und somit optisch isolierten) Lasern, die sich über Abstände in der Grössenordnung von einem Zentimeter erstrecken, sind notwendig, um Strahlleistungen im Bereich von 5-20 Watt zu erzeugen, die zum Pumpen eines Upconversion-Lasers erwünscht sind. Ein Diodenlaser wurde zuvor verwendet, um einen Upconversion-Laser zu pumpen, jedoch nur in Zusammenhang mit einem einzigen Einmoden- Diodenpumplaser mit 0,1 Watt enger Breite, der eine Ausgangsleistung von ungefähr 2 mW bei 551 nm erreichte (Hebert et al., "Diode-Laser-Pumped 551 nm Upconversion -Laser in YLiF&sub4;: Er³&spplus;", Proceedings of Advanced Solid State Laser Conference Six, Optical Society of America, Washington, D. C. 1990, Seiten 379-383.
Die Verfahren, die zuvor verwendet wurden, um die Emissionsspektren von einfachen Diodenlasern zu reduzieren, sind nicht direkt auf ein Laserarray mit viel höherer Leistung übertragbar. Dies ist in den Fig. 1 bis 3 verdeutlicht, in denen herkömmliche Ein-Dioden-Systeme mit enger Bandbreite in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind, wobei Fig. 3 die Konsequenzen der Verwendung derselben Systeme in einer Laserarray-Umgebung verdeutlicht. In Fig. 1 ist eine Laserdiode 2 dargestellt, die einen divergierenden Output-Lichtstrahl 4 aussendet, der mittels einer sphärischen Linse 6 kollimiert wird (der Begriff "Licht" bezieht sich hier auf optische Emissionen im allgemeinen und ist nicht auf sichtbares Licht beschränkt). Der kollimierte Strahl, der vom Laser 2 in einem polarisierten Zustand emittiert wird, wird über eine Halbwellenplatte 8 zu einem polarisierenden Strahlteiler 10 übertragen, der den Strahl in eine Output-Komponente 12, die durch den Strahlteiler übertragen wird, und in ein rückgeführtes Element 14 aufteilt, das von dem Strahlteiler zu einem Beugungsgitter 16 reflektiert wird. Die Winkelorientierung der Halbwellenplatte 8 bestimmt das Verhältnis zwischen den Output- bzw. Feedback-Strahlkomponenten 12 und 14. Die Feedback-Komponente 14, die normalerweise einen kleineren Teil der Strahlleistung repräsentiert, wird von dem Beugungsgitter 16 in der üblichen Weise zurück reflektiert, gelangt zu dem polarisierenden Strahlteiler 10 zurück und wird davon durch die Halbwellenplatte 8 und die Linse 6, die sie auf den Laser 2 fokussiert, zurück reflektiert. Es hat sich gezeigt, dass dieses Feedback eines Teiles des Laseroutputs zu einer ausgeprägten Verengung des Emissionsspektrums des Lasers führt. Es sollte erwähnt werden, dass der Laserstrahl symmetrisch zu einer Systemachse 18 zentriert ist, so dass die Feedback-Strahlkomponente 14 genau entlang eines Rückweges zurück zu dem Laser zurück geführt wird.
Fig. 2 zeigt eine andere herkömmliche Ausführung, bei der der Output von Laser 2 wieder durch eine Linse 6 kollimiert wird. Bei dieser Ausführung ist jedoch ein Beugungsgitter 16' direkt im Weg des Strahles, der von der Linse 6 ausgeht, angeordnet. Das Beugungsgitter 16' ist teilweise reflektierend und teilweise durchlässig, so dass der System-Output die Strahlkomponente 12' ist, die durch das Gitter übertragen wird; die Feedback-Komponente 14' ist der Teil, der entlang der Systemachse 18' durch die Linse 6 zu dem Laser 2 zurück reflektiert wird. Die Aufteilung des ursprünglichen Laserstrahls in die Output- und Feedback-Komponenten wird durch eine geeignete Auswahl der Tiefen und Formen der Rillen 20 (auch Linien genannt), in dem Beugungsgitter 16' auf bekannte Weise kontrolliert. Wie bei Fig. 1 stellt die Strahlensymmetrie zu der Systemachse 18' eine Rückkehr der Feedback-Komponente zu dem Quell-Laser sicher.
Die Situation verändert sich, wenn der einzige Laser 2 durch ein Mehrfach-Laserarray ersetzt wird, um höhere Strahlleistungen zu erzielen. Diese Situation ist in Fig. 3 für ein System dargestellt, das dem in Fig. 2 gezeigten entspricht; eine ähnliche Antwort wird erzeugt, falls ein Mehrfach-Laser- Array in das System von Fig. 1 eingeführt wird. Das Laser-Array 22 ist als ein Quer-Array von räumlich beabstandeten Lasern 22a, 22b und 22c gezeigt, die in einer herkömmlichen Weise hergestellt und optisch voneinander isoliert sind. Obwohl nur drei Laser gezeigt sind, würde normalerweise eine grössere Anzahl erforderlich sein, um die hohen Leistungen zu erzielen, die bei einem zufriedenstellenden Upconversion-Laser-Pumpen notwendig sind. Die Laser gemäss Fig. 3 sind von oben dargestellt, mit der Ebene des Lasers parallel zu der Laserebene. Zum Zwecke der weiteren Diskussion bezieht sich der Ausdruck "vertikal" auf eine Richtung die senkrecht zu der Ebene der Laserdioden- Verbindungen steht, während sich der Ausdruck "horizontal" auf eine Richtung parallel zur Laserebene bezieht.
Es ist eine Systemachse 18" gezeigt, die sich von dem zentralen Laser 22b durch die Mitte einer sphärischen Linse 6' (grösser als die Linse 6 in den Fig. 1 und 2 dargestellt, um die Ausdehnung des Laserarrays 22 zu erlauben) und zu dem Beugungsgitter 16' mit Rillen 20 erstreckt. Nimmt man den obersten Laser 22a, so ist sein Output-Strahl 4' ungefähr durch die Linse 6' kollimiert. Da der Laser 22a sich jedoch ausserhalb der Linsenachse befindet, wird der Strahl von der Linse in einem Winkel zur Achse gerichtet, anstelle von parallel wie in den Fig. 1 und 2. Der zurückgeführte Strahl 24 trifft auf das Beugungsgitter 16' in einem nicht rechtwinkligen Winkel auf die Beugungslinien 20 auf. Die horizontale Komponente von Licht, das auf das Beugungsgitter in diesem Winkel auftrifft, wird von dem Beugungsgitter mit einem gleichen Winkel auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse 18" reflektiert, was zu einem reflektierten Strahl 26 führt, der nicht auf dem ursprünglichen Strahlweg zurückläuft und sogar die Linse 6' vollständig verfehlen kann. Die von dem Strahl übertragene Komponente 28 verlässt das System in einem Winkel zur Systemachse, jedoch kann dieses mit einer entsprechenden anderen Anordnung der zu dem System externen Elemente aufgefangen werden. Jedoch verhindert die fehlende Zurück-Reflektion der reflektierenden Strahlenkomponente 26, dass diese Komponente zu ihrer Laserquelle zurückkehrt. Infolgedessen wird die gewünschte Verengung der Output- Bandbreite nicht erreicht.
Aus Free-Space Laser Communication Technologies II, Proceedings of the SPIE, The International Society For Optical Engineering, 15.-17. Januar 1990, Los Angeles California, U. S. A, Band 1218, Seiten 278-284, S. C. Wang et al., ist ein engbandiges Laser-Array-System gemäss dem Oberbegriff von Anspruch 1 bekannt. Das bekannte System verwendet ein Eigeninjektions-Halteverfahren, um eine Oszillation mit einer einzigen Frequenz und eine einzige Strahlkeulen-Emission zu erreichen. Einer der Oszillationsmoden des Multimoden-Laserdioden-Array wird als Injektionsquelle zum Halten der Laser-Array- Oszillation auf der bestimmten Mode verwendet. Ein kleiner Anteil der Laser-Output-Leistung wird über einen Strahlteiler abgenommen und durch ein Etalon geleitet. Die Mehrfach- Oszillationsmoden des Lasers werden von dem Etalon herausgefiltert, um nur die Übertragung einer bestimmten Mode zu erlauben, die mit der Übertragungsmode des Etalons übereinstimmt, während alle anderen Moden abgeblockt werden. Diese besondere Mode wird dann in das Laser-Array zurückgespeist, wodurch das Laser-Array gezwungen wird, in der Frequenz dieser speziellen Mode zu schwingen. Da nur ein kleiner Teil der Ausgangsleistung des Laser-Arrays zum Injektionshalten verwendet wird, wird der Hauptteil der Ausgangsleistung des Laser-Arrays, der mit der Schwingungsoptik kolinear ausgerichtet ist, kaum durch den Eigeninjektionszustand beeinträchtigt.
