JP2017539083A - 波長ビーム結合レーザシステムのための光学相互結合軽減システム - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2014年12月10日に出願された米国仮特許出願第62/089,839号の利益、およびそれに対して優先権を主張する。上記出願の全ての開示内容は、参照することによって本明細書において援用される。
種々の実施形態では、本発明は、レーザシステム、具体的には、ビームエミッタの間の光学相互結合を軽減するためのシステムを組み込む、波長ビーム結合レーザシステムに関する。
高出力レーザシステムは、溶接、切断、穿孔、および材料加工等の異なる用途のホストに利用される。そのようなレーザシステムは、典型的には、そこからのレーザ光が光ファイバ(または単純に「ファイバ」)の中へ結合される、レーザエミッタと、ファイバから処理される加工対象物上にレーザ光を集束させる光学システムとを含む。光学システムは、典型的には、高品質レーザビーム、または同等に、最低ビームパラメータ積(BPP)を伴うビームを生成するように設計される。BPPは、レーザビームの発散角度(半角)およびその最も狭い点(すなわち、ビームウェスト、最小スポットサイズ)におけるビームの半径の積である。BPPは、レーザビームの品質と、それがどれだけ良好に小さいスポットに集束されることができるかを定量化し、典型的には、ミリメートル・ミリラジアン(mm−mrad)の単位で表される。ガウスビームは、パイによって除算されるレーザ光の波長によって求められる、可能な限り最も低いBPPを有する。同一の波長における理想ガウスビームのBPPに対する実際のビームのBPPの比は、M2、またはビーム品質の波長非依存性尺度である「ビーム品質係数」で表され、「最良」品質は、1という「最低」ビーム品質係数に対応する。
本発明の実施形態によると、波長ビーム結合(WBC)レーザシステムは、多波長ビームを形成するように組み合わせられる、複数のエミッタ(または「ビームエミッタ」)、例えば、ダイオードバーまたはダイオードバーの個々のダイオードエミッタを特色とする。レーザシステムの中の各エミッタは、個別に共振し、ビーム結合次元に沿って分散要素(例えば、回折格子、分散プリズム、グリズム(プリズム/格子)、透過格子、またはエシェル格子)によってフィルタ処理される、共通部分反射出力結合器からの波長特異的フィードバックを介して、安定させられる。有利なこととして、フィードバックビームの間のクロストークは、非スリットベースの相互結合軽減光学システムを使用して軽減される。種々の実施形態では、相互結合軽減システムまたはその少なくとも一部は、分散要素によって透過させられる多波長ビームのレイリー範囲内に位置付けられ、出力結合器は、相互結合軽減システム(またはその少なくとも一部)によって透過させられる多波長ビームのレイリー範囲内に位置付けられる。このようにして、本発明の実施形態によるレーザシステムは、高い輝度および高い電力を有する、多波長出力ビームを生成する。
側面および実施形態は、概して、外部空洞を使用して、レーザ源を高出力および高輝度に拡大縮小すること、具体的には、1次元または2次元レーザ源の両方を使用する、外部空洞ビーム結合のための方法および装置に関する。一実施形態では、外部空洞システムは、1次元または2次元レーザ要素と、光学システムと、分散要素と、部分反射要素とを含む。光学システムは、2つの基本機能を果たす、1つ以上の光学要素である。第1の機能は、ビーム結合次元に沿った全てのレーザ要素を分散要素上に重ね合わせることである。第2の機能は、非ビーム結合次元に沿った全ての要素が出力結合器と垂直に伝搬していることを確実にすることである。種々の実施形態では、光学システムは、可能な限り少しの損失を導入する。したがって、これら2つの機能は、全てのレーザ要素のための単一の共振空洞を可能にするであろう。
d=2つのエミッタの間の距離(軸の上方および下方で+/−(d/2)だけ対称に変位させられる)
上部エミッタから退出する:
Claims (30)
- レーザシステムであって、
それぞれがビームを発する、ビームエミッタのアレイと、
分散要素に向かって前記ビームを集束させるための集束光学部と、
前記集束されたビームを受容して分散させ、それによって多波長ビームを形成するための分散要素と、
前記多波長ビームを受容するための光ファイバであって、前記光ファイバは、(i)コアであって、前記コアは、前記多波長ビームを受容し、前記分散要素に向かって戻るように前記多波長ビームの第1の部分を反射し、複数の波長から成る出力ビームとして前記多波長ビームの第2の部分を透過させ、前記コアは、部分反射表面を有する、コアと、(ii)前記コアを囲繞する、1%未満の前記多波長ビームに対する反射率を有するクラッディングとを備える、光ファイバと
を備える、レーザシステム。 - 前記コアの一部は、前記クラッディングから突出している、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバは、前記コアの前記部分反射表面において、前記コアの直径が前記多波長ビームの直径未満であるように、位置付けられている、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバに取り付けられ、前記コアの前記部分反射表面の光学的に上流に配置されている、端部キャップをさらに備える、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバの前記クラッディングを覆って配置された反射防止コーティングをさらに備える、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバの前記コアの少なくとも一部の周囲に配置されたモードストリッパをさらに