相關(guān)申請(qǐng)

本申請(qǐng)要求在2014年12月10日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no.62/089,839的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)。該申請(qǐng)的全部?jī)?nèi)容通過引用包含于此。

在各種實(shí)施例中，本發(fā)明涉及激光系統(tǒng)，特別地包括用于抑制光束發(fā)射器之間的光學(xué)交叉耦合的系統(tǒng)的波長(zhǎng)光束組合激光系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

高功率激光系統(tǒng)用于許多不同應(yīng)用，諸如焊接、切割、鉆孔和材料加工。這種激光系統(tǒng)通常包括激光發(fā)射器，來自激光發(fā)射器的激光被耦合到光學(xué)纖維(或簡(jiǎn)單地“光纖”)，以及光學(xué)系統(tǒng)，其將來自光纖的激光聚焦到待加工的工件上。光學(xué)系統(tǒng)通常被設(shè)計(jì)以產(chǎn)生最高質(zhì)量的激光束或等價(jià)地具有最低光束參數(shù)積(bpp)的光束。bpp是激光束的發(fā)散角(半角)和光束在其最窄處的半徑(即，束腰，最小光斑尺寸)的乘積。bpp對(duì)激光束的質(zhì)量以及它如何可以聚焦到小的光斑進(jìn)行量化，通常是以毫米-毫弧度的單位表示(mm-mrad)。高斯光束具有最低的可能的bpp，其由激光的波長(zhǎng)除以圓周率給出。在同一波長(zhǎng)的實(shí)際光束的bpp與理想高斯光束的bpp的比率表示為m²、或“光束質(zhì)量因子”，其是光束質(zhì)量的獨(dú)立于波長(zhǎng)的度量，“最好的”質(zhì)量對(duì)應(yīng)于“最低的”光束質(zhì)量因子1。

波長(zhǎng)光束組合(wbc)是用于對(duì)來自激光二極管條、二極管條堆棧、或以一維或二維陣列布置的其他激光器的輸出功率和亮度進(jìn)行調(diào)節(jié)的技術(shù)。wbc方法已經(jīng)被開發(fā)來組合沿著發(fā)射器的陣列的一個(gè)或兩個(gè)維度的光束。典型的wbc系統(tǒng)包括多個(gè)發(fā)射器，諸如一個(gè)或多個(gè)二極管條，它們使用色散元件來組合以形成多波長(zhǎng)光束。wbc系統(tǒng)中的每個(gè)發(fā)射器單獨(dú)地諧振，并且通過由色散元件沿著光束組合維度濾波的、來自通常部分反射的輸出耦合器的波長(zhǎng)特定反饋來穩(wěn)定。示例性wbc系統(tǒng)在2000年2月4日提交的美國(guó)專利no.6,192,062、1998年9月8日提交的美國(guó)專利no.6,208,679、2011年8月25日提交的美國(guó)專利no.8,670,180、以及2011年3月7日提交的美國(guó)專利no.8,559,107中詳細(xì)描述，所述專利的每一個(gè)的全部?jī)?nèi)容通過引用包含于此。

利用各種wbc技術(shù)來形成針對(duì)許多不同的應(yīng)用的高功率激光器。然而，光束發(fā)射器之間的光學(xué)交叉耦合可能導(dǎo)致具有遜于最優(yōu)亮度的傳統(tǒng)的wbc系統(tǒng)。由此，需要用于wbc激光系統(tǒng)的交叉耦合抑制配置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例，波長(zhǎng)光束組合(wbc)激光系統(tǒng)特征在于多個(gè)發(fā)射器(或“光束發(fā)射器”)，例如二極管條或二極管條的各個(gè)二極管發(fā)射器，它們被組合以形成多波長(zhǎng)光束。激光系統(tǒng)中的每個(gè)發(fā)射器單獨(dú)地諧振并經(jīng)由來自共用部分反射輸出耦合器的波長(zhǎng)特定反饋來穩(wěn)定，所述反饋通過色散元件(例如，衍射光柵、色散棱鏡、棱柵(棱鏡/光柵)、透射光柵，或中階梯光柵)沿著光束組合維度來濾波。有利地，使用非狹縫交叉耦合抑制光學(xué)系統(tǒng)來抑制反饋光束之間的串?dāng)_。在各種實(shí)施例中，交叉耦合抑制系統(tǒng)或其至少一部分被定位在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)，并且輸出耦合器被定位在由交叉耦合抑制系統(tǒng)(或其至少一部分)傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。以這種方式，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的激光系統(tǒng)產(chǎn)生具有高亮度和高功率的多波長(zhǎng)輸出光束。

在各種實(shí)施例中，交叉耦合抑制系統(tǒng)包括或主要由第一和第二光學(xué)元件(例如，透鏡)組成，并且第一光學(xué)元件的焦距大于(或甚至遠(yuǎn)大于)第二光學(xué)元件的焦距。在這種實(shí)施例中，第一光學(xué)元件可以定位在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)，并且輸出耦合器可以被定位在由第二光學(xué)元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。

在各種實(shí)施例中，光學(xué)交叉耦合還經(jīng)由使用設(shè)計(jì)的輸出耦合器來減小或基本上消除，設(shè)計(jì)的輸出耦合器最小化可能反射回至單獨(dú)的光發(fā)射器的雜散波長(zhǎng)的背反射。這種輸出耦合器可以在具有或沒有這里所述的其他交叉耦合抑制系統(tǒng)的情況下使用。在各種實(shí)施例中，部分反射輸出耦合器包括在區(qū)域中除了部分反射部之外的其表面上的防反射涂層，部分反射部被設(shè)計(jì)大小并定位以僅攔截多波長(zhǎng)光束。部分反射部可以從輸出耦合器的剩余部分突出，或者部分反射部可以與剩余部分基本上共面。