Aus Applied Physics Letters, Band 58, Nr. 23, 10. Juni 1991, New York, US, Seiten 2586-2588, R. Waarts et al., ist ein lineares Array mit 20 Elementen aus einzelnen Quer-Moden- Halbleiterlasern bekannt, die in einem externen Talbot-Hohlraum betrieben werden. Der Hohlraum besteht aus einem Laserdioden- Array, einem Abbildungssystem und einem teilweise reflektierenden flachen Ausgangsspiegel. Das Laserdioden-Array besteht aus 20 Einmoden, Index-geführten Wellenleitern, die auf Zentren von 50 Mikrometer beabstandet sind. Das Abbildungssystem kollimiert das Licht senkrecht zu dem Array und besteht aus einer sphärischen Linse zum Kollimieren, gefolgt von einer Zylinderlinse, die ein Bild des Arrays in der Richtung parallel zu dem Array erzeugt, während die Kollimierung senkrecht zu dem Array nicht beeinträchtigt wird.
Ferner sei auf die US-A-4 656 641 hingewiesen, die ein optisches Laserhohlraumsystem zu einem solchen Stabilisieren der dominanten Laser-Fernfeld-Lobe offenbart, dass keine Strahlverschiebung auftritt. Das optische Laserhohlraumsystem umfasst ein Linsensystem, das an einer Facette eines Phasenarray- Halbleiter-Lasers positioniert ist, um das Nahfeld-Muster des Lasers, das eine einzige Strahlmittelposition in einer ersten Richtung umfasst, abzubilden und um das Fernfeld-Muster in einer zweiten Raumrichtung zurück abzubilden, nachdem zunächst das Fernfeld-Muster in der zweiten Raumrichtung auf eine einzige Mittelposition fokussiert wurde. Das optische System kann einen externen optischen Hohlraum aufweisen, der optisch mit der rückwärtigen Facette des Lasers gekoppelt ist und eine sphärische Linse aufweist, um den Strahl in der vertikalen Ausbreitungsrichtung zu kollimieren. Der Weg des kollimierten Strahls wird auf ein Beugungsgitter gerichtet, das wie ein Spektralfilter wirkt, das eine wellenlängenselektive Reflexion zurück zu dem vielfach emittierenden optischen Hohlraum des Lasers bewirkt, um eine Wellenlängenkontrolle zu erreichen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Lasersystem anzugeben, das eine enge Output-Bandbreite besitzt und dennoch mit einem Vielfachdioden-Laserarray arbeitet, um Ausgangsleistungen zu erzeugen, die deutlich höher als die mit Lasersystemen mit einzelnen Dioden erzeugten sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Laserarray-System gemäss Anspruch 1 gelöst. Die Erfindung verwendet gemäss Anspruch 1 ein Array von optisch isolierten, unabhängigen Laserelementen, die vorbestimmte Emissionsspektren besitzen. Ein optisches Übertragungssystem wird verwendet, das wenigstens einen Teil der Out puts von den Lasern auf ein vertikal aufspreizendes Reflexionselement richtet, das wenigstens teilweise für die Strahlung innerhalb der Emissionsspektren der Laser reflektierend ist und bei dem es sich um ein optisches Beugungsgitter handelt. Das optische Übertragungssystem richtet ferner wenigstens einen Teil der Laserstrahlung, die von dem Reflexionselement reflektiert wird, zurück auf das Laser-Array, um die Bandbreite der von dem Array emittierten Ausgangsstrahlung deutlich zu reduzieren. Wegen der vertikalen Dispersion wird nur eine kleine Bandbreite der ursprünglichen Strahlung zurück zu dem Laser- Array gerichtet.
Das optische Übertragungssystem gemäss Anspruch 1 besteht aus einem Vielfach-Linsensystem mit einer ersten Linse, die anfangs die Outputs von wenigstens einigen der Laser entlang von Offset-Wegen richtet, die nicht zu dem Laser-Array zurückführen, und aus einer zweiten Linse, die die Offset-Wege zurückrichtet, so dass sie nach der Reflexion von dem Beugungsgitter zu dem Laser-Array zurückführen. Die Linsen können so eingerichtet werden, dass sie nach der Reflexion von dem Beugungsgitter die Laser-Outputs zurück zu denselben Lasern richten, von denen sie ausgingen, oder zu anderen Lasern, als von denen sie ausgingen. Im letzteren Fall sind die Laser vorzugsweise symmetrisch auf gegenüberliegenden Seiten der Systemachse angeordnet, und das doppellinsige Übertragungssystem führt einen Teil des Outputs der Laser auf jeder Seite der Achse zu den entsprechend angeordneten Lasern auf der gegenüberliegenden Seite der Achse zurück.
Das System kann auch dazu ausgebildet sein, einen Teil der Laserstrahlen zurück auf das Laser-Array zur spektralen Ver engung zu leiten, während ein anderer Teil der Strahlen, die eine reduzierte Winkeldivergenz besitzen, als ein Output-Strahl ohne Reflexion an dem Gitter übertragen wird. Anwendungen dieses Verfahrens schliessen einen Spiegel mit einer mittigen Öffnung im Weg der Laserstrahlen ein und einen Reflektor für nur eine Lobe eines Strahlen-Arrays, wenn das Array ein Fernfeld- Ausgangsmuster mit einer Mehrfach-Loben-Leistungsverteilung aufweist.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden Fachleuten aus der folgenden detaillierten Beschreibung im Zusammenhang mit der zugehörigen Zeichnung deutlich. Es zeigen:
Fig. 1 und 2 Blockdiagramme, wie oben beschrieben, von herkömmlichen Systemen zum Verengen der Emissionsspektren von einfachen Laserdioden;
Fig. 3 ein Blockdiagramm, wie oben beschrieben, das die Konsequenzen der Anwendung des Systems gemäss Fig. 2 auf ein Mehrfach-Laser-Array zeigt;
Fig. 4a und 4b Blockdiagramme, die die emittierenden Öffnungen von zwei Laserdioden-Arrays mit hoher Leistung zeigen, die bei der gegenwärtigen Erfindung verwendet werden können;
Fig. 5 ein Blockdiagramm einer Ausführung der Erfindung, die ein reflektierendes Beugungsgitter in einem separaten Zweig eines optischen Übertragungssystems verwendet;
Fig. 6 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführung der Erfindung, die ein teilweise reflektierendes/teilweise durchlässiges In-Line-Beugungsgitter verwendet;
Fig. 5 bis 7 Blockdiagramme von Ausführungen, bei denen zum Zwecke der Verengung der spektralen Bandbreite die Outputs der einzelnen Laser in einem Array zurück zu den Lasern auf die gegenüberliegende Seite der Systemachse geführt werden;
Fig. 10 bis 12 Blockdiagramme von Ausführungen, bei denen zum Zwecke der spektralen Verengung ein Teil der Outputs von einem Laser-Array zu denselben Lasern, von denen sie ausgingen, zurückgeführt werden;
Fig. 13 bis 15 Graphiken der experimentellen Ergebnisse, die mit dem System gemäss Fig. 10 erreicht wurden, die jedoch mit der Seitenarm-Geometrie gemäss Fig. 5 implementiert wurden;
Fig. 16 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführung, bei der ein Teil des Outputs von einem Laser-Array zur Verengung der Bandbreite zurückgeführt wird, mit einem winkelmässig weniger divergenten Anteil, der als Output von dem System übertragen wird;
Fig. 17 eine Graphik, die die Leistungsverteilung zwischen den Feedback- und Output-Anteilen des Strahls in dem System gemäss Fig. 16 verdeutlicht;
Fig. 18 eine Graphik, die ein Vielfach-Loben-Fernfeld- Profil von einem speziellen Laser-Array zeigt;
Fig. 19 ein Blockdiagramm eines optischen Systems, in dem eine Lobe des Fernfeld-Profils gemäss Fig. 18 zur Verringerung der Bandbreite verwendet wird, und die andere für einen Output- Stahl mit geringer Divergenz, und
Fig. 20 und 21 Graphiken, die jeweils die winkelmässige Fernfeld-Dispersion und das von dem Output-Strahl des Systems gemäss Fig. 19 erzeugte Gesamtspektrum zeigen.