備える、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記多波長ビームの相互結合を低減させながら、前記多波長ビームを受容して透過させるための相互結合軽減システムをさらに備える、請求項1に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバの前記コアの前記部分的反射表面は、前記相互結合軽減システムによって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項7に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムの少なくとも一部は、前記分散要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項7に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムは、無限焦点望遠鏡を備える、請求項7に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムは、第1の焦点距離を有する第1の光学要素と、第2の焦点距離を有する第2の光学要素とを備え、前記第1の光学要素は、前記第2の光学要素の光学的に上流に配置されている、請求項7に記載のレーザシステム。
- 前記第1の焦点距離は、前記第2の焦点距離より少なくとも2倍大きい、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記第1の焦点距離は、前記第2の焦点距離より少なくとも7倍大きい、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記第1および第2の光学要素のそれぞれは、レンズを備える、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記第1の光学要素は、前記分散要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバの前記コアの前記部分的反射表面は、前記第2の光学要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項11に記載のレーザシステム。
- 前記第1の光学要素と前記第2の光学要素との間の光学距離は、前記第1および第2の焦点距離の合計とほぼ等しい、請求項11に記載のレーザシステム。
- レーザシステムであって、
それぞれがビームを発する、ビームエミッタのアレイと、
分散要素に向かって前記ビームを集束させるための集束光学部と、
前記集束されたビームを受容して分散させ、それによって多波長ビームを形成するための分散要素と、
前記多波長ビームの相互結合を低減させながら、前記多波長ビームを受容して透過させるための相互結合軽減システムと、
前記相互結合軽減システムの光学的に下流に配置されている、前記多波長ビームを受容するための光ファイバと、
前記光ファイバ内に配置されたファイバブラッグ格子であって、前記ファイバブラッグ格子は、前記多波長ビームを受容し、前記相互結合軽減システムに向かって戻るように前記多波長ビームの第1の部分を反射し、複数の波長から成る出力ビームとして前記多波長ビームの第2の部分を透過させる、ファイバブラッグ格子と
を備える、レーザシステム。 - 前記光ファイバに取り付けられ、前記ファイバブラッグ格子の光学的に上流に配置されている、端部キャップをさらに備える、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記光ファイバの少なくとも一部の周囲に配置されたモードストリッパをさらに備える、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記ファイバブラッグ格子は、前記相互結合軽減システムによって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムの少なくとも一部は、前記分散要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムは、無限焦点望遠鏡を備える、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記相互結合軽減システムは、第1の焦点距離を有する第1の光学要素と、第2の焦点距離を有する第2の光学要素とを備え、前記第1の光学要素は、前記第2の光学要素の光学的に上流に配置されている、請求項18に記載のレーザシステム。
- 前記第1の焦点距離は、前記第2の焦点距離より少なくとも2倍大きい、請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記第1の焦点距離は、前記第2の焦点距離より少なくとも7倍大きい、請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記第1および第2の光学要素のそれぞれは、レンズを備える、請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記第1の光学要素は、前記分散要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記ファイバブラッグ格子は、前記第2の光学要素によって透過させられる前記多波長ビームのレイリー範囲内に配置されている、請求項24に記載のレーザシステム。
- 前記第1の光学要素と前記第2の光学要素との間の光学距離は、前記第1および第2の焦点距離の合計とほぼ等しい、請求項24に記載のレーザシステム。
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