在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，輸出耦合器可以包括或主要由光纖組成，光纖的核心被設(shè)計(jì)大小和定位以僅攔截多波長(zhǎng)光束。核心的表面可以是部分反射的，和/或核心可以在其中包括光纖布拉格光柵以提供光束的實(shí)現(xiàn)反饋的反射。光纖的包層可以涂布有防反射涂層以防止從其產(chǎn)生的雜散光反射和光學(xué)交叉耦合。端蓋可以存在于光纖上以用于例如環(huán)境保護(hù)和/或減小光纖的端部處的功率密度。在各種實(shí)施例中，光纖可以包括模式消除器和/或與模式消除器一起使用，模式消除器基本上消除從在光纖內(nèi)傳播的光的不想要的模式。

本發(fā)明的實(shí)施例將多波長(zhǎng)輸出光束耦合至光纖中。在各種實(shí)施例中，光纖具有圍繞單個(gè)核心的多個(gè)包層、單個(gè)包層內(nèi)的多個(gè)離散核心區(qū)域(或“核心”)、或由多個(gè)包層圍繞的多個(gè)核心。在各種實(shí)施例中，輸出光束可以被輸送至工件以用于諸如切割、焊接等的應(yīng)用。

這里，“光學(xué)元件”可以指透鏡、反射鏡、棱鏡和光柵等中的任一種，其重定向、反射、彎曲或以任何其他方式光學(xué)地操縱電磁輻射。這里，光束發(fā)射器、發(fā)射器、或激光發(fā)射器、或激光器包括諸如半導(dǎo)體元件的任何電磁光束生成裝置，其生成電磁光束，但可以或可以不是自諧振的。這些還包括光纖激光器、盤形激光器、非固態(tài)激光器、垂直腔面發(fā)射激光器(vcsel)等。通常，每個(gè)激光器包括背反射表面、至少一個(gè)光學(xué)增益介質(zhì)、以及前反射表面。光學(xué)增益介質(zhì)增大電磁輻射的增益，電磁輻射不限于電磁光譜的任何特定部分，而可以是可見光、紅外光和/或紫外光。發(fā)射器可以包括或主要由多光束發(fā)射器組成，諸如被配置為發(fā)射多光束的二極管條。在這里的實(shí)施例中接收到的輸入光束可以是單波長(zhǎng)或使用本領(lǐng)域中已知的各種技術(shù)組合的多波長(zhǎng)光束。

諸如在以下通用描述中描述的激光二極管陣列、條和/或堆?？梢耘c這里所述的創(chuàng)新的實(shí)施例相關(guān)聯(lián)地使用。激光二極管可以單獨(dú)地或分組地封裝，通常以一維行/陣列(二極管條)或二維陣列(二極管條堆棧)。二極管陣列堆棧通常是二極管條的垂直堆棧。激光二極管條或陣列通常比等價(jià)的單一寬域(broadarea)二極管實(shí)現(xiàn)基本上較高的功率并且成本有效。高功率二極管條通常包含寬域發(fā)射器的陣列，以相對(duì)差的光束質(zhì)量生成幾十瓦特；盡管功率較高，但亮度通常低于寬域激光二極管的亮度。高功率二極管條可以堆疊以產(chǎn)生高功率堆疊的二極管條以用于生成幾百或幾千瓦特的極高的功率。激光二極管陣列可以被配置為將光束發(fā)射至自由空間或至光纖中。光纖耦合的二極管激光器陣列可以傳統(tǒng)地用作用于光纖激光器和光纖放大器的泵浦源。

二極管激光器條是一種類型的半導(dǎo)體激光器，其包含寬域發(fā)射器的一維陣列或可替換地包含具有例如10-20個(gè)窄帶發(fā)射器的子陣列。寬域二極管條通常包含例如19-49個(gè)發(fā)射器，每個(gè)發(fā)射器具有例如1μm×100μm的級(jí)別的尺寸。沿著1μm維度或快軸的光束質(zhì)量通常是衍射受限的。沿著100μm維度或慢軸或陣列維度的光束質(zhì)量通常是多次衍射受限的。通常，用于商業(yè)應(yīng)用的二極管條具有1-4mm的級(jí)別的激光諧振器長(zhǎng)度，約10mm寬，并生成幾十瓦特的輸出功率。大多數(shù)二極管條在從780至1070nm的波長(zhǎng)區(qū)域中操作，其中808nm(用于泵浦釹激光器)和940nm(用于泵浦yb:yag)的波長(zhǎng)是最突出的。915–976nm的波長(zhǎng)范圍用于泵浦摻鉺或摻鐿高功率光纖激光器和放大器。