Die gegenwärtige Erfindung gibt ein System an, das auf verschiedene Weisen implementiert werden kann, um einen Laser- Output mit enger Bandbreite und hoher Leistung zu erzeugen, der zur Verwendung als ein Pump-Strahl bei Upconversion-Lasern geeignet ist. Sie verwendet ein Array von getrennten Lasern, vorzugsweise Dioden-Lasern, um einen Gesamt-Output mit der notwendigen Leistung zu erreichen. Dioden-Laser mit Ausgangsleistungen von mehr als 2 Watt sind gegenwärtig als Arrays mit breitflächigen Laserelementen erhältlich. Die Laser sind durch passive Bereiche getrennt, in denen kein Treiberstrom fliesst, die jedoch ein seitliches Ableiten von Wärme erlauben, um eine Wärmeableitung zu unterstützen. Die passiven Bereiche dienen auch dazu, die Laserelemente optisch voneinander zu isolieren, so dass das Array als eine Zusammenstellung von einzelnen oder diskreten Laserelementen aufgefasst werden kann, die sich über einen erheblichen Abstand erstrecken.
Beispiel von zwei kommerziell erhältlichen AlGaAs- Laserdioden-Arrays, die Licht-Outputs ungefähr in dem 800 nm- Band erzeugen, sind in den Fig. 4a bzw. 4b dargestellt. In Fig. 4a ist die emittierende Öffnung einer Einrichtung mit 3 Watt dargestellt, die von Spectra Diode Laboratories, Inc. mit der Teilenummer SDL-2482 geliefert wurde. Sie schliesst vier Laserelemente 30 ein, die jeweils 120 Mikron breit sind und voneinander durch passive Abschnitte 32 getrennt sind, die jeweils 10 Mikron breit sind, was eine Gesamtbreite von ungefähr 500 Mikron ergibt. In Fig. 4b ist ein Array mit 10 Watt, das als SDL-3490-S bezeichnet ist, mit 12 Lasersegmenten 34 dargestellt, die jeweils 200 Mikron breit sind, getrennt von 600 Mikron breiten passiven Abschnitten 36, so dass sich eine Gesamtbreite von ungefähr 1 cm ergibt. Beide Bereiche sind auf Wellenleitern von ungefähr 1 Mikron Dicke ausgebildet.
Eine verallgemeinerte Ausführung der Erfindung, die die Verwendung von Hochleistungs-Laserarrays wie die in den Fig. 4a und 4b dargestellten erlaubt, ist in Fig. 5 gezeigt. Sie ist in gewisser Weise dem Ansatz gemäss dem herkömmlichen in Fig. 1 gezeigten System ähnlich, erreicht jedoch einen Output mit hoher Leistung und enger Bandbreite, wozu das System gemäss Fig. 1 ungeeignet ist. Sie verwendet ein Array 38 aus optisch isolierten, voneinander unabhängigen Laserelementen 38a, 38b.. 38n, wobei n die Gesamtzahl von Laserelementen in dem Array ist. Eine erste Linse L&sub1;, die als eine sphärische Linse dargestellt ist, kollimiert die Strahlen 40 von dem Laser-Array annähernd in Strahlen 42. Obwohl die Strahlen 42 im wesentlichen parallel zu der Systemachse 44 gezeigt sind, die sich durch die Mitte des Laser-Arrays und der Linse L&sub1; erstreckt, sind die Strahlen in der Praxis etwas gegenüber der Systemachse versetzt. Nachfolgend sind verschiedene unterschiedliche Ausführungen von Systemoptiken beschrieben, die die Strahlen entlang unterschiedlicher Gesamtwege richten; im allgemeinen richtet die erste Linse L&sub1; die Strahlen entlang von Offset-Wegen, die falls sie nicht korrigiert werden, nicht zu einer geeigneten Rückkehr eines Teils des Strahls zurück zu dem Laser-Array führen, um eine Verengung der Bandbreite zu bewirken. Da Diodenlaser typischerweise Licht mit einer vertikalen Winkeldivergenz in der Grössenordnung von 90º und mit einer horizontalen Winkeldivergenz in der Grössenordnung von 10º emittieren, sollte die Linse L&sub1; gross genug sein, um diese Divergenz zu erlauben, und um eine Brennweite von dem Laser-Array entfernt angeordnet sein, um die gewünschte Kollimierung zu erzielen.
Der Strahl gelangt von der Linse L&sub1; durch eine Halbwellenplatte 46 zu einem polarisierenden Strahlteiler 48, der einen Teil des Strahls zurück zu einem optischen Beugungsgitter 50 reflektiert und den verbleibenden Teil des Strahls 52 als ein System-Output überträgt. Die Halbwellenplatte 46 und der polarisierende Strahlteiler 48 funktionieren gemeinsam als ein variabler Strahlteiler; die Halbwellenplatte 46 dreht die Strahlpolarisation des Laser-Arrays, und der Grad der Drehung bestimmt die Strahlanteile, die übertragen und von dem polarisierenden Strahlteiler 48 reflektiert werden. Die Strahlenkomponente, die entlang einer Achse polarisiert ist, wird als der System-Output übertragen, während die Strahlenkomponente, die entlang einer zweiten zu der ersten Achse senkrechten Achse polarisiert wird, zu dem Beugungsgitter 50 zurückgeführt wird.
Eine zweite Linse L&sub2;, die vorzugsweise eine zylindrische Linse ist, die Licht nur in der horizontalen Ebene fokussiert, ist in den Weg des reflektierten Strahls zwischen den polarisierenden Strahlteiler 48 und das Beugungsgitter 50 eingefügt. Die Linse L&sub2; richtet die vom Strahlteiler reflektierten Strahlen auf neue Wege aus, die das Beugungsgitter 50 schneiden, und zurück durch L&sub2; und L&sub1; zu dem Laser-Array. Dies kann erreicht werden, indem die reflektierten Strahlen auf eine gemeinsame Fläche 54 des Beugungsgitters fokussiert werden, wie in der Figur dargestellt. Da diese Einfallsebene parallel zu den Gitterlinien ist, wird das Licht, das das Beugungsgitter erreicht, nicht zurück reflektiert, sondern statt dessen entlang eines symmetrischen Weges auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse zurück reflektiert.
Nach einer Rekollimation durch die zweite Linse L&sub2; werden die vom Beugungsgitter 50 zurückkehrenden Strahlen wieder durch den polarisierenden Strahlteiler 48 zurück durch die Halbwellenplatte 46 und die Linse L&sub1; reflektiert, die sie auf das Laser-Array 38 fokussiert. Da sich die reflektierten Strahlen nun jedoch auf den gegenüberliegenden Seiten der Systemachse befinden, von denen sie ausgingen, werden sie nicht zu ihren individuellen Laserquellen zurück reflektiert. Statt dessen wird jeder Strahl auf den Laser reflektiert, der symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse angeordnet ist. Zum Beispiel wird der reflektierte Teil des Strahls, der vom Laserelement 38a ausging, zu dem Element 38n zurückgeführt, der reflektierte Teil des Strahls vom Element 38b wird zurück zum Element 38n-1 geführt, usw. Obwohl der Rückführweg von jedem Laser zu einem anderen Laser führt, und nicht zurück zu dem aussendenden Laser, hat sich gezeigt, dass dies zu einer Verengung der Output-Bandbreite führt, die mit derjenigen vergleichbar ist, die mit herkömmlichen breitflächigen Einzellaser- Systemen erreicht wurde.
Anstatt die Strahlen auf die gemeinsame Gitterfläche 54 zu fokussieren, können die Strahlen von jedem der Laserelemente durch die Linsen L&sub1; und L&sub2; auf diskrete Stellen an der gegen überliegenden Seite der Seitenarmachse 44a von den aussendenden Lasern gerichtet werden. In diesem Fall würden die Strahlen das Gitter parallel zu der System-Seitenarmachse 44a treffen und würden zurück zu den aussendenden Lasern reflektiert. Solch ein System ist nachfolgend in Zusammenhang mit Fig. 9 beschrieben, jedoch mit einer In-Line-Geometrie.
Die Halbwellenplatte 46 und die polarisierenden Strahlteile 48 sind dazu justiert, einen kleinen Anteil des Lichtes von dem Laser-Array 38, vorzugsweise ungefähr 20%, auf das Beugungsgitter 50 auszukoppeln. Das Gitter ist typischerweise in der ersten Ordnung angelascht und in einer Littrow-Anordnung erster Ordnung befestigt, so dass das vertikal dispergierte Licht direkt zu dem Laser-Array zurück reflektiert wird. Bei einer geeigneten Anordnung der Linsen L&sub1; und L&sub2; wird Licht, das von dem Gitter zurück reflektiert wird, einer Abbildung des Laser-Arrays auf sich selbst erzeugen. Wegen der vertikalen Dispersion wird nur eine enge Bandbreite der ursprünglichen Strahlung in die 1 Mikron hohen Laser-Wellenleiter zurück gekoppelt. Falls der Feedback von dem Gitter gross genug ist, löscht er die freilaufenden (Null-Gitter-Feedback) Lasermoden aus, und alle Elemente des Arrays emittieren im wesentlichen dieselbe enge Bandbreite.