二極管堆棧簡(jiǎn)單地是可以輸送非常高的輸出功率的多個(gè)二極管條的布置。也稱為二極管激光器堆棧、多條模塊或二維激光器陣列，最常用的二極管堆棧布置是垂直堆棧，其有效地是邊緣發(fā)射器的二維陣列。這種堆棧可以通過將二極管條附接至薄的散熱器并且堆疊這些組件以獲得二極管條和散熱器的周期陣列來制造。也存在水平二極管堆棧以及二維堆棧。針對(duì)高光束質(zhì)量，二極管條通常應(yīng)當(dāng)盡可能地相互靠近。另一方面，有效的冷卻需要安裝在條之間的散熱器的一些最小的厚度。二極管條空間的該折衷導(dǎo)致二極管堆棧在垂直方向上的光束質(zhì)量(以及隨后其亮度)遠(yuǎn)低于單一二極管條的光束質(zhì)量。然而，存在用于顯著地緩解該問題的幾種技術(shù)，例如通過不同二極管堆棧的輸出的空間交錯(cuò)，通過偏振耦合或通過波分復(fù)用。各種類型的高功率光束成形器和相關(guān)裝置已經(jīng)被開發(fā)用于這種目的。二極管堆?？梢蕴峁O高的輸出功率(例如，幾百或幾千瓦特)。

在一個(gè)方面，本發(fā)明的實(shí)施例的特征在于激光系統(tǒng)，其包括或主要由以下組成：各自發(fā)射光束的光束發(fā)射器的陣列(例如，一維陣列或二維陣列)、用于朝向色散元件聚焦光束的聚焦光學(xué)器件、用于接收和分散聚焦光束由此形成多波長(zhǎng)光束的色散元件、以及用于接收多波長(zhǎng)光束的光纖。光纖包括或主要由以下組成：(i)核心，用于接收多波長(zhǎng)光束、將其第一部分朝向色散元件反射回，以及將其第二部分作為由多個(gè)波長(zhǎng)組成的輸出光束傳輸，核心具有部分反射表面，以及(ii)圍繞核心的包層，具有對(duì)于多波長(zhǎng)光束的小于1％的反射率。

本發(fā)明的實(shí)施例可以以各種組合中的任一個(gè)包括以下中的一個(gè)或多個(gè)。核心的一部分可以從包層突出。核心的表面可以大致與包層的表面共面。光纖可以被定位為使得，在核心的部分反射表面處，核心的直徑(或其他橫向維度，例如寬度)不小于多波長(zhǎng)光束的直徑(或其他橫向維度，例如寬度)。核心的直徑可以大致等于或大于多波長(zhǎng)光束的直徑。端蓋可以附接至光纖并設(shè)置在核心的部分反射表面的光學(xué)上游。防反射涂層可以設(shè)置在光纖的包層上。模式消除器可以圍繞光纖的核心的至少一部分設(shè)置。模式消除器可以圍繞光纖的包層的至少一部分設(shè)置。聚焦光學(xué)器件可以包括或主要由一個(gè)或多個(gè)柱面透鏡、一個(gè)或多個(gè)球面透鏡、一個(gè)或多個(gè)球面反射鏡、和/或一個(gè)或多個(gè)柱面反射鏡組成。色散元件可以包括或主要由衍射光柵(例如，透射式衍射光柵或反射式衍射光柵)組成。

激光系統(tǒng)可以包括用于在減小其交叉耦合的同時(shí)接收和傳輸多波長(zhǎng)光束的交叉耦合抑制系統(tǒng)。光纖的核心的部分反射表面可以設(shè)置在由交叉耦合抑制系統(tǒng)傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。交叉耦合抑制系統(tǒng)的至少一部分可以設(shè)置在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以是無焦的。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以包括或主要由無焦望遠(yuǎn)鏡組成。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以包括或主要由具有第一焦距的第一光學(xué)元件和具有第二焦距的第二光學(xué)元件組成。第一光學(xué)元件可以設(shè)置在第二光學(xué)元件的光學(xué)上游。第一焦距可以比第二焦距大至少兩倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光學(xué)元件的每一個(gè)可以包括或主要由透鏡(例如，柱面透鏡或球面透鏡)組成。第一光學(xué)元件可以設(shè)置在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。光纖的核心的部分反射表面可以設(shè)置在由第二光學(xué)元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。第一和第二光學(xué)元件之間的光學(xué)距離可以大致等于第一和第二焦距的總和。

在另一方面，本發(fā)明的實(shí)施例的特征在于激光系統(tǒng)，其包括或主要由以下組成：各自發(fā)射光束的光束發(fā)射器的陣列；聚焦光學(xué)器件，用于朝向色散元件聚焦光束；色散元件，用于接收和分散所聚焦的光束，由此形成多波長(zhǎng)光束；交叉耦合抑制系統(tǒng)，用于在減小其交叉耦合的同時(shí)接收和傳輸多波長(zhǎng)光束；設(shè)置在交叉耦合抑制系統(tǒng)的光學(xué)下游的光纖，用于接收多波長(zhǎng)光束；以及設(shè)置在光纖內(nèi)的光纖布拉格光柵，用于接收多波長(zhǎng)光束，將其第一部分朝向交叉耦合抑制系統(tǒng)反射回，并將其第二部分作為由多個(gè)波長(zhǎng)組成的輸出光束傳輸。

本發(fā)明的實(shí)施例可以以各種組合中的任一個(gè)包括以下中的一個(gè)或多個(gè)。端蓋可以附接至光纖并設(shè)置在光纖布拉格光柵的光學(xué)上游。聚焦光學(xué)器件可以包括主要由一個(gè)或多個(gè)柱面透鏡、一個(gè)或多個(gè)球面透鏡、一個(gè)或多個(gè)球面反射鏡、和/或一個(gè)或多個(gè)柱面反射鏡組成。色散元件可以包括或主要由衍射光柵(例如，透射式衍射光柵或反射式衍射光柵)組成。模式消除器可以圍繞光纖的至少一部分設(shè)置。光纖布拉格光柵可以設(shè)置在由交叉耦合抑制系統(tǒng)傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。交叉耦合抑制系統(tǒng)的至少一部分可以設(shè)置在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以是無焦的。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以包括或主要由無焦望遠(yuǎn)鏡組成。交叉耦合抑制系統(tǒng)可以或包括主要由具有第一焦距的第一光學(xué)元件和具有第二焦距的第二光學(xué)元件組成。第一光學(xué)元件可以設(shè)置在第二光學(xué)元件的光學(xué)上游。第一焦距可以比第二焦距大至少兩倍、至少三倍、至少五倍、至少七倍、至少十倍、或至少100倍。第一和第二光學(xué)元件的每一個(gè)可以包括或主要由透鏡(例如，柱面透鏡或球面透鏡)組成。第一光學(xué)元件可以設(shè)置在由色散元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。光纖布拉格光柵可以設(shè)置在由第二光學(xué)元件傳輸?shù)亩嗖ㄩL(zhǎng)光束的瑞利距離內(nèi)。第一和第二光學(xué)元件之間的光學(xué)距離可以大致等于第一和第二焦距的總和。

這些以及其他目標(biāo)連同這里公開的本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和特征將通過參考以下說明書、附圖和權(quán)利要求而變得更加明顯。此外，可以理解，這里描述的各種實(shí)施例的特征不相互排斥，并且可以以各種組合和排列存在。如這里使用的，術(shù)語“基本上”和“大約”意味著±10％，并且在一些實(shí)施例中為±5％。術(shù)語“主要由…組成”意思是排除對(duì)功能有貢獻(xiàn)的其他材料，除非另外在這里定義。但是，這種其他材料可以總地或單獨(dú)地以微量存在。這里，術(shù)語“輻射”和“光”互換使用，除非另外指出。這里，“下游”或“光學(xué)下游”被使用以表示光束在遇到第一元件之后撞擊的第二元件的相對(duì)放置，第一元件是第二元件的“上游”或“光學(xué)上游”。這里，兩個(gè)部件之間的“光學(xué)距離”是光束實(shí)際經(jīng)過的兩個(gè)部件之間的距離；光學(xué)距離可以是但不必須等于由于例如來自反射鏡的反射或由從部件中的一個(gè)行進(jìn)至另一個(gè)的光經(jīng)歷的在傳播方向上的其他改變引起的兩個(gè)部件之間的物理距離。

附圖說明

在圖中，相同的附圖標(biāo)記在不同的視圖中通常指的是相同的部件。而且，圖不需要按比例，而是通常強(qiáng)調(diào)示出本發(fā)明的原理。在以下描述中，參考以下附圖描述本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，其中：

圖1a是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在非光束組合維度的波長(zhǎng)光束組合(wbc)方法的示意圖；

圖1b是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的在光束組合維度的波長(zhǎng)光束組合(wbc)方法的示意圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的包括光學(xué)交叉耦合抑制系統(tǒng)的wbc激光系統(tǒng)的示意圖；

圖3是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于wbc激光系統(tǒng)的示例性光學(xué)交叉耦合抑制系統(tǒng)的示意圖；

圖4是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于wbc激光系統(tǒng)的光學(xué)交叉耦合抑制系統(tǒng)和輸出耦合器的示意圖；

圖5是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用于wbc激光系統(tǒng)的光學(xué)元件和輸出耦合器的示意圖；以及

圖6-8是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的用作用于wbc激光系統(tǒng)的輸出耦合器的光纖的部分的示意圖。

具體實(shí)施方式

方面和實(shí)施例通常涉及使用外腔將激光源調(diào)節(jié)至高功率和高亮度的領(lǐng)域，以及更特別地涉及用于使用一維或二維激光源的外腔光束組合的方法和設(shè)備。在一個(gè)實(shí)施例中，外腔系統(tǒng)包括一維或二維激光元件、光學(xué)系統(tǒng)、色散元件和部分反射元件。光學(xué)系統(tǒng)是執(zhí)行兩個(gè)基本功能的一個(gè)或多個(gè)光學(xué)元件。第一個(gè)功能是將所有激光元件沿光束組合維度重疊到色散元件上。第二個(gè)功能是確保沿著非光束組合維度的所有元件與輸出耦合器正交地傳播。在各種實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)引入盡可能少的損耗。因此，這兩個(gè)功能將使單個(gè)諧振腔用于所有激光元件。

在另一實(shí)施例中，wbc外腔系統(tǒng)包括波長(zhǎng)穩(wěn)定的一維或二維激光元件、光學(xué)系統(tǒng)和色散元件。具有獨(dú)特波長(zhǎng)的一維或二維波長(zhǎng)穩(wěn)定激光元件可以使用各種部件來實(shí)現(xiàn)，諸如具有來自波長(zhǎng)啁啾體布拉格光柵的反饋的激光元件、分布反饋(dfb)激光元件、或分布布拉格反射(dbr)激光元件。這里的光學(xué)系統(tǒng)的主要功能是將所有光束重疊到色散元件上。當(dāng)不存在波長(zhǎng)穩(wěn)定激光元件外部的輸出耦合鏡時(shí)，具有沿非光束組合維度的平行光束不太重要。方面和實(shí)施例進(jìn)一步涉及高功率和/或高亮度的多波長(zhǎng)外腔激光器，其生成從非常低的輸出功率到數(shù)百甚至兆瓦的輸出功率的重疊或同軸光束。