Die Bandbreite B der Strahlung, die in das Array zurück gekoppelt wird, gehorcht näherungsweise der Formel: B=HDcos (G)/f&sub1;M, wobei H die halbe Höhe des Laser-Wellenleiters ist, D der Linien- oder Rillenabstand des Gitters, G der Winkel zwischen der Gitternormalen und dem einfallenden/reflektierten Licht ist, f&sub1; die Brennweite von L&sub1; ist und M die Ordnung des Gitters ist. Die Bandbreite wird durch Fehlausrichtung der Op tik und Unzulänglichkeiten der optischen Komponenten vergrössert, da diese Bedingungen zum Verschieben und Verschmieren des zurück reflektierten Bildes der emittierenden Laser-Array- Facette tendieren. Die erste Linse L&sub1; sollte eine sehr gute durch Beugung begrenzte optische Güte haben, da diese Linse bei voller Blende verwendet wird und hauptsächlich zur Bildung der 1 Mikron grossen Einzelheiten in dem zurück reflektierten Bild verantwortlich ist.
Die Bandbreite wird ferner im Fall von unvollständiger Unterdrückung der freilaufenden Lasermoden vergrössert, die einen Dauer-Feedback durch Reflexionen an den Output-Facetten des Laser-Arrays erhalten. Idealerweise sollte die Output-Facette mit einer Antireflexionsschicht versehen sein und das System als ein externer Hohl-Laser betrieben werden, in dem das Gitter 50 als einer der Resonatorspiegel arbeitet. Jedoch haben die gegenwärtig erhältlichen Dioden-Arrays mit hoher Leistung sehr grosse Verstärkungen und demnach ist die Facettenbeschichtung für einen maximalen Output normalerweise zu etwa 5-10% reflektierend. Für solche niedrige Reflexionsgrade ist kein grosser Anteil von Feedback notwendig, um die freilaufenden Moden zu überlagern, und es hat sich gezeigt, dass erhältliche Laser- Arrays ohne spezielle Beschichtungen relativ gut arbeiten, mit nur kleinen Anteilen von Feedback. In diesem Fall funktioniert das System als ein eigenerregtes Laserdioden-Array.
Um eine Schätzung der erforderlichen Feedback-Leistung zu erhalten, wurde eine Anzahl von eigenerregten Experimenten mit standardmässig antireflexionsbeschichteten (5-10% reflektierend) Lasern durchgeführt. Es hat sich gezeigt, dass eine Unterdrückung der freilaufenden Moden auftrat, sofern lediglich 1 % bis 2% des geschätzten Laser-Outputs von dem externen Master-Laser eingekoppelt wurden; die Ergebnisse waren im wesentlichen unabhängig von der Facettenbeschichtung.
Anstelle des polarisierenden Strahlteilers 48 und der Halbwellenplatte 46 könnte auch der teilweise reflektierende Strahlteiler verwendet werden. In diesem Fall würde eine Halbwellenplatte in den Seitenarm eingefügt, um die Strahlpolarisation zum Zwecke einer maximalen Reflexion am Gitter zu drehen.
Eine andere verallgemeinerte Anordnung für das schmalbandige Laserdioden-Array-System ist in Fig. 6 gezeigt. In diesem Fall ist ein Gitter 50', das teilweise reflektierend ist und teilweise durchlässig ist, ausgerichtet mit dem Output-Strahl befestigt, und keine Halbwellenplatte oder polarisierender Strahlteiler ist erforderlich. Der Ausgangsstrahl 52 wird direkt durch das Gitter 50' übertragen, was zu einem kompakteren System führt, jedoch besteht der Nachteil, dass die volle Leistung des Laser-Arrays auf das Gitter auftrifft. Eine andere potentielle Einschränkung besteht darin, dass für den Fall, dass eine Abblendung notwendig ist, um die Bildqualität des Laser-Arrays zu verbessern, dies im Strahl mit voller Leistung durchgeführt werden muss, was demnach zu Verlusten führt. Wie bei der Seitenarmgeometrie von Fig. 5 werden zwei Linsen L&sub1; und L&sub2; mit dem In-line-Verfahren gemäss Fig. 6 verwendet.
Es können verschiedene optische Konfigurationen benutzt werden, um das Beugungsgitter wirkungsvoll mit dem Laser-Array zu koppeln, sowohl bei der Seitenarmgeometrie gemäss Fig. 5 als auch bei der In-line-Geometrie gemäss Fig. 6. Die spezielle Konfiguration, die verwendet wird, wird von der Grösse des Arrays abhängen, davon ob ein Feedback zu denselben Laser- Elementen, von denen die Strahlen ausgingen oder zu Laserelementen auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse gewünscht ist, von der Verfügbarkeit der notwendigen Optik und von den Anforderungen an die gesamte Systemgrösse. Bei den folgenden Beispielen wird eine In-line-Gitteranordnung in Anlehnung an Fig. 6 angenommen, obwohl die Beispiele gleichfalls auf die Seitenarmgeometrie gemäss Fig. 5 anwendbar sind. Die Inline- und die Seitenarmgeometrie sind für diesen Zweck gleichwertig. Die Fig. 7 bis 10 zeigen "symmetrische" Feedbacksysteme, bei denen Licht von Laserelementen auf einer Seite der Systemachse 44' zu symmetrisch angeordneten Laserelementen auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse zurückgeführt wird. Diese Art von Feedback kann für grosse Einrichtungen wichtig sein, bei denen Gradienten in der durch Geometrie des AlGaAs auftreten können, was zu Wellenlängenverschiebungen entlang des Arrays führt. Der Austausch von Licht zwischen den gegenüberliegenden Hälften des Arrays macht es voraussichtlich leichter, das gesamte Array auf die Feedback-Wellenlänge festzulegen.
In Fig. 7 sind die emittierenden Enden des Laserelements 38 entlang einer Linie A an der rückwärtigen Brennweite f&sub1; der ersten Linse L&sub1; gezeigt, während die vordere Brennebene B von L&sub1; zwischen L&sub1; und L&sub2; liegt. Die sphärische Linse L&sub1; führt somit zu einer Fourier-Transformation des an der Ebene A emittierten Lichtes und zeigt es an der Ebene B an; das Licht an der Ebene B ist die Fernfeld-Intensitätsverteilung des Arrays. Die zylindrische Linse L&sub2; ist am Abstand 51 vor der Ebene B angeordnet und fokussiert das Licht von jedem der Laserelemente horizontal auf eine gemeinsame Ebene 54' in einem Abstand S&sub2; auf dem Gitter 50'. Die gemeinsame auf dem Gitter 50' beleuchtete Ebene 54' entspricht einem Bild des Fernfelds des Arrays, das ursprünglich an der Ebene B erzeugt wurde, somit sind S1 und S2 durch die konventionelle Abbildungsformel 1/S1 + 1/S2 = 1/f&sub1; gegeben. (Obwohl nur der Mittenstrahl 56 des von einem bestimmten Laserelements in Fig. 7 gezeigt ist, versteht es sich, dass das optische System auf das von dem Laser über seinen gesamten Dispersionswinkel emittierte Licht in analoger Weise einwirkt.) Ein Teil des Mittenstrahls 56 wird an dem Beugungsgitter 50' in einem Winkel reflektiert und überquert wieder L&sub2;. Das Fernfeldmuster wird somit an der Ebene B wieder abgebildet, dann von L&sub1; Fourier-transformiert zurück in das Nahfeld bei der Ebene A gerichtet. Wegen des nicht senkrechten Einfalls des Lichtes auf das Gitter, wird es zurück in das Laserelement gekoppelt, das symmetrisch auf der gegenüberliegenden Seite der Achse 44' liegt. Die vertikale Ausdehnung des Fernfeldmusters ist gross, infolge des grossen Divergenzwinkels in der vertikalen Richtung, der die volle vertikale Öffnung der kollimierenden Linse L&sub1; beleuchtet. Der Strahl bleibt nach dem Passieren durch L&sub2; vertikal kollimiert, und somit wird eine grosse Zahl von Gitterlinien beleuchtet, und es wird eine gute Auflösung erreicht. Der System-Output (nicht dargestellt) ist der Hauptanteil des Strahls, der durch das Gitter übertragen wird.