本發(fā)明的實(shí)施例抑制了wbc激光系統(tǒng)中非起源發(fā)射器的意外和/或不期望的反饋的量。例如，在wbc系統(tǒng)中，兩個(gè)單獨(dú)的光束發(fā)射器共享共用部分反射鏡(諸如輸出耦合器)，存在來自一個(gè)發(fā)射器的反饋光進(jìn)入另一個(gè)發(fā)射器的可能性。來自“非起源”發(fā)射器的這種不期望的反饋(或“串?dāng)_”或“交叉耦合”)降低了系統(tǒng)的效率。本文所述的方法和實(shí)施例可應(yīng)用于沿慢速發(fā)散維度(或“方向”)、快速發(fā)散維度或其它光束組合維度的一維和二維光束組合系統(tǒng)。為了該應(yīng)用的目的，發(fā)射光束具有以下形式：一個(gè)維度接近或完全是衍射受限，而另一個(gè)維度是多次衍射受限。另一種描述這一點(diǎn)的方法可以是軸和/或維度。例如，輸出光束可以具有慢速和快速發(fā)散軸或尺寸。

在使用術(shù)語遠(yuǎn)大于時(shí)，在談及一個(gè)光學(xué)元件的焦距與另一光學(xué)元件的焦距相比(f1>>f2)的情況下，可以理解為至少2、3、4、5、7倍或更大的因子。例如，f1的焦距可以是100mm或更大，而f2的焦距是50mm或更少。在另一示例中，f1的焦距可以是200mm或更大，而f2是20mm或更少。術(shù)語“角濾波器”指的是針對(duì)反饋光束創(chuàng)建指定數(shù)值孔徑。該數(shù)值孔徑的大小可以將允許的反饋限制為僅對(duì)應(yīng)于最初發(fā)射的光束。即，角濾波器防止相鄰或附近的發(fā)射光束返回至該最初的發(fā)射器(即，串?dāng)_)。發(fā)射器的穩(wěn)定化指的是由已被限縮至不同波長(zhǎng)的每個(gè)發(fā)射器接收到的反饋。這可以是利用特定波長(zhǎng)播種發(fā)射器的形式，其導(dǎo)致所發(fā)射光束的一部分被重定向回至發(fā)射器，并干涉反饋，諸如將光柵放置在路徑中，以產(chǎn)生要作為反饋被引導(dǎo)至發(fā)射器中的不同波長(zhǎng)。通常，反饋被反射回最初的發(fā)射區(qū)域，其中其在進(jìn)入回至最初的發(fā)射器的光學(xué)增益介質(zhì)部分之前穿過色散元件或衍射光柵。在一些wbc實(shí)施例中，反饋源可以是共用反射表面，其將反饋提供至多個(gè)發(fā)射器，反饋光束的每一個(gè)獨(dú)立地轉(zhuǎn)向特定波長(zhǎng)。

圖1a-1b示出外腔一維(1-d)wbc系統(tǒng)，包括或由以下組成：具有背反射表面104、具有例如兩個(gè)或更多個(gè)二極管發(fā)射器105的增益介質(zhì)106、前反射表面108的一維光束發(fā)射器102(例如，二極管條)、組合光學(xué)器件110、色散元件112、以及部分反射輸出耦合器114。在該實(shí)施例中，組合光學(xué)器件或透鏡110與二極管條102的前反射表面108距離焦距120a放置，而在透鏡110的背板或其他側(cè)面上，色散元件112距離焦距120b放置。輸出耦合器114被放置在離色散元件112的特定距離處，并將所生成的光束的一部分(反饋116)反射回至色散元件112。

在該實(shí)施例中，組合透鏡110的放置完成兩個(gè)功能。第一個(gè)功能是將來自所有二極管元件的所有主光線重疊到色散元件112。第二個(gè)功能是校準(zhǔn)兩個(gè)軸上的每個(gè)光束。圖1a和1b示出非光束組合維度130的視圖(圖1a)和光束組合維度140的視圖(圖1b)的示意圖。發(fā)射器102包括或主要由以下組成：多個(gè)發(fā)射器(例如，二極管發(fā)射器)105、背反射表面104、增益介質(zhì)106和前表面/小面108。

在wbc諧振器中，鄰接的發(fā)射器可能會(huì)光學(xué)地彼此交叉耦合。這可能嚴(yán)重地降低輸出光束質(zhì)量。圖2是具有兩個(gè)鄰接的發(fā)射器202a和202b的wbc諧振器的示意圖，發(fā)射器202a和202b將其標(biāo)稱在軸主光線260a和260b(示出為實(shí)線)發(fā)射至透鏡210，透鏡210將它們聚焦在色散元件(例如，衍射光柵)212的中心上。從這里，兩個(gè)主光線以它們自己的獨(dú)特波長(zhǎng)被衍射以沿著相同的軸240傳播，通過交叉耦合抑制光學(xué)器件250，其代表光柵212和部分反射耦合器214之間的任何和所有透鏡或光學(xué)元件。兩個(gè)光線之后被部分反射回至它們本身，向后傳播以自耦合至它們各自的發(fā)射器中。圖2中的虛線261a和261b示出將導(dǎo)致兩個(gè)發(fā)射器之間的光學(xué)交叉耦合的主光線——即，從一個(gè)發(fā)射器發(fā)射的主光線耦合回至另一發(fā)射器。

以下參數(shù)被如下定義：

d＝兩個(gè)發(fā)射器之間的距離(在軸之上和之下+/-(d/2)對(duì)稱地布置)。

ε＝偏離角(在發(fā)射器處的實(shí)線主光線和虛線主光線之間的角度)。

θ1/2＝發(fā)射器在wbc方向上的半發(fā)散遠(yuǎn)場(chǎng)角。

l0＝從發(fā)射器到透鏡l1的距離。

f1＝透鏡l1的焦距。

在圖2中，光柵被示出如同其在法向入射時(shí)工作。這里，假設(shè)系統(tǒng)在利特羅(littrow)配置下操作，其中入射角和衍射角是相等的(以及非零的)。在利特羅配置中，入射角的小的改變通過衍射角的相等改變被匹配至第一級(jí)。在展開示意圖中，在利特羅處操作的任何光線將似乎筆直地傳播通過光柵。清楚的是，僅中心光線202c(從在兩個(gè)發(fā)射器202a和202b之間的虛構(gòu)發(fā)射器發(fā)射的光線)在利特羅處自耦合。

圖2中的對(duì)稱性是故意的，因?yàn)槠湓讵?dú)特偏離角ε的分析中允許多次重要的簡(jiǎn)化，以該偏離角ε主光線可以離開一個(gè)發(fā)射器并返回至另一發(fā)射器。第一次基于對(duì)稱性的簡(jiǎn)化是偏離的(虛線)主光線必須在其中心撞擊耦合器。第二次簡(jiǎn)化是交叉耦合波長(zhǎng)必須是兩個(gè)自耦合波長(zhǎng)的平均。這將反過來是兩個(gè)發(fā)射器之間的虛構(gòu)發(fā)射器的波長(zhǎng)，兩個(gè)發(fā)射器如上所述將在利特羅處自耦合。因此，圖2中的虛線主光線必須在利特羅處穿過光柵，意味著它們將似乎直線地傳播通過所示出的光柵。通過使用該簡(jiǎn)化，傳統(tǒng)的“y/y-條”(主光線高度/主光線斜率)分析可以用于追蹤頂部虛線主光線：

離開頂部發(fā)射器：

進(jìn)入透鏡l1：

離開透鏡l1：

進(jìn)入和離開光柵(從以上論述回想到，虛線主光線在光柵處不改變方向)：

為了完成在耦合器處的涉及傳播通過交叉耦合抑制光學(xué)器件的計(jì)算，回想到虛線主光線在其中心橫穿耦合器。因此，僅在耦合器處的光線斜率是非零的，并且注意在光柵處的光線高度和光線斜率必須都與在耦合器處的光線斜率成比例。這意味著在光柵處的高度與斜率的比率必須是常數(shù)。并且，可以將該常數(shù)非常直觀地解釋為耦合器離光柵的有效距離的負(fù)數(shù)，如由交叉耦合抑制光學(xué)器件所確定的。換句話說，

其中，lcplr_eff是耦合器超出光柵(的右邊)的有效距離。

實(shí)際上，lcplr_eff可以利用光線追蹤或利用光柵后透鏡的y/y-條分析來計(jì)算。但是在任何情況下，等式9允許針對(duì)偏離角ε求解等式7和8，具有以下結(jié)果：

既然導(dǎo)致交叉耦合的偏離角ε已經(jīng)被確定，則可以計(jì)算交叉耦合的量。交叉耦合的一個(gè)合理的定義是自耦合強(qiáng)度和交叉耦合強(qiáng)度的乘積的在發(fā)射器處對(duì)立體角的積分，其通過自耦合強(qiáng)度的平方的積分來標(biāo)準(zhǔn)化。在計(jì)算該積分之前，重要的是注意以簡(jiǎn)化對(duì)稱性的名義，假設(shè)在交叉耦合發(fā)射器處的出射和入射光束同等地偏離。由此，針對(duì)重疊積分，考慮未偏離的一個(gè)光束(自耦合光束)以及要被偏離兩倍的角度ε的另一光束(交叉耦合光束)。將該段放入等式形式提供：

(注意，等式11涉及在單個(gè)角上的一維積分，而不是在立體角上的二維積分。這是因?yàn)樵谂c光束偏離正交的方向上的在角度上的積分得到落到等式11中的比率之外的常數(shù)。)等式11可以被簡(jiǎn)化以得到：

總之，可以根據(jù)等式10按照已知的參數(shù)來計(jì)算相關(guān)偏離角ε。所得到的重疊(overlap)之后可以根據(jù)等式12來計(jì)算。這給出交叉耦合強(qiáng)度與自耦合強(qiáng)度的比率，假定在自耦合情況下，在耦合器處存在完美的束腰。

當(dāng)靠近但不完全在將發(fā)射器放置得從l1向后一個(gè)焦距的通常配置處時(shí)，存在對(duì)交叉耦合具有大的影響的非常有趣的可能性。如果我們正好將發(fā)射器放在那里，則等式10的分母中的第一項(xiàng)將是零，并且等式10將減少至：