Die Linse L&sub1; muss eine niedrige F-Zahl aufweisen, eine beugungsbegrenzte Linse sein, um ein gutes zurückreflektiertes Bild zu erzeugen, und muss über die gesamte Breite des Arrays gut korrigiert sein. Sphärische Linsen dieser Art haben typischerweise einen Durchmesser vom 10- bis 20-fachen des Korrekturfeldes. Für ein Array von einem Zentimeter würde eine sphärische Linse L&sub1; somit einen Durchmesser von ungefähr 10 bis 20 cm besitzen, was für praktische Systeme ausserordentlich gross ist. Es wäre gleichfalls sehr schwer und teuer. Die Verwendung von zwei zylindrischen Linsen ist bei grossen Arrays ein wirtschaftlicherer Ansatz. In Fig. 8 ist die erste Linse L&sub1; von Fig. 7 durch zwei zylindrische Linsen L&sub0; und L&sub1;' ersetzt. Die Linse L&sub0; wird verwendet, um das Licht vertikal zu kollimieren; da die optische Divergenz der Laserelemente in der vertikalen Richtung typischerweise ungefähr 90º ist, sollte diese Linse eine niedrige F-Zahl von 1 oder weniger haben. Die Linse L&sub1;' führt eine annähernde horizontale Kollimierung durch und hat demnach eine erheblich grössere F-Zahl, typischerweise ungefähr 2 bis 3. Nur die Linse L&sub0; muss eine sehr gute Qualität aufweisen, um die vertikalen Eigenschaften von 1 Mikron zu erzeugen, und muss nur ungefähr 1 cm lang sein, um mit den Arrays höchster Leistung zu arbeiten. Der Rest des Systems arbeitet in einer ähnlichen Weise wie bei Fig. 7.
In Fig. 9 ist die sphärische Linse L&sub1; gemäss Fig. 7 durch ein Array L&sub1;" sphärischer Mikrolinsen ersetzt, wobei eine getrennte Mikrolinse 58 eine Brennweite vor jedem Laserelement angeordnet ist, um das Licht von jedem Element annähernd zu kollimieren. Die zylindrische Linse L&sub2; fokussiert das Licht horizontal auf das Beugungsgitter 50', von dem infolge des nicht senkrechten Auffalls ein Teil des Lichtes zurück durch das System in ein Laserelement reflektiert wird, das symmetrisch bezüglich der Systemachse 44' angeordnet ist. In der vertikalen Richtung wird das Licht am Gitter eine Grösse haben, die vergleichbar mit dem Durchmesser von einer der Mikrolinsen ist. Falls eine grosse Ausdehnung für eine gute spektrale Auflösung erforderlich ist, kann ein Zylinderlinsenstrahlspreizer (nicht dargestellt) verwendet werden, um die Strahlen zu vergrössern.
Bei den Ausführungen, die in den Fig. 10 bis 12 gezeigt sind, wird Licht von jedem Laserelement direkt in dasselbe Laserelement zurückgeführt, von dem es ausging, anstatt zu einem Element auf der gegenüberliegenden Seite der Achse. Es sei zunächst auf Fig. 10 Bezug genommen, in der zum Zwecke der Klarheit Licht nur für ein einziges Laserelement dargestellt ist. Die sphärische Linse L&sub1; kollimiert das emittierte Licht vertikal und kollimiert das Licht von jedem Laser annähernd horizontal. Der horizontale Winkel, den der Strahl jedes Laserelementes mit der optischen Achse 44' des Systems bildet, vergrössert den Abstand des Laserelements von der Achse. Die zweite zylindrische Linse L&sub2; ist in einem Abstand f1 + f2 von L&sub1; angeordnet, wobei f1 und f2 die jeweilige Brennweiten von L&sub1; und L&sub2; sind. Somit ist die Linse L&sub2; konfokal in Bezug auf L&sub1; angeordnet und bildet das Array horizontal auf das Gitter ab, das in einem Abstand f2 jenseits der Linse L&sub2; angeordnet ist. Der Strahl von jedem Laserelement überquert die Systemachse in einem Abstand f1 von der Linse L&sub1;.
Die konfokale Anordnung der Linsen stellt sicher, dass der Mittenstrahl des Lichtkegels von jedem Laserelement auf das Gitter senkrecht auftrifft (in horizontaler Richtung) entlang einer Achse, die allgemein parallel zu der Systemachse 44' ist, und dass das Gitter als ein Katzenaugen-Reflektor arbeitet. Licht von jedem Laserelement gelangt exakt seinen Weg durch das System zurück und wird in dem Laser, aus dem es stammt, zurückgekoppelt. Falls die Linsen L&sub1; und L&sub2; nicht in einem Abstand f1 und f2 voneinander angeordnet sind, tritt das Bild des Arrays nicht in einem Abstand f2 hinter der Linse L&sub2; auf, und das Gitter würde nicht als Katzenaugen-Reflektor wirken. Abweichungen von diesem idealen Abstand führen zu einer Querverschiebung des reflektierten Strahls, der wenigstens teilweise den aktiven Verstärkungsbereich seines betreffenden Laserelementes verfehlen würde.
In der vertikalen Richtung hat der Strahl eine Höhe, die etwa gleich dem Durchmesser der Linse L&sub1; ist, so dass viele Linien des Gitters beleuchtet werden und eine gute spektrale Auflösung des Feedbacks erreicht wird. Die Linse L&sub2; sollte idealerweise eine geneigte Achse aufweisen, um an die der Gitteroberflächen angepaßt zu sein, so daß ein gut definiertes Bild auf der Gitteroberfläche gebildet wird, so daß sichergestellt ist, daß der Abstand zwischen der Linse L&sub2; und dem Gitter für alle vertikale Abstände der gleiche ist. Dies führt seinerseits zu der besten vertikalen Bildqualität des zurückreflektierten Lichts an der Laserfacette.
In Fig. 11 wird eine zylindrische Linse L&sub0; mit einer niedrigen F-Zahl verwendet, um das Licht vertikal zu kollimieren, und eine zylindrische Linse L&sub1;' mit einer viel höheren F-Zahl führt die ungefähr horizontale Kollimierung durch. Die Kriterien für diese Linsen sind ähnlich zu denjenigen, die in Zusammenhang mit Fig. 8 diskutiert wurden. Außer dem Ersatz der einzigen sphärischen Linse L&sub1; durch die beiden zylindrischen Linsen L&sub0; und L&sub1;' ist die Arbeitsweise des in Fig. 11 gezeigten Systems im wesentlichen die gleiche wie desjenigen gemäß Fig. 10.
Bei der in Fig. 12 gezeigten Abwandlung wird ein Array von sphärischen Mikrolinsen L&sub1;" verwendet, um jedes Laserelement auf das Gitter 50' abzubilden. Die Abbildung wird in einem Abstand S2 durchgeführt, wie oben definiert. Der Mittenstrahl des Lichtkegels von jedem Laserelement fällt senkrecht auf das Gitter in der horizontalen Richtung auf, und das Licht wird so direkt in das Laserelement, von dem es ausging, zurückreflektiert. Eine divergierende zylindrische Linse L&sub3; ist in einem Abstand von einer Brennweite f3 vom Gitter angeordnet und kollimiert das Licht vertikal auf eine Fläche, die groß genug ist, genügend Gitterlinien für eine gute Auflösung zu beleuchten. Um eine noch größere vertikale Punktgröße auf dem Gitter zu erreichen, könnte auch ein Strahlaufweiter/Kollimator verwendet werden.
Es wurden Versuche mit einem System gemäß Fig. 10 durchgeführt, jedoch implementiert mit der Seitenarmgeometrie von Fig. 5. Ein Laser-Array SDL-2482 mit 3 Watt wurde zusammen mit einer sphärischen Linse mit vier Elementen von Special Optics, Inc. Nr. 54-18-15-800, mit F/0,83 und mit 15 mm Brennweite, 18 mm Durchmesser, die vollständig über einen Bereich von 1 mm korrigiert war, als erste Linse L&sub1; verwendet, und mit einer plankonvexen zylindrischen Linse mit einer Brennweite von 20 cm als zweite Linse L&sub2;. Für den Versuch wurde ein holographisches Beugungsgitter mit 1800 Linien/mm und einer Reflektivität von ungefähr 62% bei der Arbeitswellenlänge von 797 nm verwendet.
Die Ausgangsleistung des Systems und die Bandbreite sind in Fig. 13 als eine Funktion des Anteils der Leistung des Ursprungsstrahls, die zu dem Beugungsgitter 50 umgelenkt wird, geplottet. Die Ausgangsleistung und -bandbreite sind durch die Kurven 60 bzw. 62 angedeutet. Wenn keine Leistung zu dem Beugungsgitter umgelenkt wurde, zeigte das Laser-Array einen Output von 2,3 Watt und eine Bandbreite von ungefähr 30 Å. Die Bandbreite verengte sich schnell, sobald das Feedback vergrö ßert wurde und erreichte 3,2 bzw. 1,9 Å bei 10% bzw. 25% der Leistung, die zum Beugungsgitter umgelenkt wurde. Somit wurde die Bandbreite um einen Faktor von ungefähr 15 bei einem Verlust bei der Ausgangsleistung von nur etwa 20-25% reduziert.