將等式13代入等式12得到：

這里，d’是在近場(chǎng)處的發(fā)射器直徑，以及zr是光束的瑞利距離。由此，為了減少交叉耦合，近場(chǎng)填充因子(d/d’)應(yīng)當(dāng)很高，光柵和耦合器之間的光路長(zhǎng)度應(yīng)當(dāng)很長(zhǎng)，并且瑞利距離應(yīng)當(dāng)很短。通常，近場(chǎng)填充因子是固定的。作為示例，如果假定為wbc系統(tǒng)包括20個(gè)二極管條以及具有2000mm的焦距的變換透鏡，則在光柵處的光束尺寸大致為40mm(假定20毫弧度全光束散度)。這種光束的瑞利距離(1μm波長(zhǎng)和衍射受限)是約160m。光柵和輸出耦合器之間的距離應(yīng)當(dāng)與用于交叉耦合抑制的瑞利距離差不多。這種長(zhǎng)度將使得wbc系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上不切實(shí)際。然而，如果光束在光柵和輸出耦合器之間被縮小40×，則光路長(zhǎng)度被縮短160×或約1m。光路長(zhǎng)度的進(jìn)一步減小可以使用光束尺寸的較大的減小來實(shí)現(xiàn)。光束縮小可以使用諸如透鏡、棱鏡或它們的組合的各種機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。仔細(xì)的設(shè)計(jì)必須被考慮以使得每個(gè)發(fā)射器的自耦合不削弱以使得腔性能受損。

但是，如果發(fā)射器輕微從該位置離開，則等式10的分母中的第一項(xiàng)實(shí)際上可以抵消第二項(xiàng)，使得所需的偏離角無限大并且交叉耦合重疊為零。具體來說，這種情況當(dāng)滿足以下時(shí)發(fā)生：

換句話說，當(dāng)至耦合器的有效距離lcplr_eff非常大時(shí)，等式14給我們可能的配方，用于從l1的前焦點(diǎn)輕微地往回拉發(fā)射器，以破壞交叉耦合。

圖3示出在圖2中由框示出的交叉耦合抑制系統(tǒng)250的一個(gè)示例。這里，光學(xué)元件302可以是具有焦距f1304的透鏡。第二光學(xué)元件306也可以是透鏡并具有焦距f2308。302和306之間的距離確切地或大約是焦距f1和f2的和。如之前論述的，優(yōu)選的是，f1與f2的比率(f1/f2)是至少兩倍或更大。系統(tǒng)250可以是無焦點(diǎn)伸縮系統(tǒng)。在其他實(shí)施例中，多個(gè)光學(xué)元件可以被使用，其中，系統(tǒng)的效果仍保持具有大比率的無焦點(diǎn)伸縮系統(tǒng)的特性。

在各種實(shí)施例中，期望將透鏡302放置在從色散元件(例如，衍射光柵)傳輸?shù)墓馐娜鹄嚯x內(nèi)，同時(shí)也將部分反射輸出耦合器或其他反射表面放置在從透鏡306出來的光束的瑞利距離內(nèi)。通過適當(dāng)?shù)貙⒕哂衒1>>f2關(guān)系的透鏡放置在這些位置內(nèi)，有效的系統(tǒng)被創(chuàng)建以減小并在一些情況下消除從進(jìn)入非起源發(fā)射器或源的任何交叉耦合反饋。

圖4示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的穩(wěn)定系統(tǒng)400(其可以是wbc激光系統(tǒng)的一部分)，其中，光學(xué)交叉耦合抑制系統(tǒng)(其可以包括或主要由光學(xué)元件410、420組成)與部分反射輸出耦合器430結(jié)合使用，部分反射輸出耦合器430被設(shè)計(jì)為最小化可能導(dǎo)致不想要的反饋的反射。如所示出的，輸出耦合器430包括部分反射光束接收部分434，其被設(shè)計(jì)尺寸并定位成接收來自光學(xué)元件420的光束。具體地，光束接收部分434通常具有與其接收的光束的直徑(或其他橫向維度)大致相同的尺寸的直徑(或其他橫向維度)。可以大致居中在輸出耦合器430的表面上的光束接收部分434被非反射部分(或表面)432圍繞，非反射部分432具有對(duì)所接收到的光束的波長(zhǎng)的1％或更少的反射率。例如，非反射部分432可以涂布有防反射涂層以防止可能導(dǎo)致光學(xué)串?dāng)_的不期望的背向反射。由此，在光束接收部分434之外傳播至輸出耦合器430的任何雜散光將不被反射回至wbc系統(tǒng)的光束發(fā)射器。光束接收部分434可以從耦合器430的表面的剩余部分突出(即，可以相對(duì)于非反射部分432升高)，如圖4中所示出的，或者光束接收部分434可以大致與非反射部分432共面。

光束接收部分434可以對(duì)光束的波長(zhǎng)具有小于大約15％的反射率，例如在大約2％至大約10％的范圍中，以提供來自相關(guān)聯(lián)發(fā)射器的光束的期望波長(zhǎng)穩(wěn)定。可以理解，所接收光束的剩余部分將穿過輸出耦合器430并傳輸至下游的光學(xué)系統(tǒng)部件(例如，光纖或工件)。

圖5示出根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的穩(wěn)定系統(tǒng)500(其可以是wbc激光系統(tǒng)的一部分)，其中，光學(xué)元件510(例如，柱面或球面透鏡)簡(jiǎn)單地將光束聚焦在部分反射輸出耦合器430上，并且在它們之間不存在第二個(gè)準(zhǔn)直光學(xué)元件。以這種方式，輸出耦合器430可以在不使用光學(xué)交叉耦合抑制系統(tǒng)(例如，包括或主要由諸如透鏡的兩個(gè)或更多個(gè)光學(xué)元件組成)的情況下在wbc激光系統(tǒng)中使用。