Fig. 14 zeigt Details des spektralen Outputs, der bei einer Umlenkung von 20% der Leistung zu dem Gitter erzielt wurde. Mit einer Blockierung des Gitters zur Verhinderung von jeglichem Feedback ergab sich eine Emissionsbandbreite von 30 Å, wie durch die Kurve 64 angedeutet. Mit dem zusätzlichen Feedback hatte das gesamte Spektrum von allen Laserelementen in dem Array eine volle Bandbreite von 2,2 Å bei den 1/e²- Intensitätspunkten, wie durch die Kurve 66 angezeigt, wobei e die logarithmische Basis 2,71828 ist. Die Leistung unter diesen Bedingungen betrug 1,8 Watt. Da die Auflösung des für die Messung verwendeten monochromen Systems ungefähr 0,9 Å war, war die tatsächliche Emissionsbandbreite in Wahrheit etwas geringer als diejenige durch die Kurve 62 angezeigte.
Fig. 15 zeigt die Ausgangsspektren von jedem der vier Laserelemente in dem Array in der Gegenwart von Feedback von dem Beugungsgitter. Diese Spektralkurven zeigen, daß jedes der Laserelemente im wesentlichen in derselben Bandbreite emittierte.
Das oben beschriebene System wurde verwendet, um einen Er : YLiF&sub4;-Upconversion-Laser optisch zu pumpen, was einen Output von 100 mW bei 551 nm lieferte. Unter diesen Bedingungen wurden 88% der Laserleistung in einem 5 mm langen Kristall bei der Pump-Absorptionswellenlänge von 797 nm absorbiert, die eine nominale Bandbreite von 1 Å hatte. Die Leistung des Upconversion- Lasers demonstrierte die Verwendbarkeit des Laser-Array- Systems.
Ein anderes System ist in Fig. 16 gezeigt, das nicht nur das Output-Spektrum wie bei den vorherigen Ausführungen verengt, sondern ferner auch einen Output-Strahl erzeugt, der eine geringere Divergenz als das frei laufende Laser-Array hat. Bei diesem Ansatz werden Teile des Strahls, die eine größere Winkeldivergenz aufweisen, verwendet, um eine spektrale Verengung der Teile des Strahls zu erreichen, die eine geringere Winkeldivergenz besitzen. Das Licht mit großer Divergenz wird ausschließlich auf das Beugungsgitter übertragen, während das Licht mit niedriger Divergenz als Output aus dem System herausgeführt wird.
Die Ausführung gemäß Fig. 16 verwendet eine Seitenarmgeometrie analog derjenigen von Fig. 5. Jedoch wird anstelle eines polarisierenden Strahlteilers und einer Halbwellenplatte ein Spiegel 68 mit einer Mittenöffnung 70 verwendet, um den äußeren Teil des Laser-Array-Strahls zu dem Gitter 50 zu lenken und um den mittleren Bereich des Strahls als ein Output 72 herauszuführen. Der Spiegel 68 ist an der rückwärtigen Brennebene der Linse L&sub1; angeordnet, wo die Fourier-transformierte der Outputfacette des Laser-Arrays (das Fernfeldmuster) gebildet wird. Licht, das von dem Laser-Array in einem Winkel T emittiert wird, wird auf die Spiegelebene gemäß der Beziehung R = f1T abgebildet, wobei R der Abstand von der optischen Achse 44 ist, f1 die Brennweite der Linse L&sub1; und T im Bogenmaß angegeben ist. Der Spiegel 68 wirkt so als ein Ortsfrequenzfilter, das die größeren Winkeldivergenzkomponenten des Strahls durch die Linse L&sub2; auf das Gitter sammelt und die Komponenten mit niedriger Di vergenz als System-Output herausführt. Dies ist in der Grafik von Fig. 17 verdeutlicht, in der der mittlere Teil des Strahls, der den System-Output liefert, durch die unschraffierte Fläche 74 dargestellt ist, während der äußere Teil des Strahls, der zum Feedback zur Verengung der Output-Bandbreite verwendet wird, durch die schraffierte Fläche 76 angezeigt ist. Die Komponenten mit hoher Divergenz, die zurück in das Laser-Array 38 geführt werden, verengen nicht nur die Bandbreite der Laser- Moden mit hoher Divergenz, sondern auch die Moden mit niedriger Divergenz infolge der starken Modenmischung, die innerhalb der einzelnen Laserelemente vorhanden ist.
Bei diesem Ansatz wird ein Kompromiß zwischen der Winkeldivergenz, der spektralen Verengung und der Ausgangsleistung gemacht. Wenn die Öffnung in dem Spiegel kleiner gemacht wird, um den Feedback zu vergrößern und somit ein engeres Spektrum zu erhalten, nimmt die Winkeldivergenz ab, jedoch fällt auch die Ausgangsleistung. Somit wird bei einer verengten Bandbreite die Leistung verringert, jedoch wird auch eine bessere Strahlqualität erhalten.
Es ist nicht notwendig, daß der Spiegel den Output des Laser-Arrays symmetrisch kopiert, und Merkmale, die in dem Fernfeld-Profil des Arrays vorhanden sind, können andere Ansätze nahelegen. Zum Beispiel weisen gegenwärtige Laser-Arrays mit hoher Leistung häufig Begrenzungsstreifen in jedem Laserelement auf, die bewirken, daß das Element in einer Folge von Quermoden läuft, die in Bezug auf die Streifen antisymmetrisch sind. Dies führt dazu, daß jedes Element ein zweifaches Loben- Fernfeldmuster besitzt, und das Array selbst wird als Folge ein gesamtes Doppel-Loben-Fernfeldmuster aufweisen. Dieses Phänomen ist in Fig. 18 für ein Array von 10 Watt mit der grundsätzlichen Struktur gemäß Fig. 4b gezeigt. Die Strahlleistung ist als eine Funktion der Winkeldivergenz von der Mittellinie des Strahls aufgetragen und zeigt zwei Loben 74a, 74b auf gegenüberliegenden Seiten der Mittellinie. Gemäß der Erfindung wird einer der Loben zum Feedback zur Verengung der Bandbreite verwendet und der andere als Output.
Ein System zur Anwendung dieses Ansatzes ist in Fig. 19 gezeigt. Es verwendet orthogonale zylindrische Linsen L&sub0; und L&sub1;' entlang der Hauptsystemachse 44 und eine Halbwellenplatte 46 zusammen mit einer zylindrischen Linse L&sub2; in einem Seitenarm vom Gitter 50. Ein flacher Spiegel 78 ist in Bezug auf die Linsen L&sub1;' und L&sub2; konfokal angeordnet, um eine der Loben in den Seitenarm zu reflektieren. Der Weg für die andere Lobe besitzt kein Hindernis, so daß diese als System-Output 80 austritt. Jedes der Laserelemente innerhalb des Laser-Arrays 38 trägt zu jeder der Loben bei und die Feedback-Lobe wird vom Gitter 50 zurückreflektiert und auch zu jedem der Laserelemente zurückgeführt. Wie bei Fig. 16 kann die Ausführung gemäß Fig. 19 entweder mit einer In-line- oder einer Seitenarmgeometrie ausgeführt werden, und das Feedback kann entweder zu den ursprünglichen Lasern oder zu symmetrisch angeordneten Lasern erfolgen.
Bei einer Demonstration des Systems gemäß Fig. 19 wurde ein Laser-Array SDL-3490-S von 10 Watt mit einem frei laufenden Fernfeldmuster gemäß Fig. 18 verwendet. Die Brennweite der Linsen L&sub1;' bzw. L&sub2; war 10 cm bzw. 20 cm, während die Linse L&sub0; mit einem aufeinanderfolgenden Paar von zylindrischen Linsen implementiert wurde, wobei die erste eine Brennweite von 0,635 cm und die zweite von 2,22 cm hatte. Eine Halbwellenplatte 46 wurde verwendet, um die Strahlpolarisation für eine maximale Reflexion am Gitter zu drehen. Die winkelmäßige Leistungsverteilung, die für den Ausgangsstrahl 80 erreicht wurde, ist in Fig. 20 gezeigt. Sie hatte eine volle Breite bei 1/e² von 5.5º, mit einer Leistung von 5,75 Watt. Dies kann mit dem frei laufenden Fall für dasselbe Laser-Array verglichen werden, das eine Breite von 10,9º und eine Leistung von 9,2 Watt hatte. Die Output-Divergenz wurde etwa halbiert, wie auch die Ausgangsleistung. Jedoch wurde eine sehr enge spektrale Bandbreite erreicht, wie in Fig. 21 gezeigt. Das obere Profil 82 zeigt das gesamte Spektrum von allen zwölf Laserelementen in dem Array, das eine volle Breite bei 1/e² von 2,5 Å hatte. Dies zeigte eine deutliche Reduzierung der Bandbreite von 40 Å des freilaufenden Arrays an, die durch das untere Profil 84 in Fig. 21 gezeigt ist.
Die Erfindung ermöglicht es somit, ein Hochleistungs-Array mit einer sehr engen spektralen Bandbreite und gleichfalls mit einer engen Winkeldivergenz zu erreichen. Obwohl verschiedene beispielhafte Ausführungen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden den Fachleuten zahlreiche Veränderungen und abgewandelte Ausführungen einfallen.

Claims

1. Laser-Array-System mit niedriger Bandbreite, umfassend:

ein Array (38) aus Laserelementen (38a, 30b, ..., 38n), die Laserwellenleiter mit derselben Höhe und mit denselben vorbestimmten Emissionsspektren aufweisen;

ein Beugungsgitter (50, 50'), das wenigstens teilweise Strahlung innerhalb der Emissionsspektren reflektiert; und

ein optisches Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78), das wenigstens einen Teil des optischen Outputs der Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf das Beugungsgitter (50, 50') überträgt und wobei wenigstens ein Teil dieses Anteils des optischen Outputs des Beugungsgitters von dem Beugungsgitter (50, 50') zurück auf den Laserarray (38) entlang einer Richtung, die senkrecht auf der Ebene der Laserdiodenverbindungen des Laserarrays (38) ist, reflektiert wird, um so die Bandbreite der von dem Laserarray (38) emittierten Ausgangsstrahlung deutlich zu reduzieren;

wobei der Laserarray (38) und das Beugungsgitter (50, 50') entlang einer Systemachse (44) angeordnet sind, wobei wenigstens einige der Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) gegenüber der Achse versetzt sind;

wobei die Bandbreite des Teils des Anteiles des optischen Outputs, der in den Laserarray zurückgekoppelt wird, ungefähr der Höhe der Laserwellenleiter proportional ist;

wobei das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) eine erste Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub1;, L&sub1;") umfasst, die die optischen Outputs von einem Satz von wenigstens einigen der versetzten Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) entlang der versetzten Wege, die nicht zu dem Laserarray (38) zurückführen, richtet,

dadurch gekennzeichnet, dass der Array (38) ein Array aus optisch isolierten, unabhängigen Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) ist, und dass das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) eine zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) umfasst, die dazu ausgelegt und angeordnet ist, die versetzten Wege umzulenken, so dass wenigstens ein Teil des Anteils des optischen Outputs von den versetzten Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), der auf das Beugungsgitter (50, 50') gerichtet ist, zu dem Laserarray (38) nach der Reflexion von dem Beugungsgitter (50, 50') zurückkehrt.

2. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) die versetzten Wege umlenkt, so dass die Outputs des Satzes von versetzten Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zurückgeführt werden, von denen sie nach der Reflexion von dem Beugungsgitter (50, 50') ausgehen.

3. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) die versetzten Wege umlenkt, so dass die Ausgänge der versetzten Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf andere Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) zurückgeführt werden, als auf diejenigen, von denen sie nach der Reflexion von dem Beugungsgitter (50, 50') ausgingen.

4. Laser-Array-System nach Anspruch 3, bei dem die Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) symmetrisch auf einander gegenüberliegenden Seiten der Systemachse (44) angeordnet sind, und wobei die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) die versetzten Wege so umlenkt, dass die Outputs der versetzten Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf jeder Seite der Systemachse (44) nach der Reflexion von dem Beugungsgitter (50, 50') zu den entsprechenden Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse (44) zurückgerichtet werden.

5. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) einen Teil (72, 80) des Outputs des optischen Outputs von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) als einen Output-Strahl ohne Reflexion an dem Beugungsgitter (50, 50') und einen rückgeführten Anteil des optischen Outputs von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) auf das Beugungsgitter (50, 50') richtet, um von dem Beugungsgitter (50, 50') zurück zu den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), die den Output-Strahlanteil (72, 80) bilden, reflektiert zu werden.

6. Laser-Array-System nach Anspruch 5, bei dem das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) den Output- Anteil des optischen Outputs von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) mit einer deutlich geringeren Winkeldivergenz als bei den optischen Gesamtoutputs von den Laserelementen (38a, 38b, 38n) zur Verfügung stellt.