圖6示出wbc激光系統(tǒng)600的一部分，其中，光學(xué)元件610將光直接聚焦至光纖的核心650中，光纖包括作為部分反射輸出耦合器操作的一個(gè)或多個(gè)特征。如示出的，光纖還可以具有圍繞核心650的包層640；通常，包層640具有小于核心650的折射率的折射率，以使得核心650內(nèi)的光被限制。核心650的端面可以與包層的端面642大致共面，或者核心650可以從表面642輕微突出。為了提供波長(zhǎng)穩(wěn)定，核心650的端面可以對(duì)光束的波長(zhǎng)是部分反射的(例如，在大約2％和大約10％之間反射，或者在大約4％和大約10％之間反射)。在各種實(shí)施例中，部分反射率可以由核心的端面上的涂層提供。

在本發(fā)明的各種實(shí)施例中，代替部分反射涂層或除了部分反射涂層以外，光纖布拉格光柵654可以設(shè)置在核心650內(nèi)以提供期望的部分反射率。如本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的，光纖布拉格光柵包括或主要由光纖的一部分(例如，在核心650內(nèi))的折射率的周期變化組成。周期變化可以是例如所接收到的光束的波長(zhǎng)(或波長(zhǎng)之一)的一半的級(jí)別，并且光柵由此引起菲涅爾反射。反射的波長(zhǎng)依賴性和/或幅度可以通過特定光柵圖案和其中的折射率變化來選擇。在各種實(shí)施例中，多個(gè)光纖布拉格光柵654可以設(shè)置在核心650內(nèi)，并且每個(gè)光柵654可以具有不同的折射率變化和/或波長(zhǎng)選擇性。

在各種實(shí)施例中，包層640的表面642可以涂布有防反射涂層以防止從反射回的光偏離至相鄰的發(fā)射器或光束的任何偏離光。例如，表面642可以被涂布以具有針對(duì)光束的波長(zhǎng)的小于1％的反射率。

圖7示出波長(zhǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)700(其可以是wbc激光系統(tǒng)的一部分)，其中，光學(xué)元件710將光聚焦至光纖的核心650中。在系統(tǒng)700中，端蓋720設(shè)置在核心650上并與核心650(以及在一些實(shí)施例中，包層640的表面642)接觸；在一些實(shí)施例中，端蓋720附接至光纖，它們之間具有折射率匹配材料。在其他實(shí)施例中，光纖的至少一部分(例如，核心650)被直接熔融至端蓋720。如圖7中所示，端蓋720的存在實(shí)現(xiàn)光纖和入射光束之間的有效接口(即，光束進(jìn)入端蓋的點(diǎn))以在其具有更大直徑(或?qū)挾?時(shí)接收光束，由此減少光束在進(jìn)入光纖時(shí)的功率密度。端蓋720的存在還可以保護(hù)光纖的其他部分以防止熱量、濕氣和/或其他環(huán)境污染物。

圖8示出波長(zhǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)800(其可以是wbc激光系統(tǒng)的一部分)，其中，光學(xué)元件810將光聚焦至光纖的核心650中。系統(tǒng)800包括模式消除器820以進(jìn)一步增大光纖對(duì)于光束的純度和傳輸能力?？梢岳斫猓S著光束改變傳輸介質(zhì)，各種折射指數(shù)和至光纖中的光入射角可能導(dǎo)致包層模式，即，光在包層的材料內(nèi)行進(jìn)。該包層模式可能是不期望的，因?yàn)檫@種光可能導(dǎo)致波長(zhǎng)失真和原始光束的污染。如本領(lǐng)域技術(shù)人員所知道的，模式消除器820可以包括、主要由、或由以下組成：具有折射率不小于(即，等于或大于)包層640的折射率的材料；以這種方式，可能通常以包層模式在包層內(nèi)傳播的光將優(yōu)先地進(jìn)入模式消除器并且從光纖輻射出去。在各種實(shí)施例中，模式消除器820將具有比包層640的折射率大的折射率。如圖8中所示，折射率匹配材料830可以設(shè)置在核心650(或在一些實(shí)施例中，包層640)和模式消除器820之間。(如這里使用的，術(shù)語“折射率匹配材料”指的是設(shè)置在兩種其他材料之間并且具有折射率在兩種材料的折射率之間或大致等于一種或兩種材料的折射率的材料。)盡管圖8示出直接圍繞核心650的模式消除器820，在多種實(shí)施例中，包層640的至少一部分設(shè)置在核心650和模式消除器820之間。

在前述波長(zhǎng)穩(wěn)定系統(tǒng)中的任一個(gè)中，可以理解，光束可以經(jīng)由被配置為實(shí)現(xiàn)期望光束質(zhì)量的光學(xué)和/或色散元件的增加以各種方式操縱。例如，諸如光柵和/或準(zhǔn)直器的光學(xué)元件可以存在于wbc系統(tǒng)和/或穩(wěn)定系統(tǒng)中。還可以理解，部分反射元件可以通過包括但不限于提供光柵、涂層等許多手段設(shè)置有部分反射性質(zhì)，以實(shí)現(xiàn)期望的傳輸和期望的反射質(zhì)量。

這里使用的術(shù)語和表達(dá)用作描述的術(shù)語并且沒有限制，并且在使用這些術(shù)語和表達(dá)時(shí)，沒有意圖排除所示出和描述的特征的任何等價(jià)或其部分，但可以理解，各種修改可以在所要求保護(hù)的本發(fā)明的范圍內(nèi)。