7. Laser-Array-System nach Anspruch 6, bei dem das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) einen symmetrischen äusseren Bereich (76) des optischen Outputs von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) für den Output-Bereich auswählt.

8. Laser-Array-System nach Anspruch 6, bei dem der Array (38) von Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) ein Fernfeld- Ausgangsmuster mit einer mehrfach aufgesplitteten Leistungsverteilung (74a, 74b) erzeugt, und wobei das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) einen der Anteile (74a, 74b) für den Outputanteil und den anderen der Anteile (74a, 74b) für den Rückführanteil auswählt.

9. Laser-Array-System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, ferner umfassend:

einen Strahlteiler (48), um einen Anteil (52) des Lichtes der Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) als Output- Strahl zu übertragen und um anderes Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) auf das Reflexionselement (50, 50') zurückzurichten, und um Licht von dem Reflexionselement (50, 50') zu den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zurückzureflektieren, um so die Bandbreite der von dem Laserarray (38) emittierten Ausgangsstrahlung deutlich zu reduzieren, und wobei das optische Übertragungssystem (L&sub0;, L&sub1;, L&sub2;, L&sub3;; 68; 78) folgendes umfasst:

eine erste Linseneinrichtung (L&sub1;) zum Kollimieren von Licht aus den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), um von dem Strahlteiler (48) auf das Reflexionselement (50, 50') zurückgeworfen zu werden und

eine zweite Linseneinrichtung (L&sub2;), um Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zu fokussieren, das von dem Strahlteiler (48) auf das Reflexionselement (50, 50') zurückgeworfen wird, und um Licht zu kollimieren, das von dem Refle xionselement (50, 50') auf den Strahlteiler (48) reflektiert wird.

10. Laser-Array-System nach Anspruch 9, bei dem der Strahlteiler (48) einen polarisierenden Strahlteiler (48) umfasst und Mittel (46) vorgesehen sind, um die Polarisation des von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zu dem polarisierenden Strahlteiler (48) übertragenen Lichtes zu kontrollieren, wobei der polarisierende Strahlteiler (48) als einen Ausgangsstrahl Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) überträgt, das entlang einer ersten Achse polarisiert ist, und zu dem Reflexionselement (50, 50') Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zurückwirft, das entlang einer zweiten Achse polarisiert ist, die zu der ersten Achse senkrecht ist.

11. Laser-Array-System nach Anspruch 10, bei dem die Mittel (46) zur Steuerung der Polarisation eine drehbare Halbwellen-Platte (46) aufweisen, um die Aufteilung des Lichtes von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zwischen der ersten und der zweiten Polarisationsachse zu steuern.

12. Laser-Array-System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf gegenüberliegenden Seiten einer Systemachse (44) angeordnet sind, und bei dem der Strahlteiler (48) und das Reflexionselement (50, 50') so angeordnet sind, dass Licht derart reflektiert wird, dass die Outputs von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) auf jeder Seite der Systemachse (44) zu den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) auf der gegenüberliegenden Seite der Systemachse (44) zurückgerichtet werden.

13. Laser-Array-System nach irgendeinem der Ansprüche 9 bis 11, bei dem die Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf gegenüberliegenden Seiten einer Systemachse (44) angeordnet sind, und bei dem die erste und die zweite Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub2;) und das Reflexionselement (50, 50') so angeordnet sind, dass von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) emittiertes Licht auf jeder Seite der Systemachse (44) rückgeführt wird und von dem Reflexionselement (50, 50') zu den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) reflektiert wird, von denen es ausging.

14. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub1;") dazu ausgebildet ist, dass Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) entlang solcher Achsen kollimiert wird, die im wesentlichen parallel zu der Systemachse (44) sind, und wobei die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) dazu ausgebildet ist, Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), das von der ersten Linseneinrichtung (L&sub1;") kollimiert wurde, auf einen gemeinsamen Bereich des Beugungsgitters zu fokussieren.

15. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub1;') dazu ausgebildet ist, Licht von jedem der Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) auf eine gemeinsame Brennebene zwischen der ersten und der zweiten Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub1;', L&sub2;) zu fokussieren, und wobei die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) dazu ausgebildet ist, Licht jenseits der gemeinsamen Brennebene auf eine gemeinsame Brennebene (54') des Beugungsgitters (50, 50') zu fokussieren.

16. Laser-Array-System nach Anspruch 15, bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub1;') ein Paar von zueinander senkrechten zylindrischen Linsen (L&sub0;, L&sub1;') aufweist, die entlang Achsen angeordnet sind, die jeweils im wesentlichen parallel und im wesentlichen senkrecht zu den Linien des Beugungsgitters (50, 50') sind, wobei die zylindrische Linse, deren Achse im wesentlichen parallel zu den Linien ist, eine deutlich niedrigere F-Zahl als die andere zylindrische Linse hat.

17. Laser-Array-System nach Anspruch 1, bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub1;) dazu ausgebildet ist, Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) entlang solcher Achsen zu kollimieren, die sich an einer gemeinsamen Stelle entlang der Systemachse (44) zwischen der ersten und der zweiten Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub2;) treffen, und wobei die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) dazu ausgebildet ist, Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), das von der ersten Linseneinrichtung (L&sub1;) entlang solcher Achsen kollimiert wurde, die im wesentlichen parallel zu der Systemachse (44) sind, auf die entsprechenden Stellen auf dem Beugungsgitter (50, 50') zu fokussieren.

18. Laser-Array-System nach Anspruch 14, bei dem die erste und die zweite Linseneinrichtung (L&sub1;, L&sub2;) sphärische bzw. zylindrische Linsen aufweisen.

19. Laser-Array-System nach Anspruch 17, bei dem die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) eine zylindrische Linse aufweist, und bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub0;, L&sub1;') ein Paar von zueinander senkrechten zylindrischen Linsen (L&sub0;, L&sub1;') aufweist, die entlang von Achsen angeordnet sind, die im wesentlichen parallel und im wesentlichen senkrecht zu den Linien des Beugungsgitters (50, 50') verlaufen, wobei die zylindrische Linse, deren Achse im wesentlichen parallel zu den Linien verläuft, eine deutlich niedrigere F-Zahl als die andere zylindrische Linse aufweist.

20. Laser-Array-System nach Anspruch 18, bei dem die erste Linseneinrichtung (L&sub1;") dazu ausgebildet ist, Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) entlang solcher Achsen, die im wesentlichen parallel zu der Systemachse (44) sind, zu entsprechenden Stellen auf dem Beugungsgitter (50, 50') zu fokussieren, und wobei die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) dazu ausgebildet ist, Licht von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n), das von der ersten Linseneinrichtung (L&sub1;") fokussiert wurde, in einer Richtung im wesentlichen senkrecht zu den Linien des Beugungsgitters zu kollimieren.

21. Laser-Array-System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Linseneinrichtung einen Array aus Mikrolinsen (58) umfasst, wobei jeweils eine Mikrolinse für ein Laserelement (38a, 38b, ..., 38n) vorgesehen ist.

22. Laser-Array-System nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass

die erste Linseneinrichtung (L&sub1;) in dem Weg des von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) emittierten Lichtes einen Teil des Lichtes in einen Output-Strahl (72, 80) umwandelt;

Mittel vorgesehen sind zur Rückführung des Lichtes, das von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) durch die erste Linseneinrichtung (L&sub1;) übertragen wurde, jedoch nicht in dem Output-Strahl (72, 80) enthalten ist; und

dass die zweite Linseneinrichtung (L&sub2;) dazu ausgebildet ist, das rückgeführte Licht auf das Reflexionselement (50, 50') zu fokussieren, so dass es zu den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) zurückreflektiert wird.

23. Laser-Array-System nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (68, 70) zur Rückführung einen Teil des Lichtes von den Laserelementen (38a, 38b, ..., 38n) abblockt, so dass der Output-Strahl (72, 80) eine deutlich niedrigere Winkeldivergenz als der gesamte optische Output der Laserelemente (38a, 38b, ..., 38n) aufweist.